基于CVT 的特高壓換流站復雜電磁環境下操作過電壓測量

王容，史嘉昭，郭璨，申巍，馬西奎

(1. 國網陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710065；2. 西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049；3. 國網陜西省電力科學研究院，陜西 西安 710054)

0 引言

換流站是特高壓直流輸電系統中負責交直電能轉換的樞紐，其內部設備開關操作時產生高于系統額定電壓的操作過電壓，是誘發換流站安全事故的主要原因之一[1-3]。但目前仍缺乏對這些操作過電壓的有效監測手段，主要是因為特高壓換流站的電壓高，過電壓的持續時間短且特高壓換流站內存在強電磁干擾[4-5]。由于操作過電壓產生原因多樣，其波形也各異，為便于研究，IEC 60060規定了250/2 500 μs 的標準操作過電壓波形[6]。

目前常見的高電壓測量方法多基于電容分壓法[7-8]，此外還有泄露電流法、耦合電容法、電光效應法等[9-11]。電容分壓法多基于對換流站內已有容性設備進行改裝，通過設計分壓器來實現電壓信號的獲取。這種方法成本較低、安全可靠性較高，但需考慮改裝后既能滿足測量要求，又不會對原設備的正常工作產生不利影響。泄漏電流法是通過羅氏線圈測量電容設備上的電流，然后通過積分電路還原高壓信號。這種方法安全性高，但不同頻率的泄漏電流幅值往往相差好幾個數量級，難以同時測量低頻和高頻信號，測量帶寬較窄[12]。耦合電容法是通過感應金屬極板與高壓設備間的耦合電容分壓進行高壓測量。這種方法傳感器制作簡單、成本低、測量頻帶較寬。但是其測量精度受位置和周圍環境影響較大，換流站內設備間的電容耦合也會對測量產生不利影響[13-14]。電光效應法是根據電光晶體的雙折射現象，根據雙折射光波相位差與外加電壓的關系進行過電壓測量。這種方法非線性失真小，測量頻帶寬。但電光晶體的溫度特性差，使得測量精度受溫度的影響較大，制約了該方法的應用[15]。

綜合比較上述各種方法的優缺點后，本文采取了電容分壓法，通過對換流站內電容式電壓互感器（capacitive voltage transformer， CVT）進行改裝，設計分壓測量系統，實現特高壓換流站內操作過電壓的有效測量。這種方法具有現場安裝調試方便，便于推廣，安全可靠性高的優點。為此，通過對CVT 等效建模仿真了改裝后測量的分壓特性，論證了CVT 串聯分壓既能滿足操作過電壓測量要求，也不會對CVT 正常工作產生不利影響。通過對外屏蔽、信號電纜匹配、屏蔽和接地等抗干擾措施的優化，實現換流站強電磁干擾下過電壓信號的有效采集。最后，通過在換流站現場測試，驗證了設計方案的有效性和安全性。

1 CVT 串聯分壓測量過電壓原理

CVT 內部主要由電容分壓單元和電磁單元2 部分組成。電容分壓單元由聚丙烯薄膜與電容器紙復合浸漬在有機絕緣油中，分為高壓電容C1和中壓電容C2。電磁單元由中壓變壓器、補償電抗器和阻尼器組成[16-19]。分壓電容C3串聯在電容單元與接地點之間。將電磁單元的變壓器用T 型電路等效，可得CVT 串聯分壓的等效電路如圖1a)所示。其中Lt1和Rt1為變壓器一次側漏感和電阻；Lt2和Rt2為二次側等效漏感和電阻；Rm為銅耗電阻；Lm為非線性勵磁電抗；Ls、Rs為補償電抗器阻抗；Lb和Rb為阻尼裝置電感和電阻。表1 列出了CVT 等效模型的仿真參數。

表1 CVT 仿真參數Table 1 CVT simulation parameters

根據CVT 等效電路仿真在高壓側輸入標準操作過電壓時，CVT 串聯分壓的響應，結果如圖1b)所示。CVT 二次側阻尼裝置輸出有明顯振蕩，這體現阻尼裝置抑制鐵磁諧振的作用，此振蕩會耦合到同一磁通回路的CVT 二次側輸出端子，使CVT 二次側無法準確反映高頻過電壓信號。分壓電容C3輸出與輸入波形一致，結果表明串聯分壓可準確反映輸入過電壓信號，不受電磁單元的影響。仿真結果表明，CVT 內部的電磁單元不會對串聯分壓回路產生不利影響，可以通過改裝CVT 的方式對操作過電壓進行測量。

