英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

特高压气体绝缘开关设备瞬态外壳电压（TEV）的测量系统以及TEV的统计特性

胡榕¹,崔翔¹,张卫东¹,陈沛龙¹,齐磊¹,李吉坤¹,陈维江²，李志兵³，戴敏³

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），中国北京，hurong-163@163.com；2.国家电网公司，中国北京；3.中国电力科学研究院，中国北京）

摘要：特高压（ultra high voltage，UHV）气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）中隔离开关操作产生的瞬态外壳电压（transient enclosure voltage，TEV）是接触间隙内部碰撞时电压崩溃而产生的阶跃电压传播的结果。过高的TEV可能会损坏与GIS外壳相连的一次设备和二次设备，可见精确的TEV测量是很必要且重要的。虽然IEC 61321-1中提到过电阻性阻抗分压方法测量TEV，但是并未提供具体的测量系统和测量步骤，而且关于特高压GIS中TEV测量的报告尤为罕见。基于电阻性阻抗分压方法，本文提供了特高压GIS中TEV的测量系统，该系统也采用电磁屏蔽措施。要了解特高压GIS的TEV特性，已经在特高压GIS满压测量的测试电路进行了TEV测试。首先，我们设计并开发了TEV测量系统（TEV Measurement System ，TEVMS），并展示了其性能测试效率； 其次，操作特高压GIS测试电路中的隔离开关开关（disconnect switch，DS），我们得到了可能产生严重TEV的不同测量位置的完整且准确的TEV波形；最后，对TEV波形的时间和频域统计的特点进行了分析。 我们设计和开发的TEVMS能够准确测量GIS中产生的TEV，不仅适用于特高压GIS，同时也适用于其他电压等级的GIS。 TEVMS和实验数据也适用于工程师和设计师进行TEV计算、TEV测量、绝缘配合以及设备的优化布置。

关键词：瞬态外壳电压（TEV）；TEV测量系统（TEVMS）；统计特性；特高压（UHV）；气体绝缘开关设备（GIS）

1 引言

气体绝缘开关设备（GIS）充满加压的SF6气体作为绝缘介质，其被广泛用于特高压（UHV）。特高压交流试验示范工程从采用GIS系统的长治变电站，经过采用复合式GIS系统的南阳开关站，再到采用复合式GIS系统的荆门变电站，已由中国国家电网公司（SGCC）建成。另一个采用GIS系统的特高压交流项目，从安徽淮南到上海，由国家电网公司正在建设中。

当特高压GIS的隔离开关（DS）动作时，瞬态外壳电压（TEV）是接触间隙内部碰撞时电压崩溃而产生的阶跃电压传播的结果。TEV的形状由GIS内部和外部的阻抗变化的所有情况时的阶跃电压的多次反射和折射形成[1]，[2]，[3]。过高的TEV可能威胁到与GIS外壳相连的一次设备和二次设备[4]，[5]。 在武汉UHV GIS的回路测试，我们发现与GIS外壳相连的SF6密度测量设备在DS操作过程中被破坏，其原因是DS动作造成SF6密度测量设备处的TEV上升，导致设备内部绝缘击穿。因此，准确测量TEV是很有必要且重要的。

IEC 61321-1所提到TEV的两种测量方法为电场探头法和电阻性阻抗分压法[6]。电场探头法是测量自由空间中的电场，然后通过电场的反转得到电压值，因此它适用于弱电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）环境下的简单结构的GIS。一些研究人员用该方法获得低电压等级GIS的TEV[7]。电阻性阻抗分压法是使用电阻分压器，高外壳电压通过分压器输出低电压以便我们直接测量，所以通过低电压乘以在特定频率范围内的电阻分压器的分压比得到实际外壳电压，该方法的合理应用不受GIS的结构以及EMI的环境制约。特高压GIS具有高电压等级、复杂的设备布局以及恶劣的电磁干扰环境，因此我们采用电阻性阻抗分压法测量特高压GIS的TEV。

