气体绝缘开关设备的瞬态外壳电压测量方法研究

黄知伟

（国网湖北省电力有限公司荆州供电公司，湖北荆州 434000）

0 引言

气体绝缘开关设备（GⅠS）具有可靠性高、占地面积小的优点，已在我国电网中得到了广泛应用[1]。随着电网电压等级的逐渐提高，触头运动较慢，灭弧能力差等原因导致GⅠS设备的开关操作过程中出现了快速瞬态过程。快速瞬态过程中，电磁波在GⅠS内部经过多次折射，形成了快速瞬态过电压，导致GⅠS 外壳形成了对地瞬态外壳电压[2]。瞬态外壳电压将导致电磁波沿着GⅠS 外壳与大地进行传播，危害GⅠS 设备的可靠性、安全性。GⅠS 设备的支撑柱、接地网存在阻抗，因此瞬态外壳过程在阻抗不连续的地方将来回折射，形成对地的电位差[3]。瞬态外壳电压具有随机性，峰值可高达几十千伏，上升沿时长为纳秒级，曾发生过1000 kV 的GⅠS 接地刀闸放电故障，就是由瞬态外壳电压引起的[4-5]。在我国武汉，曾发生过瞬态外壳电压导致GⅠS的SF6气体密度传感器故障的案例[6]。GⅠS 的瞬态外壳电压与GⅠS内部的残余电荷、开关速度、气体电离状态等密切相关，即使重复同一工况，测量的瞬态外壳电压也每次不同[7]。通过多次重复测量同一工况下的瞬态外壳电压、不同工况下的瞬态外壳电压，能够根据统计分析技术分析瞬态外壳电压的分布特征[8]。测量瞬态外壳电压可获得大量信息，形成数据分析，对抑制瞬态外壳电压提供技术指导，有助于后续改善GⅠS，进一步提高其可靠性、安全性。测量瞬态外壳电压需要强抗干扰能力的测量装置，该装置应具备高绝缘耐压等级，应具备远距离测量等特点[9]。在特高压电网中，GⅠS设备的周围环境电磁干扰较大，对于测量装置的电源系统、控制系统、测量系统而言，强电磁干扰容易损害测量装置[10]。

在研究了瞬态外壳电压的测量要求、测量原理、测量场景的基础上，研制测量装置。该装置具有较强的电磁兼容能力，高绝缘耐压能力，且能够通过屏蔽电缆实现远距离的测量，保障测量工作人员的安全。

1 瞬态外壳电压测量要求

1.1 瞬态外壳电压测量方法

GⅠS 瞬态外壳电压的定义如图1 所示，其可表示为：

图1 GS瞬态外壳电压定义示意图

式中，E为GⅠS 外壳的电场强度，l1为图中A 点到B点的距离，l2为图中B点到G点的距离。

在图1 中，瞬态外壳电压测量装置应该放置在屏蔽箱中，A点与G点通过屏蔽导线相连。图中，沿闭合回路ABGMA可知：

式中，B为GⅠS 外壳的磁通密度。因此，结合式（1）与式（2）可知，瞬态外壳电压可表示为：

式中，Φout为穿过ABGFDA 闭合曲线围成的截面的磁通，Φin为穿过DFGMD 闭合曲线围成的截面的磁通。对式（3）展开可得外壳瞬态电压表示式：

式中，u为测量引出线两端的电压。

若式（4）右边第二项、第三项均为0，则可通过测量引出线两端电压测量瞬态外壳电压。第二项为0，可通过选择电导率高、带有屏蔽层的测量导线及减少裸露在外的导线长度，进而削弱电磁场在导线表面产生的电场强度来实现。第三项为0，可通过减小闭合回路面积实现，即导线沿着GⅠS 的金属外壳和金属支架铺设，屏蔽箱紧贴GⅠS的箱壁。

1.2 瞬态外壳电压特征分析

瞬态外壳电压通常由多个单脉冲信号组成。在合闸时，动静触头间的距离逐渐变小，间隙击穿的时间间隔变短，因此瞬态外壳电压呈现出前疏后密、前大后小的特点；在分闸时，则反之。对于瞬态外壳电压单脉冲而言，其频谱分布呈现出衰减振荡形式，包含3 种频率成分，分别为低频成分、高频成分以及特高频成分，如图2所示。

图2 瞬态外壳电压频谱

由图2 可知，瞬态外壳电压的幅值通常小于35 kV，持续时间低于20 个工频周期，频率常低于60 MHz，上升时间短，不长于5 ns。因此，测量瞬态外壳电压的设备应满足以下要求：测量的电压幅值在35 kV，因此测量装置的输入电压需设计为超过35 kV；带宽应大于60 MHz，响应时间低于5 ns；测量装置记录保存数据持续时间应大于400 ms（即20个工频周期），采样速率应大于300 MS/s。

2 瞬态外壳电压测量装置

2.1 分压器设计

瞬态外壳电压幅值较大，因此需通过分压电路进行分压后测量。利用电阻分压原理设计的测量电路的原理图如图3 所示。图3 中，R1为引线电阻，承担了大部分电压，L1、C1分别为电阻器R1的寄生电感、电容，R1、L1与C1构成阻抗Z1；R2为匹配阻抗，L2、C2分别为电阻器R2的寄生电感、电容，R2、L2与C2构成阻抗Z2；R3与C3分别是可调电阻器与可调电容器。由图3 可知，输入电压与输出电压的关系可表示为：

图3 分压器原理

式中，K表示分压比，可通过可调电阻、电容R3与C3调节，且分压比与频率有关。R3、C3应具备阻抗匹配、带宽调节功能。此外，为减小测量误差，测量装置应具备较大的输入阻抗，即Z1+Z2应设计较大。

2.2 测量装置设计

瞬态外壳电压的测量装置应包括电压分压器、蓄电池供电系统、光电触发器、光电转换器、数据处理控制系统、多通道采集系统、在线显示功能、屏蔽箱等。在测量过程中，应将蓄电池供电系统安装在屏蔽箱中，防止其对瞬态外壳电压测量产生干扰。数据处理控制系统则由高性能、采样频率高、存储数据多的录波仪构成。多通道采集系统可通过命令指令，分别向多个通道发送光电脉冲信号，实现同步测量不同的测试点，观测瞬态外壳电压在GⅠS外壳上的分布特征。测量流程如图4 所示。由图4可知，测量装置开机后能够自行测量瞬态外壳电压，并自动存储数据。

图4 测量流程

3 结果分析

为验证该测量装置的有效性，进行了仿真验证。瞬态外壳电压通过信号发生器模拟，其峰峰值设置为20 V，上升时间设置为5 ns。图5 所示为测量装置的输出电压波形。由图5 可知，电压波形上升时间较5 ns有延长，波头处振动幅度大，但是稳态时，电压幅值的误差在10%左右。

图5 测量电压波形

4 结论

根据GⅠS 设备的瞬态外壳电压的定义、使用环境、测量要求分析研究了测量瞬态外壳电压的方法及设计了测量装置。该测量装置由分压器、蓄电池供电系统、屏蔽系统等构成，具有能够自动测量、记录的能力，方便用户使用且保障用户安全。