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西华大学电气信息学院电力系统研究室的研究人员陈鑫、杨海龙、李荷薇、刘雨晴、张洛，在2016年第4期《电气技术》杂志上撰文，针对现有变电站内故障录波仪采样频率低、不足以记录高频暂态过电压信号的问题，设计了具有高速采样频率的过电压在线监测系统，同时为解决采样频率与存储深度的矛盾，采用变频采样频率的方式分别对工频电压信号和高频过电压信号进行采样。 该监测系统运行在多个变电站内，采集记录到了多条过电压数据，为站内绝缘配合及过电压的防护提供一定的依据和参考，同时为过电压故障原因的分析提供了有效的数据。 实际运行表明，电力系统事故主要由电气设备绝缘损坏造成，而过电压正是绝缘损坏的主因[1-3]。准确掌握运行中电力系统出现的过电压数据，能够为绝缘的配合和过电压防护措施的采取提供可靠的依据，同时能为故障原因的分析提供有效数据。因此，对变电站设备进行过电压的监测具有重要的现实意义[4]。 现有的电压监测依靠变电站内的故障录波仪完成，由于变电站内故障录波仪的采样频率较低[4-5]，用于工频电压信号的监测，但不能采集到频率高达上兆赫兹的雷电过电压和操作过电压信号[6]。 因此，为了监测频率较高的暂态过电压信号，设计了具有高速采样频率的过电压监测仪，以实现高频暂态过电压的采集；通过变频采集解决暂时过电压在高速采样频率下存储深度的矛盾。该过电压监测仪布置于多个变电站内，建成了过电压在线监测系统，系统稳定运行并采集到了多组过电压数据，对于站内绝缘配合具有指导意义。 1系统组成 监测系统由分压单元、采集单元、工控机和后台监控中心几部分组成，采用模块化的设计，如图1所示。 基本工作原理为：过电压信号经过高压引线接入分压单元，将高电压变换成采集单元能够接受的低电压，隔离衰减电路进行二次分压、信号调理，高速数据采集卡进行模数转换成数字信号，工控机经过数据打包处理后存储到硬盘，并通过电网内部数据网络将数据发送至后台监控中心，监控中心可实时接收来自监测站点的过电压数据，并根据协议进行数据分析和处理。 1.1分压单元 由于电磁式电压互感器频率响应特性受限，其二次侧不能良好地反映一次侧的高频暂态电压信号[7-8]，因此，分压单元采用如图2所示的带宽较高的阻尼式电容分压器。 图1 系统结构图 图2 分压器结构图 分压器变比设计为k=350，使得分压器在工频时输出电压为100/ V，因分压器并联在监控室外35kV母线上，而工控机采集卡位于监控室内，此间有较长距离，若分压器输出信号较低，则在传输过程中容易衰减和受到干扰，因而，设计分压器输出电压为电压互感器输出电压等级。 电容参数的设计可由分压器容量及分压器的分压比设定。流过分压器的电流只要由高压臂电容容抗大小决定，选取流过分压器的额定电流为毫安级别，高压臂电容C1设计为200pF，那么流过分压器的额定电流近似为I=?C1U=1.256mA。 同时，分压器的阻抗计算为千兆欧级别，满足电压测量输入阻抗大的要求。低压臂电容容值大小由分压器的分压比确定，由分压比公式k=(C1 C2)/C1=350，可计算低压臂电容C2为0.07?F。高低压臂电容采用介电性能稳定度高的聚四氟乙烯电容器。其中R2为后端匹配电阻，阻值为同轴电缆的波阻抗值50，目的是抑制波的折反射。 为解决在雷电等陡波过电压下因电感而发生的振荡问题，在高压臂中串入金属陶瓷高压阻尼电阻R1，其阻值可由两个因素确定：首先根据RLC振荡电路临界电阻计算公式R=1.5 计算[6]，由实测电感值约3H计算得R1为183。 再者由于R1的串入，改变了分压器的电压上升时间，为减小误差，要求电压上升时间小于被测电压波形波头时间的1/10，取标准雷电波波头时间1.2s，要求电压上升时间C1R1＜120ns，由衰减振荡临界电阻阻值取200，电压上升时间为40ns，满足要求。此外，考虑到流过分压器的额定电流为毫安级，阻尼电阻的功率要求为1W。 1.2采集单元 采集单元由隔离衰减电路和数据采集卡组成，主要功能是进行二次分压，使之调理在数据采集卡的输入量程之内，然后三路信号接入采集卡的三路采集通道，由采集卡完成AD转换采样，当外部产生过电压时，通过触发电路的触发信号启动采集卡的存储记录功能。 根据采样定理，为了使采样信号不至于发生频率混叠，需要采样频率大于模拟信号最高频率的两倍，工程上一般取采样频率为最高频率的5-10倍[9]。雷电过电压的波头陡度高，等效频率可达几百千赫兹～上兆赫兹[10]，为了采集到完整雷电过电压，采集卡的最高采样频率选为10MHz。 发生雷电过电压时，过电压行波的等效频率很高，需要的采样频率也很高才能记录过电压的波形，但其波长时间较短，而要求记录的数据除了雷电过电压整个波形，还需其结束后的若干工频周期的数据，以满足数据分析的需要，若始终以此采样频率完成包括雷电过电压之后的工频电压在内的整个采样过程，将会对数据缓存容量产生很大的挑战。 