分布式暂态过电压在线监测技术在特高压GIS变电站中的应用*

周兴，劳斯佳，王磊，仇一凡，李忠晶，鞠登峰

（1.南京南瑞集团北京国网普瑞特高压输电技术有限公司，北京102200；2.中国电力科学研究院，北京100192）

0 引 言

特高压变电站已成为我国电力系统中的关键枢纽，对于高容量、长距离输电以及保证整个系统的稳定安全都具有重要的战略意义。特高压输电工程由于自身无功功率很大，导致在合闸操作时很容易在线路上产生较高的操作过电压，还可能在故障及三相甩负荷时发生严重的工频过电压及操作过电压；同时，特高压变电站对于雷击损坏的预防措施也至关重要，因此，对于特高压变电站一次设备的绝缘水平要求很高［1］。采用变电站一次设备暂态过电压在线监测技术，记录过电压故障波形信息，并对故障波形进行分析，可为提高一次设备的绝缘防护水平提供可靠依据［1-2］。

目前在电力系统中广泛采用故障录波设备进行过电压的在线监测，但是，故障录波设备为电力系统稳态测量设备，主要关注稳态测量，其主要关心电力设备发生故障时设备动作是否正常，且设备的模拟量通道都是共地的，无法避免暂态过电压在通道间产生的干扰［2］，另外故障录波设备还具有分析功能少、采样频率低、故障记录启动模式单一等缺点，因此并不适合电力系统暂态过电压的测量。

暂态过电压在线监测系统拥有采样频率高，波形采样精确，波形记录种类多样，分析功能丰富，高度智能化等优点，相比于故障录波设备在暂态过电压监测方面具有巨大优势。自21世纪以来，国内暂态过电压在线监测技术迅速发展，相关技术研究发展至今已经逐步走向成熟，国内针对过电压监测的理论与仿真研究也屡有突破。近几年，在黑龙江、重庆、贵州等地已开展多种不同技术路线的过电压在线监测示范工程，获得了显著的成绩，DL／T 1351-2014《电力系统暂态过电压在线测量及记录系统技术导则》也已于2015年3月正式实施，该技术将成为地方电网建设发展的重要组成部分。

提出一种分布式暂态过电压在线监测技术，该技术将暂态过电压监测设备嵌入于高性能EMC设计的户外柜中并将户外柜就近安置于被测一次设备附近，有效解决了远距离铺设信号电缆造成的信号干扰和失真的问题。系统采用分布式系统架构和分析技术，将局域网络内各测点过电压数据依据IEC 61850传输协议进行汇总，通过后台软件可实现对各测点过电压波形的大数据分析，分析结果可为分析过电压故障和提高一次设备绝缘防护水平提供有效依据。

1 分布式暂态过电压在线监测系统原理与特点

本现有的暂态过电压在线监测系统大多采用集中式监测系统模式［3-5］，该模式下不可避免的存在着长距离信号传输所导致的信号失真问题，若在特高压变电站中进行应用，还面临着信号电缆绝缘匹配困难、电磁干扰较高以及暂态地电压（TEV）抑制困难等问题，这些问题严重影响监测系统对于过电压波形记录的准确性。当变电站站中被测点较多时，还将使得电缆的铺设量巨大，导致成本高昂的问题［6-7］。

针对以上问题，设计了一种分布式暂态过电压在线监测系统，该系统在每个变电站将过电压监测装置的数量与选取的监测点数量等额配置，将装置就近安装在取样一次设备附近，同时在每个变电站设置一台主站工控机，用来控制站内所有过电压监测装置并收集各装置相关数据。主站工控机与过电压监测装置之间采用IEC 61850通讯方式。监测系统采用交流220 V电源，由站用交流220 V电源经隔离变压器后供电。暂态过电压监测装置、IED、隔离变统一安装在户外柜内，户外柜就近安装在测量点附近，系统架构如图1所示。

图1 分布式暂态过电压监测系统结构图Fig.1 Structure diagram of distributed transient over volt age monitoring system

