基于工頻濾波的線路絕緣及定相測試仿真

邢華棟，劉鋒，張愛軍

(內蒙古電力科學研究院， 呼和浩特 010020)

0 引 言

隨著電網的發展，輸電線路多回、交叉情況日益增多，使輸電線路上感應出較高的感應電壓、電流。由于感應電壓的存在，在進行定相及絕緣測試時，人身及設備安全將受到威脅。文獻[1]對高感應電壓輸電線路的定相及絕緣測試方法進行了總結與比較，指出采用降低感應電壓后直接用兆歐表(絕緣電阻表)測試的方法是一種既能夠明顯判斷線路相位又能真實反應實際測試值的較好方法，對人身及設備安全都有保障。文獻[2]放棄兆歐表的使用，而是基于消弧線圈電感電流補償電容電流的原理，專門設計了一種電壓倒相補償的線路交流感應電壓消除裝置，取得了良好效果，但設備成本高，接線復雜。上述方法均采用了降低線路感應電壓的技術路線。文獻[3]中提出了一種基于RC分壓原理的工頻濾波器，將其加裝在兆歐表和輸電線路之間后可以有效降低兆歐表上的工頻感應電壓，但仿真驗證用的感應電線路模型過于簡單和理想化，工程參考價值不高。文章利用PSCAD對工頻濾波器和一條實際同塔雙回500 kV線路進行詳細建模，按照實際工程中的線路絕緣測試和定相測試步驟進行系統仿真，對工頻濾波器的性能和效果進行深入分析，為工程實踐提供參考。

1 工頻濾波器的基本原理

工頻濾波器實質為RC低通濾波器，其原理和使用方法如圖1所示。工頻濾波器由Rf和Cf串聯而成。設線路感應電壓為U1，串聯工頻濾波器后，兆歐表輸出端L與E之間承受的電壓為U2。

圖1 工頻濾波器原理圖Fig.1 Principle diagram of power frequency filter

根據相關電路理論[4]，U1與U2的關系式為：

(1)

式中ω0為工頻角頻率。若ω0RfCf?1，則式(1)的分母中可將1省略，進而近似為：

(2)

可見，只要工頻濾波器的電阻與電容的乘積足夠大，那么加在兆歐表上的工頻電壓就可以基本消除。

兆歐表輸出的是直流電，當兆歐表經工頻濾波器對線路進行絕緣及定相測試時，由于電容通交流阻直流的特性，工頻濾波器在直流回路中相當于一個電阻，依然能夠保證兆歐表輸出的電流全部流過線路，此時，兆歐表測出的絕緣電阻為線路絕緣電阻和工頻濾波器內阻之和。設兆歐表測出的絕緣電阻為Rdc，線路絕緣電阻為RL，則有RL=Rdc-Rf?？梢?，工頻濾波器不會對絕緣及定相測試結果造成影響。

2 工頻濾波器的應用仿真

用PSCAD/EMTDC對高感應電壓線路絕緣及定相測試過程進行建模仿真，對比在使用和不使用工頻濾波器兩種情況下感應電壓對兆歐表的影響。

2.1 同塔雙回線路建模

同塔雙回線路的PSCAD模型參照文獻[5]和文獻[6]提供的武-察雙回500 kV線路進行搭建，線路模型采用頻率相關的相域模型[7]，該線路的桿塔模型見圖2。

圖2 同塔雙回500 kV線路模型Fig.2 Model of 500 kV double circuit transmission line on the same tower

為了更準確的模擬輸電線路，PSCAD 4.5及以上的版本中增加了線路導體的絞線模型。武-察線導線型號為4×JL/G1A-400/35，單根分裂導線共55股，外半徑為0.0134 m，其中鋁絞線共48股，單根鋁絞線半徑為0.001 6 m[8]。

