基于電場傳感器的VFTO測量方法研究

谷紅霞

摘要：氣體絕緣變電站日益廣泛地應用于電力系統中，在變電站中由于開關合分閘操作引起的快速暫態過電壓（VFTO）給氣體絕緣變電站帶來的絕緣故障率問題呈上升趨勢。本文的主要目的是研究GIS變電站開關合分閘過程中產生的VFTO，根據VFTO陡波產生過程，建模分析以及VFTO波形分析，進行基于電場傳感器的VFTO測量系統的設計方案研究。通過電場傳感器中電壓和電場的固定關系利用編程方式實現對數據的分析和存儲，最終確定采用電場傳感器對VFTO進行檢測測量研究。

Abstract： Gas insulated substations are increasingly used in power systems. The problem of insulation failure rate brought by very fast transient over-voltage （VFTO） caused by switching and opening and closing operations in substations is increasing. The main purpose of this paper is to study the VFTO generated during the switching and closing process of GIS substation. According to the VFTO steep wave generation process， modeling analysis and VFTO waveform analysis， the design scheme of VFTO measurement system based on electric field sensor is studied. The data is analyzed and stored by the programming mode through the fixed relationship between the voltage and the electric field in the electric field sensor. Finally， the electric field sensor is used to detect and measure the VFTO.

關鍵詞：電場傳感器;VFTO;測量方法

Key words： electric field sensor;VFTO;measurement method

中圖分類號：TM933.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）16-0182-03

0? 引言

氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，簡稱GIS）是由被密封在充滿SF6氣體的接地金屬氣體管道中的隔離開關、斷路器、母線、避雷器、電流互感器等高壓電器組合而成的高壓配電裝置[1]。當隔離開關與該裝置中的母線斷開或者閉合時，由于斷開閉合的過程中閘片觸頭運動速度較慢，同時開關的滅弧性能較差，故在此過程中觸頭會多次發生重燃，引起快速暫態過電壓。VFTO己經成為使變電站中設備產生故障的主要原因之一。目前國內外關于VFTO的測量方法有采用套管傳感器測量;微分積分測量法，采用內置探頭結構測量，寬帶預埋環測量等方法。這些方法在不同的適用情況下均取得了一定的測量效果，但由于受到外界影響較大，效率較低和適用范圍有限等缺點，本文針對針對500kV GIS/HGIS變電站的開關動作時產生的ns級快速暫態過電壓（VFTO）測量技術的研究提出一種基于電場傳感器的VFTO測量方法

1? 基于電場傳感器的無接觸VFTO測量法

快速暫態過電壓VFTO的實際測量技術一直是國內外十分關注的研究，從1980年開始，國內外關于VFTO測量法不斷創新，提出多種具有實際效果的測量方法，比如：內置探頭法、預埋電極法、微積分方法、套管末屏法等方法。通過實驗可得，在這四種較為經典的方法中，套管末屏法比較適用于測量振蕩頻率較低的GIS外部過電壓，其測量頻帶較低。地電容等客觀因素的存在會對微積分方法測量造成影響，使其頻帶裕度有限。在測量頻帶很有限方面，預埋電極法與與微積分方法一致，此外受到高低壓臂電容連接引線引入電感的影響，再加上該方法需要在盆式絕緣子中預置預埋環電極，極容易造成高頻振蕩問題。在電壓過高的情況下，通過分壓，直接從線路上連線進行信號的測量不容易實現。鑒于現有的高壓測量技術方面有著較高的要求，且在高壓情況下較難實現，在這種形勢下，再加上鏈接的系統本身存在負載，可能對高壓造成極短時間抑制，影響最終的采樣結果精準度。對于VFTO來說，最好采用無接觸的方式進行檢測。現有具有能在低壓和電壓輸電線路附近測量電場的傳感器。利用這樣的傳感器可以對因分閘而產生的VFTO進行測量。將電場傳感器放在被測線路旁，保持與線路的相對位置固定不變。在電路工作于穩定的情況下，對電場進行測量。所測量到的電場的強度與線路上的電壓有關，并與線路中的電壓成線性關系。當輸電線路中的電壓變化時可以觀測到電場的變化，并由此通過已知電壓和測得電場強度對傳感器進行定標，再進行VFTO的測量。在電路穩定的情況下，測到了一個穩定的電場。當分閘時，電場發生變化，將電場變化曲線進行記錄。根據電場的變化規律就可以通過數據分析獲得線路內部電壓的變化情況。對于現有的高壓測量手段也提出極高的要求，且在高壓情況下不僅實現測量的難度很大，其最終的采樣結果也可能存在較大誤差。

對于VFTO來說，最好采用無接觸的方式進行檢測。在其線路的附近無論是低噪聲穩定的直流或交流電路，其電場是穩定的。由于開關分合閘會影響電路，電場也必然會因此受到擾動。有研究表明，電場擾動會隨著電路內部擾動的增強而逐漸變強。由此可知，既然穩定電場可被測量，那么由于擾動引起的變化也能夠被及時發現。也就是說，無接觸的測量VFTO是可行的，通過測量電場即可實現。

