氧化鋅閥片分壓提取GIS暫態(tài)過電壓信號(hào)

唐峰，謝俊文，劉順桂，黃政，王金皇

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000； 2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高，電網(wǎng)主要以500 kV輸電線路為骨干。在110 kV以下的輸電網(wǎng)中主要以外置電容分壓器提取過電壓信號(hào)，但是在電壓等級(jí)更高的電網(wǎng)中卻少有暫態(tài)過電壓的提取裝置[1-3]。

隨著計(jì)算機(jī)通信能力的發(fā)展，使得在線監(jiān)測(cè)暫態(tài)過電壓成為可能，在線監(jiān)測(cè)過電壓不僅能在絕緣配合、事故分析、標(biāo)準(zhǔn)修訂及智能識(shí)別方面起著舉足輕重的作用[4-5]，還在電網(wǎng)故障責(zé)任界定、過電壓治理起著重要作用。在城市化中，變電站主要以GIS變電站為主，這不僅節(jié)約用地，而且還能屏蔽高頻電磁波干擾[6-7]。對(duì)于GIS過電壓的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外做了大量研究，有部分學(xué)者提出基于管套末屏的過電壓測(cè)量方法，但考慮安全，管套末屏必須可靠接地。國(guó)外有學(xué)者提出通過測(cè)量過電壓形成的空間電場(chǎng)反演過電壓波形的方法，并研制了電場(chǎng)測(cè)量用的球形電場(chǎng)傳感器。但被測(cè)電場(chǎng)容易被其它導(dǎo)電耦合電場(chǎng)影響而畸變[8-9]。四川電科院和重慶大學(xué)曾聯(lián)合研制了用于高壓架空輸電線路過電壓測(cè)量的非接觸式測(cè)量裝置。但輸電線路與感應(yīng)極板的分布電容易受外部影響。

為此，提出了一種基于氧化鋅閥片分壓的測(cè)量方法用來(lái)測(cè)量GIS的暫態(tài)過電壓信號(hào)。這種方法在氧化鋅避雷器與接地體之間的電流表里面加一個(gè)氧化鋅閥片，這種方法不僅方便，直接采用已有的氧化鋅避雷器作為電壓傳感器，而且精度在可接受范圍內(nèi)。

1 測(cè)量方法

1.1 基本原理

本分壓器以氧化鋅避雷器為高壓臂，以氧化鋅閥片為低壓臂，信號(hào)從低壓臂取出，這樣得到一次側(cè)的電壓波形，其原理如圖1所示。

圖1 閥片分壓結(jié)構(gòu)示意圖

氧化鋅避雷器在低電流區(qū)域電阻較大，避雷器成容性，在大電流區(qū)域，避雷器成阻性。因此在不同區(qū)域氧化鋅閥片的分壓比不同。

1.2 氧化鋅避雷器模型

氧化鋅閥片作為分壓式提取電壓的傳感器，其分壓比的確定尤為重要，由于氧化性避雷器材料本身受沖擊電壓波形頻率的影響，氧化鋅閥片存在頻率響應(yīng)特性。為此，對(duì)氧化鋅避雷器的建模就尤為重要。本文采用Voronoi網(wǎng)格描述氧化鋅閥片的顯微結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整通過調(diào)整Voronoi網(wǎng)格種子和無(wú)序度改變晶粒尺寸和不均勻度，對(duì)氧化鋅避雷器的沖擊分壓特性進(jìn)行仿真如圖2所示。

晶粒的尺寸和不均勻度不同對(duì)氧化性避雷器的分壓特性影響比較大，尤其是在大電流區(qū)域，其影響比在小電流區(qū)域要大得多，但是都比較小，都在誤差可接受范圍內(nèi)。在氧化鋅避雷器和閥片的晶粒的尺寸和不均勻度相差不大的情況下，可以完整的采集到暫態(tài)過電壓信號(hào)。所以在選擇氧化鋅閥片時(shí)要選擇與避雷器同批次燒制的或者材料相近的閥片。

圖2 Voronoi網(wǎng)格圖

1.3 氧化鋅避雷器閥片分壓的仿真

為驗(yàn)證氧化鋅避雷器在導(dǎo)通和未導(dǎo)通及在各種沖擊波的情況下的分壓比特性，運(yùn)用EMTP-ATP進(jìn)行仿真計(jì)算。得出如圖3所示的數(shù)據(jù)。

圖3 閥片工頻分壓仿真波形

從圖3中可得，雖然波形不一樣，但是在工頻、操作沖擊、雷電沖擊下，其分壓比基本不變，驗(yàn)證了氧化鋅閥片分壓的可行性，以及在雷電沖擊的波型中看出由于波頭時(shí)間短出現(xiàn)了過沖和振蕩，所以對(duì)氧化鋅避雷器的掃頻就很重要，不過在雷電沖擊的波形中，其分壓比也基本不變。暫態(tài)過電壓與操作過電壓的波前時(shí)間都比雷電過電壓長(zhǎng)，所以氧化鋅避雷器適用于暫態(tài)過電壓、操作過電壓以及雷電過電壓如圖4、圖5所示。

