500 kV电网过电压波形监测及暂态分量提取

针对目前500 kV电压等级电网过电压缺少有效监测手段的实际情况,本文介绍了一种基于电容式电压互感器内置无感电容单元形成分压器的过电压波形数据监测系统设计方案。监测系统采用ARM7 CPU处理器研制高速宽带电压监测装置,记录、存储和传输过电压波形数据。并基于实际工况设计了一种适合工程应用的暂态分量提取算法,即含暂态过程的原始波形与数值逼近得到的50 Hz工频电压拟合波形相减得到暂态分量时域波形。监测系统已于华东电网500 k V瓶窑站挂网长期运行,对记录获取的典型操作、雷电过电压波形进行暂态分量提取分析,结果表明该监测系统及分析技术在现场应用的可靠性和实用性。     

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。     

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。     

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500kV CVT内置低压电容C_3的暂态过电压在线监测

为保证电网安全、稳定和可靠运行,对系统暂态过电压进行监测研究,从而采取相关措施解决其危害是具有重要意义的。文中基于500 kV电容式电压互感器(capacitor voltage transformer,CVT)对电网暂态过电压在线监测技术进行了系统研究。采取改造CVT即内置串联低压电容C3形成可靠的耦合分压装置、雷电和操作冲击试验及分析结果表明,其性能满足电网暂态监测要求。基于该分压装置研制了一套智能型暂态过电压监测系统,在实验室通过了相关性能测试,主要为开关动作的单分、单合、重合闸、分合分以及工频电压耦合操作冲击模拟试验电压波形记录。在上述基础上,结合华东电网"瓶窑500 kV变电站配串调整工程"进行了现场安装和立屏,就窑阳5438线启动调试进行了录波。最后对后期运行监测获取的电网暂态过电压典型波形进行了示例,进一步说明该在线监测技术及系统在现场长期应用的可行性和可靠性。     

变电站雷电侵入过电压波形特征及其影响因素的仿真

为探讨变电站设备实际耐受的雷电冲击电压波形与标准雷电冲击电压波形的差异,对变电站雷电侵入过电压的波形特征及其影响因素进行了仿真研究。通过在电磁暂态计算程序(EMTP)中建立500 k V交流变电站–输电线路模型,并结合过电压形成的物理过程,分析了雷击类型、输电线路传输过程以及避雷器对雷电侵入过电压波形的影响。研究结果表明:受雷击工况、输电线路传输过程及避雷器等非线性设备的影响,变电站设备实际耐受的雷电侵入波形近似为平顶波,波前时间可达8μs,波尾时间最短仅为10μs,最长可达数百μs。严苛情况下,变电站设备在实际雷电侵入电压波形下的绝缘耐受水平低于标准雷电冲击试验值。该研究为进一步探讨雷电冲击试验标准的合理性奠定了基础。     

陡波下500kV GIS隔离开关室的暂态电场特性

为准确指导500 kV隔离开关室的绝缘设计,必须研究同时考虑隔离开关室结构引起的电场畸变和不同电压波形下的电场动态分布特性。基于时域有限差分法对500 kV隔离开关室在特快速暂态过电压(VFTO)下和雷电波下的暂态电场特性进行了研究。计算结果表明:隔离开关在合闸和分闸时,在VFTO作用下,各节点电场存在高频振荡,不同时刻的电场分布不断变化;在电压波头时间为4 ns和20 ns时,各节点电场均存在高幅值的振荡,严重威胁到设备的绝缘,尤其在施加4 ns斜角波电压时,电场最大值约为稳态值的4~5倍,振荡频率比母线的更高,因此必须计算其暂态电场以便校核绝缘设计;雷电波下,各节点电场几乎无折反射,因而可用静电场计算结果进行校核。     

500kV限流器接入对南网系统过电压的影响分析

串联限流电抗器能有效限制500 kV电压等级的短路电流,但其接入系统后会影响系统的过电压水平,需要进一步进行安全校验。以广南站500 kV/90 kA 限流器示范工程为背景,利用电磁暂态仿真软件EMTP 研究500kV限流电抗器自身的过电压以及限流电抗器接入后对系统的工频过电压、操作过电压、线路断路器的暂态恢复电压,以保证系统与设备的安全运行。结果表明,无论是否采用限流电抗器,顺德-广南500kV线路无故障甩负荷和单相故障切负荷时的工频过电压均在允许的范围内;500 kV限流电抗器接入后的顺德-广南500kV线路合闸操作过电压未超过标准允许范围,变电站及限抗站金属氧化物避雷器MOA能耗及电流与其设计参数相比有很大的裕度。     

