一種新型暫態過電壓監測系統分析和研究

中國南方電網有限責任公司 陳凱華

1　引言

由于GIS的某些優點，如可靠性高、維修周期長且可節省安裝空間等，在近二十多年來被越來越多地用于現代高壓和超高壓系統中。而在實際運行和實驗中卻發現GIS內部的隔離開關在切合小容性負載時會產生波頭很陡、頻率高達MHz數量級的操作過電壓，稱之為快速暫態過電壓（VFTO）。

80年代以來，國際上已有許多專家開展了特快速暫態現象產生的機理、特征、影響因素、幅值分布情況，暫態地電位升高(Transient GroundPotentialRiSe，簡稱TGPR)效應，暫態電磁場和電磁干擾等問題以及絕緣對這種陡波前過電壓耐受能力等方面的研究。1998年國際上還組織了由多國實驗室參加的強大研究隊伍來主攻此課題，并對VFTO對一次設備絕緣的影響及對二次回路和控制、保護系統所產生的干擾給予很大的關注。

近年來隨著國內高電壓等級GIS的普及使用，電力系統受VFTO的影響也越來越突出，我國學術界也在這方面進行了大量的研究。國內外對快速暫態過電壓的研究主要是計算機的數值模擬計算，也有使用物理模型進行實驗室模擬實驗的。

模擬試驗的優點在于能形象地深入了解現象的發展過程。雖然模擬計算和模擬試驗在對VFTO的研究中起到了一定的作用，但是它們都無法完全真實的反映現場實測的數據，因此都無法滿足對VFTO的研究。

針對G I S中VFTO的測量不同于常規的沖擊電壓測量，它具有許多特殊性。V FTO的上升時間很短，測量系統必須具有較高的上限頻率（100～200MHz）。

另外由于VFTO是疊加于工頻電壓上并受到殘余電荷的影響，因此還要求它有足夠低的下限頻率。GIS開關操作時會產生很高的瞬態地電位及空間電磁干擾，因此對測量儀器的保護等要求取有效的抗干擾措施。

2　VFTO產生原理

在GIS實際運行和實驗中發現，隔離開關在切合小容性負載時，由于觸頭運動速度慢、隔離開關滅弧能力弱等原因，觸頭間可能會發生重擊穿，產生波頭很陡的行波，在GIS設備內發生多次折反射，形成頻率高達Mz數量級的操作過電壓，稱之為快速暫態過電壓（V FTO，VeryFastTransientOvervoltage）。

GIS中隔離開關操作時由電弧的熄滅和重燃產生的快速暫態過程和它在GIS母線上的來回折反射所形成的快速暫態過電壓（VFTO），具有上升時間短、幅值高及衰減慢的特點，有研究表明，其上升時間在2-20ns，幅值一般低于2.0pu，極端情況可達3.0pu，基本頻率為5～10MHz。

3　VFTO過電壓的主要危害

隨著我國電力工業的高速發展和電壓等級的不斷提高，GIS設備在近二十年來被廣泛地應用于電力系統中。然而隨著電壓等級的提高，由隔離開關的操作而引起的快速暫態過電壓（VFTO）屢見不鮮，類似情形將對電網運行安全造成威脅。因此，對GIS設備內部VFTO的測量及如何預防進行研究，有著重要的現實意義。

隨著GIS設備運行電壓的提高，特快速暫態過電壓的影響日益明顯和嚴重，致使其在220kV及以上電壓等級的GIS設備中多次引起故障或其它問題，它不但會在GIS設備的主回路引起對地故障，而且還會造成相鄰設備(如變壓器等)的絕緣損壞。國內外GIS設備中不乏VFTO危害實例：

(1)1992年廣東大亞灣核電工程，在500kv系統調試中，進行切合空載變壓器例行操作時，由于快速暫態過電壓引起3×350MVA主變壓器一相主絕緣被擊穿。

(2)巴西的Grajau500kVGIS在運行初期，曾因隔離開關例行操作產生特快速暫態過電壓造成500kV油紙套管的炸裂和變壓器故障。

(3)華東天荒坪抽水蓄能電廠的500kVGIS自1998年投運以來。由于例行操作，出現了變壓器保護用氧化鋅避雷器頻繁動作的現象，經計算表明也是特快速暫態過電壓引起的。

(4) 2001年浙江北侖電廠一臺500kV變壓器損壞，經初步調查，分析認為也是特快速暫態過電壓所致。

3.1　老化效應

與一般切容性負荷的原理相同，GIS設備隔離開關在切、合容性負荷時，會產生多次重燃或預擊穿。由于隔離開關動作速度較慢，重燃的時問相對隔離開關的操作時間而言是非常短的，因此重燃次數會較多。每重燃一次，就可能產生一定幅值的特快速暫態過電壓。

這過程不同于一般電力系統的暫態過程，每當隔離開關操作一次，就會產生多次的重燃和由它引起的許多次具有一定電壓幅值的快速瞬變過程。而隔離開關的操作屬于常規操作程序，那么GIS設備及其它電氣設備就有可能在一個相當短的時間內經受成百次VFTO的考驗，這對絕緣來說無異于接受一種性質與截波相近的老化試驗，這會給絕緣帶來很大的損傷。

3.2　VFTO在變壓器內部造成極不均勻的匝間電位分布和諧振過電壓

VFTO的最大受害者是變壓器，無論是與GIS設備直接相連還是非直接相連接的變壓器，在受到VFTO作用時，都會有兩種影響：

一是隔離開關觸頭擊穿瞬間產生的階躍波到達變壓器時，相當于在變壓器端部加上了一個陡波波頭，對于直接相連的交壓器，其上升時間可能只有數十納秒，遠遠低于雷電沖擊截波試驗時波頭的上升時間，會在變壓器繞組上造成極不均勻的匝間電壓分布，危害極大；對非直接相連的變壓器，因為經過了兩個套管和一段線路，使陡波趨于平緩，其波頭上升與雷電沖擊截波相似。二是高頻振蕩可能在變壓器內部激發起極高的諧振過電壓。

