分布式暫態過電壓在線監測技術在特高壓GIS變電站中的應用*

周興，勞斯佳，王磊，仇一凡，李忠晶，鞠登峰

（1.南京南瑞集團北京國網普瑞特高壓輸電技術有限公司，北京102200；2.中國電力科學研究院，北京100192）

0 引 言

特高壓變電站已成為我國電力系統中的關鍵樞紐，對于高容量、長距離輸電以及保證整個系統的穩定安全都具有重要的戰略意義。特高壓輸電工程由于自身無功功率很大，導致在合閘操作時很容易在線路上產生較高的操作過電壓，還可能在故障及三相甩負荷時發生嚴重的工頻過電壓及操作過電壓；同時，特高壓變電站對于雷擊損壞的預防措施也至關重要，因此，對于特高壓變電站一次設備的絕緣水平要求很高［1］。采用變電站一次設備暫態過電壓在線監測技術，記錄過電壓故障波形信息，并對故障波形進行分析，可為提高一次設備的絕緣防護水平提供可靠依據［1-2］。

目前在電力系統中廣泛采用故障錄波設備進行過電壓的在線監測，但是，故障錄波設備為電力系統穩態測量設備，主要關注穩態測量，其主要關心電力設備發生故障時設備動作是否正常，且設備的模擬量通道都是共地的，無法避免暫態過電壓在通道間產生的干擾［2］，另外故障錄波設備還具有分析功能少、采樣頻率低、故障記錄啟動模式單一等缺點，因此并不適合電力系統暫態過電壓的測量。

暫態過電壓在線監測系統擁有采樣頻率高，波形采樣精確，波形記錄種類多樣，分析功能豐富，高度智能化等優點，相比于故障錄波設備在暫態過電壓監測方面具有巨大優勢。自21世紀以來，國內暫態過電壓在線監測技術迅速發展，相關技術研究發展至今已經逐步走向成熟，國內針對過電壓監測的理論與仿真研究也屢有突破。近幾年，在黑龍江、重慶、貴州等地已開展多種不同技術路線的過電壓在線監測示范工程，獲得了顯著的成績，DL／T 1351-2014《電力系統暫態過電壓在線測量及記錄系統技術導則》也已于2015年3月正式實施，該技術將成為地方電網建設發展的重要組成部分。

提出一種分布式暫態過電壓在線監測技術，該技術將暫態過電壓監測設備嵌入于高性能EMC設計的戶外柜中并將戶外柜就近安置于被測一次設備附近，有效解決了遠距離鋪設信號電纜造成的信號干擾和失真的問題。系統采用分布式系統架構和分析技術，將局域網絡內各測點過電壓數據依據IEC 61850傳輸協議進行匯總，通過后臺軟件可實現對各測點過電壓波形的大數據分析，分析結果可為分析過電壓故障和提高一次設備絕緣防護水平提供有效依據。

1 分布式暫態過電壓在線監測系統原理與特點

本現有的暫態過電壓在線監測系統大多采用集中式監測系統模式［3-5］，該模式下不可避免的存在著長距離信號傳輸所導致的信號失真問題，若在特高壓變電站中進行應用，還面臨著信號電纜絕緣匹配困難、電磁干擾較高以及暫態地電壓（TEV）抑制困難等問題，這些問題嚴重影響監測系統對于過電壓波形記錄的準確性。當變電站站中被測點較多時，還將使得電纜的鋪設量巨大，導致成本高昂的問題［6-7］。

針對以上問題，設計了一種分布式暫態過電壓在線監測系統，該系統在每個變電站將過電壓監測裝置的數量與選取的監測點數量等額配置，將裝置就近安裝在取樣一次設備附近，同時在每個變電站設置一臺主站工控機，用來控制站內所有過電壓監測裝置并收集各裝置相關數據。主站工控機與過電壓監測裝置之間采用IEC 61850通訊方式。監測系統采用交流220 V電源，由站用交流220 V電源經隔離變壓器后供電。暫態過電壓監測裝置、IED、隔離變統一安裝在戶外柜內，戶外柜就近安裝在測量點附近，系統架構如圖1所示。

圖1 分布式暫態過電壓監測系統結構圖Fig.1 Structure diagram of distributed transient over volt age monitoring system

