500 kV 智慧变电站过电压监测设计及应用

孙泽中，易辉，李欣，刘卫东，杨庆

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.国网湖南省电力有限公司岳阳供电公司，湖南 岳阳 414000；3.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410004；4.重庆大学，重庆 400044)

0 引言

随着国民经济不断发展，对电力系统安全稳定运行的要求也越来越高[1]。理论研究与实际运行经验表明，系统承受的各类外部和内部过电压是引发电力系统绝缘事故的重要原因[2－5]。故障发生时，系统内常出现幅值大、频率高的过电压与过电流，常规故障录波器采样频率多为10 kHz 左右，对于高频率故障波形监测能力不足，无法实现波形的完整记录。

针对以上问题，部分地区开始推进智慧变电站项目建设，关注关键电力设备的状态监测能力，不断提高故障波形的实时监测能力[6－20]。文献[11－12] 基于容性设备电容分压原理，设计了电压在线监测装置，并分析不同情况下的装置监测效果。文献[13－14] 基于电流互感器，设计了对应的硬件电路，并基于特定环境设计了环境参量测量、移动控制与显示等定制化功能，提高了雷电流的感知能力。文献[15－20] 基于已有的监测数据，侧重于利用蒙特卡洛、大数据分析等不同方法对监测数据结果进行特征提取，实现过电压故障类型的识别。综合以上研究可知，虽然已有研究开展了变电站的在线监测工作，但通常侧重于过电压或过电流单项监测，尚未开展站内设备整体性监测。同时，已有状态检测工作多针对于110 kV、220 kV 变电站，500 kV变电站站内设备状态监测能力仍有待进一步提高。

针对该问题，研制了电容式电压互感器(capacitor voltage transfor，CVT) 过电压监测装置与避雷器放电电流监测装置，并运用于500 kV 智慧变电站改造中，实现站内500 kV 侧三相CVT 过电压、避雷器动作电流的在线监测，实时获取电网故障量波形数据及其特征参数，提高500 kV变电站数据监测能力，对于分析电网事故原因、改进电网绝缘配合、防止过电压造成次生灾害等方面具有重大作用。

1 500 kV 变电站在线监测系统

在线监测系统包含CVT 过电压监测装置与避雷器放电电流监测装置，采用多点分布监测、集中控制的运行方式，硬件部分由过电压采集装置与避雷器泄放电流采集装置组成。在线监测系统整体结构如图1 所示，经过过电压采集装置以及放电电流采集装置采集的波形信号，经衰减、信号调理与变换后，最后传输数据至计算机后台与内部网络，基于采集的波形可开展进一步的数据分析。

图1 在线监测采集系统原理图

1.1 CVT 过电压监测装置

对于变电站内过电压监测，目前主要有两种技术方案:一是容性设备末屏过电压传感器，利用变压器套管、电容式电压互感器等容性设备末屏，接入全密封、长寿命、高可靠专用电容分压单元，组成容性设备末屏过电压传感器，该方法测量准确性高，受干扰少；二是高压电场过电压传感器，采用非接触式设计理念，利用高压交变电场感应原理监测过电压信号，与一次设备无接触，结构简洁安全可靠。

考虑电压互感器二次侧电压信号易受绕组材质、变比、空间磁场影响，无法准确真实反映一次侧过电压完整波形特征。因此，选择直接在一次侧串接分压电容，实现电压信号采集。由于后端设备要求采集电压不大于200 V，选择在CVT 末屏串接10～50 μF 大电容，过电压监测装置从该串接电容取电压信号，实现母线电压采集。

分压电容安装于电容式电压互感器末屏测量抽头处，接入串接电容前，首先需将CVT 末屏接地解开，并分别连接无感双屏蔽同轴电缆，电缆中间串接分压电容后经另一端接地。如图2 所示，CVT末屏N 端解开，串接分压电容C串接，串接分压电容另一端接地。

图2 容性设备末屏过电压传感器

对于串接分压电容后的组合设备，如图3 所示，电容式电压互感器与串接分压电容可分别等效为两个大电容，其中C总为电压互感器一次侧总电容，C串接为串接分压电容，U1为一次侧电压值，U2为串接电容分压。则有分压电容采集的电压U2如下式所示:

