35kV變電站過電壓在線監測及波形分析

陳 鑫 楊海龍 李荷薇 劉雨晴 張 洛

（西華大學電氣信息學院電力系統研究室，成都 610039）

35kV變電站過電壓在線監測及波形分析

陳 鑫 楊海龍 李荷薇 劉雨晴 張 洛

（西華大學電氣信息學院電力系統研究室，成都 610039）

針對現有變電站內故障錄波儀采樣頻率低、不足以記錄高頻暫態過電壓信號的問題，設計了具有高速采樣頻率的過電壓在線監測系統，同時為解決采樣頻率與存儲深度的矛盾，采用變頻采樣頻率的方式分別對工頻電壓信號和高頻過電壓信號進行采樣。該監測系統運行在多個變電站內，采集記錄到了多條過電壓數據，為站內絕緣配合及過電壓的防護提供一定的依據和參考，同時為過電壓故障原因的分析提供了有效的數據。

過電壓；在線監測；波形分析

實際運行表明，電力系統事故主要由電氣設備絕緣損壞造成，而過電壓正是絕緣損壞的主因[1-3]。準確掌握運行中電力系統出現的過電壓數據，能夠為絕緣的配合和過電壓防護措施的采取提供可靠的依據，同時能為故障原因的分析提供有效數據。因此，對變電站設備進行過電壓的監測具有重要的現實意義[4]。

現有的電壓監測依靠變電站內的故障錄波儀完成，由于變電站內故障錄波儀的采樣頻率較低[4-5]，用于工頻電壓信號的監測，但不能采集到頻率高達上兆赫茲的雷電過電壓和操作過電壓信號[6]。因此，為了監測頻率較高的暫態過電壓信號，設計了具有高速采樣頻率的過電壓監測儀，以實現高頻暫態過電壓的采集；通過變頻采集解決暫時過電壓在高速采樣頻率下存儲深度的矛盾。該過電壓監測儀布置于多個變電站內，建成了過電壓在線監測系統，系統穩定運行并采集到了多組過電壓數據，對于站內絕緣配合具有指導意義。

1 系統組成

監測系統由分壓單元、采集單元、工控機和后臺監控中心幾部分組成，采用模塊化的設計，如圖1所示。基本工作原理為：過電壓信號經過高壓引線接入分壓單元，將高電壓變換成采集單元能夠接受的低電壓，隔離衰減電路進行二次分壓、信號調理，高速數據采集卡進行模數轉換成數字信號，工控機經過數據打包處理后存儲到硬盤，并通過電網內部數據網絡將數據發送至后臺監控中心，監控中心可實時接收來自監測站點的過電壓數據，并根據協議進行數據分析和處理。

1.1 分壓單元

由于電磁式電壓互感器頻率響應特性受限，其二次側不能良好地反映一次側的高頻暫態電壓信號[7-8]，因此，分壓單元采用如圖2所示的帶寬較高的阻尼式電容分壓器。

圖1 系統結構圖

圖2 分壓器結構圖

分壓器變比設計為 k=350，使得分壓器在工頻時輸出電壓為100/V，因分壓器并聯在監控室外35kV母線上，而工控機采集卡位于監控室內，此間有較長距離，若分壓器輸出信號較低，則在傳輸過程中容易衰減和受到干擾，因而，設計分壓器輸出電壓為電壓互感器輸出電壓等級。

電容參數的設計可由分壓器容量及分壓器的分壓比設定。流過分壓器的電流只要由高壓臂電容容抗大小決定，選取流過分壓器的額定電流為毫安級別，高壓臂電容C1設計為200pF，那么流過分壓器的額定電流近似為 I=ωC1U=1.256mA。同時，分壓器的阻抗計算為千兆歐級別，滿足電壓測量輸入阻抗大的要求。低壓臂電容容值大小由分壓器的分壓比確定，由分壓比公式 k=(C1+C2)/C1=350，可計算低壓臂電容C2為0.07μF。高低壓臂電容采用介電性能穩定度高的聚四氟乙烯電容器。其中R2為后端匹配電阻，阻值為同軸電纜的波阻抗值 50Ω，目的是抑制波的折反射。

