分布式电容法测量高电压电网暂态过电压的方法和系统

摘要

一种分布式电容法测量高电压电网暂态过电压的方法和系统，其特征在于：它包括高压电容、电容分压器和电容分压器低压臂测量装置，高压电容由高压导线与其高压导线下方的低压臂电极间形成的分布电容构成，低压臂电极与低压电容电连接构成电容分压器，电容分压器低压臂测量装置由电容分压器、同轴电缆和示波器构成，电容分压器的低压电容通过同轴电缆与示波器连接。能更加灵活、便捷的测量出电网暂态过电压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量高电压电网暂态过电压的方法和系统，可用于1000kV及以下电网暂态过电压的测量，可用于1000kV及以下电网暂态过电压在线监测及保护，为电力系统安全运行提供监控手段。

背景技术

电力系统过电压是发展高压和超高压电网所必须解决的重要课题，它不仅关系到发电机、变压器、输电线路等电力设备绝缘强度的合理设计，而且直接影响到电力系统的安全运行。在对国内外的停电事故分析中发现，电力系统过电压引起的电网事故故障率较高，电气设备绝缘破坏时有发生，严重影响着电网的安全运行。统计资料表明，在1995-1999年全国110kV及以上电压等级变压器由于雷电等过电压引起的事故占10.6％左右，110kV及以上电压等级互感器由于谐振、雷电冲击等引起的事故占32.3％左右。

电力系统中的过电压类型多种多样，其产生的原因也各不相同，当出现过电压事故时，虽然电力系统中安装了大量的故障录波装置，但由于过电压信号幅值高、陡度大、持续时间短，而故障滤波器的电压信号通常取自电磁式电压互感器，由于铁磁饱和，频率特性比较差，无法获取电网过电压的真实信息，且其采样频率一般为1kHz-20kHz之间，无法满足暂态过电压的测量要求。

由于没有有效的过电压监测手段，难以快速准确记录电网过电压发生、发展过程，无法获取事故发生时的过电压特征，严重制约了对事故原因的准确分析，比如在过电压的事故分析中很难确定事故的原因是由于过电压陡度或幅值超过设备的承受能力，或是设备的绝缘水平降低所造成，还是保护装置本身问题，这些使得分析判断变得十分困难。

目前对于电网过电压的机理研究以及系统绝缘配合的确定绝大部分都是采用电磁暂态数值仿真的方法，仿真中的系统设备的数学模型是在一定的简化基础上建立起来的，模型过于简单，不能真实反映电网实际的波过程。随着高压和特高压电网的发展，设备及网络结构更加复杂，传统的暂态过程的数值分析方法已不能满足对大电网运行的精确实时分析、快速响应及预防决策的要求。

因此，研究一种高性能、高自动化的、低成本的实时过电压在线测量方法，实现电力系统中发生的各种过电压事故数据的实时记录、在过电压发生时能完整准确地记录下过电压的实际变化过程、记录保存过电压的波形和各种参数、存储事故发生前后过电压的情况和发生过程中对电网电压的影响，不仅为运行人员分析事故原因提供科学依据，同时还可以为研究电力系统过电压产生的机理、过电压防范和电力设备绝缘配合的科学工作者提供丰富、详实、科学的原始数据支持，不仅具有很强的工程应用价值，而且具有重要的科学研究意义。

过电压在线监测包括有过电压信号获取(一般采用电压传感器)和过电压信号采集系统，只要获取的过电压信号不失真，过电压信号采集的实现相对比较容易，因此获取准确的过电压信号是其中最关键的环节，一般由电压传感器来实现。电压传感器的设计一直是过电压在线监测系统中的一个技术难点。电网的过电压信号的波形和幅值差异非常大，对传感器特性提出了更高的要求，为了能够准确获取暂态电压信号，要求传感器具有很好的暂态响应特性、稳定性和线性度。因此，研制具有很好的暂态响应特性、稳定性和线性度的电压传感器对过电压在线监测系统的开发具有关键作用。

