寬頻暫態電場測量裝置的研究

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(1.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)，重慶 400044；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；3.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；4.國網攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

電力系統故障統計表明，電網過電壓是引發設備事故的重要原因之一，而已知的過電壓種類多樣，有波前時間為納秒級的快速暫態過電壓(very fast transient overvoltage,VFTO)、納秒級的雷電過電壓、數百納秒級的操作過電壓和毫秒級的工頻過電壓[1-2]。隨著電網的迅速建設和發展，雖然已經有大量的設備用于過電壓的監測與防護，但過電壓現象依然時常發生。為了電網的安穩運行，對過電壓的監測和分析具有十分重要的意義。

近年來，國內外學者對過電壓的監測展開了許多研究工作，其中最傳統的測量方法是基于分壓器的過電壓監測。該方法按照分壓器類型分為電阻式、電容式、阻容式等[3-5]，然而分壓器屬于離線設備，往往難以在運行中應用。文獻[6]中又提出基于套管末屏的過電壓測量方法，但不接地的測量方式又會帶來許多安全隱患。部分學者提出了基于新型傳感器的過電壓監測方案，如利用光纖電壓傳感器[7-12]。但這種測量方式因為其測量的特殊性，極易受到外界環境和機械條件的影響，多數仍處于調試階段。除此之外，還有應用非接觸式電容電壓互感器的過電壓測量方法，相比而言，該方法能夠實現在線監測，同時便于應用，因此在實際的過電壓檢測中逐步得到應用。文獻[13]中提出一種非接觸式傳感器用以測量高壓架空輸電線路的過電壓。該方法主要利用傳感器與輸電線路之間存在的雜散電容與傳感器分壓電容構成電容分壓器，替代傳統方式獲取架空輸電線路的電壓波形。但此方法中的雜散電容易受環境影響而變化，因此測量精度一般。

基于上述研究現狀和應用需求，下面從基于空間耦合電容分壓的過電壓測量方法出發，運用電路設計及傳感器結構優化拓寬其測量頻帶，并在實驗室條件下對其雷電沖擊特性進行了試驗，最終設計一種新型的測量裝置。

1 電場測量方法

1.1 基本原理

所研究的暫態電場測量裝置實際是通過一平行電極板放置在空間電場中獲得感應電壓信號，從而精確測量電場，進行電壓的監測。其測量原理如下。

如圖1電場測量示意圖所示，將一平行板電容器放置在電場強度e(t)=Emsinωt的正弦電場中，其兩板之間的感應電流ic為

(1)

式中：ε0為真空介電常數，F/m；A為極板表面積，m2；Em為電場強度幅值，V/m。

取平行板之間放置的外部測量電容器的電容值為CB，則該電容器在電場E的影響下，其電勢的大小為

(2)

將式(1)代入式(2)則有

圖1 電場測量

(3)

根據式(3)設轉換系數kE，令

(4)

代入式(3)可得

uc(t)=kE·e(t)

(5)

已知在2個導體之間產生的電場e(t)取決于電勢差u(t)的大小。在2個電極是平行板且間隔距離d的特定情況下，令幾何常數kG為1/d。它們之間的關系可表示為

E(t)=kG·u(t)

(6)

結合式(5)和式(6)，可得到

uc(t)=kE·kG·u(t)

(7)

考慮到電場傳感器與測量設備之間會存在一定的電壓增益GV以適應采集的要求，測量設備最終獲取的電壓uc0(t)=GV·uc(t)。最終計算得到平行板兩端施加的電壓u(t)為

(8)

因此即可通過測量電容感應得到的電壓準確反映出電場變化情況，從而實現對過電壓的在線監測。同時，因為電場變化是基于工頻電壓的基礎上，所以無需得知常數GV、kE、kG就足以驗證電壓波形變化的情況。但若要得到準確的測量數值，考慮到現場復雜電場情況，必須首先進行工頻電壓試驗進行校準以確定變比常數。

1.2 電路設計

測量示意圖如圖2所示，B1、B2為金屬極板，將電壓加在兩金屬極板上后可產生如圖1所示的電場；C2為測量設備電容；R2為測量設備輸入電阻；C1、R1和C3、R3分別為測量裝置上下兩端和B1、B2之間空氣間隙形成的電容和電阻。如果直接使用示波器測量C2端電壓，此時R2的阻值為兆歐級，而空氣間隙形成的R1、R3可達吉歐級甚至更大，為了做到阻抗匹配，不得不增大設備的輸入電阻R2以匹配R1、R3。

圖2 直接測量

在采集設備輸入端并聯電容C24，可有效改善跟隨器在50 Hz～5 MHz范圍變化時的輸出響應特性。如圖3所示，在輸入幅值為8.2 V的正弦波電壓時，隨著頻率的升高，跟隨器輸出電壓在C24取不同的電容值時而有所不同。在選擇適當的電容值時，跟隨器輸出的幅頻特性會得到改善，減小信號失真，保持一致的輸入輸出比。