气体绝缘开关设备的隔离开关分合操作对电子式互感器电磁兼容特性的影响

为深入研究气体绝缘开关设备(GIS)隔离开关分合操作对电子式互感器电磁兼容特性的影响,研究了隔离开关操作过程中电磁干扰信号对电子式互感器影响的大小与各种耦合途径,建立了基于500 kV GIS隔离开关分合操作的电子式互感器电磁兼容试验系统。利用开发的试验系统,对500 kV GIS隔离开关操作产生的暂态过程进行实地测量,并对系统中接入的电子式互感器进行输出测试。试验系统获得了VFTO和VFTC的典型波形、隔离开关间隙的击穿电压特性和燃弧规律以及电子式互感器典型故障。结果表明:该试验回路产生的VFTC幅值最大值为826.8 A,上升速率约为6.51 kA/μs;VFTO最大过电压倍数为1.22,上升速率约为17.2 kV/μs;暂态测量结果与理论预期水平较相符,准确地反映了暂态过程的真实情况;电子式互感器IEC标准与现场电磁环境存在显著差异;针对电磁干扰的不同耦合途径提出的抗干扰措施,可有效提高电子式互感器电磁兼容水平。     

基于非接触感应技术的电网过电压在线监测方法

提出了一种新型的非接触式电网过电压在线监测技术,其主要方法是利用非接触式电压传感器取代传统的电容分压器,在电力传输线下方设置导线感应出电压信号,再通过电压转换矩阵推算出系统电压值后,利用电磁暂态计算软件（alternative transients program,ATP）分别建立单相与三相模型进行仿真计算,每种模型又进行稳态与暂态两个过程。仿真结果表明,非接触式电压传感器可对系统电压实现精确测量,可以捕捉高频信号,测量精度较高,工作状态稳定,能满足线路内过电压的监测要求。     

500kV牌长Ⅱ线空载投切试验方案选取仿真分析

根据500 kV牌长Ⅱ线接线方式和线路参数,计算空载长线工频过电压升高倍数,利用电磁暂态仿真软件ATP,建立500 kV牌长Ⅱ线的仿真模型,仿真不同运行方式下的工频电压升高和操作过电压倍数,结合仿真结果和试验情况,提出最佳的试验方案。     

冲击电压波形参数对SF_6稍不均匀电场棒–板间隙放电电压的影响

GIS中隔离开关例行操作产生的特快速暂态过电压(VFTO)对GIS等电力设备绝缘造成很大威胁。目前,由于VFTO的非标准化,导致VFTO下GIS绝缘特性研究结果分散性大、可比性差。为此借助研制的陡前沿冲击试验装置,研究了便于标准化的双指数冲击电压下SF6稍不均匀电场棒–板间隙的放电特性。研究表明,稍不均匀电场下,不同波形参数冲击电压下间隙50%放电电压随气压升高基本呈线性增加,并且出现了极性效应反转现象,且极性反转临界气压值与波形参数有关。间隙50%放电电压随冲击电压波前时间增加无显著变化,略呈下凹"U"型;随波尾时间增加略有微弱下降趋势。结合VFTO波形基本特征和现场试验大容量负载的特殊情况,建议选取波前时间0.2~0.8μs、波尾时间1.2~15μs的双指数冲击电压作为VFTO模拟波形,进一步研究现场试验用VFTO标准波形。     

考虑波形起始点的特高压变电站雷电入侵过电压分析

变电站雷电入侵过电压是特高压输变电工程的重要课题。为研究工频电压对变电站雷电侵入波过电压的影响,考虑雷电入侵时刻工频电压的波形起始点对雷电入侵过电压的影响,以某1 000 kV特高压GIS变电站为例,采用电磁暂态仿真程序ATP/EMTP建模研究了不同波形起始点对应的雷电侵入波过电压,并根据波形起始点的分布概率,研究了雷电侵入波过电压的分布规律,提出以90°波形起始点为依据进行雷电侵入波过电压计算和绝缘配合的建议。     

双晶体温度补偿型非接触式光学过电压传感器

现今电网电压监测和过电压监测大多采用传统的接触式分压系统,该方式的运行可靠性较高,但具有测量频带窄、抗电磁干扰能力弱、安装和维护不方便等不足之处。因而基于一次电光效应和空气耦合杂散电容原理,设计了双铌酸锂晶体结构的光学电压传感器,响应频带可覆盖10Hz～5MHz,电压比例系数波动小于2%。在实验室搭建试验平台测量了传感器的输入输出特性与温度稳定性,试验结果表明:传感器在[–10?C, 60?C]范围内的输出电压相对误差小于±5%。同时,设计三相解耦算法,实现了传感器在500 kV线路的人工接地短路过电压测量中的应用。     

