基于工频滤波的线路绝缘及定相测试仿真

邢华栋，刘锋，张爱军

(内蒙古电力科学研究院， 呼和浩特 010020)

0 引 言

随着电网的发展，输电线路多回、交叉情况日益增多，使输电线路上感应出较高的感应电压、电流。由于感应电压的存在，在进行定相及绝缘测试时，人身及设备安全将受到威胁。文献[1]对高感应电压输电线路的定相及绝缘测试方法进行了总结与比较，指出采用降低感应电压后直接用兆欧表(绝缘电阻表)测试的方法是一种既能够明显判断线路相位又能真实反应实际测试值的较好方法，对人身及设备安全都有保障。文献[2]放弃兆欧表的使用，而是基于消弧线圈电感电流补偿电容电流的原理，专门设计了一种电压倒相补偿的线路交流感应电压消除装置，取得了良好效果，但设备成本高，接线复杂。上述方法均采用了降低线路感应电压的技术路线。文献[3]中提出了一种基于RC分压原理的工频滤波器，将其加装在兆欧表和输电线路之间后可以有效降低兆欧表上的工频感应电压，但仿真验证用的感应电线路模型过于简单和理想化，工程参考价值不高。文章利用PSCAD对工频滤波器和一条实际同塔双回500 kV线路进行详细建模，按照实际工程中的线路绝缘测试和定相测试步骤进行系统仿真，对工频滤波器的性能和效果进行深入分析，为工程实践提供参考。

1 工频滤波器的基本原理

工频滤波器实质为RC低通滤波器，其原理和使用方法如图1所示。工频滤波器由Rf和Cf串联而成。设线路感应电压为U1，串联工频滤波器后，兆欧表输出端L与E之间承受的电压为U2。

图1 工频滤波器原理图Fig.1 Principle diagram of power frequency filter

根据相关电路理论[4]，U1与U2的关系式为：

(1)

式中ω0为工频角频率。若ω0RfCf≫1，则式(1)的分母中可将1省略，进而近似为：

(2)

可见，只要工频滤波器的电阻与电容的乘积足够大，那么加在兆欧表上的工频电压就可以基本消除。

兆欧表输出的是直流电，当兆欧表经工频滤波器对线路进行绝缘及定相测试时，由于电容通交流阻直流的特性，工频滤波器在直流回路中相当于一个电阻，依然能够保证兆欧表输出的电流全部流过线路，此时，兆欧表测出的绝缘电阻为线路绝缘电阻和工频滤波器内阻之和。设兆欧表测出的绝缘电阻为Rdc，线路绝缘电阻为RL，则有RL=Rdc-Rf。可见，工频滤波器不会对绝缘及定相测试结果造成影响。

2 工频滤波器的应用仿真

用PSCAD/EMTDC对高感应电压线路绝缘及定相测试过程进行建模仿真，对比在使用和不使用工频滤波器两种情况下感应电压对兆欧表的影响。

2.1 同塔双回线路建模

同塔双回线路的PSCAD模型参照文献[5]和文献[6]提供的武-察双回500 kV线路进行搭建，线路模型采用频率相关的相域模型[7]，该线路的杆塔模型见图2。

图2 同塔双回500 kV线路模型Fig.2 Model of 500 kV double circuit transmission line on the same tower

为了更准确的模拟输电线路，PSCAD 4.5及以上的版本中增加了线路导体的绞线模型。武-察线导线型号为4×JL/G1A-400/35，单根分裂导线共55股，外半径为0.0134 m，其中铝绞线共48股，单根铝绞线半径为0.001 6 m[8]。

对武-察双回线进行单体仿真，对武-察II线进行工频参数测试[9-11]，将仿真结果与实测数据[6]以及BPA中的500 kV线路典型工频参数进行对比，见表1。

表1 武- 察II线的工频参数Tab.1 Power frequency parameters of Wucha line II

从表1看出，仿真得出的线路工频参数与该线路的实测值以及BPA典型值非常接近，证明了本线路模型的准确性。

武-察I线正常运行，线路潮流2 000 MW，线路平均电压525 kV，分别对武-察II线在悬空和两侧接地两种状态下的感应电情况进行仿真研究。

武-察II线悬空时，线路感应电压以静电感应分量为主；武-察II线两侧接地时线路静电感应电压较小，感应电流以电磁感应分量为主[12-15]，武-察II线的静电感应电压与电磁感应电流见表2。

表2 武-察II线的静电感应电压与电磁感应电流Tab.2 Electrostatic induction voltage and electromagnetic induction current in Wucha line II

2.2 兆欧表的建模

常用的兆欧表分为机械式和数字式。机械式兆欧表内部采用交流手摇发电机、倍压整理电路产生高压直流电[3,16]；数字式兆欧表采用直流电源经DC-DC斩波升压电路产生高压直流电[17-18]。两种形式的兆欧表产生高压的方式不同，但目的均是产生高压直流电。另外，兆欧表的短路电流均为毫安级，因此对外等效电阻值很大。可见，对于被测设备，兆欧表表现为一个具有高内阻的直流电压源。因此可用恒定直流电压源串联高值电阻的模型模拟兆欧表。