圖3 C24取不同電容值時的頻率響應

1.3 結構設計

根據前述理論，測量裝置的傳感器部分設計為兩塊平行金屬板所構成的電容。考慮到測量時外界電磁干擾問題以及使用的便利性，因此將該測量裝置的結構設計成圓筒形結構，如圖4所示，其中頂蓋(不銹鋼材質)作為平行金屬板電容的上級，圓筒(不銹鋼材質)和底座(不銹鋼材質)的組合作為平行金屬板電容的下級，在頂蓋和圓筒之間添加環氧樹脂材質的絕緣介質。另外，測量電路板固定在筒中連接柱處，以達到屏蔽外部電磁干擾的作用。

圖4 裝置成品

2 測量裝置試驗結果分析

2.1 工頻電壓試驗

首先，對測量裝置進行工頻高壓試驗，以檢驗測量裝置在工頻條件下的運行情況，同時考慮現場電場分布的復雜情況，工頻試驗可以更好地獲取裝置的測量變比。

工頻電壓測量原理圖如圖5所示。圖中左側框中所示為工頻高壓發生器，試驗變壓器可輸出工頻高壓u1。隨即在施加電壓u1的兩金屬極板B1、B2間就會產生穩定的工頻電場。測試裝置C2同樣置于B1、B2之間，會在電場中感應出電壓u2。通過測量u2的大小，即可以反推出u1的大小。

圖5 工頻電壓試驗電路

工頻試驗的其中一組測量結果如圖6所示。從圖中可以看出，工頻試驗結果較為理想，可準確反映跟隨電壓變化情況。對圖6數據進一步做歸一化處理，得到的結果如圖7所示。試驗結果顯示，兩波形歸一化結果十分吻合，測量裝置的工頻跟隨特性良好。

隨后進行了多組試驗，計算其變比結果，其變化趨勢如圖8所示，變比基本維持在5500左右。

圖6 工頻試驗結果

圖7 歸一化處理結果

圖8 工頻試驗變比變化情況

2.2 沖擊電壓實驗

在實驗室條件下對測量裝置進行了沖擊電壓試驗。

圖9 沖擊電壓測量原理

整體測量系統如圖9所示，左側虛線框中為沖擊電壓發生器等效電路圖，電容C4在初始時刻即存在電壓u4，發生器工作時，C4上的電荷通過球隙g1放電，在電容C2上產生標準雷電沖擊電壓u5，然后將該電壓通過導線引到右側虛線框所示的B1、B2所構成的金屬極板上。此時，即在B1、B2之間產生跟隨C2電壓變化的電場。與工頻試驗同理，在獲得該設備的測量變比之后，即可通過測量u2的電壓，計算出u5的電壓，達到測量的目的。

由此可見，在過電壓的測量中，該方法可以無需與高壓側有任何電氣接觸而獲得被測端的電壓，具有安全可靠的性能。

2.3 實驗結果及分析

選取一組沖擊電壓下的測量結果如圖10所示，圖中較深部分為高壓探頭輸出原始電壓波形(單位為kV)，較淺部分為測量裝置輸出的感應電壓波形(單位為V)。原沖擊電壓發生器輸出的電壓波形波前時間為1.2 μs，半峰值時間等于50 μs的標準雷電沖擊全波。歸一化后的結果如圖11所示，從圖中可看出兩組電壓波形變化趨勢基本一致，可見測量結果理想，感應電壓的輸出能夠跟隨沖擊電壓的波形。

圖10 沖擊電壓測量結果

圖11 歸一化結果

在相同條件下進行了多組沖擊電壓試驗，最終從各組試驗數據計算出的變比值情況可以看出，隨沖擊電壓的提升，計算變比略有變化，但基本維持在5500左右，整體誤差不超過5%，同時與工頻試驗結果相同。結合上述分析可知，在沖擊電壓試驗中，所設計的測量裝置能夠滿足很好的測量精度，且靈敏度也非常理想。

3 結 語

根據空間耦合電容分壓的過電壓測量方法，設計了一種新的測量裝置,并對電場測量原理、信號獲取電路和外部結構等進行了論述，結合試驗分析，得到了以下基本結論：

1)該測量裝置與傳統過電壓測量設備相比，其與高壓側不含任何電氣接觸，且結構簡單，具有較強的安全性。

2)裝置測量精度較高，應用在工頻電壓獲取的測量變比，整體測量誤差不超過5%，能夠有效地反映監測電壓變化情況，且跟隨性良好。

3)頻率響應在5 Hz～5 MHz較為平坦，測量頻帶較寬，可以滿足工頻電壓到高頻率的雷電沖擊電壓的測量。理論上可適用于電力系統各電壓等級的過電壓測量。