国内外学者对过电压的测量方法展开了大量研究，并在一定程度上取得了较好的效果。综合国内外研究情况，目前，应用于电网过电压信号获取的装置主要有高压分压器、光纤电压传感器以及微分-积分测量系统等。

1)高压分压器高压分压器是过电压监测中最常用的获取电压信号的装置，主要有电阻分压器、电容分压器和阻容分压器等几种结构形式。电阻分压器具有结构简单、测量精度较高、暂态响应好、工作稳定性高等优点。由于电阻分压器长期并联电网运行，发热问题比较严重，因此，目前国内外大部分过电压在线监测系统的电压传感器都是采用电容分压器或阻容分压器。其中，我国重庆大学做了大量对电网过电压在线监测方面的研究，所采用的方法是利用变压器电容式套管，安装特制的电压传感器组成套管分压系统，从电容式套管的末屏抽头处实时采集电网过电压信号，如图1.1所示。

为了弥补传统电阻分压器的一些主要缺点，国内外的学者还研制出一些新颖的电容分压器，澳大利亚学者D.Britwhistle和I.D.Gray研制的基于电流互感器的电容分压器，如图1.2所示。

该电容分压器的高压臂为导线与电流互感器形成的杂散电容C1，低压臂采用外加的电容C2.这种分压器的优点是：采用电力系统已有的一次设备，避免传统的高压分压器长期并联高压电网带来的一系列问题，电气等绝缘特性好。其主要缺点是电容C1的不稳定性带来的测量误差。

2)光纤电压传感器光电测量系统是一种利用各种光电效应或光通信方式进行测量的系统，在高电压技术领域中，可用它进行高电压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。光纤电压互感器体积小、重量轻、动态范围宽、测量精度高、绝缘性能好，具有及其光明的发展和应用前景。

3)微分积分测量系统以微分环节和后继的积分环节作为电压转换装置所组成的高电压测量系统称为微分积分测量系统，简称为D/I系统。这种分压系统较多应用于冲击高电压的测量中。

目前，国内常见的过电压在线监测方法是通过变压器套管末屏接低压臂形成电容分压器的方法。这种方法需要在变压器末屏引出线，工作人员必须爬上变压器进行安装，这对工作人员安全有一定影响。本发明所用电极直接安装于高压导线相应地面，安装地点灵活，电容分压器独立运行，不受其他设备的限制。发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式电容法测量高电压电网暂态过电压的方法和系统，更加灵活、便捷的方法测量电网暂态过电压。

本发明的技术方案是：一种分布式电容法测量高电压电网暂态过电压的方法，其特征在于：在三相导线下方放置三个低压臂电极，三个低压臂电极与三相导线形成九个分布电容；三个低压臂电极与三个低压电容构成三相电容分压器；通过建立矩阵：三相的高压电压形成的3×1矩阵和三相电容分压器二次输出电压形成的3×1矩阵之间存在一个3×3矩阵的关系，即[U₂]_3×1＝[K]_3×3·[U₁]_3×1；通过变换三相导线的电压，获得不同的[U₁]_3×1和[U₂]_3×1，通过建立方程组，计算得到[K]_3×3中9个系数，从而建立了一次电压与二次电压的对应关系，得到分压比K，通过计量显示仪测得的波形进行反推，得到高压导线上的暂态过电压大小。$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{21}\\ {\stackrel{·}{U}}_{22}\\ {\stackrel{·}{U}}_{23}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{K}_{11}{K}_{12}{K}_{13}\\ K_{21}{K}_{22}{K}_{23}\\ K_{31}{K}_{32}{K}_{33}\end{array}\right)·\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{11}\\ {\stackrel{·}{U}}_{12}\\ {\stackrel{·}{U}}_{13}\end{array}\right)$

其中：为A相电压，为B相电压，为C相电压，为A相二次输出电压，为B相二次输出电压，为C相二次输出电压。

一种分布式电容法测量高电压电网暂态过电压系统，其特征在于：由高压电容、电容分压器和电容分压器低压臂测量装置构成，高压电容由高压导线与其高压导线下方的低压臂电极间形成的分布电容构成，低压臂电极与低压电容电连接构成电容分压器，电容分压器低压臂测量装置由电容分压器、同轴电缆和示波器构成，电容分压器的低压电容通过同轴电缆与示波器连接。