為解決在雷電等陡波過電壓下因電感而發生的振蕩問題，在高壓臂中串入金屬陶瓷高壓阻尼電阻R1，其阻值可由兩個因素確定：首先根據RLC振蕩電路臨界電阻計算公式R=1.5計算[6]，由實測電感值約3μH計算得R1為183Ω；再者由于R1的串入，改變了分壓器的電壓上升時間，為減小誤差，要求電壓上升時間小于被測電壓波形波頭時間的1/10，取標準雷電波波頭時間1.2μs，要求電壓上升時間 C1R1＜120ns，由衰減振蕩臨界電阻阻值取200Ω，電壓上升時間為40ns，滿足要求。此外，考慮到流過分壓器的額定電流為毫安級，阻尼電阻的功率要求為1W。

1.2 采集單元

采集單元由隔離衰減電路和數據采集卡組成，主要功能是進行二次分壓，使之調理在數據采集卡的輸入量程之內，然后三路信號接入采集卡的三路采集通道，由采集卡完成AD轉換采樣，當外部產生過電壓時，通過觸發電路的觸發信號啟動采集卡的存儲記錄功能。

根據采樣定理，為了使采樣信號不至于發生頻率混疊，需要采樣頻率大于模擬信號最高頻率的兩倍，工程上一般取采樣頻率為最高頻率的5～10倍[9]。雷電過電壓的波頭陡度高，等效頻率可達幾百千赫茲～上兆赫茲[10]，為了采集到完整雷電過電壓，采集卡的最高采樣頻率選為10MHz。發生雷電過電壓時，過電壓行波的等效頻率很高，需要的采樣頻率也很高才能記錄過電壓的波形，但其波長時間較短，而要求記錄的數據除了雷電過電壓整個波形，還需其結束后的若干工頻周期的數據，以滿足數據分析的需要，若始終以此采樣頻率完成包括雷電過電壓之后的工頻電壓在內的整個采樣過程，將會對數據緩存容量產生很大的挑戰，因此，采用變頻采樣技術，在雷電和內部過電壓觸發采樣時采用較高的采樣頻率f1為10MHz，采樣時間T1大于最長過電壓波長時間，系統中設為 2ms，之后采用較低的采樣頻率f2為6400Hz（每工頻周波采樣128個數據點），記錄時間為5s，這樣解決了采樣頻率和存儲空間之間的矛盾。

1.3 后臺監測中心

監測子站采集到的過電壓數據經變電站工控機由電網內部有線數據網絡傳輸到監測起到數據的收發功能，以及過電壓數據的處理，包括波形的顯示、數據頻譜分析以及過電壓類型的識別等。

2 典型波形及數據分析

該系統自投入使用以來，監測到大量有意義的過電壓數據，以下就四川某變電站 35kV側監測到的典型過電壓波形和數據進行分析。

2.1 典型波形

該系統在四川某變電站投入使用以來，監測到操作和諧振兩類典型過電壓，其中各圖中縱坐標表示過電壓的倍數（基準值為正常運行時的工頻電壓峰值），橫坐標為時間。

1）操作過電壓波形

圖3波形對應2015年7月25日14點46分28秒發生的一次操作過電壓，三相均因操作而發生振蕩，其中A相和B相均產生過電壓，分別為1.6倍和1.49倍。由于發生操作時，B相工頻電壓處于零值附近，因而未產生過電壓。

圖3 操作過電壓波形

2）諧振過電壓波形

監測到的諧振過電壓波形如圖4所示，主要有帶暫態沖擊的諧振過電壓和無暫態沖擊的諧振過電壓兩種。帶暫態沖擊的諧振過電壓，相電壓和線電壓幅值最大可達到正常工作時的2.03倍，其暫態沖擊的振蕩時間在 3～5個工頻周期，如圖 4（b）所示。無論有無暫態沖擊，整個諧振時間持續可達1s。通過頻譜分析得知，低頻諧振分量主要集中在10Hz，也就是該諧振近乎為1/5分頻諧振。

