變電設備過電壓在線監測應用研究

何文林，楊 智

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

電網中的過電壓是極應避免而又無法完全避免的惡性事件，其幅值大大超過電網系統額定電壓值[1-3]。按不同的頻率范圍，過電壓分為工頻過電壓、操作過電壓和雷電過電壓3類。工頻過電壓的頻率在Hz級，操作過電壓的頻率在kHz級，而雷電過電壓的頻率高達MHz級[4]。

無論是工頻過電壓、操作過電壓還是雷電過電壓，這些暫態過電壓都嚴重威脅電網的安全運行[5-7]，甚至導致電網意外跳閘，停止供電。過電壓易破壞高壓設備的絕緣進而引發更為重大的事故，嚴重的會引起火災。因此，電力企業花費大量的人力、財力進行過電壓治理。

治理的前提是準確監測到過電壓最易發生在哪些設備群、哪條線路上，實時獲得過電壓的峰值、何時發生、何時結束及波形特性。準確獲取各種過電壓水平對預測設備安全運行能力起到重要作用。

過電壓測量的常規做法主要有3類[8-10]。

（1）利用分壓器進行電壓測量。分壓器分為電阻分壓器、電容分壓器和阻容分壓器，分壓器屬于試驗設備，不能在電力系統中長期運行。

（2）利用運行中容性設備，如套管或CT（電流互感器）的末屏進行過電壓測量。在容性設備停電的工況下，接入電壓取樣裝置。設備帶電測量過電壓水平后，再次停電拆除電壓取樣裝置，然后恢復系統正常運行。這種測試方式需在容性設備的末屏處串聯電壓取樣裝置，出于設備安全考慮，僅適用于基建調試階段，不能用于系統運行時過電壓的在線監測。

（3）利用電容式PT（電壓互感器）進行過電壓測量。該互感器的頻率響應范圍僅在50 Hz左右，無法滿足操作過電壓和雷電過電壓的測量要求。

本文研發的變電設備過電壓在線測量裝置，在不改變電力設備一次接線方式的前提下，能夠準確測量包括工頻過電壓、操作過電壓以及雷電過電壓在內的各種過電壓，實現過電壓的寬頻域在線監測。

1 測試原理

電力網中運行的CT和套管等容性設備，屬于電容同軸結構[11]，具有末屏引出抽頭，擁有良好的頻率響應特性[12]，末屏接地電流在10 Hz～2 MHz頻率范圍內能跟隨一次電壓變化，通過監測末屏接地電流可以獲得電網過電壓的暫態變化過程[13]。

容性設備在一次電壓U1的作用下，流過末屏接地線的電流為I1，在末屏接地線安裝寬頻帶電流傳感器，電流傳感器實時感應電纜對地泄漏電流，并輸出一個與對地泄漏電流成線性關系的二次電流信號I2。將二次電流信號I2經過I/V（電流/電壓）轉換，形成二次電壓信號U2，經過積分器對二次電壓信號進行信號還原，得到容性設備的一次電壓U1。過電壓在線測試原理見圖1。

圖1 過電壓在線測試原理

具體技術路線如下：

（1）建立一次電壓與末屏接地線電流的關系。容性設備的主絕緣形成等效電容C，在一次電壓U1（t）的作用下， 末屏接地線上流過泄漏電流 I1（t）。

（2）末屏接地線泄漏電流的獲取。利用寬頻帶電流傳感器，將末屏接地線泄漏電流線性無零漂的轉換成二次電流 I2（t）。

式中：K1為電流轉換線性系數。

（3）I/V轉換。利用I/V轉換模塊，將二次電流I2（t）轉換成二次電壓信號 U2（t）。

式中：K2為I/V轉換線性系數。

（4）二次電壓積分。利用積分模塊，將二次電壓信號U2（t）進行積分處理，積分時間常數為T，得到電壓信號 U（t）。

（5）一次電壓獲得。將積分模塊輸出的電壓信號U（t）輸入到波形恢復模塊，得到容性設備對地電壓 U1（t）。

式中：T，C，K1，K2均為常數，這4個常量共同組成換算系數K。

（6）K值的獲取。過電壓在線監測裝置安裝結束后，從運行監控平臺上獲取正常運行時容性設備對地電壓的峰值U1（p），從在線監測裝置讀取測量電壓的峰值U（p），再根據公式（6），計算得到換算系數K。

2 電網過電壓實時監測的技術難點

電網過電壓測量的技術難點主要體現在不同類型的過電壓，頻率范圍差異極大、過電壓幅值差異大引起的末屏電流幅值差異極大和不同類型的電壓疊加問題。

頻率范圍問題：CT帶電運行時頻率為50 Hz，操作過電壓時頻率為kHz級，雷電過電壓時頻率為MHz級。這就要求電流傳感器及信號采集、處理裝置應具有較大的頻率響應范圍。