暂态电压监测装置用来采集和记录过电压波形信息，通过光纤按照IEC 61850协议将波形数据传输至控制室屏柜中的主站工控机中；监测数据自动上传至主站工控机的数据库中。主站工控机中的交互软件可对暂态电压监测装置的参数进行设置。主站工控机同时具有与上级在线监测应用服务器通信的能力。主站工控机上安装有IEC 61850客户端监控软件、暂态过电压控制分析软件，用于对暂态电压监测装置的参数进行读写操作以及对暂态电压监测装置监测记录的暂态电压数据进行读取和浏览，还可以对波形数据进行高级处理，包括波形文件的导入／导出、报告打印等功能［8-9］。

通过该种设计方法，将信号采集装置就近布置于被测点附近，实现了波形信号就地进行模数转换的目标，采样结果可通过光纤或专用局域无线网络传输至主控室后台系统，解决了暂态过电压监测信号远距离铺设信号电缆以及现场电磁干扰等一系列问题。同时，应用GPS同步授时功能，实时校准各测量点采集时间，为精确故障定位提供了有力保障。

2 基于优化EMC的暂态过电压监测户外柜设计

2.1 特高压GIS变电站的电磁环境特性

特高压变电站的电磁环境是由变电站内由各种电气主设备的综合效应所决定，主要涵盖工频电磁场、无线电干扰和可听噪声等三方面的影响因素。工频电磁场会产生辐射，其在一定程度上会对站内部分设备可能造成影响［10］；在1 000 kV晋东南变电站、荆门变电站、南阳开关站内工频电场强度最大值均超过10 kV／m，必然会影响二次设备的正常运行。

在特高压GIS变电站，除了对二次设备影响较大的工频电磁场外，由于隔离开关或断路器的开合所产生的特快速瞬变过电压对二次设备影响更大。因为该瞬态电磁波的频带相对较宽（频域范围1 MHz～470 MHz），因而由GIS金属壳体内部产生的VFTO将会按照行波的方式进行传播，当到达套管时，架空线上将会耦合一部分瞬态电磁波并进行传播，进而直接损害与GIS相连的变压器、架空线路等电气设备的绝缘状况［7］；另外，外壳与地之间也会耦合一部分瞬态电磁波，成为GIS外壳暂态地电位升高（TGPR Transient Ground Potential Rise）或壳体暂态电位升高（TEV-Transient Enclosure Voltage）的主要原因，进而对GIS相连的保护、控制、信号等二次设备造成影响，同时，其从壳体和架空线向四周的辐射会对变电站的二次设备造成影响［11-12］。

2.2 优化EMC设计方法

针对上述问题，本系统采用了隔离、屏蔽等抑制措施有效抑制了电磁干扰问题。EMC设计架构如图2所示。

图2 EMC总设计原理图Fig.2 Schematic diagram of EMC general design

2.2.1 通道隔离设计

暂态过电压监测系统模拟电路和数字电路之间的供电采用隔离电源，隔离电压4 000 V，模拟电路与数字电路之间采用数字隔离芯片进行隔离，如图3所示是单通道信号采集板卡的电路图。每个过电压采集装置配置三个通道，各模拟通道之间相互隔离，隔离电压2 000 V，有效避免了通道之间互相干扰。

图3 模拟量采集板卡电路框图Fig.3 Block diagram of analog signal acquisition board

2.2.2 通讯隔离设计

在户外柜内安装光电转换装置，主控室屏柜内安装光交换机，户外柜与主控室屏柜之间通过光纤连接，过电压波形通过光纤传送到主站系统，如图4所示，该设计有效避免变电站内电磁辐射通过通信电缆对监测系统的干扰。

