基于CVT 的特高压换流站复杂电磁环境下操作过电压测量

2022-11-05王容史嘉昭郭璨申巍马西奎

中国电力 2022年10期

王容，史嘉昭，郭璨，申巍，马西奎

(1. 国网陕西省电力公司检修公司，陕西西安 710065；2. 西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049；3. 国网陕西省电力科学研究院，陕西西安 710054)

0 引言

换流站是特高压直流输电系统中负责交直电能转换的枢纽，其内部设备开关操作时产生高于系统额定电压的操作过电压，是诱发换流站安全事故的主要原因之一[1-3]。但目前仍缺乏对这些操作过电压的有效监测手段，主要是因为特高压换流站的电压高，过电压的持续时间短且特高压换流站内存在强电磁干扰[4-5]。由于操作过电压产生原因多样，其波形也各异，为便于研究，IEC 60060规定了250/2 500 μs 的标准操作过电压波形[6]。

目前常见的高电压测量方法多基于电容分压法[7-8]，此外还有泄露电流法、耦合电容法、电光效应法等[9-11]。电容分压法多基于对换流站内已有容性设备进行改装，通过设计分压器来实现电压信号的获取。这种方法成本较低、安全可靠性较高，但需考虑改装后既能满足测量要求，又不会对原设备的正常工作产生不利影响。泄漏电流法是通过罗氏线圈测量电容设备上的电流，然后通过积分电路还原高压信号。这种方法安全性高，但不同频率的泄漏电流幅值往往相差好几个数量级，难以同时测量低频和高频信号，测量带宽较窄[12]。耦合电容法是通过感应金属极板与高压设备间的耦合电容分压进行高压测量。这种方法传感器制作简单、成本低、测量频带较宽。但是其测量精度受位置和周围环境影响较大，换流站内设备间的电容耦合也会对测量产生不利影响[13-14]。电光效应法是根据电光晶体的双折射现象，根据双折射光波相位差与外加电压的关系进行过电压测量。这种方法非线性失真小，测量频带宽。但电光晶体的温度特性差，使得测量精度受温度的影响较大，制约了该方法的应用[15]。

综合比较上述各种方法的优缺点后，本文采取了电容分压法，通过对换流站内电容式电压互感器（capacitive voltage transformer， CVT）进行改装，设计分压测量系统，实现特高压换流站内操作过电压的有效测量。这种方法具有现场安装调试方便，便于推广，安全可靠性高的优点。为此，通过对CVT 等效建模仿真了改装后测量的分压特性，论证了CVT 串联分压既能满足操作过电压测量要求，也不会对CVT 正常工作产生不利影响。通过对外屏蔽、信号电缆匹配、屏蔽和接地等抗干扰措施的优化，实现换流站强电磁干扰下过电压信号的有效采集。最后，通过在换流站现场测试，验证了设计方案的有效性和安全性。

1 CVT 串联分压测量过电压原理

CVT 内部主要由电容分压单元和电磁单元2 部分组成。电容分压单元由聚丙烯薄膜与电容器纸复合浸渍在有机绝缘油中，分为高压电容C1和中压电容C2。电磁单元由中压变压器、补偿电抗器和阻尼器组成[16-19]。分压电容C3串联在电容单元与接地点之间。将电磁单元的变压器用T 型电路等效，可得CVT 串联分压的等效电路如图1a)所示。其中Lt1和Rt1为变压器一次侧漏感和电阻；Lt2和Rt2为二次侧等效漏感和电阻；Rm为铜耗电阻；Lm为非线性励磁电抗；Ls、Rs为补偿电抗器阻抗；Lb和Rb为阻尼装置电感和电阻。表1 列出了CVT 等效模型的仿真参数。