對武-察雙回線進行單體仿真，對武-察II線進行工頻參數測試[9-11]，將仿真結果與實測數據[6]以及BPA中的500 kV線路典型工頻參數進行對比，見表1。

表1 武- 察II線的工頻參數Tab.1 Power frequency parameters of Wucha line II

從表1看出，仿真得出的線路工頻參數與該線路的實測值以及BPA典型值非常接近，證明了本線路模型的準確性。

武-察I線正常運行，線路潮流2 000 MW，線路平均電壓525 kV，分別對武-察II線在懸空和兩側接地兩種狀態下的感應電情況進行仿真研究。

武-察II線懸空時，線路感應電壓以靜電感應分量為主；武-察II線兩側接地時線路靜電感應電壓較小，感應電流以電磁感應分量為主[12-15]，武-察II線的靜電感應電壓與電磁感應電流見表2。

表2 武-察II線的靜電感應電壓與電磁感應電流Tab.2 Electrostatic induction voltage and electromagnetic induction current in Wucha line II

2.2 兆歐表的建模

常用的兆歐表分為機械式和數字式。機械式兆歐表內部采用交流手搖發電機、倍壓整理電路產生高壓直流電[3,16]；數字式兆歐表采用直流電源經DC-DC斬波升壓電路產生高壓直流電[17-18]。兩種形式的兆歐表產生高壓的方式不同，但目的均是產生高壓直流電。另外，兆歐表的短路電流均為毫安級，因此對外等效電阻值很大?？梢?，對于被測設備，兆歐表表現為一個具有高內阻的直流電壓源。因此可用恒定直流電壓源串聯高值電阻的模型模擬兆歐表。

仿真中，采用2 500 V直流電壓源和0.5 MΩ電阻模擬額定電壓為2 500 V短路電流為5 mA的兆歐表。根據工程實際經驗，兆歐表有一定的耐壓水平和過載能力，在仿真中其能承受的最大電壓按2 700 V考慮，最大電流按5.5 mA考慮。

2.3 工頻濾波器建模

工頻濾波器結構簡單，只需用一個電容和一個電阻即可搭建模型，關鍵在于參數的選取。

根據式(1)，若想將加在兆歐表上的工頻感應電壓降低1 000倍，則工頻濾波器的ω0RfCf=1 000，RfCf=3.185。

關于Rf的取值，應從兩方面考慮：(1)測量誤差。兆歐表進行絕緣電阻測試時，隨著測量值的增大，誤差也在增大，考慮到使用工頻濾波器后，其電阻值是要計入兆歐表的測試結果中的，因此，工頻濾波器的電阻應盡量小，以免增大兆歐表的測量誤差[3]；(2)測試時間，對懸空的輸電線路進行絕緣測試時，工頻濾波器與線路對地電容構成串聯回路，電阻值越大，充電時間越長，為了減少因工頻濾波器而增加的測試時間，Rf值也應盡量小。

關于Cf的取值，由于兆歐表內阻與工頻濾波器的電容構成串聯回路，電阻值越大，充電時間越長，因此從測試時間的角度考慮，Cf也是越小越好。

綜上，工頻濾波器的電阻和電容取值均為越小越好，然而，在降壓倍數不變的情況下，Rf和Cf的值成反比，因此，電阻和電容的最優取值不可兼得?，F給出三種不同參數的工頻濾波器見表3，在下面的仿真中，這些工頻濾波器將分別被用于線路絕緣及定相測試仿真中，從測試時間的角度對比性能。

表3 三種不同參數的工頻濾波器Tab.3 Three types of power frequency filters with different parameters

2.4 絕緣及定相測試仿真

線路的絕緣及定相測試分為絕緣測試和定相測試，需分別對每相進行單獨測試。

絕緣測試的目的是確認線路絕緣是否良好，其方法為先使三相線路兩側懸空，分別用兆歐表對三個單相線路進行絕緣測試，兆歐表讀數超過30 MΩ且持續增長說明線路絕緣合格，無接地點。

