基于電容式電壓互感器的暫態過電壓光學監測方法研究

尹 東，李其瑩，劉祥國，萬 斌，于文斌

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000；3.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

電網暫態過電壓威脅著電力設備的安全運行，監測暫態過電壓對保證電網安全可靠運行非常重要。但目前沒有行之有效的暫態過電壓監測手段，缺乏記錄事故過程的暫態過電壓數據，對暫態過電壓引起的事故分析主要依靠經驗，導致對事故原因的分析不明晰。利用暫態過電壓監測系統實時記錄故障發生的整個過程，通過對記錄電壓數據的分析就能準確確定事故原因，對提升設備絕緣水平和采取必要的防范措施具有重要意義［1-3］。但在目前的工程實施中，由于沒有效果良好的實用化過電壓在線監測手段，并沒有強制要求安裝暫態過電壓監測系統，使得暫態過電壓的現場實測數據非常有限。

目前，雖然已有多種結構和原理的過電壓監測方法和裝置被提出，包括從電壓互感器二次側取電壓信號、加裝專用電容分壓器和在運行設備末屏加裝低壓臂電容等，但效果都不太理想［4-6］。在高電壓等級的電網中，電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）被廣泛應用，但受限于測量頻帶問題，CVT 主要用于工頻電壓測量，無法用于諧波和暫態電壓測量［7-12］。為使CVT 兼具工頻測量和暫態測量的能力，有文獻提出通過加裝低壓電容C3對常規CVT 進行改造［9，13-15］。文獻［14］提出了內置低壓電容C3的方案，其電容C3設計值達54 μF，由18 個3 μF 電容元件并聯，電容結構較大不利于改裝，且電容材質與結構都與原電容器的電容元件差異較大，存在分壓比受溫度影響的問題，而且電容C3兩端電壓信號需通過幾百米的同軸屏蔽電纜傳輸至遠端繼保控制小室，抗電磁環境干擾能力較差。而如果將電容C3兩端電壓信號就地數字化后利用光纜傳輸，現場又需要供電電源。這些工程應用問題的存在，使得該方案并不適合現場在線監測。

提出一種基于CVT 的暫態過電壓光學監測方法，在常規CVT 的中壓電容C2的低壓端與接地端之間串接暫態監測電容C3，電容C3選用與分壓器電容C1、C2同樣材質、結構和工藝的電容元件并聯實現，再利用基于Pockels 電光效應的光學電壓傳感器（Optical Voltage Sensor，OVS）實現對電容C3兩端電壓的傳感，獲得暫態過電壓監測信號。該方案利用OVS 無源傳感器的優勢，實現監測系統的一二次電氣隔離，能有效解決目前暫態過電壓監測方案易受現場惡劣電磁環境干擾的問題［16］。研制OVS 樣機，設計基于CVT 的暫態過電壓光學監測系統，并開展暫態過電壓實驗，以驗證所提方案的可行性。

1 具備暫態電壓監測功能的CVT

1.1 測量原理和基本結構

常規CVT在工頻信號下的補償電抗器感抗與分壓器容抗相匹配，其測量準確度能保證。但對于非工頻信號，由于CVT內部阻抗匹配被破壞，其輸出會產生較大誤差。因此，常規CVT 不具備諧波測量和暫態過電壓監測功能。

設計具備暫態電壓監測功能的CVT 對常規CVT進行擴頻改裝。改裝方案為：在常規CVT 的中壓電容C2低壓端與接地端之間接入暫態監測電容C3，與CVT 的分壓器電容C1、C2形成分壓電路，實現兼具工頻穩態電壓測量和暫態電壓監測功能，其基本結構如圖1所示。

圖1 具備暫態電壓監測功能CVT的結構

改造后的CVT 在暫態電壓監測時，暫態監測電容C3兩端輸出電壓U3可以用式（1）表示。

式中：U1為一次側電壓。

1.2 暫態監測電容C3的特點和要求

加裝暫態監測電容C3后，為保證原CVT 的工頻穩態測量性能，需要考慮電容分壓器分壓比發生的變化。常規CVT電容分壓器的分壓比為

具備暫態電壓監測功能的CVT電容分壓器的分壓比變為

另外，電容器易受溫度變化的影響，致使CVT的電容分壓器的分壓比發生變化而影響測量準確度。因此，電容C3應選用與電容C1、C2溫度系數基本相同的材質。所設計的暫態監測電容C3選用與CVT原電容C1和C2同樣材質、結構和工藝的電容元件并聯實現。這樣，不僅能保證增加電容C3后不對原CVT 產品的壽命造成較大影響，也能基本保證暫態監測電容C3的分壓比不受溫度變化的影響。

以某型號110 kV CVT 為例，其高壓電容C1和中壓電容C2的容值分別為26 120 pF 和101 500 pF。設計加裝的暫態監測電容C3由兩個單節電容元件并聯而成，其容值為1.74 μF，電容C3上分壓約為750 V。由上文分析可知，加裝電容C3后，CVT 分壓比將會升高1.2%。為了補償對額定分壓比的偏差，CVT 的中間變壓器配有±5%的調節繞組。因此，可以通過調節繞組接線來補償加裝電容C3后電容分壓器分壓比的變化帶來的影響，保證改裝后CVT 滿足工頻電壓測量基本準確度的要求。