表1 CVT 仿真参数Table 1 CVT simulation parameters

根据CVT 等效电路仿真在高压侧输入标准操作过电压时，CVT 串联分压的响应，结果如图1b)所示。CVT 二次侧阻尼装置输出有明显振荡，这体现阻尼装置抑制铁磁谐振的作用，此振荡会耦合到同一磁通回路的CVT 二次侧输出端子，使CVT 二次侧无法准确反映高频过电压信号。分压电容C3输出与输入波形一致，结果表明串联分压可准确反映输入过电压信号，不受电磁单元的影响。仿真结果表明，CVT 内部的电磁单元不会对串联分压回路产生不利影响，可以通过改装CVT 的方式对操作过电压进行测量。

图1 CVT 串联分压特性仿真Fig. 1 Simulation of CVT series voltage-dividing characteristics

根据以上分析，设计了如图2 所示的分压传感器。选用聚丙烯电容，这种介质与CVT 内部电容单元的介质相同，有利于分压特性的一致，同时该电容比容量大，可达到减小传感器尺寸的目的。由于分压电容容量很大，需多个电容串联，这些电容采用水平辐射布局以减小杂散参数，也利于冲击电流均匀流过各个电容。

图2 分压传感器示意Fig. 2 Schematic diagram of voltage dividing sensor

2 传感器电磁屏蔽设计

特高压换流站正常和异常运行状态下会产生各种电磁干扰，这些干扰可分为静电场干扰、静磁场干扰、交变电场干扰、交变磁场干扰以及电磁辐射干扰[20-23]。行标DL/T 1 088—2008《±800 kV 特高压直流线路电磁环境参数限值》规定：（1）人员易到达区域合成场强限值为30 kV/m；（2）输电线路下方磁感应强度限值为10 mT；（3）无线电干扰限值为58 dB(mV/m)[24]。为选取合适的屏蔽材料和厚度，根据以上限值仿真了不同材料和厚度对不同干扰的屏蔽效果，部分结果如图3 所示。

图3 屏蔽效能仿真Fig. 3 Shielding performance simulation

根据仿真结果，设计了碳钢和坡莫合金的双层屏蔽盒，外层碳钢厚度为3 mm，内层坡莫合金厚度为0.2 mm。对屏蔽效果进行了测试，结果如图4 所示。无屏蔽时，传感器输出与高压探头相比有明显毛刺，有屏蔽时传感器输出干净清晰，屏蔽盒有效消除了测量环境中的电磁干扰。

图4 屏蔽效果测试Fig. 4 Shielding effect test

3 信号电缆的匹配与抗干扰

经分压后的低压信号要经数百米长的电缆引至监测室，由于过电压时间短，电缆长度较长，需采取匹配措施消除信号的反射。同时针对换流站内的干扰，还需考虑其屏蔽层的接地与抗干扰方式。

3.1 信号电缆的匹配

通过建立同轴电缆的传输模型如图5a)所示，仿真不同匹配下电缆末端的响应，仿真参数如表2所示。图5b)、图5c)、图6d)分别为无匹配、首末两端匹配和首端匹配时，在电缆首端输入调制高斯脉冲时电缆内的信号传输情况。图5e)为在电缆首端输入阶跃信号时电缆末端记录的信号。无匹配时信号波会在电缆两端不断反射，导致末端无法反映首端输入信号。首端匹配有效消除了信号的反射。若匹配阻抗与电缆波阻抗不一致，需多次反射后末端信号才趋于稳定。为此，对测量系统采取了首端匹配措施，并选取高频特性良好的无感电阻，实验室测试结果表明首端匹配有效消除了电缆中的反射信号。

表2 同轴电缆仿真参数Table 2 Coaxial cable simulation parameters

图5 信号电缆不同匹配方式的响应Fig. 5 Response of different matching modes of signal cable

3.2 信号电缆的抗干扰

电缆屏蔽层有多种接地方式：单端接地、双端接地和混合接地。一般而言，屏蔽低频干扰采用单端接地，屏蔽高频干扰采用双端接地[25-26]。因为换流站内存在多种干扰，所以应采用混合多点接地，在一端直接接地，其余各点经小电容接地以避免屏蔽层环流，接地间隔为工作信号波长的1/10。