圖4 閥片操作沖擊分壓仿真波形

圖5 閥片雷電沖擊分壓仿真波形

1.4 氧化鋅避雷器閥片掃頻實(shí)驗(yàn)研究

為研究氧化鋅避雷器的頻率響應(yīng)特性，對(duì)氧化鋅避雷器進(jìn)行正弦掃頻實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證氧化鋅閥片分壓提取暫態(tài)過電壓的可行性，由于氧化鋅避雷器的電感電容參數(shù)受頻率的影響，所以需要做掃頻實(shí)驗(yàn)得出在什么頻率范圍內(nèi)裝置的可行性，及裝置能否提取操作過電壓和雷電過電壓。頻率響應(yīng)分析儀輸出幅值為5 V，峰值為10 V，頻率范圍為50 MHz～10 MHz的正弦波。

1.4.1 110 kV氧化鋅避雷器掃頻實(shí)驗(yàn)

由圖6可得110 kV避雷器在50 kHz～600 kHz衰減倍數(shù)不變。在600 kHz后衰減快速衰減。所以在50 kHz～600 kHz有較好的分頻作用。

圖6 110 kV 避雷器不同閥片頻率響應(yīng)

1.4.2 35 kV氧化鋅避雷器掃頻實(shí)驗(yàn)

對(duì)35 kV氧化鋅避雷器采用不同的閥片A、B和與其相同的閥片進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)如圖7～圖9所示。

圖7 35 kV 串接閥片 A 頻率響應(yīng)

圖9 35 kV 串接相同閥片頻率響應(yīng)

不同氧化鋅避雷器串聯(lián)不同閥片的掃頻實(shí)驗(yàn)，在串聯(lián)不同閥片A、B時(shí)，由于氧化鋅避雷器的內(nèi)部晶粒大小、晶界厚度等參數(shù)的不同，結(jié)果導(dǎo)致B的頻率響應(yīng)比A的好，在1.2 MHz左右開始衰減，A在360 kHz開始衰減，而在串聯(lián)與氧化鋅避雷器相同的氧化鋅閥片時(shí)，頻率響應(yīng)在4 MHz左右才開始衰減，所以氧化鋅閥片最好選擇與氧化鋅避雷器同批次出廠的型號(hào)。而在做同種氧化鋅閥片掃頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，其頻率響應(yīng)不隨氧化鋅閥片數(shù)量的變化而變化，所以同種閥片之間頻率響應(yīng)沒有差別。

1.5 過電壓信號(hào)去噪研究

氧化鋅閥片分壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的工頻電壓信號(hào)信噪比不高，包含了大量噪聲，實(shí)際監(jiān)測(cè)的信號(hào)也包含了大量噪聲，為此采用了小波變換的去噪方法。小波變換相比與傅里葉變換不僅具備其優(yōu)點(diǎn)，還具備傅里葉級(jí)數(shù)欠缺的一部分，其在信號(hào)的局部分析的處理得更好，并可以多分辨率分析，小波變換定義如下：

(1)

軟硬閥值函數(shù)都是傳統(tǒng)的閥值函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中也存在局限性。新的閥值函數(shù)不僅小布區(qū)域里連續(xù)，而且高階可導(dǎo)，其函數(shù)表達(dá)式如下：

(2)

小波變換適合處理頻率成分豐富的非周期信號(hào)，其高分辨率適合分析信號(hào)高頻的細(xì)節(jié)部分。其在過電壓去噪領(lǐng)域表現(xiàn)好，且構(gòu)造的新閥值函數(shù)能較好的去除過電壓的噪聲，其去噪效果比傳統(tǒng)的軟硬閥值函數(shù)要好。

2 結(jié)束語(yǔ)

提出一種氧化鋅閥片分壓提取GIS暫態(tài)過電壓的裝置，該裝置不僅不需要單獨(dú)安裝分壓裝置，直接利用氧化鋅避雷器作為分壓器的高壓臂，而且在安裝氧化鋅分壓閥片時(shí)安裝在避雷器的測(cè)電流的電流表里，非常方便。通過對(duì)氧化鋅避雷器在不同沖擊電壓下的實(shí)驗(yàn)，得出其分壓比基本不變，在雷電沖擊下，波頭有過沖和振蕩。于是在氧化鋅避雷器的掃頻實(shí)驗(yàn)中得出頻率在1.5 MHz內(nèi)，氧化鋅避雷器的頻率特性基本不變，滿足暫態(tài)過電壓、操作過電壓、雷電過電壓的測(cè)量。最后提出小波閥值去噪，其去噪效果好，適合處理頻率成分豐富的非周期信號(hào)，其高分辨率適合分析信號(hào)高頻的細(xì)節(jié)部分，其效果比傳統(tǒng)軟、硬閥值好。