1.3 暫態監測電容C3兩端電壓的分析

1）仿真分析。

考慮CVT的雜散、分布電容和電感影響，建立具備暫態電壓監測功能的CVT 的高頻暫態等值電路，如圖2所示。

圖2 具備暫態電壓監測功能的CVT高頻暫態等值電路

圖2中，C1、C2、C3為電容分壓器的分壓電容；RC1、RC2、RC3為其對應的介質損耗；L為電容分壓器的引線寄生電感；LC為電磁單元補償電抗器的電感，RC和CC分別為其電阻及雜散電容；RT1和LT1分別為中間變壓器一次側繞組的電阻和電感；Rm和Lm分別為勵磁支路的電阻和電感；RT21和LT21分別為二次側測量負載繞組的電阻和電感；RT22和LT22分別為二次側保護繞組的電阻和電感；Lf、Rf分別為速飽和電抗器的電感和電阻；R2為二次側繞組負載電阻；C121為一次側和、二次測量繞組之間的耦合電容；C122為一次側和二次保護繞組之間的耦合電容；C11為一次繞組的對地電容；Cs1和Cs2為二次繞組的等效對地雜散電容。

依據圖2 所示的等值電路，利用電磁暫態程序（the Electromagnetic Transients Program，EMTP）建立CVT 的高頻暫態仿真模型，對暫態電壓監測電容C3兩端輸出電壓進行仿真分析。

在CVT 一次側輸入+20 kV 沖擊電壓，CVT 二次側1a-1n帶10 VA 負載，仿真得到輸入電壓與電容C3兩端輸出電壓的對比波形，如圖3 所示。從仿真波形可以看出，電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓波形幾乎重合。

圖3 電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓仿真波形對比

同樣，可以得到有電容分壓器（無電磁單元）和電磁單元是否空載時的仿真波形。分析在不同情況下電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓的參數值，比較結果見表1。

表1 電容C3兩端輸出電壓仿真結果參數值比較

電力行業標準DL/T 1351—2014《電力系統暫態過壓在線測量及記錄系統技術導則》中對測量不確定度的要求是：沖擊電壓峰值誤差不超過±5.0%；沖擊時間參數（波前時間、截斷時間等）測量誤差不超過±15.0%［17］。

仿真結果表明：電磁單元存在與否和電磁單元是否帶載，對電容C3用于測量暫態沖擊電壓的影響，其關鍵參數的測量誤差是可以接受的，完全能滿足標準DL/T 1351—2014規定的要求。

2）實驗研究。

上文仿真模型中電容式電壓互感器雜散電容參數的準確獲取是比較困難的，而參數的準確性對仿真結果和所得結論的準確性和可信性是非常關鍵的。為此，在仿真分析的同時對樣機開展相應的試驗研究。

由沖擊電壓發生裝置產生幅值為+200 kV 左右的雷電沖擊電壓，施加在含電容C3的CVT 的高壓端，沖擊電壓發生裝置有一標準分壓器與之配套使用，輸入電壓經過標準分壓器后，通過衰減輸入到示波器測量，電容兩端電壓通過高壓探頭接入示波器。

圖4為含電磁單元，且二次側1a-1n繞組接10 VA額定負載時，電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓試驗波形對比圖。

圖4 電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓試驗波形對比圖

同樣，可以得到有電磁單元且二次側是否空載運行時和將CVT 的分壓器與電磁單元解開（無電磁單元）時的試驗電壓波形。分析在不同試驗條件下電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓參數值，比較結果見表2。

表2 電容C3兩端輸出電壓實驗結果參數值比較

實驗表明：電容C3用于測量雷電沖擊電壓，其關鍵參數的測量誤差也能滿足標準DL/T 1351—2014規定的要求，特別是對于電磁單元是否帶載，其參數測量值之間的差異是比較小的。

綜上，增設電容C3可以用于暫態電壓監測。

2 光學電壓傳感器

2.1 測量原理

OVS 采用基于Pockels 電光效應原理的傳感器，其測量原理如圖5 所示［18-20］。圖中，OVS 以鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）晶體為傳感材料，主要包括LED 光源、起偏器、檢偏器、l/4 波片、電光晶體、準直透鏡和PIN光電探測器［18］。

圖5 光學電壓傳感器的測量原理

OVS 的基本測量原理是：LED 光源發出的光通過起偏器后產生線偏振光，在外加電壓U的作用下，波長為l的線偏振光通過長度為l的BGO 晶體時，出射的兩束光產生相位差，可以表示為