图4 监测系统通讯结构图Fig.4 Communication structure of monitoring system

2.2.3 电源隔离和滤波器设计

系统采用超级隔离变压器和电源滤波器来抑制来自电源的干扰。超级隔离变压器是比普通带屏蔽的隔离变压器性能更强的隔离变压器，如图5所示，图5（a）为超级隔离变压器内部结构图，从图可知，超级隔离变压器采用将铁芯夹件和变压器的屏蔽外壳做成一体的E形铁芯结构，铁芯夹件将铁芯紧固在一起，实现整体结构紧凑的目标。超级隔离变压器将初级与次级绕组采用上下同心式结构分别绕制，初级线圈和次级线圈分别绕在铁心的上半部分和下半部分，并套装在铁芯的中柱上，这样同时实现了大幅度减小绕组间分布电容和增加绕组间的漏感的目的，使进入次级的共模干扰与差模干扰大幅减少。

图5 隔离变压器内部结构对比图Fig.5 Comparison diagram of internal structure of isolated transformer

另外，为了防止初级线圈通过泄漏电感将干扰感应至次级线圈，我们设计了一种“磁场屏蔽板”，并将其插进超级隔离变压器初级与次级线圈之间，有效实现了初级与次级线圈的隔离。

本文还对三类常用变压器的性能对比进行了研究，性能测试结果如图6所示。从图中可以看出，超级隔离变压器在10 kHz附近开始对差模干扰产生衰减作用，在1 MHz附近衰减量达到70 dB左右之后，衰减曲线由于分布参数的作用开始波动。而对于共模干扰，超级隔离变压器从直流开始直到10 MHz之前一直表现有极好的衰减特性。由此可见，相对于普通变压器，超级隔离变压器对于干扰（特别是对低频部分干扰）的衰减拥有更好的抑制作用。

图6 隔离变压器的性能测试结果Fig.6 Performance test results for isolated transformers

2.3 实验验证

为了检验超级隔离变压器的隔离性能，我们对隔离变压器进行测试：分别使用普通带屏蔽的隔离变压器、超级隔离变压器，在电源输入端施加浪涌信号，模拟共模干扰和差模干扰，在暂态过电压监测装置无信号输入的情况下，观察暂态过电压记录装置有无误动作。

实验中，隔离变压器对抑制低频干扰较为有效，但高频干扰仍可通过绕组间的电容侵入测量仪器，为此，在监测装置的电源入口处串接低通滤波器，以抑制高频干扰，这样从低频到高频都可以得到比较理想的干扰抑制特性。实验结果见表1。

表1 性能测试对比Tab.1 Performance test contrast

3 基于优化EMC的暂态过电压监测户外柜设计

3.1 系统介绍

本系统在贵阳区域电网中进行了应用，项目选择了龙里220 kV变电站和龙山110 kV变电站实施布点，如图7所示，系统在龙里变电站出线及龙山变电站110 kV进线侧分别设置2组监测点。监测点布置于线路电流互感器、母线电容式电压互感器CVT等位置。

图7 区域电网暂态过电压在线监测布点示意图Fig.7 Distribution schematic diagram of regional power grid transient overvoltage on-line monitoring

依据区域电网内两座变电站的实际运行情况，应用ATP-EMTP软件，分别对系统电源、主变压器、线路参数、杆塔模型等参数建模，对投切空载线路、雷电过电压等典型过电压进行仿真，并将仿真结果与实测结果进行了比较［9］。

3.2 输入模型参数设计

3.2.1 系统电源模型参数设计

利用戴维宁定理，将220 kV母线以上的部分等效为系统电源，电源电压峰值选取所接220 kV电网运行时的最高运行电压，基准值为206.6 kV。

其阻抗值可以根据已知的220 kV母线短路容量以及短路电流参数经计算得到。

3.2.2 主变压器模型参数设计

龙里变电站内1#、2#两台主变均为三绕组变压器，龙山，黑山站各有两台三绕组110 kV电压等级的变压器，模型参数均按照其设备名牌参数进行设置。

3.2.3 线路参数设计

据研究，求解稳态后的谐振解时，用严格的等值π型电路模拟输电线路，求解结果具有较高的准确度，因此本文建立架空线路模型时采用π型电路来进行操作过电压的仿真，而计算雷电过电压时采用Jmarti模型，考虑到雷击的过程是非常短暂的，仿真计算只考虑相邻五组杆塔，为避免雷电波沿输电线路的反射影响，线路其它部分用等效集中参数表示：