目前，学者们对有关于特高压GIS的TEV测量的论文很少。根据TEV的测量方法，我们设计和开发了TEV测量系统（TEV Measurement System ，TEVMS），其中考虑了电磁屏蔽措施，已经对TEVMS做了一系列的性能测试。TEVMS的主要性能指标如下：输入最高瞬态电压为plusmn;40kV，该系统的测量带宽是DC~80MHz（最大值为220MHz），响应时间为5纳秒（最小值是1.6纳秒），输入阻抗（直流情况下）为900兆欧。

2009年，为了在典型结构的特高压GIS中得到完整、典型而又实际的TEV波形，国家电网公司在武汉特高压交流试验基地建立了一个实际为1100kV满压测量的试验电路。满量程的特高压GIS可以改变电源侧母线的长度，我们通过操作隔离开关进行了2000多次的TEV测试，而且TEVMS研制成功并在可能产生严重TEV的不同测量点处获得了大量完整、准确的TEV波形。

对于这些重要的TEV波形数据，我们从以下几个方面在时域和频域分析了他们的统计特性：峰值、宏脉冲持续时间，微脉冲持续时间、上升时间、频率范围以及主频率。统计结果表明，在GIS电源侧母线末端TEV的峰值可能超过16千伏，直接导致SF6气体密度继电器内部绝缘击穿，宏脉冲持续时间超过100毫秒（ms）（与隔离开关的操作速度有关），微脉冲持续时间可以持续几微秒（mu;s）（与GIS系统的结构布置有关），上升时间低至几纳秒（ns），频率范围从几百kHz到几十MHz，毫无疑问对于不同的测量位置得出的结论略有不同。

在本文中，我们的工作是提出并开发TEV测量系统（TEVMS），它不仅适用于特高压GIS系统，同时也适用于其他电压等级的GIS系统。使用TEVMS，我们在满压测量的特高压GIS系统的不同测量点通过改变电源侧母线长度，获得了大量完整而且准确的TEV波形。分析TEV波形数据，获得了TEV时域和频域的统计特性。

2 TEV测量系统（TEVMS）的系统组成

TEV测量系统（TEVMS）采用了电阻性阻抗分压法，它包括电压探测、数据采集和处理的存储子系统、光纤传输控制子系统、监测和控制子系统、UPS、屏蔽盒等。

2.1 测量原理

电压探头的测量原理如图1所示。电压探头是基于电阻性阻抗分压法来设计和开发的。电阻R1和电容C1构成了探头上的高压侧的阻抗Z1，低压侧的阻抗Z2由电阻R2、可调电容C2和输入子系统的阻抗Z组成。输入电压Vi及输出电压Vo之间的关系式如下：

（1）

（Z1 Z2）/ Z2是电压探头比，Z1 Z2是探头的输入阻抗。通过改变可调电容C2的值，我们得到特定频率范围内的电压探头比和输入阻抗。在一般情况下，为了减少电压探头造成的测量误差，探头需要相对高的输入阻抗。

图1 电压探头的测量原理

【注释】Input voltage：输入电压 Output voltage：输出电压 Voltage probe：电压探头

Data acquisition processing-storage subsystem ：数据采集与处理存储子系统

Input impedance of subsystem：子系统的输入阻抗 Ground：接地

2.2 总体框图

详细的TEVMS系统组成如图2所示。GIS外壳电压是通过测量屏蔽电缆引导到电压探头的输入端，探头的接地端通过接地屏蔽电缆连接到与GIS系统接地网连接的接地端。探头的输出电压由数据采集和处理存储子系统接收，该子系统用超高的速度将模拟电压信号转换成数字信号，然后将其存储，并显示它们。通过监控子系统的手段，我们通过光纤传输控制子系统来查看和控制仪器的状态。不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）为这些实验仪器供能，如数据采集和处理的存储子系统和电-光转换器，等等。所有实验仪器都被收容在屏蔽箱内，绝缘片被安装在屏蔽箱的内表面，并且所有的屏蔽箱被一起连接到接地端。