暫態電壓監測裝置用來采集和記錄過電壓波形信息，通過光纖按照IEC 61850協議將波形數據傳輸至控制室屏柜中的主站工控機中；監測數據自動上傳至主站工控機的數據庫中。主站工控機中的交互軟件可對暫態電壓監測裝置的參數進行設置。主站工控機同時具有與上級在線監測應用服務器通信的能力。主站工控機上安裝有IEC 61850客戶端監控軟件、暫態過電壓控制分析軟件，用于對暫態電壓監測裝置的參數進行讀寫操作以及對暫態電壓監測裝置監測記錄的暫態電壓數據進行讀取和瀏覽，還可以對波形數據進行高級處理，包括波形文件的導入／導出、報告打印等功能［8-9］。

通過該種設計方法，將信號采集裝置就近布置于被測點附近，實現了波形信號就地進行模數轉換的目標，采樣結果可通過光纖或專用局域無線網絡傳輸至主控室后臺系統，解決了暫態過電壓監測信號遠距離鋪設信號電纜以及現場電磁干擾等一系列問題。同時，應用GPS同步授時功能，實時校準各測量點采集時間，為精確故障定位提供了有力保障。

2 基于優化EMC的暫態過電壓監測戶外柜設計

2.1 特高壓GIS變電站的電磁環境特性

特高壓變電站的電磁環境是由變電站內由各種電氣主設備的綜合效應所決定，主要涵蓋工頻電磁場、無線電干擾和可聽噪聲等三方面的影響因素。工頻電磁場會產生輻射，其在一定程度上會對站內部分設備可能造成影響［10］；在1 000 kV晉東南變電站、荊門變電站、南陽開關站內工頻電場強度最大值均超過10 kV／m，必然會影響二次設備的正常運行。

在特高壓GIS變電站，除了對二次設備影響較大的工頻電磁場外，由于隔離開關或斷路器的開合所產生的特快速瞬變過電壓對二次設備影響更大。因為該瞬態電磁波的頻帶相對較寬（頻域范圍1 MHz～470 MHz），因而由GIS金屬殼體內部產生的VFTO將會按照行波的方式進行傳播，當到達套管時，架空線上將會耦合一部分瞬態電磁波并進行傳播，進而直接損害與GIS相連的變壓器、架空線路等電氣設備的絕緣狀況［7］；另外，外殼與地之間也會耦合一部分瞬態電磁波，成為GIS外殼暫態地電位升高（TGPR Transient Ground Potential Rise）或殼體暫態電位升高（TEV-Transient Enclosure Voltage）的主要原因，進而對GIS相連的保護、控制、信號等二次設備造成影響，同時，其從殼體和架空線向四周的輻射會對變電站的二次設備造成影響［11-12］。

2.2 優化EMC設計方法

針對上述問題，本系統采用了隔離、屏蔽等抑制措施有效抑制了電磁干擾問題。EMC設計架構如圖2所示。

圖2 EMC總設計原理圖Fig.2 Schematic diagram of EMC general design

2.2.1 通道隔離設計

暫態過電壓監測系統模擬電路和數字電路之間的供電采用隔離電源，隔離電壓4 000 V，模擬電路與數字電路之間采用數字隔離芯片進行隔離，如圖3所示是單通道信號采集板卡的電路圖。每個過電壓采集裝置配置三個通道，各模擬通道之間相互隔離，隔離電壓2 000 V，有效避免了通道之間互相干擾。

圖3 模擬量采集板卡電路框圖Fig.3 Block diagram of analog signal acquisition board

2.2.2 通訊隔離設計

在戶外柜內安裝光電轉換裝置，主控室屏柜內安裝光交換機，戶外柜與主控室屏柜之間通過光纖連接，過電壓波形通過光纖傳送到主站系統，如圖4所示，該設計有效避免變電站內電磁輻射通過通信電纜對監測系統的干擾。