式中h为导线对地高度／m；r为导线半径／m。

（1）110 kV龙龙黑Ⅰ回数据：

主线部分：杆塔1#～20#，长度6.272 km；导线型号：LGJ-240／40；截面积：240mm2；避雷线型号：左 GJ-50，右 LBGJ-50-20AC。

T接部分：15#塔T接至110 kV黑山变共4基铁塔，长度：0.782 km；导线型号：LGJ-185／30；截面积：185 mm2；避雷线型号：左 GJ-35，右 LBGJ-50-20AC。

（2）110 kV龙龙黑Ⅱ回数据：

主线部分：杆塔1#-21#，长度6.457 km；导线型号：LGJ-240／40；截面积：240 mm2；避雷线型号：左 GJ-50，右 LBGJ-50-20AC。

T接部分：16#塔T接至110 kV黑山变共4基铁塔，长度：0.714 km；导线型号：LGJ-185／25；截面积：185 mm2；避雷线型号：左 GJ-35，右 LBGJ-50-20AC。

3.2.4 杆塔模型参数设计

杆塔波阻抗的正确选择将影响高压输电线路的分析结果，国内外学者对此已进行了较长时间的研究，目前较为通用的计算公式有：

Jordan：

IEEE工作组：

计算表明，单回输电线路杆塔高度低于30 m的杆塔模型与我国现行杆塔规程中的规定保持一致。仿真过程中建立的杆塔模型如图8所示。

3.2.5 接地电阻模型参数设计

表征杆塔冲击接地特性的参数是冲击接地电阻，其值已被证明是影响线路耐雷水平最敏感的因素，雷电冲击下一方面接地电感呈现对于电流的较大阻尼，另一方面接地体周围突然在较高电厂强度下产生火花放电，增大了导体的直径，因此杆塔的轰击接地电阻，不同于工频接地电阻，应是雷电流相关的函数，但在工程计算中，常用固定的电阻值近似代表杆塔冲击接地电阻。

图8 ATP-EMTP中输电线路杆塔等效模型Fig.8 Equivalent model of transmission tower in ATP-EMTP

雷击杆塔时，雷电流经杆塔接地装置流散到地表，在雷电流作用下接地装置呈现暂态电阻特性，其幅值与雷电流频率相关：

式中R0为工频接地电阻值；I为通过接地电阻的电流；Ig为土壤电离化最小电流。

式中E0为土壤电离场强，取300 kV／m～400 kV／m。

在实际计算中，一般杆塔的冲击接地电阻取10 Ω，对于山区，特别是岩石地区的杆塔的冲击接地电阻则要高得多。

3.2.6 接地电阻模型参数设计

模拟雷电流通过一电流源并联波阻抗来实现，并联波阻抗取值为100Ω～400Ω。波形主要有斜角波，双指数波和heider三种，通过雷电过电压仿真三种波形仿真结果一致，本文仿真采用我国标准的斜角波模拟雷电流波形，如图9所示。

图9 雷电流模型Fig.9 Lightning current model

3.3 线路操作过电压诊断案例与仿真结果比较

3.3.1 合闸过电压实测波形

根据变电站记录，2014年11月21日19：55，龙里变220 kV醒龙I回线路侧合闸操作，图10为在对应测点暂态电压监测系统捕获记录的波形。其波前持续时间 42.2μs，最大过电压为 1.761 p.u.，震荡持续4.9 ms左右，等效频率在20 kHz以下。

图10 龙里变220 kV醒龙I回线路侧合闸操作记录Fig.10 Closing operation record of the 200 kV XinglongⅠloop at Longli station

3.3.2 对应的操作过电压仿真波形

合闸空载线路时线路首端过电压仿真波形如图11所示，合闸线路首端（靠近龙里站110 kV母 线侧）过电压幅值为1.778 6 p.u.。过电压倍数接近实测结果，波形特征类似。

