基于电场逆问题的D-dot电压传感器的设计与仿真

传感器的小型化和非接触式测量是目前智能电网发展的主流。对采用电场耦合原理和电场逆问题计算的D-dot电压传感器测量进行了分析和研究,提出了改进办法。该方法应用差分式结构,使得传感器能工作在自积分模式下,并具有良好的相频特性和绝缘特性。在传感器特性、自身结构的设计和优化上采用Ansoft Maxwell软件进行仿真论证,制作结构更简单、体积更小、测量带宽更大同时能够抑制非线性负载的感应电压过冲的非接触式电压传感器,最后将改进后的传感器模型在高压试验平台上进行稳态误差和暂态响应试验。试验结果表明,新传感器不仅具有良好的暂态性能,其测得的电压有效值具有较高准确度,较小的相位和幅值误差。     

非接触式暂态电压测量的简化解耦方法

电光式电场传感器频率响应宽,利用其进行非接触式暂态电压测量,与系统没有直接的电气连接,易于安装、维护,但是存在三相电场的耦合问题。为此,提出了简化的解耦方法,该方法适用于500 kV及以上电压等级交流系统的非接触式测量:在500 kV及以上电压等级的变电站内,不同相导体的距离较大,非相邻相的耦合可以忽略不计,现场布置较为对称时,利用测到的三相稳态电场信号的相角、幅值信息即可进行简化的电场解耦。在±800kV祁连换流站交流侧用该方法测得的暂态电压波形和用耦合电容分压器测到的波形重合度高,验证了该方法的可行性。将该方法应用到藏中联网工程的调试中,测得了空载线路合闸暂态电压波形:测得首端站过电压波前时间约为1.5μs,最大过电压倍数为1.74;末端站过电压波前时间约为33μs,最大过电压倍数为1.32倍。     

基于拓扑变换的非接触式电压传感器

设立线路电压监测点获取节点电压数据对电力系统运行状态进行评估,若采用接触式电压传感器在某些无法破坏线路绝缘层的节点处将无法获得电压数据。相对于传统电压传感器,非接触式电压传感器具有装卸简便、施工安全性高、不受线路绝缘影响等优势,将成为未来电压测量装置的发展方向。该文对传统电场耦合式非接触电压传感器测量原理进行分析,针对传统方法下线路与极板间寄生电容无法实地求解的问题提出改进方案。改进后的电压传感器通过拓扑变换法获得一系列原始数据,原始数据经Butterworth数字高通滤波、小波降噪后进行寄生电容计算,最终重构待测电压。对基于拓扑变换的非接触式电压传感器进行稳态响应、暂态响应测试,测试结果表明,改进后的电压传感器具有较好的稳态及暂态性能,幅值与相位偏移较小,且能够较好地复现暂态电压波形,具有实用价值。     

长间隙中雷电冲击电场测量的研究

简介了自由电位式二维暂态电场传感器和传感器的标定实验，设计了在长空气间隙中当施加雷电冲击电压时用该传感器进行了电场测量的实验，定量测量了有流注出现时间间隙中电场的时空变化，通过对间隙中暂态电场的测量，定性得出了流注的变化特性。测量结果与文献中的有关理论相符。     

圆盘形结构的非接触式电压传感器设计与实验

为解决电压传感器在测量时抗干扰能力弱、精确度低、实时性差的问题,文章设计了一种圆盘形结构的非接触式电压传感器。通过调整球型传感器极板面积,呈现出圆盘形结构,使该传感器可完整测量竖直方向上的电场信号,加强矢量采集与分析能力,增加自解耦能力,有效利用电极的空间。通过建立有限元模型,以三相架空线为激励源,传感器为观测对象,验证圆盘形传感器测量电压的可行性。在实验平台对圆盘形传感器进行暂态、稳态和抗角度偏差测试,结果表明,该传感器能够充分感应各方向维度上的电场分量,实现矢量电场的采集与合成,拥有较好的解耦效果,有效的抗干扰能力,满足了测量的实时性和准确性。     

长间隙中操作冲击电场测量的研究

简介了自由电位式二维暂态电场传感器的结构和标定方法。设计了当施加操作冲击电压时,在长空气间隙中,用该传感器进行电场测量的实验。定量测量了有先导出现时间隙中电场的时空变化。通过对间隙中暂态电场的测量,定性得出了先导的变化特性。测量结果与文献中的有关理论相符。     