2? VFTO測量系統架構

如圖1所示測量系統架構圖，使用傳感器對高壓脈沖信號進行采集，為采集ns級高速放電信號，選用高端ADC板卡進行采集，然而由于諸多客觀原因的限制，只有將系統小型化才能更便于實現和操作，為此，系統依據實際情況，集成整個裝置，設計小型化VFTO測量系統。并通過高精度ADC板卡對數據采樣，經過分析和存儲數據，進一步優化技術方案。

同時合理布置傳感器點陣，以在GIS的不同節點進行測量，同時在不同負載的情況下對在相同的節點測試VFTO，對數據進行記錄和分析。結合模型合理布置傳感器，力爭用最少的傳感器實現GIS的VFTO監護。整個過程需要采集大量數據以做深入分析和一般性的規律總結。分析電壓和電場的關系，當電路分閘時，電場傳感器可測量出電場的變化情況及線路內部電壓的變化情況，實現VFTO的測量。圖1表示VFTO測量的系統架構。

3? 基于VFTO實際測量實驗

3.1 電場的傳感器

該傳感器主要采用中科電場傳感器，在同一平面內，電場傳感器內部由兩個部分組成，分別是感應電極和驅動電極，正是由于這兩者的存在，產生的邊緣電場穿過被測物，有利于VFTO特性檢測。對于一個電容單元，其電容的大小可表示為：

3.2 固定傳感器位置，改變電壓等級

為測試VFTO測量系統，在實驗室環境搭建了一個測試平臺，實驗系統框圖如圖5所示，實驗采用脈沖信號發生器產生正常工頻信號，使用小型高壓脈沖發生器產生高壓脈沖信號，使用中科電場傳感器測量，用NI USB 6522采集板卡進行數據采集，然后傳輸給上位機，通過上位機LabVIEW程序VFTO測量系統軟件數據處理部分采用NI LabVIEW進行編程，將采集到的電壓波形數據觀察并分析，即可完成VFTO測量的實驗室測試平臺。

電場傳感器實際測試裝置如圖6所示。傳感器位于平行板的內部，兩極板進行加壓實驗，通過上位機讀出中科電場傳感器的輸出數據，并記錄于表1所示。平行板的面積為0.47平方米的正方形，極板間的距離為70cm左右。傳感器位于極板中心位置。

3.3 固定電壓等級，改變傳感器位置

電場傳感器實際測試裝置如圖7所示。通過固定10kV、20kV、35kV電壓等級進行測試實驗，并重復三次實驗，將實驗結果記錄在表2中。根據表2中的數據，傳感器輸出的為峰值電壓信號，并與場強成正比。

通過固定10kV、20kV、35kV電壓等級進行測試實驗，并重復三次實驗，將實驗結果記錄在表2中。根據表2，傳感器輸出的為峰值電壓信號，并與場強成正比，可以看出以下特征：①距離高壓越近、場強越大;②相同的距離電壓越高，場強越大;③同一電壓等級在不同的距離時，參數的場強可能相等;④同一高壓源下，隨著距離的增加，電場強度在遞減，可以認為線性關系或者雙曲線的第一上限的部分。

用電場傳感器測量電壓方法的關鍵在于在電壓和電場間存在確定的關系。通過上述分析我們發現，電路上電壓與周圍固定點電場的確定關系是存在的。因此，利用電場傳感器進因分閘而在線路內部引起的VFTO的測量是有理論和實驗依據的。

4? 結論

根據VFTO陡波產生過程，建模分析以及VFTO波形分析研究，進行總體的基于電場傳感器的VFTO測量系統的設計方案研究;依據傳感器中電壓和電場的固定關系，選用電場傳感器檢測測量研究VFTO。利用電場傳感器、數據采集板卡以及利用編程實現數據的分析和存儲功能，建立了完整的VFTO測量的測試實驗平臺，利用上位機可編程功能開發VFTO信號采集軟軟件對采集的數據建立數學模型，對VFTO進行數學關系的分析，為快速暫態過電壓（VFTO）深入研究的技術方案奠定基礎。

參考文獻：

[1]陳葉倩.快速暫態過電壓的測量技術研究[D].昆明理工大學，2017.

[2]Xiaoming Chang，Yinke Dou，Dun Zhou et al.Research on Sensor of Ice Layer ThicknessBased on Effect of Fringe Electric field.? International Conference on Computing，Measurement， Control and Sensor Network. 2012.

[3]眭曉飛，張重遠，王會斌.VFTO下變壓器類設備無源高頻模型的建立[A].中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十四屆學術年會論文集（中冊）[C].2008.

[4]Yinbiao Shu，Weijiang Chen， Zhibing Li， Min Dai，Chengrong Li， Weidong Liu， Xianglian Yan.Experimental Research on Very-Fast Transient Overvoltage in 1100-kV Gas-Insulated Switchgear. Power Delivery， IEEE Transactions on. 2013.

[5]戴敏，谷定燮，孫崗，王磊，周沛洪，姚濤，陳海波，萬磊，龐慶平，鄒曉明，陳潔.特高壓氣體絕緣開關設備特快速瞬態過電壓的試驗回路研究[J].中國電機工程學報，2011（31）.

[6]N. Angkawisittpan， T. Manasri. Determination of Sugar Content in Sugar Solutions using Interdigital Capacitor Sensor. MEASUREMENT SCIENCE REVIEW. 2012.