图3 CVT 串接分压电容后的等效原理图

如上式可知，由于C总对于站内设备为定值，因此装置采集电压U2仅与C串接相关，设计合理的电容值便能实现高电压的采集。

1.2 避雷器放电电流监测装置

雷电放电电流为幅值极高、频率极高的冲击电流，普通电流测量装置无法实现雷电放电电流波形的实时监测。避雷器放电电流监测装置基于非接触式原理，利用皮尔逊宽带脉冲电流互感器，感应流过避雷器的泄放电流。当被测电流沿轴线通过测量线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，磁场强度H由安培环路定律得:

当次级线圈感应到变化的磁通量后，便会在线圈上感应出电压，通过测量该电压便能实现电流的测量。图4 为避雷器放电电流监测装置实物，泄流电流经电流互感器中心穿过。

图4 避雷器放电电流监测装置实物

1.3 基于EMTP－ATP 的串接分压电容影响分析

串接分压电容接入后，将对原电压互感器一次侧电压分布产生影响，如图5 所示为电压互感器电容分压原理图。串接分压电容前，二次侧采集的电压主要受一次侧C下2电容分压影响。当CVT 一次侧末屏串接分压电容后，二次侧采集电压受C下2与串接电容C串接共同影响。在二次侧变比未改变时，二次侧电压变化率与一次C下2、串接电容C分压变化率相 同。根据公式 (1)，并结合仿真软件AtpDraw，计算出串接电容前后，测量的一次侧电压测量情况如图6 与表1 所示。

图5 串接电容前后电容分压情况

图6 500 kV 侧CVT 串接电容前后一次侧测量电压

表1 CVT 串接电容前后采集一次侧电压

由图6 与表1 可知，串接分压电容后，对原电压互感器电压采集影响很小，变化率小于0.5%，在二次保护及非计量端的误差容许范围内。因此，可采用串接分压电容方式采集一次侧电压信号。

1.4 信号传输电缆电感对参数采集的影响

在电压采集过程中，串接分压电容后，电压信号经一根长电缆传输，应充分考虑电缆本身电感对采集波形的影响。对于采集装置的电缆，有电感可通过式(3) 计算:

式中，L为电缆电感量，H；l为电缆长度，m；r为电缆半径，mm；μ0为真空磁导率，4π×10－7。

以使用的ZR－YJV22－1000－2×2.5 型电缆为例，横截面 积2.5 mm2，长度20 m，半径0.892 mm，则根据式 (3)，有电缆电感L＝39.84 μH，在EMTP－ATP 中建立CVT 过电压采集装置电缆电感影响仿真模型如图7 所示。

图7 EMTP－ATP 中电缆电感量影响仿真模型

其中，设置C1为5 000 pF，C2为35 μF，线路电感为39.84 μH，输出阻抗为50 Ω，则有输入输出信号如图8 所示。

图8 输入输出电压信号对比示意图

由图8 可知，电压信号输入输出波形一致，信号传输电缆电感对过电压信号采集影响较小。

2 装置安装与现场测试

2.1 装置选取与参数确定

2.1.1 CVT 过电压监测装置设备选取

选择串接分压电容时，应获取容性设备一次侧总电容，在线监测装置用于500 kV 变电站智慧化改造，涉及的1 号主变压器500 kV 侧CVT 三相与220 kV 备用间隔A 相CVT 额定电容均为5 000 pF，即图3 中C总电容量为5 000 pF。

选取分压电容大小时，考虑到选取的后端过电压数据采集装置要求采集电压信号应小于200 V，因此根据式(1)，设计220 kV 间隔串接电容设计值为16 μF、500 kV 间隔为35 μF，计算典型运行工况下的分压电容分压值见表2。