基于电场逆问题的双差分式D-dot过电压传感器研究

通过测量电场获取电力系统遭受的过电压,对于电力系统故障分析、绝缘配合设计以及过电压的特性研究具有指导作用。为此,该文设计一种双差分式D-dot过电压传感器,以实现对过电压信号快速精确地测量。首先,介绍该传感器的基本测量原理;其次,通过仿真对传感器进行仿真论证和参数优化设计;最后,根据仿真结果制作传感器实物,并搭建试验平台对设计的传感器进行稳态性能和暂态性能试验。结果表明:双差分式D-dot过电压传感器具有良好的稳态和暂态特性,相位和幅值误差小,测得的雷电波上升时间的相对误差在±1.65%以内,对雷电波峰值的测量相对误差小于±1.85%。     

基于电场逆问题的高压输电线电压传感器技术与试验研究

提出了一种高压电网中电压测量的新方法,通过电场逆问题计算,采用电荷感应原理研制了一种电子式高压输变电设备的新型电压传感器。对工频电场逆问题进行了推导,给出了电压计算流程并设计了传感器初步模型,并在无线长直输电线下进行了电场畸变影响误差分析。最后,在搭建的高压试验平台下对所研发的传感器进行了电场畸变影响的误差分析试验和交流电压测量对比试验。结果表明,在长直导线下的电压传感器受电场畸变影响较小,测得的电压有效值具有较高的精度,传感器测量电压波形失真度小,相位和幅度误差较小。     

宽频暂态电场测量装置的研究

暂态过电压是影响电网安稳运行的重要因素之一,对暂态过电压的准确测量具有十分重要意义。为此,基于空间电场效应的测量方式设计了一种宽频暂态电场测量装置。首先,介绍了基于非接触式电容互感器测量电场的原理;其次,完成了外部传感器结构及内部电路设计;最后,在实验室条件下对研制的测量装置进行了工频和冲击电压试验。结果显示,该测量装置的测量误差在5%以内,同时测量装置频率响应在5 Hz～5 MHz间较为平坦,对于工频电压及1. 2μs/50μs的标准雷电全波可有效捕捉。     

正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。     

架空线路小电流接地故障零模电压信号获取新方法

提出一种通过电场感应获取架空线路小电流接地故障零模电压信号的新方法。阐述了线路下方由三相电压共同产生电场的特征,提出故障前后垂直地面方向电场的变化量与零模电压基本成比例关系,通过感应该电场变化量可以获取暂态及稳态零模电压信号。提出利用电荷放大器和平行金属极板组成的电场传感器感应空间电场获取零模电压信号的方法。最后通过仿真和试验验证了该方法的正确性。     

自积分式D-dot电压互感器原理及试验研究

电力系统中的传统电压互感器有绕组或铁芯,可导致暂态响应不能跟随一次电压变化,易产生铁磁谐振过电压,且响应频带窄、体积大,测量过程需要与高压导体进行接触。文章基于D-dot测量原理,提出一种新的互感器结构,可作为非接触的电压互感器。D-dot互感器是通过电场耦合原理对导体电位进行无接触测量,通过差动输入结构和多重电极并联结构,避免负载电阻、积分电路及引线寄生电感的影响的同时,可减小互感器的相位误差。通过有限元仿真计算对传感器结构进行优化,并将传感器制成印刷电路板在10 kV电压等级下进行误差和暂态性能试验。试验结果表明,互感器可满足准确测量要求并具有良好的暂态特性,符合智能电网测量传感器智能化、小型化、便捷化的发展需要。     

陡波下500kV GIS同轴母线管道的暂态电场特性

为准确指导500 kV GIS同轴母线管道的绝缘设计,有必要同时考虑同轴母线管道引起的电场畸变和不同电压波形下的电场动态分布特性。以某公司制造的500 kV GIS中的L型和T型母线管道为例,基于时域有限差分法对其在特快速暂态过电压下和雷电波下的暂态电场特性进行了研究。计算结果表明:在L型母线中,特快速暂态过电压下电场峰值小于稳态时的电场峰值,但应注意波头的折反射;相比L型母线,相同电压陡度下T型母线的折反射更加明显,在施加4 ns的斜角波时,电场峰值约为稳态值的1.13倍,且在波头部分存在明显振荡,绝缘设计须采用暂态电场校核;雷电波下,L型母线和T型母线中各节点电场几乎无折反射,电场可用静电场的计算结果校核。     

基于隔离开关分合操作的电子式互感器电磁兼容检测系统

为深入研究隔离开关分合时产生的暂态强电磁过程对电子式互感器的影响,建立了基于500 k V空气绝缘开关设备(AIS)隔离开关分合操作的电子式互感器电磁兼容检测系统。系统中的高频电流电压组合测量系统采用Rowgowski线圈和电容分压器作为传感器,传感部分和数据采集部分具有良好的电磁屏蔽。对高频电流电压测量系统进行了标定:高频电流测量带宽为1 Hz~10 MHz,高频电压测量带宽为0.1 Hz~30 MHz,满足测量要求。现场实测结果表明:在检测系统上实现了隔离开关分合闸时高频电流、高频电压和电子式互感器输出波形的同时测量,获得了隔离开关分合闸时暂态电流电压典型波形和电子式互感器输出波形。通过波形比对,可实现隔离开关分合操作时电子式互感器受暂态强电磁干扰的影响分析。     