图2 TEVMS的系统组成

【注释】 Basin-type insulator：盆式绝缘子 GIS enclosure：GIS外壳 Bolt：螺栓

Voltage probe：电压探头 Measuring-shielded cable：测量屏蔽电缆

Probe shielding box：探头屏蔽箱 Insulation sheet：绝缘片

Ground-shielded cable：接地屏蔽电缆

Measurement instrument shielding box：测量仪屏蔽箱 UPS：不间断电源

Data acquisition amp; processing-storage：数据采集与处理存储

Electrical-optical converter：电-光转换器 Inside insulation sheet：内部绝缘片 Fibers：光纤 Protection shield room：保护屏蔽室 Optical-electrical converter：光-电转换器

Monitor and control：监测和控制 Ground terminal：接地端 Insulated pillar: 绝缘支柱

GIS grounding grid: GIS接地网 Ground:地

2.3 主要仪器及辅助设备

1)电压探头。TEV波形上升时间很短、峰值大，所以电压探头需要高带宽和高输入电压，为了减少测量误差，探头需要有比较大的输入阻抗。所使用的是PINTECH P6039A商业探头，它的主要性能指标如下：输入最高瞬态电压为plusmn;40kV，该系统的测量带宽是DC~220MHz，响应时间为1.6纳秒，输入阻抗（直流情况下）为900兆欧。其他商业探头，如泰克P6015A和PINTECH P6028A高压探头都是不错的选择。

2) 数据采集与处理存储子系统。该子系统要求采样率高，带宽长和记录长度长。示波器或录波器可以用于捕捉，存储和显示TEV波形，它们的输入阻抗必须与电压探头的输出阻抗相匹配，一些指标如采样速率、带宽、记录长度等必须符合测量要求。有些示波器，如泰克示波器DPO7254和横河示波器DLM2054都能满足TEV测量。DLM2054的最长带宽为500 MHz，最大采样速率为每秒2.5kM样本，记录长度最大为125M样本。

3) 光纤传输控制子系统。该子系统的主要功能是从现场放置的数据采集与处理存储子系统发送实测数据，以监测和控制子系统。它主要是由纤维和电- 光转换器组成，需要注意的是该光纤的保护层不能含有金属层。

4）监测和控制子系统。该子系统在保护屏蔽箱内用来监测和控制TEVMS。通过监测和控制软件，TEVMS的状态、仪器的设定、数据的发送可以基于计算机上完成。

5）不间断电源。为了从功率上降低电磁干扰，电源采用UPS。UPS有电池和DC-AC逆变器组成，为TEVMS提供交流电源。

为了减少空间电磁干扰，电压探头被放置在探头屏蔽箱内，TEVMS的其它仪器被放置在TEVMS屏蔽箱中，测量屏蔽电缆和接地屏蔽电缆采用在表面上覆盖金属层的电磁屏蔽方法，所有屏蔽箱连接在一起并连接到接地端。为了防止封装的屏蔽箱受到在屏蔽箱金属表面和测量仪器之间的火花放电，绝缘片被安装在屏蔽盒的内表面。

2.4 系统安装

满压测量的特高压GIS系统测量点处的TEVMS安装如图3所示，操作靠近测量点的隔离开关。测屏蔽电缆的输入端通过螺栓紧固在GIS外壳，并且接地输出端通过螺栓屏蔽电缆紧密连接到接地端子。屏蔽盒TEVMS放在一个绝缘垫。

图3 满压测量的特高压GIS系统测量点处的TEVMS安装

【注释】Measuring-shielded cable：测量屏蔽电缆 Basin-type insulator：盆式绝缘子

GIS enclosure：GIS外壳 Voltage probe shielding box：电压探头屏蔽箱 Fibers：光纤 Disconnect switch（DS）：隔离开关 TEVMS shielding box：TEV测量系统屏蔽箱 Ground-shielded cable：接地屏蔽电缆 Ground terminal：接地端

3 TEVMS性能测试

为了保证TEVMS的有效性和准确性以及在严重电磁干扰环境下的正常工作，我们进行了一系列的性能测试，如交流校准测试、浪涌校准测试、带宽测试、屏蔽效能试验以及不同长度电缆的影响，等等

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[147765]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word