圖4 監測系統通訊結構圖Fig.4 Communication structure of monitoring system

2.2.3 電源隔離和濾波器設計

系統采用超級隔離變壓器和電源濾波器來抑制來自電源的干擾。超級隔離變壓器是比普通帶屏蔽的隔離變壓器性能更強的隔離變壓器，如圖5所示，圖5（a）為超級隔離變壓器內部結構圖，從圖可知，超級隔離變壓器采用將鐵芯夾件和變壓器的屏蔽外殼做成一體的E形鐵芯結構，鐵芯夾件將鐵芯緊固在一起，實現整體結構緊湊的目標。超級隔離變壓器將初級與次級繞組采用上下同心式結構分別繞制，初級線圈和次級線圈分別繞在鐵心的上半部分和下半部分，并套裝在鐵芯的中柱上，這樣同時實現了大幅度減小繞組間分布電容和增加繞組間的漏感的目的，使進入次級的共模干擾與差模干擾大幅減少。

圖5 隔離變壓器內部結構對比圖Fig.5 Comparison diagram of internal structure of isolated transformer

另外，為了防止初級線圈通過泄漏電感將干擾感應至次級線圈，我們設計了一種“磁場屏蔽板”，并將其插進超級隔離變壓器初級與次級線圈之間，有效實現了初級與次級線圈的隔離。

本文還對三類常用變壓器的性能對比進行了研究，性能測試結果如圖6所示。從圖中可以看出，超級隔離變壓器在10 kHz附近開始對差模干擾產生衰減作用，在1 MHz附近衰減量達到70 dB左右之后，衰減曲線由于分布參數的作用開始波動。而對于共模干擾，超級隔離變壓器從直流開始直到10 MHz之前一直表現有極好的衰減特性。由此可見，相對于普通變壓器，超級隔離變壓器對于干擾（特別是對低頻部分干擾）的衰減擁有更好的抑制作用。

圖6 隔離變壓器的性能測試結果Fig.6 Performance test results for isolated transformers

2.3 實驗驗證

為了檢驗超級隔離變壓器的隔離性能，我們對隔離變壓器進行測試：分別使用普通帶屏蔽的隔離變壓器、超級隔離變壓器，在電源輸入端施加浪涌信號，模擬共模干擾和差模干擾，在暫態過電壓監測裝置無信號輸入的情況下，觀察暫態過電壓記錄裝置有無誤動作。

實驗中，隔離變壓器對抑制低頻干擾較為有效，但高頻干擾仍可通過繞組間的電容侵入測量儀器，為此，在監測裝置的電源入口處串接低通濾波器，以抑制高頻干擾，這樣從低頻到高頻都可以得到比較理想的干擾抑制特性。實驗結果見表1。

表1 性能測試對比Tab.1 Performance test contrast

3 基于優化EMC的暫態過電壓監測戶外柜設計

3.1 系統介紹

本系統在貴陽區域電網中進行了應用，項目選擇了龍里220 kV變電站和龍山110 kV變電站實施布點，如圖7所示，系統在龍里變電站出線及龍山變電站110 kV進線側分別設置2組監測點。監測點布置于線路電流互感器、母線電容式電壓互感器CVT等位置。

圖7 區域電網暫態過電壓在線監測布點示意圖Fig.7 Distribution schematic diagram of regional power grid transient overvoltage on-line monitoring

依據區域電網內兩座變電站的實際運行情況，應用ATP-EMTP軟件，分別對系統電源、主變壓器、線路參數、桿塔模型等參數建模，對投切空載線路、雷電過電壓等典型過電壓進行仿真，并將仿真結果與實測結果進行了比較［9］。

3.2 輸入模型參數設計

3.2.1 系統電源模型參數設計

利用戴維寧定理，將220 kV母線以上的部分等效為系統電源，電源電壓峰值選取所接220 kV電網運行時的最高運行電壓，基準值為206.6 kV。

其阻抗值可以根據已知的220 kV母線短路容量以及短路電流參數經計算得到。

3.2.2 主變壓器模型參數設計

龍里變電站內1#、2#兩臺主變均為三繞組變壓器，龍山，黑山站各有兩臺三繞組110 kV電壓等級的變壓器，模型參數均按照其設備名牌參數進行設置。

3.2.3 線路參數設計

據研究，求解穩態后的諧振解時，用嚴格的等值π型電路模擬輸電線路，求解結果具有較高的準確度，因此本文建立架空線路模型時采用π型電路來進行操作過電壓的仿真，而計算雷電過電壓時采用Jmarti模型，考慮到雷擊的過程是非常短暫的，仿真計算只考慮相鄰五組桿塔，為避免雷電波沿輸電線路的反射影響，線路其它部分用等效集中參數表示：