3.4 雷电过电压诊断案例与仿真结果比较

3.4.1 雷电过电压诊断案例

2014年9月29日 03：36：00，龙里 110 kV侧母线上发生雷电过电压波形，如图12所示，过电压在线监测系统捕获到其波头的上升时间为1.201μs，衰减振荡时间 3.49 ms，相过电压最大值为 2.168 p.u.。

通过局域网内的雷电定位系统记录查询，当日03：36：00，龙里站110 kV旧里牵线103开关因雷击造成保护动作开关跳闸，并重合成功。事后巡视发现，旧里牵龙牵线10#耐张塔上的玻璃绝缘子有烧蚀痕迹见图13。与过电压监测系统的保护测距误差不大。

图11 空载线路合闸时线路首端过电压Fig.11 Overvoltage of the cable terminal when closing the unload lines

图12 龙里站110 kV侧母线雷电过电压波形Fig.12 Overvoltage waveform of the 110 kV bus at Longli station

图13 玻璃绝缘子上的放电痕迹Fig.13 Discharge traces on glass insulators

3.4.2 对应的雷电路过电压仿真波形

本文对龙里站内110 kV侧线路遭受雷击跳闸又重合闸过程中对应监测点过电压波形进行了仿真，仿真波形如图14所示，雷电直击杆塔避雷线时，雷击过电压的波头上升时间为1.103μs，相过电压最大值为1.94 p.u.。仿真所得过电压倍数接近实测结果，由于仿真的情况与实际情况可能差别较大，波形趋势存在一定区别。

3.5 应用结论

过电压仿真计算与实测结果的比较验证了系统的准确性、可行性和实用性。所获取的监测系统结果为区域电网内的设备绝缘损坏事故分析提供了有效参考依据。

图14 110 kV侧线路遭受雷击跳闸过电压仿真波形Fig.14 Simulation waveform of the lightning outage overvoltage on the 110 kV line

4 武汉交流特高压试验基地暂态过电压在线监测应用实例

4.1 系统介绍

本系统后又在武汉交流特高压试验基地进行了现场应用，如图15所示，项目利用现场已装设在特高压GIS设备上的VFTO手窗式传感器对GIS母线电压进行波形信号采样，因雷电过电压或操作过电压测量方法与VFTO完全一致，因此暂态过电压监测无须改变现有传感器功能，只需对传感器输出信号进行放大和阻抗匹配即可，信号取样原理图如图16所示。

图15 特高压变电站现场应用照片Fig.15 UHV substation site application

图16 信号取样原理图Fig.16 Signal sampling principle diagram

4.2 实测波形

本系统在现场分别对分闸操作过电压与合闸操作过电压的波形进行了采集，成功监测到了分合闸时母线电压变化的过程，整个过程系统运行稳定，波形结果如图17所示。

图17 现场采集的操作过电压波形Fig.17 The waveform of the operating overvoltage from the field

本文同时将波形数据与用于VFTO监测的80 MHz采样频率的示波器监测所得数据进行了比较（由于采集环境限制，非同时测量），可以看出波形趋势基本一致，EMC设计可靠。

4.3 应用结论

由图18可以看到，系统在特高压试验基地实现了可靠运行，且所监测的操作过电压与应用于VFTO监测的示波器所测波形数据一致，验证了系统的可靠性。

图18 特高压现场示波器采集的操作过电压波形Fig.18 Operating overvoltage waveform monitored by the oscilloscope from the field

5 结束语

提出了采用分布式暂态过电压在线监测技术对特高压GIS变电站一次设备进行暂态过电压监测的新方法。系统采用优化EMC设计的信号就近采集技术和分布式系统架构和分析技术，可准确采集变电站一次设备的暂态过电压波形并对故障原因和故障位置进行分析，分析结果可为分析过电压故障和提高一次设备绝缘防护水平提供有效依据。研究成果先后在贵阳区域电网和武汉交流特高压基地得到了成功应用，监测成果有效验证了系统的准确性、可靠性和稳定性。