仿真中，采用2 500 V直流电压源和0.5 MΩ电阻模拟额定电压为2 500 V短路电流为5 mA的兆欧表。根据工程实际经验，兆欧表有一定的耐压水平和过载能力，在仿真中其能承受的最大电压按2 700 V考虑，最大电流按5.5 mA考虑。

2.3 工频滤波器建模

工频滤波器结构简单，只需用一个电容和一个电阻即可搭建模型，关键在于参数的选取。

根据式(1)，若想将加在兆欧表上的工频感应电压降低1 000倍，则工频滤波器的ω0RfCf=1 000，RfCf=3.185。

关于Rf的取值，应从两方面考虑：(1)测量误差。兆欧表进行绝缘电阻测试时，随着测量值的增大，误差也在增大，考虑到使用工频滤波器后，其电阻值是要计入兆欧表的测试结果中的，因此，工频滤波器的电阻应尽量小，以免增大兆欧表的测量误差[3]；(2)测试时间，对悬空的输电线路进行绝缘测试时，工频滤波器与线路对地电容构成串联回路，电阻值越大，充电时间越长，为了减少因工频滤波器而增加的测试时间，Rf值也应尽量小。

关于Cf的取值，由于兆欧表内阻与工频滤波器的电容构成串联回路，电阻值越大，充电时间越长，因此从测试时间的角度考虑，Cf也是越小越好。

综上，工频滤波器的电阻和电容取值均为越小越好，然而，在降压倍数不变的情况下，Rf和Cf的值成反比，因此，电阻和电容的最优取值不可兼得。现给出三种不同参数的工频滤波器见表3，在下面的仿真中，这些工频滤波器将分别被用于线路绝缘及定相测试仿真中，从测试时间的角度对比性能。

表3 三种不同参数的工频滤波器Tab.3 Three types of power frequency filters with different parameters

2.4 绝缘及定相测试仿真

线路的绝缘及定相测试分为绝缘测试和定相测试，需分别对每相进行单独测试。

绝缘测试的目的是确认线路绝缘是否良好，其方法为先使三相线路两侧悬空，分别用兆欧表对三个单相线路进行绝缘测试，兆欧表读数超过30 MΩ且持续增长说明线路绝缘合格，无接地点。

定相测试的目的是确认线路两端相序是否一致，其方法为，分别将各相线路末端依次接地，例如先将线路末端的A相接地，另外两相保持悬空，用兆欧表对本侧A相进行绝缘测试，读数为0说明线路两侧都为A相，读数超过30 MΩ且持续增长说明两侧相序不一致。

对武-察II线进行绝缘定相仿真测试，仿真模型见图3。图3中，武-察I线正常运行，输送潮流为2 000 MW，武-察II线为待测线路。BRK1为武-察II线测试端开关，为常开状态，BRK2为武-察II线末端(对侧)接地开关，当进行绝缘测试时，BRK2三相位置为分位，进行定相测试时，BRK2被测相的位置为合位，其它相为分位。BRK3为兆欧表开关，用于模拟兆欧表的投退，BRK4为工频滤波器开关，用于模拟工频滤波器的投退。

2.4.1 绝缘测试仿真

对武-察II线A相线路进行绝缘测试仿真，为对比工频滤波器效果，分别对不加装工频滤波器和加装工频滤波器两种方式进行仿真。

不加装工频滤波器时，将图3中的工频滤波器以及BRK4删除，用兆欧表直接对A相线路进行测试，BRK2三相位置设置为分位，0.1 s时BRK3闭合，模拟兆欧表投入，兆欧表输出端的电压、电流波形见图4。

图3 带工频滤波器的同塔双回线路绝缘及定相测试仿真模型Fig.3 Simulation model of insulation and phasing test on double circuit transmission line on the same tower by using power frequency filter

图4 绝缘测试无工频滤波器时兆欧表输出端电压、电流Fig.4 Output voltage and current of megger in insulation test without power frequency filter

图4中的Udc和Idc分别为兆欧表输出端的电压和电流。由仿真结果看出，无工频滤波器时，加在兆欧表上的工频感应电压很大，幅值为38 kV，有效值为27 kV，是兆欧表最大耐受电压的10倍，兆欧表的绝缘会因此而遭到破坏。同时，流过兆欧表的电流幅值达到80 mA，有效值为56 mA，是兆欧表最大电流的10.3倍，兆欧表内部元件会因过载而烧坏。

加装二型工频滤波器后，在图3所示的模型上进行仿真，0.1 s时BRK4闭合，模拟工频滤波器投入，0.3 s时BRK3闭合，模拟兆欧表投入。兆欧表输出端波形及测试结果见图5和图6。

图5 加装二型工频滤波器后的兆欧表输出端电压Fig.5 Voltage of megger output terminals after using the second type of power frequency filter