電流變化范圍大：CT帶電運行時，流過末屏接地線的電流幅值為mA級；雷電過電壓時，流過末屏接地線的電流接近kA級。這就要求電流傳感器應具有較大的量程，同時對小電流應具有足夠的靈敏度。

電壓疊加問題：電網過電壓實時監測時，被監測信號除運行電壓外，同時疊加了操作過電壓或雷電過電壓，最嚴重的情況是運行電壓同時疊加了操作過電壓和雷電過電壓。這就要求電流傳感器及監測單元應具有良好的相位特性，即不同頻率下電流傳感器及監測單元的相位應基本保持不變。

3 實現手段

變電設備過電壓在線測量裝置由寬頻大量程電子式電流傳感器、寬頻域監測單元和系統IED（智能電子設備）主機組成，詳見圖2。電流傳感器獲取CT末屏電流，寬頻域監測單元就地實現波形信號的數字化，站內各被測CT數字信號匯集到IED主機。

CT采用穿心式結構，末屏接地引下線直接穿過該電流傳感器，電流傳感器頻率范圍為50 Hz～1 MHz，量程范圍 1 mA～100 A，具有寬頻域、大量程、不改變CT原有接地方式、安全可靠等特點，在原有末屏引下裝置基礎上能實現帶電安裝。

監測單元由電量信號同步采集調理電路、ADC（數模轉換器）信號采集器件和DSP（數字信號處理器）組成。ADC信號采集器件為多路100 MHz的ADC信號采集器件，DSP采用BF7070。

IED主機用于監測單元的數據同步采集和管理，安裝在站控層組件柜內，采用IEC 61850規約實現在線監測數據上送。

4 裝置實驗室驗證

依據文獻[4]的規定，不同電壓等級CT的絕緣耐受水平見表1。

表1 不同電壓等級CT的絕緣耐受水平規定值

選取126 kV和550 kV產品，在試驗室對變電設備過電壓在線監測裝置進行測量誤差測試，測試回路如圖3所示，測試電壓取表1的相對值，具體見表2。

表2 測試電壓

測試結果表明，不同種類、不同幅值的電壓測試誤差能滿足電網過電壓測量要求。不同電壓下測試最大偏差見表3，波形比對結果見圖4。

5 現場應用

截至2018年7月，在寧波、臺州、杭州等地供電公司的多個220 kV變電站開展了變電設備過電壓在線監測試點安裝，共計99臺裝置投入運行。

圖2 變電設備過電壓在線測量裝置原理

圖3 測試回路

表3 不同電壓下測試偏差

5.1 裝置安裝

安裝步驟關鍵點如下：

（1）在CT停電的狀態下，打開二次接線盒。

（2）拆除CT末屏引出端子至接地端子引線，接入新末屏接地引下線。新末屏接地引下線套上Φ20 mm的不銹鋼波紋保護管，采用304不銹鋼扎帶將波紋保護管捆扎在CT的安裝支柱上。

（3）在CT底部支柱1.5 m高度位置安裝監測單元箱。

（4）在監測單元箱對應接線端子安裝CT末屏引下線，確保接地良好、末屏電流方向正確。

（5）安裝IED主機，利用光纖與站內的CAC平臺連接，實現數據上傳和遠程訪問。

5.2 應用效果

裝置安裝后運行正常，通過對監測數據的分析發現了2起過電壓事件。

事件1：2018-01-26，監測到某220 kV變電站的220 kV電壓等級線路有電壓波動，波形見圖5。經與該線路主管單位核實，確認該變電站電源側500 kV變電站有500 kV線路斷路器操作。

事件2：2018-07-14，監測到某線路有過電壓波形。裝置成功監測到危害設備安全的過電壓事件，其波形見圖6。

6 結語

圖4 標準器與測試裝置波形對比

在不改變電力設備一次接線方式的前提下，準確測量包括工頻過電壓、操作過電壓以及雷電過電壓在內的各種過電壓，實現過電壓的在線監測，可為設備故障分析提供直接依據。

圖5 事件1電壓波動波形

圖6 事件2過電壓波形

目前的雷電觀測僅能知道落雷點和落雷強度，卻無法掌握線路和變電設備上的過電壓水平，通過變電設備過電壓在線監測，可獲取過電壓幅值、波形和發生時刻，有利于設備絕緣故障的原因分析。

廣泛開展變電設備過電壓在線監測，對監測結果進行深度分析，可為繪制電網過電壓分布圖提供技術支撐。