电力系统暂态过电压测量技术综述

电力系统暂态过电压测量技术综述

谭微

哈尔滨电工仪表研究所有限公司    150028

摘要：自从19世纪电力系统诞生以来，电压就成为了反映电力系统运行状态的一个重要基础参量，伴随其诞生的，便是测量电压的技术手段。基于变压器的原理，第一台电磁式电压互感器诞生于1879年，用于测量电力系统工频电压。我国第一台电磁式电压互感器由沈阳变压器厂仿制苏联技术，于1958年试制成功，自此，开始了电磁式互感器国产化历程。至今，电磁式互感器依然是电力系统中唯一规模化投用的电压监测手段。基于电磁式电压互感器的电压测量技术，具有技术成熟、可靠性高等优势，但其只能准确测量工频电压，而若测量更高频或更低频电压，均会出现明显误差。随着电力系统电压等级不断提高，为降低电磁式电压互感器绝缘强度要求，以及避免电磁式电压互感器与电网之间可能出现谐振，电容式电压互感器应运而生。

关键词：电力系统；暂态过电压；测量技术

引言

由于具有传输距离远、输送功率大和调节速度快等优点，特高压直流输电工程已经成为我国特高压电网的重要组成部分，在西电东送、能源优化等方面发挥的作用日益显著。直流电压测量装置是特高压直流输电工程的关键设备之一，其暂态、稳态性能直接关系到特高压直流输电工程的运行安全。

1暂态过电压测量系统

一套完整的暂态电压测量系统可分为三部分：传感器单元、信号传输单元和信号采集及处理单元，其原理构成见图1

图1中，传感器单元将高电压按固定比例降低至可测量的电压等级，而它往往是决定高电压测量系统性能最关键的部分，也是暂态过电压测量技术研究的重点。传统的电压传感方式基于电工原理，通过电阻或电容分压，将高电压成比例地降低为低电压信号。而非电工原理的电压传感技术，则主要是基于光学原理的电压测量技术，具体是通过对敞开式高压线路周围空间中的电场进行测量，来反映带电体上的高电压。高电压测量系统中的信号传输单元，负责将传感器单元输出的低电压信号传输至远端的信号采集及处理单元。低电压信号传输过程中，难以避免出现反射和衰减，因此，信号传输单元的相关性能也对整个测量系统的性能有影响。传统的电压信号传输方式，是采用同轴电缆作为传输媒介。同轴电缆自身对高频电压信号会有衰减作用；同时，高频电压信号在传输单元发生的反射，会造成原信号损失。因此，在同轴传输电缆的首、末端，均应配置阻抗匹配模块。对高频电压信号的传输，现在也大量使用光纤。由于光纤对所传输信号的高保真性好，故多被采用在低电压信号的长距离传输上。根据需求，信号传输单元应该既可传输模拟信号，也能传输数字信号。高电压测量系统中的信号采集及处理单元，是一个多功能综合体，具体包含有暂态过电压测量的触发、采样、信号储存、时间同步等功能；其信号处理部分，一般包含有去噪、过滤、偏置消除、波形参数提取等功能。在一些已有高电压测量系统中，信号采集与处理单元还配备有波形恢复算法，用以补偿传感器性能的不足。高电压测量系统的信号采集及处理单元设备，其带宽和采样频率都必须要足够高，以避免反映被测高电压的低电压信号发生畸变。

2直流分压器暂态阶跃响应性能分析

为了减少杂散参数对RC电路结构的影响，实际应用中高压臂是由多节模块化阻容单元串联而成，电路为多节模块化阻容单元串联的等效电路图，阻容分压器的分压比为

式中：1ut()为所测量的一次电压；2ut()为阻容分压器低压臂输出电压；R1、C1分别为阻容分压器高压臂等效电阻和等效电容；R2、C2分别为阻容分压器低压臂等效电阻和等效电容；为一次电压的角频率。从式(1)可知，当一次电压为直流，即0时，可以得到阻容分压器的直流电压分压比为

当一次电压的角频率足够大时，可以得到阻容分压器的高频分压比为

由式(2)和式(3)可知，直流电压的测量主要是通过阻容分压器的电阻部分实现的，而高频信号的测量则是通过阻容分压器的电容部分实现的。当被测一次电压为阶跃信号，即11utUt()()时，可以得到阻容分压器的阶跃响应信号为

式中：U1为一次电压阶跃值；()t为单位脉冲函数；122RC是阻容分压器低压臂时间常数；2U(0)为暂态阶跃响应初始电压。

根据式(5)可知，当阻容分压器高、低压臂阻容回路时间常数一致，即R1C1R2C2时，2U(0)0，阻容分压器具有理想的暂态阶跃跟随特性。电阻盒是由多个与阻容分压器结构相同的分压回路组成。因此，为了保证整个直流分压器具有理想的阶跃跟随特性，设计上应保证电阻盒内部高、低压回路、电阻盒等效输入电阻和电容回路以及阻容分压器高、低压臂等阻容时间常数相等。在直流分压器的实际运行过程中，电阻盒和阻容分压器低压臂的阻容时间常数一般不会发生变化。但是，受杂散电容的影响，阻容分压器高压臂的电容值会发生变化，进而使得其阻容时间常数发生变化，导致直流分压器的暂态阶跃响应不是一个理想的阶跃跟随过程，而可能出现暂态阶跃响应的过冲现象。利用Matlab/Simulink软件搭建了直流分压器的仿真模型，直流分压器按照某工程实际参数设置，其低压臂额定输出为50V，阻容分压器高压臂电阻值为100×106Ω、电容值1×106μF，低压臂电阻值为33.3×103Ω、电容值3×103μF，高、低压臂和电阻盒的阻容时间常数均为100μs。分别针对阻容分压器各参数未发生变化、高压臂电容参数变化和低压臂电容参数变化等3种情况下直流分压器的暂态电压阶跃响应性能进行了仿真仿真波形如图1所示。

图1直流分压器的暂态阶跃响应仿真结果

从图1中可以看出，阻容分压器高、低压臂时间常数一致时，直流分压器具有完好的暂态阶跃特性，不存在过冲电压和响应延时。当高、低压臂时间常数不一致时，则会出现暂态阶跃响应初始电压和响应延时。其中，暂态阶跃响应初始电压由电容分压比来决定，响应延时由阻容分压器低压臂的时间常数决定。

3改进的暂态分量提取算法

由于瞬态过程与工频电压之间存在联系，无法单独提取瞬态部件的特性参数，只能通过短波变换或为了更好地分析暂态过电压波形，需要在暂态期间分离工频电压，以便提取暂态分量。瞬态分量提取算法的基本原理是:首先从原始数据中获取工频峰值和初始阶段，然后迭代调整工频波形，达到结束条件后，将调整工频电压从实际工频波形中减去，得到波形但是，在搜索初始阶段时，算法会确定初始阶段是0还是视离散取样而定，相位的确定有时可能会出错，调整后的工业电压波形可能与原始波形有相位差异。

结束语

目前在电力系统中，仍普遍装设电磁式或电容器式电压互感器，以用于对工频电压的监测。电阻分压器和电容分压器多作为实验室中测量冲击电压的标准器。GIS手窗式技术，仅在近年新生产的GIS设备上才有安装。套管末屏技术，出于安全考虑，一般只在变电站的调试阶段使用。还有一些其他的高电压测量技术，仅在现场有很小规模的实验性布置。因此，目前电力系统尚未铺设和建立规模化的暂态过电压监测系统，而这正是为确保电力系统的安全可靠运行所迫切需要尽早解决的问题。

参考文献

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