输电线路过电压传感器波形解耦及影响其测量精度的相关因素

非接触式电压传感器可测量架空输电线路过电压,其分压比主要取决于导线与传感器的杂散电容。为此,研究了导线与感应金属板之间的距离以及导线半径与过电压传感器分压比的关系,相间耦合的波形解耦及大气条件、电晕效应对架空输电线路分压器分压比的影响。对输电线路与传感器之间的杂散电容的计算公式进行了实验验证。通过理论分析及实验研究,应用多相架空线及传感器的耦合关系,推导出由传感器电压计算母线电压的解耦算法,通过两相耦合实验验证解耦算法能真实还原各相电压。通过温度、湿度、污秽实验分析,证明大气环境对传感器精度影响可以忽略。通过升压法模拟导线起晕,实验表明,电压越高,电晕越严重,非接触式电压传感器分压比越小。     

10kV配电线路感应雷过电压波形特征实测分析

为获取配电线路上感应雷过电压数据,研究其波形特征,以期指导架空配电线路雷电防护,该文利用线路过电压在线监测系统,对云南省丽江市华坪县某10kV配电线路上感应雷过电压进行了实测,并对其波形特征和影响因素进行了分析。2021年6至8月份,系统记录了该线路雷雨季节内42次雷电感应过电压数据。测得感应雷过电压波形大体表现出3个过程：包括在初始负峰值之前的缓慢升高,随后是快速极性反转以及后续的衰减振荡,其中最后一个过程值得注意。严格来说,所有记录的电压都是双极性的,但实际情况下普遍认为只有一个半周期具有重要影响。实测感应雷过电压波形参数受不同定义标准影响,可能与标准雷电冲击电压(1.2/50μs)有很大不同。依据Piantini提出的感应电压分类标准,单极性波形占总数的19%,大部分数据呈正极性,波头时间平均值、中值分别为14.5μs、13.2μs。双极性波形占总数的81%,其中,63%第一个半周期是负极性的,在91%的情况下,电压峰值出现在第一个或第二个半周期。     

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。     

长空气间隙长波前操作冲击放电特性

研究特高压交流线路的操作过电压波形发现,特高压输电线路操作过电压的波前时间比500kV输电线路长,可达数ms,98%的操作过电压波前时间>3000μs,但国内对长波前间隙放电的基础研究不多。为进一步研究长空气间隙长波前操作冲击放电特性,搜集整理了国内外的长波前试验研究数据,并对750kV紧凑型输电线路模拟塔和1000kV环-构架模型空气间隙进行了标准操作冲击和长波前操作冲击放电特性对比试验研究。研究结果表明:传统的波前修正方法不合理;随着距离的变大,长波前与标准操作波50%放电电压的比值有变小的趋势。     

基于近端电场积分法的耦合误差分析研究

近年来,非侵入式电压测量因具备安全性高、便于安装和维护等优势而受到国内外电力工作者们的青睐,但以电场为中间量反演电压的过程中,电场存在串扰问题。为此,对一种新的电场反演方法进行电场耦合误差分析。首先,通过探究10 kV架空线路空间电场分布情况,提出近端电场积分方法;其次,利用三相电场耦合计算模型,对10 kV架空线路三相电场之间的串扰进行误差分析;最后,通过Comsol有限元软件搭建10 kV三相输电线路仿真模型,获取其电场分布并进行验证。结果表明：三相导体下方电场强度均主要来自待测相,传感器距离待测导体0.03 m、0.05 m和0.07 m时,其他相的耦合分量非常小,其占比小于1.5%,基本可忽略不计。仿真结果与理论计算结果相一致,两者之间的误差控制在0.2%以下,因此,通过调整传感器的安装部署位置,近端电场积分法对不同电压等级均有适用性。本文的研究成果可为非侵入式电压在线监测装置的研发提供理论指导。     

GIS三相同壳母线快速暂态相电压测量中的主导电场耦合系数分析

在GIS三相同壳母线VFT电压测量中，每个传感器同时受A、B、C三相电压的电场耦合，必须通过解耦，才能得到每相的VFT电压。利用主导电场耦合系数，就可以根据三个电容传感器的输出电压，直接得到具有足够精度的三相VFT电压波。通过对一个与三相同壳母线具有相同几何参数的偏心圆的电场分析，可以得到主导电场耦合系数的近似解析表达式。该文着重分析了主导电场耦合系数与三相同壳母线GIS几何参数之间的关系，并得到了主导电场耦合系数的工程化计算方法。这对GIS三相同壳母线模型的设计，以及在实验现场环境下定量分析GIS三相VFT电压波特性非常重要。