如上所述的分布式电容法测量高电压电网暂态过电压系统，其特征在于：电容分压器低压臂测试装置中，同轴电缆与电容分压器和同轴电缆与示波器之间串联与同轴电缆阻抗值相等的匹配阻抗。

本发明的电容分压器低压臂测试装置可以位于三相高压导线下方，对称安装。低压臂电极的形状、尺寸与高压导线离地面距离、高压导线粗细、三相高压导线之间的距离等有关。如需要获得理想的暂态过电压波形，根据示波器最佳显示范围和高压导线的电压等级，确定合理的电容分压器分压比K，根据分压比最优化选择高压电容和低压电容大小。

高压电容由低压臂电极与高压导线之间的分布电容形成。首先，通过ANSYS有限元计算方法，计算在不同形状和尺寸的低压臂电极与高压导线之间形成的高压电容值，综合考虑安装便利、高压电容数量级等要求下，在不同形状、尺寸、高压电容值之间最优化选择低压臂电极形状和尺寸，初步确定高压电容大小。

低压电容根据高压电容初值和分压比K计算获得。

高压电容的实际大小由基于矩阵理论的试验方法获取。低压臂电极与三相导线均会形成分布电容，因此，三个低压臂电极与三相导线会形成九个分布电容。通过建立矩阵，三相的高压电压形成的3×1矩阵和三相电容分压器二次输出电压形成的3×1矩阵之间存在一个3×3矩阵的关系，即其中为三相电容分压器二次电压矩阵，[K]_3×3为三相电容分压器分压比系数矩阵，为三相高压导线电压矩阵。通过变换三相导线的电压，可以获得不同的和通过建立方程组，计算得到[K]_3×3中9个系数，从而建立了一次电压与二次电压的对应关系，得到分压比，通过示波器测得的波形进行反推，可得到高压导线上的暂态过电压大小。

电容分压器二次电压通过同轴电缆进入示波器。考虑到同轴电缆与示波器及电容分压器之间阻抗不匹配，会发生波的折反射，因此需要在同轴电缆与示波器和同轴电缆与分压器之间串联与同轴电缆阻抗值相等的阻抗。从而保证所获得的过电压波形不失真。

本发明的有益效果是：采用新型的分布电容式结构的电容分压器，通过理论计算与试验方法准确获得电容分压器分压比，不受变压器套管末屏的限制，可以根据实际需要，安装于高压导线下方的任何位置(比如正下方)方便灵活，为电网安全提供更加有效的监控手段。

附图说明

图1是现有技术的结构示意图。

其中，图1.1是套管末屏电压传感器安装示意图。

图1.2是基于电流互感器的电容分压器。

图2，本发明实施例的低压臂电极安装示意图。

图3，本发明实施例的高压电容形成原理图。

图4，本发明实施例的低压臂测量装置原理电路图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种利用分布电容法测量电网暂态过电压的方法做详细的说明。

图2中标记的说明：1-A相高压导线、2-B相高压导线、3-C相高压导线、4-A相低压臂电极、5-B相低压臂电极、6-C相低压臂电极、7-A相低压电容、8-B相低压电容、9-C相低压电容；图3中标记的说明：10-(A相低压臂电极与A相高压导线之间的)A-A分布电容、11-(A相低压臂电极与B相高压导线之间的)A-B分布电容、12-(A相低压臂电极与C相高压导线之间的)A-C分布电容、13-(B相低压臂电极与A相高压导线之间的)B-A分布电容、14-(B相低压臂电极与B相高压导线之间的)B-B分布电容、15-(B相低压臂电极与C相高压导线之间的)B-C分布电容、16-(C相低压臂电极与A相高压导线之间的)C-A分布电容、17-(C相低压臂电极与B相高压导线之间的)C-B分布电容、18-(C相低压臂电极与C相高压导线之间的)C-C分布电容；图4中标记的说明：19-同轴电缆、20-示波器。