式中h為導線對地高度／m；r為導線半徑／m。

（1）110 kV龍龍黑Ⅰ回數據：

主線部分：桿塔1#～20#，長度6.272 km；導線型號：LGJ-240／40；截面積：240mm2；避雷線型號：左 GJ-50，右 LBGJ-50-20AC。

T接部分：15#塔T接至110 kV黑山變共4基鐵塔，長度：0.782 km；導線型號：LGJ-185／30；截面積：185 mm2；避雷線型號：左 GJ-35，右 LBGJ-50-20AC。

（2）110 kV龍龍黑Ⅱ回數據：

主線部分：桿塔1#-21#，長度6.457 km；導線型號：LGJ-240／40；截面積：240 mm2；避雷線型號：左 GJ-50，右 LBGJ-50-20AC。

T接部分：16#塔T接至110 kV黑山變共4基鐵塔，長度：0.714 km；導線型號：LGJ-185／25；截面積：185 mm2；避雷線型號：左 GJ-35，右 LBGJ-50-20AC。

3.2.4 桿塔模型參數設計

桿塔波阻抗的正確選擇將影響高壓輸電線路的分析結果，國內外學者對此已進行了較長時間的研究，目前較為通用的計算公式有：

Jordan：

IEEE工作組：

計算表明，單回輸電線路桿塔高度低于30 m的桿塔模型與我國現行桿塔規程中的規定保持一致。仿真過程中建立的桿塔模型如圖8所示。

3.2.5 接地電阻模型參數設計

表征桿塔沖擊接地特性的參數是沖擊接地電阻，其值已被證明是影響線路耐雷水平最敏感的因素，雷電沖擊下一方面接地電感呈現對于電流的較大阻尼，另一方面接地體周圍突然在較高電廠強度下產生火花放電，增大了導體的直徑，因此桿塔的轟擊接地電阻，不同于工頻接地電阻，應是雷電流相關的函數，但在工程計算中，常用固定的電阻值近似代表桿塔沖擊接地電阻。

圖8 ATP-EMTP中輸電線路桿塔等效模型Fig.8 Equivalent model of transmission tower in ATP-EMTP

雷擊桿塔時，雷電流經桿塔接地裝置流散到地表，在雷電流作用下接地裝置呈現暫態電阻特性，其幅值與雷電流頻率相關：

式中R0為工頻接地電阻值；I為通過接地電阻的電流；Ig為土壤電離化最小電流。

式中E0為土壤電離場強，取300 kV／m～400 kV／m。

在實際計算中，一般桿塔的沖擊接地電阻取10 Ω，對于山區，特別是巖石地區的桿塔的沖擊接地電阻則要高得多。

3.2.6 接地電阻模型參數設計

模擬雷電流通過一電流源并聯波阻抗來實現，并聯波阻抗取值為100Ω～400Ω。波形主要有斜角波，雙指數波和heider三種，通過雷電過電壓仿真三種波形仿真結果一致，本文仿真采用我國標準的斜角波模擬雷電流波形，如圖9所示。

圖9 雷電流模型Fig.9 Lightning current model

3.3 線路操作過電壓診斷案例與仿真結果比較

3.3.1 合閘過電壓實測波形

根據變電站記錄，2014年11月21日19：55，龍里變220 kV醒龍I回線路側合閘操作，圖10為在對應測點暫態電壓監測系統捕獲記錄的波形。其波前持續時間 42.2μs，最大過電壓為 1.761 p.u.，震蕩持續4.9 ms左右，等效頻率在20 kHz以下。

圖10 龍里變220 kV醒龍I回線路側合閘操作記錄Fig.10 Closing operation record of the 200 kV XinglongⅠloop at Longli station

3.3.2 對應的操作過電壓仿真波形

合閘空載線路時線路首端過電壓仿真波形如圖11所示，合閘線路首端（靠近龍里站110 kV母 線側）過電壓幅值為1.778 6 p.u.。過電壓倍數接近實測結果，波形特征類似。