定相測試的目的是確認線路兩端相序是否一致，其方法為，分別將各相線路末端依次接地，例如先將線路末端的A相接地，另外兩相保持懸空，用兆歐表對本側A相進行絕緣測試，讀數為0說明線路兩側都為A相，讀數超過30 MΩ且持續增長說明兩側相序不一致。

對武-察II線進行絕緣定相仿真測試，仿真模型見圖3。圖3中，武-察I線正常運行，輸送潮流為2 000 MW，武-察II線為待測線路。BRK1為武-察II線測試端開關，為常開狀態，BRK2為武-察II線末端(對側)接地開關，當進行絕緣測試時，BRK2三相位置為分位，進行定相測試時，BRK2被測相的位置為合位，其它相為分位。BRK3為兆歐表開關，用于模擬兆歐表的投退，BRK4為工頻濾波器開關，用于模擬工頻濾波器的投退。

2.4.1 絕緣測試仿真

對武-察II線A相線路進行絕緣測試仿真，為對比工頻濾波器效果，分別對不加裝工頻濾波器和加裝工頻濾波器兩種方式進行仿真。

不加裝工頻濾波器時，將圖3中的工頻濾波器以及BRK4刪除，用兆歐表直接對A相線路進行測試，BRK2三相位置設置為分位，0.1 s時BRK3閉合，模擬兆歐表投入，兆歐表輸出端的電壓、電流波形見圖4。

圖3 帶工頻濾波器的同塔雙回線路絕緣及定相測試仿真模型Fig.3 Simulation model of insulation and phasing test on double circuit transmission line on the same tower by using power frequency filter

圖4 絕緣測試無工頻濾波器時兆歐表輸出端電壓、電流Fig.4 Output voltage and current of megger in insulation test without power frequency filter

圖4中的Udc和Idc分別為兆歐表輸出端的電壓和電流。由仿真結果看出，無工頻濾波器時，加在兆歐表上的工頻感應電壓很大，幅值為38 kV，有效值為27 kV，是兆歐表最大耐受電壓的10倍，兆歐表的絕緣會因此而遭到破壞。同時，流過兆歐表的電流幅值達到80 mA，有效值為56 mA，是兆歐表最大電流的10.3倍，兆歐表內部元件會因過載而燒壞。

加裝二型工頻濾波器后，在圖3所示的模型上進行仿真，0.1 s時BRK4閉合，模擬工頻濾波器投入，0.3 s時BRK3閉合，模擬兆歐表投入。兆歐表輸出端波形及測試結果見圖5和圖6。

圖5 加裝二型工頻濾波器后的兆歐表輸出端電壓Fig.5 Voltage of megger output terminals after using the second type of power frequency filter

圖6中Rdc為兆歐表測出的絕緣電阻值，為兆歐表輸出端電壓與電流之比，呈逐漸增大趨勢，說明A相對地絕緣良好，無接地點。

從圖5和圖6看出，工頻濾波器有效降低了兆歐表上的工頻感應電壓和電流，疊加在兆歐表輸出端直流電壓上的工頻交流分量幅值僅為38 V，流過兆歐表的電流在投入瞬間達到最大值5.04 mA，之后迅速衰減逐漸趨向于0。雖然電壓和電流略微超額定值，但均在兆歐表可承受范圍內，因此兆歐表不會受到損壞。

分別將一、三型工頻濾波器再次用于絕緣測試仿真，對比三種參數工頻濾波器的性能，見表4。

表4 絕緣測試中三種參數工頻濾波器性能對比Tab.4 The performance comparison on three power frequency filters with different parameters in the insulation test