因此，采用变频采样技术，在雷电和内部过电压触发采样时采用较高的采样频率f1为10MHz，采样时间T1大于最长过电压波长时间，系统中设为2ms，之后采用较低的采样频率f2为6400Hz（每工频周波采样128个数据点），记录时间为5s，这样解决了采样频率和存储空间之间的矛盾。 1.3后台监测中心 监测子站采集到的过电压数据经变电站工控机由电网内部有线数据网络传输到监测起到数据的收发功能，以及过电压数据的处理，包括波形的显示、数据频谱分析以及过电压类型的识别等。 2典型波形及数据分析 该系统自投入使用以来，监测到大量有意义的过电压数据，以下就四川某变电站35kV侧监测到的典型过电压波形和数据进行分析。 2.1典型波形 该系统在四川某变电站投入使用以来，监测到操作和谐振两类典型过电压，其中各图中纵坐标表示过电压的倍数（基准值为正常运行时的工频电压峰值），横坐标为时间。 1）操作过电压波形 图3波形对应2015年7月25日14点46分28秒发生的一次操作过电压，三相均因操作而发生振荡，其中A相和B相均产生过电压，分别为1.6倍和1.49倍。由于发生操作时，B相工频电压处于零值附近，因而未产生过电压。 图3 操作过电压波形 2）谐振过电压波形 监测到的谐振过电压波形如图4所示，主要有带暂态冲击的谐振过电压和无暂态冲击的谐振过电压两种。带暂态冲击的谐振过电压，相电压和线电压幅值最大可达到正常工作时的2.03倍，其暂态冲击的振荡时间在3～5个工频周期，如图4（b）所示。 无论有无暂态冲击，整个谐振时间持续可达1s。通过频谱分析得知，低频谐振分量主要集中在10Hz，也就是该谐振近乎为1/5分频谐振。 图4 谐振过电压波形 2.2数据统计与分析 从统计数据可知，操作过电压发生次数最多，在统计的9天时间范围内达到了268次，日均近30次，相比而言，该站的操作过电压产生频率较高，由该站对某大型炼钢厂单独供电的背景可以断定，该炼钢厂的生产活动容易引发操作过电压。 就过电压的倍数而言，操作过电压的幅值有72%左右集中在1.10～1.49倍工频峰值范围内，1.50～1.99倍工频峰值范围内的过电压幅值占比25.7%，两倍工频峰值及其以上的过电压幅值仍记录到5次。 其中，最大过电压为工频峰值的2.37倍，如此频繁的操作过电压易对电气设备的绝缘造成累计性的损伤，势必应该引起重视。各时段、各倍数范围内的过电压次数分布见表1。 表1 2015年7月操作过电压统计 除操作过电压外，监测到的另一类较为频繁的过电压是谐振过电压。在统计的6天时间范围内共监测到174次谐振过电压，日均29次。谐振过电压的幅值分布与监测到的操作过电压的幅值分布大致相同，依然是集中于1.10～1.49倍工频峰值范围内，其次是1.50～1.99倍工频峰值，两倍工频峰值及以上出现的次数相对较少，各倍数范围内过电压次数的占比分别为84.5%、15%和0.5%。 谐振过电压的最大倍数为2.03，通过谐振过电压波形可以得知，多数是带暂态冲击的谐振，由操作引起的暂态冲击加上操作带来的系统参数的改变会激发谐振过电压，因此，操作过电压和谐振过电压的统计特性有较大的一致性。 同时应该指出，大部分谐振过电压是由操作产生的暂态过电压激发的，这里统计的过电压倍数包含了操作过电压，因此，对于谐振过电压而言，过电压倍数相对要小一些。各时段、各倍数范围内的过电压次数分布见表2。 表2 2015年7月谐振过电压统计 由过电压波形和统计数据可以得知，该站主要由炼钢厂频繁的操作引发操作过电压，继而引发分频谐振过电压，主要原因是在正常运行时，PT励磁感抗较大，且大于系统的容抗，当炼钢厂的生产活动引发操作过电压时，操作过电压带来的暂态冲击引发PT铁心饱和，使得PT励磁感抗下降，在五分之一工频频率下，系统感抗与容抗配合形成谐振，因而产生分频谐振过电压。 在分频谐振状态下，由于PT励磁感抗较低，会产生严重的过电流，加之持续时间过长，会引发PT 高压侧保险熔丝熔断甚至PT烧毁等故障。 3结论 1）针对变电站内故障录波仪采样频率较低、不能完成高频暂态过电压的采集任务的问题，设计了具有高速采样频率的过电压在线监测仪，通过变频采样频率记录工频电压信号和暂态过电压信号，解决了采样频率和存储深度之间的矛盾。 2）由于采用模块化的设计，除分压单元外，可充分利用变电站现有的工控机外加采集卡构成监测子站；后台监测中心也可利用现有服务器或工作站实现；而电力系统内部数据网络实现子站和监测中心数据通信；因此，该在线监测系统具有成本低的特性。 3）该监测系统在四川某变电站投入使用，监测到的大量过电压数据，为该站的PT烧毁故障的原因分析提供了有效的数据。 4）根据监测系统采集到的过电压数据，得出统计特性，对变电站绝缘配合、过电压防治提供参考依据，为过电压的模式识别及故障诊断工作的开展打下数据基础。 |
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