基于空间电场效应的高电压测量装置的研究

本文在对一种基于空间电场效应的电容分压器的电场进行计算分析的基础上,讨论了这种新型电容分压器的安装位置与高压探头对地分布电容间的关系,椭球形和圆球形高压探头的电场分布情况以及测量不同电压等级时高压探头球体的最小半径等问题,设计了电容分压器的结构及参数。作为该新型电容分压器的一种应用,设计了一套完整的高电压测量装置。试验表明,该装置具有较好的测量精度和响应特性,信号波形的再现能力较为理想,适用于电力系统中高压输电线路等设备的暂态高电压信号的现场试验测量。     

HVDC电缆电场分布影响因素的仿真研究

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现:当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明:降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。     

反串式平面空心线圈电流传感器设计与性能分析

电网工作人员常带电设施作业,导致触电事故的现象时有发生,亟须合适的电场测量及安全预警装置。根据此类需求设计了一款基于空心线圈的新型传感器,为实际复杂工况下的电场测量提供新的解决方案。首先研究输电导线上的电流与其附近磁场强度的规律以及反向串联结构测量原理,结合合适的积分电路得到传感器在微分工作状态下的最优设计。然后根据电场测量反演规律,设计空心线圈型高频带电流传感器。最后通过分析空心线圈传感器的稳态和动态响应性能,验证了所设计的空心线圈传感器具有较宽的频带和测量范围,能有效抵御外界磁场干扰,且暂态与稳态响应性能满足实际需求。     

面向油浸式变压器类绕组暂态电压测量的耦合电容传感器优化设计

变压器类绕组暂态电位分布研究对绕组类设备的绝缘设计具有重要意义。根据浸油状态下变压器类绕组暂态电压非接触式测量的实际工程要求,对耦合电容传感器的结构及尺寸进行了优化设计。获取了电容传感器与不同信号处理电路组合时的高、低频响应特性,验证了优化后耦合电容传感器在合理选择信号处理电路的情况下具有良好的高、低频响应特性,可用于双指数波(中低频暂态电压)及高频暂态电压(very fast transient overvoltage,VFTO)的测量。实验研究了测量电缆长度对传感器输出信号的影响。结果表明,增加测量电缆长度会在增大传感器分压比的同时降低上、下限截止频率,故在实验中应尽可能采用较短的电缆来提高测量准确性。     

应用耦合电容传感器的变压器类绕组暂态电压非接触式测量方法

实验测得的变压器类绕组暂态电压分布是变压器类设备绝缘结构设计的重要参考内容。为克服扎针法、光纤测量法等现有测量方法存在的缺点,提出一种基于耦合式电容传感器的变压器类绕组暂态电压非接触式测量方法,介绍了其基本工作原理及标定方法。为提高测量系统的响应特性,设计了RC积分器和阻抗变换器相结合的外围电路,使得其测量频带可达0.64 Hz~106 MHz。通过解耦处理原始测量数据消除了相邻线饼带来的耦合效应。利用该测量系统,实验研究了不同波形冲击电压下一特高压变压器励磁调压线圈的暂态电压分布,分析了波形参数对变压器暂态电压分布的影响。通过实验结果发现,雷电波下绕组首端线饼处的峰值电压会因谐振而高于入端电压,陡前沿方波和高频振荡波下各线饼峰值电压呈指数型下降。     

基于XGBOOST-PSO提高受端电网电压暂态稳定的发电机无功优化方法

考虑发电机稳态输出无功对其支撑暂态电压恢复稳定能力的影响,基于机器学习研究优化发电机稳态输出无功提高电压对故障扰动保持暂态稳定能力的预防控制方法。该方法采用加权多二元表暂态稳定裕度指标量化母线暂态电压对不同预想故障扰动的综合稳定裕度,并基于指标排序确定稳定裕度薄弱母线。同时基于发电机无功调节对预想故障下各薄弱母线电压暂态稳定裕度综合作用灵敏度排序,选择作用灵敏发电机。在利用XGBoost建立根据系统稳态特征向量预测薄弱母线暂态电压稳定的分类模型基础上,以系统对预想故障扰动保持暂态电压稳定为约束、以减小发电机稳态无功调节对网损产生影响为目标,基于潮流计算寻优灵敏发电机稳态输出无功,以提高薄弱母线的暂态电压稳定性。最后采用雅湖直流接入江西电网的PSASP计算模型验证了所提方法的有效性。