除此之外，VFTO還可能通過電壓、電流互感器等容性設備，通過繞組感應到系統的二次設備從而危害二次設備的正常工作。

近十多年來，VFTO給電力系統帶來的危害已受到人們的普遍關注，成為國際高壓領域的研究熱點。我國也有大量GIS設備投入運行，并也曾發生過事故。因而，開展對GIS設備內產生的VFTO的監測很有意義。

本項目就是研發一套VFTO高速采集監測系統，對GIS設備內部的VFTO進行監測、采集并記錄，以便于對其進行更加深入地研究。

4　測量VFTO的主要方法

目前，測量VFTO的主要方法有電容傳感器電場探頭和套管末屏法3種。

4.1　電容傳感器法

加拿大研制了測量頻率范圍分別為1Hz～100MHz和100kHz～500MHz的2種手孔式電容傳感器測量系統，并應用該系統對500kVGIS變電站中隔離開關操作產生的VFTO進行了實測。日本東芝公司研制了預埋環電容傳感器測量系統，主要用于其產品中的VFTO測量，最高頻率為10MHz。

國內研制的手孔式電容傳感器測量系統頻率范圍為3Hz～38MHz，在實驗室對252kV隔離開關操作產生的VFTO進行了測量。

4.2　電場探頭法

可用于測量GIS的外部VFTO，球狀探頭被放置在測量點附近，感應電場被轉換為瞬態電壓信號，通過光纖系統傳輸至示波器，頻率可達100MHz，德國和瑞士嘗試用該測量系統對420kV系統的外部VFTO進行了測量，VFTO最高頻率為12MHz。該傳感器分壓比受變電站設備布置等環境條件影響較大，須進行現場標定，且實施較困難。

4.3　套管末屏法

也是采用電容分壓原理，在變壓器或高壓并聯電抗器出線套管的末屏處接入二次電容，形成電容分壓器測量VFTO，但需采用反卷積方法還原測量信號，測量精度較低，且測點受限。國內在750kV工程調試中用該方法對VFTO進行了測量。

上述情況表明：國外研制的手孔式電容傳感器的性能指標較高，國內研制的手孔式電容傳感器測量頻率范圍偏低，難以確保VFTO測量結果的準確性；預埋環電容傳感器測量系統的測量帶寬較低，套管末屏法的測量精度較低且測點受限。因此使用手孔式電容傳感器成為VFTO測量中比較實用的方法，但對其的測量頻率范圍要求比較高。

4.4　測量意義

目前VFTO的檢測只是在試驗室做過，沒有在運行的電網中實際檢測過，無法得到真實的VFTO特征數據信息，而本文將怎么完成將實現試驗室向現實的過度，對VFTO的研究具有重大意義。

由于VFTO的特殊性和復雜性，以往的采集監測手段無法記錄其全部信息，而使用本項目的高速采集系統可以記錄全部VFTO的信息，可為VFTO的研究提供重要現實依據。

5　系統組成

5.1　分壓器系統的研究

研制抗沖擊電壓專用分壓器，沖擊電壓必須保證在工頻電壓和沖擊電壓高的電容值穩定性。阻尼電阻布置在高壓電容臂電容和低壓臂電容內部。抗沖擊分壓器可精確的測量交流電壓、雷電沖擊和操作沖擊電壓，該分壓器必須可以在線實時監測和分析短時沖擊電壓。

5.2　采集系統的設計

與分壓系統電纜相連的是采集系統，必須要能達到快速暫態過電壓的頻率，因為快速暫態過電壓的頻率最高可以達到幾百M頻率，我們需要研制能達到幾百M采集速率的采集系統，應具有自動觸發功能并帶有高精度GPS時鐘，需要分析斷路器觸頭的同期性，由于VFTO時間極短，鑒于采集記錄裝置有一定的觸發時間（雖然極短但是也會對VFTO的記錄完整性有一定的影響），因此建議采用預存儲方式，即：無論有無VFTO的觸發采集系統在監測過程中始終進行記錄，內存數據滿后自動刪除前面的數據并繼續記錄，直到有VFTO觸發，系統將觸發點前一段和后面一部的數據全部傳輸至主機系統進行硬盤存儲，以達到VFTO數據的全記錄。

5.3　主機系統

主機必須配有高速處理芯片，為了滿足采集系統的大量數據的快速記錄要求，建議采用比傳統電腦硬盤快幾十倍的電子硬盤來進行儲存。另外強大的運算系統可以為采集系統的大量數據提供及時的處理，實現了信號頻域的解析。

5.4　數據傳輸系統

采用多種數據傳輸方式，以太網絡傳輸及USB接口傳輸。

5.5　用戶終端顯示系統

采用基于WINXP系統上的軟件對于主機處理完成的數據進行圖形化處理和人性操作化界面設計，提供歷史數據查詢分析功能，信號頻譜、幅值、波形顯示等功能，及VFTO觸發提示報警功能等多種監測功能。

6　總結

由于采用的在線監測系統，可以長時間的監視運行的電網及電力設備，而200M的高速采集系統可以完整的記錄VFTO的信息，一但有VFTO產生就立刻記錄下來，發出報警提醒檢測人員注意，為檢測人員評估提供了很好的依據。

通過本項目可以很好地對VFTO進行研究，得到的研究成果可以運用到對VFTO的保護措施上，最終可以達到減少VFTO產生及設備故障目的，對電網的安全運行具有重大的意義。