測量快速暫態過電壓系統與仿真研究

徐鵬,馬儀,譚向宇,陳磊,彭晶

(1.昆明理工大學云南電網公司研究生工作站,昆明 650217 2.云南電網公司電力科學研究院,昆明 650217)

測量快速暫態過電壓系統與仿真研究

徐鵬1,馬儀2,譚向宇2,陳磊2,彭晶2

(1.昆明理工大學云南電網公司研究生工作站,昆明 650217 2.云南電網公司電力科學研究院,昆明 650217)

提出了對GIS操作產生的VFTO(very fast transient over-voltage)波形的的一種電容分壓器測量系統,并進行仿真分析對其可能存在的影響因素進行分析并得出結論。

電容分壓器；測量系統；快速暫態過電壓

0 前言

近年來,氣體絕緣變電站 (GIS)在我國電力系統中得到越來越廣泛的應用。隨著GIS運行電壓等級的提高,因隔離開關、接地開關和斷路器的操作引起的快速暫態過電壓 (VFTO,very fast transient over-voltage)將更加嚴重。因此,對GIS內部快速暫態過電壓進行測量研究,具有重要的意義。

國內外曾對GIS中VFTO的測量開展過較多的研究,并在數值、模擬計算方面取得一些進展,然而通過數值、模擬計算得出的波形數據仍然需要現場實測試驗對照檢驗其正確性,這就對VFTO的測量提出了較高的要求[1]。

對GIS中VFTO的測量不同于常規的沖擊電壓測量,它具有許多特殊性：

1)VFTO的上升時間很短 (約10 ns),測量系統必須具有較高的上限頻率 (100～200 MHz)。

2)由于VFTO是疊加于工頻電壓上并受到殘余電荷 (其等效頻率接近直流)的影響,因此測量系統要能反映出這些因素對VFTO波形的影響就必然要求其下限截止頻率低至數十Hz,甚至接近直流。

3)GIS開關操作時會產生很高的瞬態地電位(TEV)及空間電磁干擾,因此對測量儀器的保護等要求很嚴格,并要求采取有效的抗干擾措施[2]。

4)伴隨系統電壓的提高,尤其是特高壓GIS的建設,VFTO的幅值也越來越高,如特高壓系統中產生的VFTO,其幅值可達2 MV以上,這要求VFTO測量系統具有很大的分壓比。

目前國內外各大公司、科研機構以及高校對VFTO測量方法進行了大量研究,主要有微積分法和電容分壓器法[3],本文對在2 MV沖擊電壓發生器上的VFTO波形測量系統做了設計與仿真測試。

1 測量系統原理

本裝置測量系統由安裝在GIS母線筒預留觀察窗內的錐形電壓傳感器、雙屏蔽電纜、同軸積分器和示波器構成。為了隔離實驗時高頻信號的干擾,測量系統在GIS外面的部分全部封裝在5 mm厚的鋁制箱子中,示波器采用鋰電池逆變供電。測量結果通過示波器自帶網線輸出經光纖傳送到離發生器較遠的電腦進行波形觀察和數據處理。為進一步抑制測量信號的失真和畸變,雙屏蔽電纜與示波器相連位置加裝同軸積分器。通過這些手段來保證測量的有效性與準確性。測量系統的核心是錐形電壓傳感器,其詳細結構如下圖1所示。

圖1 錐形電壓傳感器結構圖

錐形電壓傳感器是基于電容分壓器的原理設計而成的,其分析方法與電容分壓器類似。本測量系統的簡化電路如下圖2所示。

圖2 錐形電壓傳感器原理圖

如上圖所示,帶同軸積分器的錐形電壓傳感器原理圖只是在首段匹配的電容分壓器末端增加了一個RC積分器。考慮到測量電纜的末端匹配以及對測量波形影響的大小,同軸積分器積分電阻Ri取50 Ω,積分電容Ci取150 pF。測量系統的分壓比可通過下述過程近似推導。

