摘要：无论是工频过电压、操作过电压还是雷电过电压，这些过电压都严重威胁电网的安全运行，甚至导致电网意外跳闸，停止供电。过电压易破坏高压设备的绝缘进而引发更为重大的事故，严重的会引起火灾。因此，电力企业花费大量的人力、财力进行过电压治理。治理的前提是准确监测到过电压最易发生在哪些设备群、哪条线路上，实时获得过电压的峰值、何时发生、何时结束及波形特性。准确获取各种过电压水平对预测设备安全运行能力起到重要作用。
关键词：变电设备；过电压；在线监测；应用研究
1引言
国内外运行经验表明，电力系统在实际运行中频繁遭受过电压的危害，容易造成设备损毁甚至引发严重事故。尽管在运行中已采取了较多的过电压抑制及防范措施，但过电压现象及其导致的故障仍然时有发生。造成这一现象的主要原因是目前缺少高效可靠的监测技术，无法精确获知过电压幅值大小及波形特征规律，使得绝缘配合与实际运行情况存在差异，设备的安全运行无法得到可靠保障。目前关于电力系统过电压机理、频率及幅值等特征相关研究已取得了较多的成果，但这些研究多基于理论分析及仿真建模，尚缺少实测数据的验证。准确获取电力系统实际运行中过电压特征，对于事故分析以及绝缘配合的优化改进可以提供数据支撑，并有助于减少过电压事故的发生，因此，急需一种高效可靠的监测技术。
2测量过电压的主要方法
目前，测量过电压的主要方法有电容传感器、电场探头和套管末屏法3种。第一，电容传感器法。加拿大研制了测量频率范围分别为1Hz～100MHz和100kHz～500MHz的2种手孔式电容传感器测量系统，并应用该系统对500kVGIS变电站中隔离开关操作产生的过电压进行了实测。日本东芝公司研制了预埋环电容传感器测量系统，主要用于其产品中的过电压测量，最高频率为10MHz。国内研制的手孔式电容传感器测量系统频率范围为3Hz～38MHz，在实验室对252kV隔离开关操作产生的过电压进行了测量。第二，电场探头法。可用于测量GIS的外部过电压，球状探头被放置在测量点附近，感应电场被转换为瞬态电压信号，通过光纤系统传输至示波器，频率可达100MHz，德国和瑞士尝试用该测量系统对420kV系统的外部过电压进行了测量，过电压最高频率为12MHz。该传感器分压比受变电站设备布置等环境条件影响较大，须进行现场标定，且实施较困难。第三，套管末屏法。也是采用电容分压原理，在变压器或高压并联电抗器出线套管的末屏处接入二次电容，形成电容分压器测量过电压，但需采用反卷积方法还原测量信号，测量精度较低，且测点受限。国内在750kV工程调试中用该方法对过电压进行了测量。上述情况表明：国外研制的手孔式电容传感器的性能指标较高，国内研制的手孔式电容传感器测量频率范围偏低，难以确保过电压测量结果的准确性；预埋环电容传感器测量系统的测量带宽较低，套管末屏法的测量精度较低且测点受限。因此使用手孔式电容传感器成为过电压测量中比较实用的方法，但对其的测量频率范围要求比较高。
3电网过电压实时监测的技术难点
电网过电压测量的技术难点主要体现在不同类型的过电压，频率范围差异极大、过电压幅值差异大引起的末屏电流幅值差异极大和不同类型的电压叠加问题。频率范围问题：CT带电运行时频率为50Hz，操作过电压时频率为kHz级，雷电过电压时频率为MHz级。这就要求电流传感器及信号采集、处理装置应具有较大的频率响应范围。电流变化范围大：CT带电运行时，流过末屏接地线的电流幅值为mA级；雷电过电压时，流过末屏接地线的电流接近kA级。这就要求电流传感器应具有较大的量程，同时对小电流应具有足够的灵敏度。电压叠加问题：电网过电压实时监测时，被监测信号除运行电压外，同时叠加了操作过电压或雷电过电压，最严重的情况是运行电压同时叠加了操作过电压和雷电过电压。这就要求电流传感器及监测单元应具有良好的相位特性，即不同频率下电流传感器及监测单元的相位应基本保持不变。
4实现手段
变电设备过电压在线测量装置由宽频大量程电子式电流传感器、宽频域监测单元和系统IED（智能电子设备）主机组成。电流传感器获取CT末屏电流，宽频域监测单元就地实现波形信号的数字化，站内各被测CT数字信号汇集到IED主机。CT采用穿心式结构，末屏接地引下线直接穿过该电流传感器，电流传感器频率范围为50Hz-1MHz，量程范围1mA-100A，具有宽频域、大量程、不改变CT原有接地方式、安全可靠等特点，在原有末屏引下装置基础上能实现带电安装。监测单元由电量信号同步采集调理电路、ADC（数模转换器）信号采集器件和DSP（数字信号处理器）组成。ADC信号采集器件为多路100MHz的ADC信号采集器件，DSP采用BF7070。IED主机用于监测单元的数据同步采集和管理，安装在站控层组件柜内，采用IEC61850规约实现在线监测数据上送。
5应用实例分析
该过电压在线监测系统开发完成后，2015年5月安装于晋煤集团老区35kV电网系统中的王台35kV站。该站多年来一直存在PT在系统接地后烧毁的现象，且高压熔断器也频繁熔断。为了避免这种情况一再发生，对晋煤集团老区35kV系统造成威胁，将此系统安装于该站，使其能够实时记录晋煤老区35kV系统发生各种过电压事故时的数据，在过电压发生时能完整准确记录过电压的实际变化过程，记录保存过电压的波形和各种参数，存储事故发生前后过电压的情况，为该站PT烧毁原因的查找提供数据支持，从而采取更有效的解决办法。对系统异常时的各种电压进行告警及录波。该过电压在线监测系统在王台35kV站运行将近一年半的时间，状况良好，能对各种过电压情况实时进行监测。现针对运行过程中出现过的两次雷电过电压故障进行分析。针对2016年老区35kV系统中某条输电线路的一次架空线路的雷击事实，通过过电压监测装置的录波数据我们清晰地得到了线路发生雷击的时间及雷击过电压的过电压倍数。由图1(a)可知本次雷击的峰值过电压倍数是系统正常运行的4.2倍左右，本次雷击波的上升沿在5μs左右，由于上升沿时间比较长，大于标准的1.25/50的标准雷电波，所以本次的雷击未造成严重的设备损坏危害。通过图1(b)过电压监测装置的同期波形，我们分析认为在雷击的同一时刻，架空线路发生了40ms左右地电位低频振荡。因为线路直接遭受雷击必然导致受击线路的避雷器动作，发生相对地短路，严重时会发生相间短路跳闸，所以我们分析认为本次雷击为感应雷。感应雷的电荷通过线路的PT中性点重新分布，导致系统母线电压低频振荡。若本次感应雷导致的线路的零序低频振荡时间过长，则必然导致线路PT烧毁，发生严重的运行事故。
6结束语
在不改变电力设备一次接线方式的前提下，准确测量包括工频过电压、操作过电压以及雷电过电压在内的各种过电压，实现过电压的在线监测，可为设备故障分析提供直接依据。目前的雷电观测仅能知道落雷点和落雷强度，却无法掌握线路和变电设备上的过电压水平，通过变电设备过电压在线监测，可获取过电压幅值、波形和发生时刻，有利于设备绝缘故障的原因分析。广泛开展变电设备过电压在线监测，对监测结果进行深度分析，可为绘制电网过电压分布图提供技术支撑。
参考文献
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论文作者:梁璐
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
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