3.4 雷電過電壓診斷案例與仿真結果比較

3.4.1 雷電過電壓診斷案例

2014年9月29日 03：36：00，龍里 110 kV側母線上發生雷電過電壓波形，如圖12所示，過電壓在線監測系統捕獲到其波頭的上升時間為1.201μs，衰減振蕩時間 3.49 ms，相過電壓最大值為 2.168 p.u.。

通過局域網內的雷電定位系統記錄查詢，當日03：36：00，龍里站110 kV舊里牽線103開關因雷擊造成保護動作開關跳閘，并重合成功。事后巡視發現，舊里牽龍牽線10#耐張塔上的玻璃絕緣子有燒蝕痕跡見圖13。與過電壓監測系統的保護測距誤差不大。

圖11 空載線路合閘時線路首端過電壓Fig.11 Overvoltage of the cable terminal when closing the unload lines

圖12 龍里站110 kV側母線雷電過電壓波形Fig.12 Overvoltage waveform of the 110 kV bus at Longli station

圖13 玻璃絕緣子上的放電痕跡Fig.13 Discharge traces on glass insulators

3.4.2 對應的雷電路過電壓仿真波形

本文對龍里站內110 kV側線路遭受雷擊跳閘又重合閘過程中對應監測點過電壓波形進行了仿真，仿真波形如圖14所示，雷電直擊桿塔避雷線時，雷擊過電壓的波頭上升時間為1.103μs，相過電壓最大值為1.94 p.u.。仿真所得過電壓倍數接近實測結果，由于仿真的情況與實際情況可能差別較大，波形趨勢存在一定區別。

3.5 應用結論

過電壓仿真計算與實測結果的比較驗證了系統的準確性、可行性和實用性。所獲取的監測系統結果為區域電網內的設備絕緣損壞事故分析提供了有效參考依據。

圖14 110 kV側線路遭受雷擊跳閘過電壓仿真波形Fig.14 Simulation waveform of the lightning outage overvoltage on the 110 kV line

4 武漢交流特高壓試驗基地暫態過電壓在線監測應用實例

4.1 系統介紹

本系統后又在武漢交流特高壓試驗基地進行了現場應用，如圖15所示，項目利用現場已裝設在特高壓GIS設備上的VFTO手窗式傳感器對GIS母線電壓進行波形信號采樣，因雷電過電壓或操作過電壓測量方法與VFTO完全一致，因此暫態過電壓監測無須改變現有傳感器功能，只需對傳感器輸出信號進行放大和阻抗匹配即可，信號取樣原理圖如圖16所示。

圖15 特高壓變電站現場應用照片Fig.15 UHV substation site application

圖16 信號取樣原理圖Fig.16 Signal sampling principle diagram

4.2 實測波形

本系統在現場分別對分閘操作過電壓與合閘操作過電壓的波形進行了采集，成功監測到了分合閘時母線電壓變化的過程，整個過程系統運行穩定，波形結果如圖17所示。

圖17 現場采集的操作過電壓波形Fig.17 The waveform of the operating overvoltage from the field

本文同時將波形數據與用于VFTO監測的80 MHz采樣頻率的示波器監測所得數據進行了比較（由于采集環境限制，非同時測量），可以看出波形趨勢基本一致，EMC設計可靠。

4.3 應用結論

由圖18可以看到，系統在特高壓試驗基地實現了可靠運行，且所監測的操作過電壓與應用于VFTO監測的示波器所測波形數據一致，驗證了系統的可靠性。

圖18 特高壓現場示波器采集的操作過電壓波形Fig.18 Operating overvoltage waveform monitored by the oscilloscope from the field

5 結束語

提出了采用分布式暫態過電壓在線監測技術對特高壓GIS變電站一次設備進行暫態過電壓監測的新方法。系統采用優化EMC設計的信號就近采集技術和分布式系統架構和分析技術，可準確采集變電站一次設備的暫態過電壓波形并對故障原因和故障位置進行分析，分析結果可為分析過電壓故障和提高一次設備絕緣防護水平提供有效依據。研究成果先后在貴陽區域電網和武漢交流特高壓基地得到了成功應用，監測成果有效驗證了系統的準確性、可靠性和穩定性。