將RC積分器看作低通濾波器,可粗略認為,當輸入信號頻率低于整個測量系統的上限截止頻率時,信號不衰減,此時示波器所測信號與電纜末端完全一致。故在滿足系統上限截至頻率的范圍內,同軸積分器對信號無影響[4]。此時,錐形電壓傳感器與首端匹配末端開路的電容分壓器完全一致。

與電容分壓器分壓比的推導類似,電壓信號輸入之初,電纜呈現為波阻抗,系統初始分壓比：

波在多次折反射結束后達到穩定狀態,測量電纜可看作一集中電容CZ,故穩態分壓比：

比較上述兩式,雖然初始與穩態分壓比不同,但是當選用的測量電纜長度較短時,穩態CZ值較小。實際上,為了得到很高的分壓比,低壓臂電容C2遠遠大于CZ,所以可認為初始分壓比與穩態分壓比相等。

由波形最終幅值和頻率以及發生器效率的簡化電路公式,可知回路R、L、C對輸出波形影響如下：波形幅值主要由Cp和Ct相對大小來決定。電感和總電容越小,振蕩頻率越高,同時波形上升時間將越短[5]。電阻越大,波形振蕩衰減越快,振蕩頻率越低,波形上升時間越長。

2 仿真與性能影響因素分析

2.1 仿真與波形測量

錐形電容分壓器可以直接等效為電容分壓器, ATP仿真模型如圖3所示,其中高、低壓臂電容值分別取為：C1=0.16 pF,C2=9.6 nF。

圖3錐形電容分壓器測量系統仿真電路 (電容分壓器法Ⅱ)

其中,RP=1 MΩ、CP=13 pF模擬示波器的入口電阻和入口電容；Z為測量電纜波阻抗,Z= 50 Ω；測量電纜長度為0.2 m。

為了研究錐形電容分壓器響應特性,用ATP對其進行方波相應特性建模仿真,仿真電路分別如圖3所示。其中,方波源設置在t=10 ns時投入上升時間為0 s、幅值為9.6 kV的理想方波。在忽略雜散因素的情況下,錐形電容分壓器測量系統的理想方波響應結果分別如圖4所示。

圖4 忽略雜散因素錐形電容分壓器方波仿真結果

如上圖所示,仿真輸入電壓U1=9.6 kV,錐形電容傳感器輸出電壓為0.16 V,可見電容分壓器的分壓比為60 000：1,響應時間為1.6 ns。由于忽略測量系統的雜散因素,方波為理想方波,從圖中看到電容分壓器的響應特性接近完美。但在實際測量中,線路、電路元件等雜散參數必然會對電容分壓器的響應特性造成影響[6],另外電容分壓器的輸出信號要經過電纜傳輸到示波器上,電纜的匹配參數也將對整個測量系統的響應特性產生影響。

2.2 可能影響因素仿真測試

1)引線雜散電感對測量系統方波響應特性的影響：僅考慮測量電纜首端匹配電阻引線電感的情況下,電容分壓器的方波響應特性仿真電路如圖5所示,仿真結果如圖6所示。

圖5 考慮線路雜散參數影響時方波響應仿真電路

圖6 考慮線路雜散參數影響時方波響應仿真結果

從圖6中可以看到,測量系統方波響應時間為1.7 ns(不考慮雜散電感時為1.6 ns),穩態時系統分壓比沒有發生變化,可見線路雜散電感對系統響應時間沒有很大影響。同時,響應波形局部有振蕩,過沖小于6%,這對于測量快速陡脈沖波形是不利的。電路中有電容、電感,在某個頻率下必然會發生諧振,這種局部振蕩疊加于原始波形,使波形畸變,可能導致測不到完整的原始波形。