表2 典型电压下的CVT 装置取样电压值

如表2 所示，经串接分压电容采集的电压值较小，在后端采集装置要求范围内，能够实现电压采集工作。

2.1.2 避雷器放电电流设备选择

雷电流通常较大，幅值范围分布在几千安到上百千安，根据文献[21]，雷击放电电流集中在0～20 kA的概率为40.74%，由于线路两侧存在分流以及传播过程衰减，实际传输到站内的雷击过电流已基本小于20 kA。本次选择的电流传感器量程为0～25 kA，参数见表3，能实现避雷器泄放电流的测量工作。

表3 Pearson 宽带脉冲电流互感器参数

安装电流传感器时，应不破坏原站内设备布置情况。如图9 所示，电流传感器安装在500 kV 变电站原HVM2000 数字式就地监测单元箱内，泄流电缆经电流传感器中心穿过，采用非接触穿心式安装，不会影响原有装置功能。

图9 泄流电缆经电流传感器内部通过

电流互感器取样输出电压值见表4，在正常运行时，避雷器无泄放电流，取样电压为0 V，出现雷电过电压时，雷电流经避雷器泄放。

表4 不同情况下避雷器电流互感器取样电压值

2.1.3 在线监测系统现场安装测试

500 kV 变电站CVT 过电压监测装置与避雷器放电电流监测装置现场安装情况如图10 所示。CVT 过电压、避雷器释放电流监测采集装置实时采集母线上的电压波形、流过避雷器的放电电流，并经衰减后，经采集卡转换为数字信号，随后传送至后台终端，完成数据采集。

图10 CVT 过电压、避雷器释放电流监测装置实物图

2.2 装置功能现场实测

为测试在线监测系统性能，在装置安装后开展监测装置信号采集功能现场测试。试验中，在衰减器前施加不同幅值的正弦波信号，模拟系统运行电压，在后台读取监测系统采集数据，记录输入信号与输出信号，并对监测设备运行稳定性与数据采集能力进行分析。

为更好衡量测试效果，定义测量变比K和正弦波对称轴偏移率H。其中，变比K为输入电压与输出电压之比，如式(4) 所示:

定义正弦波对称轴偏移率H，衡量对称轴偏离程度，越趋于0 表明偏离越小，如式(5) 所示:

经现场测试，参考式(4)、(5) 计算得到变比K与正弦波对称轴偏移率H如图11 所示。

图11 变比K 和正弦波对称轴偏移率H 随施加电压变化

从图11 可以看出，随着外施信号源电压幅值增大，变比逐渐增加，趋于100，正弦波对称轴偏移率逐渐趋于0，即电压越大，监测设备的取样效果越好；当施加电压大于10 V 时，逐步趋于稳定，此时数据传输效果好。由于电压取样信号经过衰减器，其误差常呈现中间低、两头高的现象，因此随着外施电压的增大，设备取样效果变好。

500 kV 变电站过电压和放电电流对应的采样电压值在50～350 V，处于衰减器的中间范围，信号传输变形小，准确率相对较高，能够满足在线监测系统的信号采集与传输要求。

3 结论

本文从采集方案理论设计、设备参数选取以及现场实测方面开展了包含CVT 过电压监测装置与避雷器放电电流监测装置的500 kV 变电站在线监测系统设计工作，具体包含以下内容:

1) 基于电容分压原理，在电容式电压互感器末屏接入分压电容，依据电容分压原理实现母线电压取样。

2) 选用Pearson 宽带脉冲电流互感器，测量避雷器泄流通道放电电流，实现高幅值、高频率雷电放电电流的实时监测。

3) 基于电磁暂态仿真软件，论证分压电容接入对原电压互感器测量不会产生明显误差，信号传输电缆电感不会对分压电容取样电压波形产生明显影响。

4) 开展在线监测系统测量性能现场测试工作，发现测量设备采集端电压在10 V 以上时，监测装置能够较好记录波形幅值，在实际测量中应注意测量中不同采集电压幅值下的波形畸变问题。

监测系统旨在提高500 kV 变电站异常状态感知能力，为提升电网故障诊断能力、改进系统绝缘配合等工作提供数据测量基础。在后续工作中，将进一步研究500 kV 变电站内智能感知技术，进一步提高设备在线监测能力，深入推进智慧变电站建设与应用，为保障电网安全稳定运行提供技术支撑。