为了取得更好的抗干扰效果，可以使用双屏蔽层电缆，其内层作为信号地与分压器负极相连，外层作为屏蔽地与大地相连。仿真了双屏蔽层对干扰的屏蔽效果，电缆具有对称性，因此只需考虑径向和轴向的干扰，结果如图6 所示。沿x轴正向传播的辐射被外屏蔽层屏蔽，内层地电位不受影响。对比了不同屏蔽方式在轴向干扰下信号地层的电场分布，见图6c)，多点接地在频率不高时有一定抗干扰效果，更高频率下双屏蔽层电缆抗干扰效果更好。根据以上分析，在试验室测量时仅采用了多点接地的方式，在现场测试中采用了双屏蔽层电缆。

图6 双屏蔽层与多点接地抗干扰效果对比Fig. 6 Anti-interference comparison of double shielding layer and multi-point grounding

4 测试结果与分析

4.1 实验室测试

综上，设计了过电压测量分压传感器、外屏蔽及电缆抗干扰连接方式，在实验室进行了冲击特性测试。测试用CVT 额定电压为110 kV，高压侧对地主电容为7 833 pF，低压臂传感器电容22 μF，理论分压比为2 809∶ 1。将传感器接入CVT 中压电容与接地点之间，测试电缆长度约100 m，采用首端匹配，测试结果如图7 所示。

蓝色曲线为Tektronix 6 015 A 探头测得波形，该探头带宽为75 MHz，衰减为1 000 倍；红色曲线为传感器输出波形。如图7 a) 所示，是在CVT 高压侧施加工频电压信号，CVT 传感器测试结果。可以看出，在传感器波形与高压探头测量波形变化一致，在幅值上相差一个固定常数。如图7b) 和图7c)所示为对CVT 的冲击特性测量结果，放大时间轴可看到传感器输出在微秒级仍有很高精度。工频分压特性和冲击分压特性的测试表明，传感器在低频和高频情况下都有很好的分压特性，分压比稳定一致，高频时响应速度快，在微秒级别仍有很高的精度，满足操作过电压测量带宽要求。

图7 CVT 传感器的分压特性测量Fig. 7 Voltage-dividing characteristics measurement of CVT sensor

4.2 换流站现场测试

在±800 kV 陕武特高压直流输电工程投运调试期间，在陕北换流站进行了现场测试。传感器结构与试验传感器相同，仅改变了低压臂容量以适应更高电压等级，低压臂电容为60 μF，CVT 铭牌标示电容为660 pF，理论分压比为9 091∶ 1，采用首端匹配，分压信号经双层屏蔽电缆传输到约300 m 外监测室。

分别进行了投切空载线路和投切低压电抗器测试。图8 为投切750 kV 空载陕朔I 线时传感器记录到的典型波形，表3 为投切空载线时记录的测试数据。图9 为投切66 kV 低压电抗器时传感器记录到的典型波形，表4 为投切低压电抗器时记录的测试数据。

表4 投切66 kV 低压电抗器测试数据Table 4 Test data of switching 66 kV low voltage reactor

图8 投切750 kV 陕朔Ⅰ线空载线路典型波形Fig. 8 Test of switching 750 kV Shaan-Shuo I no-load line

表3 投切750 kV 空载陕朔I 线测试数据Table 3 Test data of switching 750 kV no-load Shaan-Shuo line I

在陕北换流站投切空载线路和投切低压电抗器时，传感器可靠捕获了这一过程的过电压波形，见图8 和图9。传感器长时间挂网输出波形稳定未见电磁干扰，验证了分压系统、电磁屏蔽和信号电缆抗干扰设计的有效性。在测试期间空载陕朔Ⅰ线运行正常，低压电抗器性能正常，均未出现谐振现象，换流站内其他设备亦未见异常，验证了测量系统的可靠性和安全性。