式中：n0和γ41分別為BGO 晶體的折射率和電光系數；d為電壓方向的晶體厚度；Uπ為晶體半波電壓，且

由式（4）可知，要獲得外加電壓U，需準確測出相位差δ。采用雙光路信號處理方案，OVS 兩個光路輸出信號可以分別表示為：

式中：P為傳感光路的靜態工作光強，μW；A為光電轉換系數，V/μW；Gq為前置放大倍數。

采用差除和信號處理方案，得到OVS的輸出為

式中：ui為輸入電壓；K電光效應常數。

K表示為

由式（8）可知，OVS 的輸出電壓正比于輸入電壓。原理上，OVS 沒有頻帶和響應時間問題，能準確傳變暫態電壓信號是OVS的最大優勢。

2.2 樣機研制

圖6 為封裝好的OVS 樣機，包括3 個光接口和2個電接口，其結構組成如圖7 所示，主要包括準直器1、起偏器、λ/4 波片、BGO 晶體、檢偏器、準直器2、準直器3、高壓電極和地電極。

圖6 研制的OVS樣機

圖7 OVS的結構組成

LED 光源發出一定波長的光信號通過光纖傳送到準直器1，經起偏器變成線偏振光，然后經λ/4 波片變成圓偏振光，當光通過BGO電光晶體時，在外加電壓的作用下發生雙折射，產生相位差，經檢偏器檢偏將輸出光1∶1的分成兩束光，分別由準直器2和準直器3 匯聚后通過光纖送入光電探測器，再利用雙輸出差除和信號處理方案進行解調得到被測電壓。

2.3 OVS的暫態電壓測試與分析

圖8為OVS暫態電壓測試系統結構，圖9為其實物接線，主要包括：暫態電壓發生器、光學電壓傳感器、示波器和信號處理與監測分析主機。

圖8 OVS暫態電壓測試系統結構

圖9 OVS暫態電壓測試

示波器通過探頭采集暫態電壓發生器產生的電壓，與OVS 監測得到的電壓信號進行對比分析，表3為兩臺OVS樣機的暫態電壓測量誤差。測試結果表明，OVS能準確測量暫態沖擊電壓信號。

表3 電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓參數值比較 單位：%

3 基于CVT的暫態過電壓光學監測系統

3.1 系統結構

圖10 為本文設計的基于CVT 的暫態過電壓光學監測系統結構。圖中，信號處理與監測分析主機外殼內集成了高速光電轉換電路和快速采集板卡，采集卡單通道80 MHz采樣速率可調，實現對信號的快速寬頻測量；監測主機分析軟件基于LabVIEW 軟件平臺開發，用于對采集到的信號波形進行存儲、分析。OVS與暫態監測電容C3并聯，其高壓電極與電容C3的高壓端連接，接地極與電容分壓器的接地極連接。

圖10 基于CVT的暫態過電壓光學監測系統結構

OVS 不需要CVT 系統提供能量，因此電容C3沒有帶載能力問題。OVS 與遠端信號處理與監測分析主機通過光纜連接，實現一二次完全電氣隔離，這也是光學監測的另一大優勢。

3.2 雷電沖擊試驗與分析

圖11 所示為基于CVT 的暫態過電壓光學監測系統沖擊試驗接線。試驗電壓由沖擊電壓發生器產生，調節球隙產生幅值為+241 kV的雷電沖擊電壓施加在含C3電容的CVT 高壓端，輸入電壓經標準分壓器后通過衰減輸入到示波器測量，圖12 為輸入電壓波形。

圖11 基于CVT的暫態過電壓光學監測系統沖擊試驗

圖12 輸入雷電沖擊電壓波形

信號處理與監測分析主機通過光纜在遠端監測OVS 傳感的雷電沖擊電壓信號，光學監測系統獲得的雷電沖擊電壓波形如圖13所示。

圖13 光學監測系統獲得的雷電沖擊電壓波形

同樣的試驗進行多次，并對波形進行參數提取，分析得到雷電沖擊電壓波形的關鍵參數，具體數值見表4。

表4 雷電沖擊電壓試驗結果

分析結果表明：研制的基于CVT 的暫態過電壓光學監測系統能滿足標準DL/T 1351—2014 規定的暫態過電壓監測對測量不確定度的要求。

4 結語

1）提出一種基于CVT的暫態過電壓光學監測方法，通過在常規CVT 的中壓電容C2低壓端與接地端之間串入暫態監測電容C3，再利用OVS 對電容C3兩端電壓的傳感，實現了對暫態過電壓監測。

2）建立具備暫態電壓監測功能的CVT的高頻暫態電路模型，仿真分析CVT 電磁單元對暫態監測電容C3兩端電壓的影響，并進行相應的實驗研究，仿真和實驗結果論證了利用電容C3監測暫態電壓的可行性。

3）研制基于Pockels 電光效應原理的OVS 樣機，設計了基于CVT 的暫態過電壓光學監測系統，并進行了雷電沖擊試驗，試驗結果表明監測系統能滿足對暫態過電壓監測的需求，進一步論證了所提方案的有效性。

本文提出的基于CVT的暫態過電壓光學監測方案，充分利用了OVS無源傳感器的優勢，實現了監測系統的一二次完全電氣隔離，有效解決了現有監測方法易受現場惡劣電磁環境干擾的問題，為電網暫態過電壓在線監測裝置提供了一種全新的設計思路。