氣體絕緣開關設備的瞬態外殼電壓測量方法研究

黃知偉

（國網湖北省電力有限公司荊州供電公司，湖北荊州 434000）

0 引言

氣體絕緣開關設備（GⅠS）具有可靠性高、占地面積小的優點，已在我國電網中得到了廣泛應用[1]。隨著電網電壓等級的逐漸提高，觸頭運動較慢，滅弧能力差等原因導致GⅠS設備的開關操作過程中出現了快速瞬態過程。快速瞬態過程中，電磁波在GⅠS內部經過多次折射，形成了快速瞬態過電壓，導致GⅠS 外殼形成了對地瞬態外殼電壓[2]。瞬態外殼電壓將導致電磁波沿著GⅠS 外殼與大地進行傳播，危害GⅠS 設備的可靠性、安全性。GⅠS 設備的支撐柱、接地網存在阻抗，因此瞬態外殼過程在阻抗不連續的地方將來回折射，形成對地的電位差[3]。瞬態外殼電壓具有隨機性，峰值可高達幾十千伏，上升沿時長為納秒級，曾發生過1000 kV 的GⅠS 接地刀閘放電故障，就是由瞬態外殼電壓引起的[4-5]。在我國武漢，曾發生過瞬態外殼電壓導致GⅠS的SF6氣體密度傳感器故障的案例[6]。GⅠS 的瞬態外殼電壓與GⅠS內部的殘余電荷、開關速度、氣體電離狀態等密切相關，即使重復同一工況，測量的瞬態外殼電壓也每次不同[7]。通過多次重復測量同一工況下的瞬態外殼電壓、不同工況下的瞬態外殼電壓，能夠根據統計分析技術分析瞬態外殼電壓的分布特征[8]。測量瞬態外殼電壓可獲得大量信息，形成數據分析，對抑制瞬態外殼電壓提供技術指導，有助于后續改善GⅠS，進一步提高其可靠性、安全性。測量瞬態外殼電壓需要強抗干擾能力的測量裝置，該裝置應具備高絕緣耐壓等級，應具備遠距離測量等特點[9]。在特高壓電網中，GⅠS設備的周圍環境電磁干擾較大，對于測量裝置的電源系統、控制系統、測量系統而言，強電磁干擾容易損害測量裝置[10]。

在研究了瞬態外殼電壓的測量要求、測量原理、測量場景的基礎上，研制測量裝置。該裝置具有較強的電磁兼容能力，高絕緣耐壓能力，且能夠通過屏蔽電纜實現遠距離的測量，保障測量工作人員的安全。

1 瞬態外殼電壓測量要求

1.1 瞬態外殼電壓測量方法

GⅠS 瞬態外殼電壓的定義如圖1 所示，其可表示為：

圖1 GS瞬態外殼電壓定義示意圖

式中，E為GⅠS 外殼的電場強度，l1為圖中A 點到B點的距離，l2為圖中B點到G點的距離。

在圖1 中，瞬態外殼電壓測量裝置應該放置在屏蔽箱中，A點與G點通過屏蔽導線相連。圖中，沿閉合回路ABGMA可知：

式中，B為GⅠS 外殼的磁通密度。因此，結合式（1）與式（2）可知，瞬態外殼電壓可表示為：

式中，Φout為穿過ABGFDA 閉合曲線圍成的截面的磁通，Φin為穿過DFGMD 閉合曲線圍成的截面的磁通。對式（3）展開可得外殼瞬態電壓表示式：

式中，u為測量引出線兩端的電壓。

若式（4）右邊第二項、第三項均為0，則可通過測量引出線兩端電壓測量瞬態外殼電壓。第二項為0，可通過選擇電導率高、帶有屏蔽層的測量導線及減少裸露在外的導線長度，進而削弱電磁場在導線表面產生的電場強度來實現。第三項為0，可通過減小閉合回路面積實現，即導線沿著GⅠS 的金屬外殼和金屬支架鋪設，屏蔽箱緊貼GⅠS的箱壁。

1.2 瞬態外殼電壓特征分析

瞬態外殼電壓通常由多個單脈沖信號組成。在合閘時，動靜觸頭間的距離逐漸變小，間隙擊穿的時間間隔變短，因此瞬態外殼電壓呈現出前疏后密、前大后小的特點；在分閘時，則反之。對于瞬態外殼電壓單脈沖而言，其頻譜分布呈現出衰減振蕩形式，包含3 種頻率成分，分別為低頻成分、高頻成分以及特高頻成分，如圖2所示。

圖2 瞬態外殼電壓頻譜

由圖2 可知，瞬態外殼電壓的幅值通常小于35 kV，持續時間低于20 個工頻周期，頻率常低于60 MHz，上升時間短，不長于5 ns。因此，測量瞬態外殼電壓的設備應滿足以下要求：測量的電壓幅值在35 kV，因此測量裝置的輸入電壓需設計為超過35 kV；帶寬應大于60 MHz，響應時間低于5 ns；測量裝置記錄保存數據持續時間應大于400 ms（即20個工頻周期），采樣速率應大于300 MS/s。

2 瞬態外殼電壓測量裝置

2.1 分壓器設計

瞬態外殼電壓幅值較大，因此需通過分壓電路進行分壓后測量。利用電阻分壓原理設計的測量電路的原理圖如圖3 所示。圖3 中，R1為引線電阻，承擔了大部分電壓，L1、C1分別為電阻器R1的寄生電感、電容，R1、L1與C1構成阻抗Z1；R2為匹配阻抗，L2、C2分別為電阻器R2的寄生電感、電容，R2、L2與C2構成阻抗Z2；R3與C3分別是可調電阻器與可調電容器。由圖3 可知，輸入電壓與輸出電壓的關系可表示為：

圖3 分壓器原理

式中，K表示分壓比，可通過可調電阻、電容R3與C3調節，且分壓比與頻率有關。R3、C3應具備阻抗匹配、帶寬調節功能。此外，為減小測量誤差，測量裝置應具備較大的輸入阻抗，即Z1+Z2應設計較大。

2.2 測量裝置設計

瞬態外殼電壓的測量裝置應包括電壓分壓器、蓄電池供電系統、光電觸發器、光電轉換器、數據處理控制系統、多通道采集系統、在線顯示功能、屏蔽箱等。在測量過程中，應將蓄電池供電系統安裝在屏蔽箱中，防止其對瞬態外殼電壓測量產生干擾。數據處理控制系統則由高性能、采樣頻率高、存儲數據多的錄波儀構成。多通道采集系統可通過命令指令，分別向多個通道發送光電脈沖信號，實現同步測量不同的測試點，觀測瞬態外殼電壓在GⅠS外殼上的分布特征。測量流程如圖4 所示。由圖4可知，測量裝置開機后能夠自行測量瞬態外殼電壓，并自動存儲數據。

圖4 測量流程

3 結果分析

為驗證該測量裝置的有效性，進行了仿真驗證。瞬態外殼電壓通過信號發生器模擬，其峰峰值設置為20 V，上升時間設置為5 ns。圖5 所示為測量裝置的輸出電壓波形。由圖5 可知，電壓波形上升時間較5 ns有延長，波頭處振動幅度大，但是穩態時，電壓幅值的誤差在10%左右。

圖5 測量電壓波形

4 結論

根據GⅠS 設備的瞬態外殼電壓的定義、使用環境、測量要求分析研究了測量瞬態外殼電壓的方法及設計了測量裝置。該測量裝置由分壓器、蓄電池供電系統、屏蔽系統等構成，具有能夠自動測量、記錄的能力，方便用戶使用且保障用戶安全。