2)傳輸電纜的長度對測量系統方波響應特性的影響：電容分壓器的輸出信號要通過電纜傳輸到示波器,僅考慮電纜長度的問題下,方波響應的仿真電路如圖3所示。圖7所示為電纜長度分別為0.2 m和2 m的方波響應仿真結果。

圖7 不同電纜下的方波響應仿真結果

從圖7中看到,方波源設置方波的投入時間一定,測量波形在不同的電纜長度下出現的時刻不同,電纜的長度對測量系統響應時間沒有太大影響。然而,當響應達到穩定時,從圖中明顯看到系統分壓比有所增大,這與理論分析上是一致的。測量電纜長度增加,當系統達到穩態時,電纜等效電容將會增加,從 (2)式可以看出,系統分壓比也將會變大。但當電纜長度繼續增加,穩態時電纜等效電容的影響將進一步擴大,系統分壓比有所增加,但波形有可能出現很大的過沖,這是不希望見到的。所以要選擇適當的電纜長度。

3)低壓臂電容值對系統方波響應特性的影響：改變分壓器低壓臂電容值,系統方波響應仿真電路如圖3所示,仿真結果如圖8所示。

圖8 不同低壓臂電容值下方波響應仿真結果

從圖8中明顯可見,低壓臂電容值改變對系統響應波形和時間沒有影響,僅僅使得系統分壓比發生變化。對于幅值達2 MV的VFTO信號,提高低壓臂電容有利于被測信號的準確測量。

3 結束語

通過對VFTO信號測量方法的電路結構和測量原理的分析,并且通過ATP仿真分析了各種測量系統的方波響應特性及其影響因素。比較了各種測量方法的響應性能,得到以下結論：

1)對于由錐形電容分壓器構成的測量系統,受系統雜散參數影響較小,但是在設計GIS管道時必須考慮其測量點,對已運行的GIS無法安裝電容分壓器。

2)電容分壓器測量系統幾乎不受長度的影響,但是在系統響應達到穩態以后,繼續擴大的電纜等效電容將可能造成波形過沖,在設計中需要考慮合適的電纜長度。

3)較高的低壓臂電容可以使得測量信號更為準確。

[1] MA Guo-ming,LI Cheng-rong,QUAN Jiang-tao,etal.Measurement of Very Fast Transient Overvoltages at the Transformer Entrance[C].Electrical Machines and Systems,2008, ICEMS 2008,International Conference on 2008.

[2] 馬亮.GIS中VFTO的測量研究 [D].華中科技大學,2008.

[3] 孫偉,王韻,武增堯,等.500 kV GIS中快速暫態過電壓的測量 [J].高壓電器,1988.

[4] 史保壯,張文元,王寶利,等.一種新型陡波測量系統的研究 [J].高電壓技術,1997.

[5] 張文元,史保壯,邱毓昌.用微積分系統測量快速暫態過電壓的研究 [J].西安交通大學學報,1996.

[6] 史保壯,張文元,顧溫國,等.GIS中快速暫態過電壓的計算及其影響因素分析 [J].高電壓技術,1997.

馬儀 (1969),男,碩士,高級工程師,云南電網公司電力科學研究院,從事高電壓技術研究。

譚向宇 (1980),男,博士,工程師,云南電網公司電力科學研究院,從事高電壓技術研究。

Research on VFTO Measurement System and Simulation

XU Peng1,MA Yi2,TAN Xiangyu2,CHEN Lei2,PENG Jing2
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology, Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217,China；2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China)

this paper presents a capacitive divider measurement system for the generation of GIS operations VFTO(very fast transient over-voltage)waveform,and simulation analysis of its influencing factors that may exist and draw conclusions.

capacitive divider；measurement system；VFTO

TM76

B

1006-7345(2015)01-0063-03

2014-08-17

徐鵬 (1988),男,碩士研究生,云南電網公司昆明理工大學研究生工作站,從事繼電保護與雷電定位系統研究工作 (email)772142377＠qq.com。