图6中Rdc为兆欧表测出的绝缘电阻值，为兆欧表输出端电压与电流之比，呈逐渐增大趋势，说明A相对地绝缘良好，无接地点。

从图5和图6看出，工频滤波器有效降低了兆欧表上的工频感应电压和电流，叠加在兆欧表输出端直流电压上的工频交流分量幅值仅为38 V，流过兆欧表的电流在投入瞬间达到最大值5.04 mA，之后迅速衰减逐渐趋向于0。虽然电压和电流略微超额定值，但均在兆欧表可承受范围内，因此兆欧表不会受到损坏。

分别将一、三型工频滤波器再次用于绝缘测试仿真，对比三种参数工频滤波器的性能，见表4。

表4 绝缘测试中三种参数工频滤波器性能对比Tab.4 The performance comparison on three power frequency filters with different parameters in the insulation test

用一型和三型工频滤波器进行绝缘测试的时间均大于用二型工频滤波器的时间，一型工频滤波器甚至使测试时间达到70 s以上，这与RC串联回路的时间常数有很大关系。武-察II线A相对地电容为0.008 1×84=0.68 μF，一型工频滤波器的Cf为31.847 μF，远远大于线路对地电容，兆欧表内阻和工频滤波器Cf组成的串联回路时间常数约为16 s，3～5个时间常数才能使电容充满电，Cf过大是一型工频滤波器使测试时间长的主要原因。三型工频滤波器的Cf为0.319 μF，与武-察II线A相对地电容在数量级上相当，但由于工频滤波器Rf高达10 MΩ，其与线路对地电容组成的串联回路时间常数约为7 s，3～5个时间常数才能使电容充满电，Rf较大是三型工频滤波器使测试时间较长的原因。二型工频滤波器所选参数相对于其它工频滤波器更为合理，因此测试时间最短，约为10 s左右。

2.4.2 定相测试仿真

对武-察II线A相线路进行定相测试仿真，将BRK2的A相位置设置为合位，B、C相为分位，用来模拟线路末端A相接地。

不加工频滤波器时，用兆欧表直接对A相线路进行测试，0.1 s时BRK3闭合，模拟兆欧表投入，兆欧表输出端的电压、电流波形见图7。

图7 定相测试无工频滤波器时兆欧表输出端电压与电流Fig.7 Output voltage and current of megger in phasing test without power frequency filter

从仿真结果看出，兆欧表输出端的直流电压中叠加了很大的工频电压，幅值为5.5 kV，有效值为3.9 kV，是兆欧表最大耐受电压的1.4倍；直流电流中叠加了幅值为11 mA的工频电流，有效值为7.8 mA，是兆欧表最大承受电流的1.4倍，兆欧表的绝缘和内部元件被损坏。

加装二型工频滤波器后进行定相测试仿真，0.1 s 时BRK4闭合，0.3 s时BRK3闭合。兆欧表输出端波形及测试结果见图8。

图8 定相测试加装二型工t/s频滤波器后兆欧表压、电流及测试结果Fig.8 Voltage,current and test result of megger after using the second type power frequency filter in the phasing test

从图8看出，加装二型工频滤波器后，测试过程中兆欧表输出端的电压和电流均在合格范围内，7.5 s 时绝缘电阻值稳定为1 MΩ，正好为工频滤波器的电阻值，说明线路对地绝缘电阻为0，可得出A相对侧接地的结论，证明该相线路的相序正确。可见，加装工频滤波器后，兆欧表得到了有效保护，同时，测量结果没有受到影响。

分别用一型和三型工频滤波器再次进行定相测试，对比三种参数工频滤波器的性能，见表5。

表5 定相测试中三种参数工频滤波器性能对比Tab.5 Performance comparison of three power frequency filters of different parameters in the phasing test

由于A相线路末端接地，线路对地电容可忽略，因此影响测试时间的主要因素为兆欧表内阻与工频滤波器的Cf构成的RC串联回路时间常数，Cf越小，测试时间越短。

3 结束语

对停运线路进行绝缘测试及定相测试时，过高的感应电压对兆欧表是一种潜在危险。工频滤波器不以降低线路上的感应电压为目的，但可以将兆欧表上的工频感应电压基本滤除，通过对实际同塔双回500 kV输电线路进行建模，并在此基础上对加装工频滤波器的绝缘及定相测试进行仿真，可得出以下结论：

(1)将工频滤波器用于高感应电的输电线路绝缘及定相测试，可以在不影响测量结果的情况下有效保护兆欧表，在工程上是一种简单可行的方法；

(2)工频滤波器的参数对测试时间影响很大，电阻过大和电容过大均会增加测试时间。在工程实际中，绝缘及定相测试的时间控制在1分钟以内是可以接受的，因此推荐兆欧表的电阻范围为1 MΩ～10 MΩ，根据电阻和降压倍数即可计算出电容值。本仿真中的二型工频滤波器性能较好，适用于500 kV及以下输电线路的绝缘及定相测试。