圖4 諧振過電壓波形

2.2 數據統計與分析

從統計數據可知，操作過電壓發生次數最多，在統計的9天時間范圍內達到了268次，日均近30次，相比而言，該站的操作過電壓產生頻率較高，由該站對某大型煉鋼廠單獨供電的背景可以斷定，該煉鋼廠的生產活動容易引發操作過電壓。就過電壓的倍數而言，操作過電壓的幅值有72%左右集中在 1.10～1.49倍工頻峰值范圍內，1.50～1.99倍工頻峰值范圍內的過電壓幅值占比 25.7%，兩倍工頻峰值及其以上的過電壓幅值仍記錄到5次，其中，最大過電壓為工頻峰值的2.37倍，如此頻繁的操作過電壓易對電氣設備的絕緣造成累計性的損傷，勢必應該引起重視。各時段、各倍數范圍內的過電壓次數分布見表1。

表1 2015年7月操作過電壓統計

除操作過電壓外，監測到的另一類較為頻繁的過電壓是諧振過電壓。在統計的6天時間范圍內共監測到174次諧振過電壓，日均29次。諧振過電壓的幅值分布與監測到的操作過電壓的幅值分布大致相同，依然是集中于1.10～1.49倍工頻峰值范圍內，其次是1.50～1.99倍工頻峰值，兩倍工頻峰值及以上出現的次數相對較少，各倍數范圍內過電壓次數的占比分別為84.5%、15%和0.5%。諧振過電壓的最大倍數為 2.03，通過諧振過電壓波形可以得知，多數是帶暫態沖擊的諧振，由操作引起的暫態沖擊加上操作帶來的系統參數的改變會激發諧振過電壓，因此，操作過電壓和諧振過電壓的統計特性有較大的一致性。同時應該指出，大部分諧振過電壓是由操作產生的暫態過電壓激發的，這里統計的過電壓倍數包含了操作過電壓，因此，對于諧振過電壓而言，過電壓倍數相對要小一些。各時段、各倍數范圍內的過電壓次數分布見表2。

表2 2015年7月諧振過電壓統計

由過電壓波形和統計數據可以得知，該站主要由煉鋼廠頻繁的操作引發操作過電壓，繼而引發分頻諧振過電壓，主要原因是在正常運行時，PT勵磁感抗較大，且大于系統的容抗，當煉鋼廠的生產活動引發操作過電壓時，操作過電壓帶來的暫態沖擊引發PT鐵心飽和，使得PT勵磁感抗下降，在五分之一工頻頻率下，系統感抗與容抗配合形成諧振，因而產生分頻諧振過電壓。在分頻諧振狀態下，由于 PT勵磁感抗較低，會產生嚴重的過電流，加之持續時間過長，會引發 PT 高壓側保險熔絲熔斷甚至PT燒毀等故障。

3 結論

1）針對變電站內故障錄波儀采樣頻率較低、不能完成高頻暫態過電壓的采集任務的問題，設計了具有高速采樣頻率的過電壓在線監測儀，通過變頻采樣頻率記錄工頻電壓信號和暫態過電壓信號，解決了采樣頻率和存儲深度之間的矛盾。

2）由于采用模塊化的設計，除分壓單元外，可充分利用變電站現有的工控機外加采集卡構成監測子站；后臺監測中心也可利用現有服務器或工作站實現；而電力系統內部數據網絡實現子站和監測中心數據通信；因此，該在線監測系統具有成本低的特性。

3）該監測系統在四川某變電站投入使用，監測到的大量過電壓數據，為該站的 PT燒毀故障的原因分析提供了有效的數據。

4）根據監測系統采集到的過電壓數據，得出統計特性，對變電站絕緣配合、過電壓防治提供參考依據，為過電壓的模式識別及故障診斷工作的開展打下數據基礎。

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Overvoltage Online Monitoring for 35kV Substation and Its Waveforms Analysis

Chen Xin Yang Hailong Li Hewei Liu Yuqing Zhang Luo
(Research Laboratory of Power System, Electrical &Information Engineering School, Xihua University, Chengdu 610039)

Due to the fact that fault record device with low sampling frequency could not record transient overvoltage, an online overvoltage monitoring system with high sampling frequency is designed.In order to solve the contradiction between sampling frequency and storage depth, varied sampling frequency is applied to the system.The monitoring system has been running in several substations.Overvoltage data recorded by the system has helped operating personnel to analysis fault, in addition, it will provide information for insulation coordination and overvoltage prevention.

overvoltage; on-line monitoring; waveform analysis

陳 鑫（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為過電壓在線監測。