用一型和三型工頻濾波器進行絕緣測試的時間均大于用二型工頻濾波器的時間，一型工頻濾波器甚至使測試時間達到70 s以上，這與RC串聯回路的時間常數有很大關系。武-察II線A相對地電容為0.008 1×84=0.68 μF，一型工頻濾波器的Cf為31.847 μF，遠遠大于線路對地電容，兆歐表內阻和工頻濾波器Cf組成的串聯回路時間常數約為16 s，3～5個時間常數才能使電容充滿電，Cf過大是一型工頻濾波器使測試時間長的主要原因。三型工頻濾波器的Cf為0.319 μF，與武-察II線A相對地電容在數量級上相當，但由于工頻濾波器Rf高達10 MΩ，其與線路對地電容組成的串聯回路時間常數約為7 s，3～5個時間常數才能使電容充滿電，Rf較大是三型工頻濾波器使測試時間較長的原因。二型工頻濾波器所選參數相對于其它工頻濾波器更為合理，因此測試時間最短，約為10 s左右。

2.4.2 定相測試仿真

對武-察II線A相線路進行定相測試仿真，將BRK2的A相位置設置為合位，B、C相為分位，用來模擬線路末端A相接地。

不加工頻濾波器時，用兆歐表直接對A相線路進行測試，0.1 s時BRK3閉合，模擬兆歐表投入，兆歐表輸出端的電壓、電流波形見圖7。

圖7 定相測試無工頻濾波器時兆歐表輸出端電壓與電流Fig.7 Output voltage and current of megger in phasing test without power frequency filter

從仿真結果看出，兆歐表輸出端的直流電壓中疊加了很大的工頻電壓，幅值為5.5 kV，有效值為3.9 kV，是兆歐表最大耐受電壓的1.4倍；直流電流中疊加了幅值為11 mA的工頻電流，有效值為7.8 mA，是兆歐表最大承受電流的1.4倍，兆歐表的絕緣和內部元件被損壞。

加裝二型工頻濾波器后進行定相測試仿真，0.1 s 時BRK4閉合，0.3 s時BRK3閉合。兆歐表輸出端波形及測試結果見圖8。

圖8 定相測試加裝二型工t/s頻濾波器后兆歐表壓、電流及測試結果Fig.8 Voltage,current and test result of megger after using the second type power frequency filter in the phasing test

從圖8看出，加裝二型工頻濾波器后，測試過程中兆歐表輸出端的電壓和電流均在合格范圍內，7.5 s 時絕緣電阻值穩定為1 MΩ，正好為工頻濾波器的電阻值，說明線路對地絕緣電阻為0，可得出A相對側接地的結論，證明該相線路的相序正確。可見，加裝工頻濾波器后，兆歐表得到了有效保護，同時，測量結果沒有受到影響。

分別用一型和三型工頻濾波器再次進行定相測試，對比三種參數工頻濾波器的性能，見表5。

表5 定相測試中三種參數工頻濾波器性能對比Tab.5 Performance comparison of three power frequency filters of different parameters in the phasing test

由于A相線路末端接地，線路對地電容可忽略，因此影響測試時間的主要因素為兆歐表內阻與工頻濾波器的Cf構成的RC串聯回路時間常數，Cf越小，測試時間越短。

3 結束語

對停運線路進行絕緣測試及定相測試時，過高的感應電壓對兆歐表是一種潛在危險。工頻濾波器不以降低線路上的感應電壓為目的，但可以將兆歐表上的工頻感應電壓基本濾除，通過對實際同塔雙回500 kV輸電線路進行建模，并在此基礎上對加裝工頻濾波器的絕緣及定相測試進行仿真，可得出以下結論：

(1)將工頻濾波器用于高感應電的輸電線路絕緣及定相測試，可以在不影響測量結果的情況下有效保護兆歐表，在工程上是一種簡單可行的方法；

(2)工頻濾波器的參數對測試時間影響很大，電阻過大和電容過大均會增加測試時間。在工程實際中，絕緣及定相測試的時間控制在1分鐘以內是可以接受的，因此推薦兆歐表的電阻范圍為1 MΩ～10 MΩ，根據電阻和降壓倍數即可計算出電容值。本仿真中的二型工頻濾波器性能較好，適用于500 kV及以下輸電線路的絕緣及定相測試。