本发明实施例的安装原理图如图2所示，电网暂态过电压电容分压法测量系统主要由A相低压臂电极4、B相低压臂电极5、C相低压臂电极6、A相低压电容7、B相低压电容8、C相低压电容9构成。根据三相导线的排列位置不同，A相低压臂电极4、B相低压臂电极5、C相低压臂电极6的形状和大小所有不同。本发明实施例所采用的导线排列方式为三相导线水平排列，三个低压臂电极大小相等。A相低压臂电极4和A相低压电容7构成A相导线暂态过电压测量电容分压器，B相低压臂电极5和B相低压电容8构成B相导线暂态过电压测量电容分压器，C相低压臂电极6和C相低压电容9构成C相导线暂态过电压测量电容分压器，分别安装于A、B、C导线正下方位置。

图2中的低压臂电极与高压导线之间形成的分布电容如图3所示。每一相低压臂电极分别与三相导线之间形成分布电容。A相低压臂电极4与A相高压导线1之间形成A相低压臂电极与A相高压导线之间的A-A分布电容10，A相低压臂电极4与B相高压导线2之间形成A相低压臂电极与B相高压导线之间的A-B分布电容11，A相低压臂电极4与C相高压导线3之间形成A相低压臂电极与C相高压导线之间的A-C分布电容12。B相低压臂电极5与A相高压导线1之间形成B相低压臂电极与A相高压导线之间的B-A分布电容13，B相低压臂电极5与B相高压导线2之间形成B相低压臂电极与B相高压导线之间的B-B分布电容14，B相低压臂电极5与C相高压导线3之间形成B相低压臂电极5与C相高压导线3之间的B-C分布电容15。C相低压臂电极6与A相高压导线1之间形成C相低压臂电极与A相高压导线之间的C-A分布电容16，C相低压臂电极6与B相高压导线2之间形成C相低压臂电极与B相高压导线之间的C-B分布电容17，C相低压臂电极6与C相高压导线3之间形成C相低压臂电极与C相高压导线之间的C-C分布电容18。

每相电容分压器均由同轴电缆引入示波器进行暂态过电压的测量，如图4所示。以B项为例，B相低压电容8经同轴电缆19接入示波器20。在此电路中，为防止同轴电缆中波的反射引起振荡，在同轴电缆的前端和后端均需要串联与同轴电缆阻抗相等的匹配电阻。

A相暂态过电压值得出的具体实施例的举例如下：本发明的电容分压器低压臂测试装置位于三相高压导线正下方，离地2m对称安装。低压臂电极的形状、尺寸与高压导线离地面距离、高压导线粗细、三相高压导线之间的距离等有关。如需要获得理想的暂态过电压波形，根据高压导线的电压等级，确定合理的电容分压器分压比K，根据分压比最优化选择高压电容和低压电容大小。

一种110kV电网暂态过电压测量，电容分压器分压比选择10000∶1，取导线对地距离为8m，导线间距为3.5m，导线直径为0.026m，取低压臂电极直径为1m时，计算得到高压电容C₁₁＝55pF，C₁₂＝33pF，C₁₃＝22pF，则对于A相低压臂电极4，其与高压导线形成的高压电容为C₁₁+C₁₂+C₁₃＝110pF，计算可得低压电容7为0.011μF。

初步确定低压电容为0.011μF，则高压电容的实际大小由基于矩阵理论的试验方法获取。低压臂电极与三相导线均会形成分布电容，因此，三个低压臂电极与三相导线会形成九个分布电容。通过建立矩阵，三相的高压导线电压形成的3×1矩阵和三相电容分压器二次输出电压形成的3×1矩阵之间存在一个3×3矩阵的关系，即通过变换三相导线的电压，可以获得不同的和通过建立方程组，计算得到实际分压比矩阵中9个系数，从而建立了三相电容分压器二次电压与高压导线电压的对应关系。当一相存在过电压时，对应相电容分压器二次输出值最大。若A相出现过电压，则根据可得