圖1 CVT 串聯分壓特性仿真Fig. 1 Simulation of CVT series voltage-dividing characteristics

根據以上分析，設計了如圖2 所示的分壓傳感器。選用聚丙烯電容，這種介質與CVT 內部電容單元的介質相同，有利于分壓特性的一致，同時該電容比容量大，可達到減小傳感器尺寸的目的。由于分壓電容容量很大，需多個電容串聯，這些電容采用水平輻射布局以減小雜散參數，也利于沖擊電流均勻流過各個電容。

圖2 分壓傳感器示意Fig. 2 Schematic diagram of voltage dividing sensor

2 傳感器電磁屏蔽設計

特高壓換流站正常和異常運行狀態下會產生各種電磁干擾，這些干擾可分為靜電場干擾、靜磁場干擾、交變電場干擾、交變磁場干擾以及電磁輻射干擾[20-23]。行標DL/T 1 088—2008《±800 kV 特高壓直流線路電磁環境參數限值》規定：（1）人員易到達區域合成場強限值為30 kV/m；（2）輸電線路下方磁感應強度限值為10 mT；（3）無線電干擾限值為58 dB(mV/m)[24]。為選取合適的屏蔽材料和厚度，根據以上限值仿真了不同材料和厚度對不同干擾的屏蔽效果，部分結果如圖3 所示。

圖3 屏蔽效能仿真Fig. 3 Shielding performance simulation

根據仿真結果，設計了碳鋼和坡莫合金的雙層屏蔽盒，外層碳鋼厚度為3 mm，內層坡莫合金厚度為0.2 mm。對屏蔽效果進行了測試，結果如圖4 所示。無屏蔽時，傳感器輸出與高壓探頭相比有明顯毛刺，有屏蔽時傳感器輸出干凈清晰，屏蔽盒有效消除了測量環境中的電磁干擾。

圖4 屏蔽效果測試Fig. 4 Shielding effect test

3 信號電纜的匹配與抗干擾

經分壓后的低壓信號要經數百米長的電纜引至監測室，由于過電壓時間短，電纜長度較長，需采取匹配措施消除信號的反射。同時針對換流站內的干擾，還需考慮其屏蔽層的接地與抗干擾方式。

3.1 信號電纜的匹配

通過建立同軸電纜的傳輸模型如圖5a)所示，仿真不同匹配下電纜末端的響應，仿真參數如表2所示。圖5b)、圖5c)、圖6d)分別為無匹配、首末兩端匹配和首端匹配時，在電纜首端輸入調制高斯脈沖時電纜內的信號傳輸情況。圖5e)為在電纜首端輸入階躍信號時電纜末端記錄的信號。無匹配時信號波會在電纜兩端不斷反射，導致末端無法反映首端輸入信號。首端匹配有效消除了信號的反射。若匹配阻抗與電纜波阻抗不一致，需多次反射后末端信號才趨于穩定。為此，對測量系統采取了首端匹配措施，并選取高頻特性良好的無感電阻，實驗室測試結果表明首端匹配有效消除了電纜中的反射信號。

表2 同軸電纜仿真參數Table 2 Coaxial cable simulation parameters

圖5 信號電纜不同匹配方式的響應Fig. 5 Response of different matching modes of signal cable

3.2 信號電纜的抗干擾

電纜屏蔽層有多種接地方式：單端接地、雙端接地和混合接地。一般而言，屏蔽低頻干擾采用單端接地，屏蔽高頻干擾采用雙端接地[25-26]。因為換流站內存在多種干擾，所以應采用混合多點接地，在一端直接接地，其余各點經小電容接地以避免屏蔽層環流，接地間隔為工作信號波長的1/10。

為了取得更好的抗干擾效果，可以使用雙屏蔽層電纜，其內層作為信號地與分壓器負極相連，外層作為屏蔽地與大地相連。仿真了雙屏蔽層對干擾的屏蔽效果，電纜具有對稱性，因此只需考慮徑向和軸向的干擾，結果如圖6 所示。沿x軸正向傳播的輻射被外屏蔽層屏蔽，內層地電位不受影響。對比了不同屏蔽方式在軸向干擾下信號地層的電場分布，見圖6c)，多點接地在頻率不高時有一定抗干擾效果，更高頻率下雙屏蔽層電纜抗干擾效果更好。根據以上分析，在試驗室測量時僅采用了多點接地的方式，在現場測試中采用了雙屏蔽層電纜。

圖6 雙屏蔽層與多點接地抗干擾效果對比Fig. 6 Anti-interference comparison of double shielding layer and multi-point grounding

4 測試結果與分析

4.1 實驗室測試

綜上，設計了過電壓測量分壓傳感器、外屏蔽及電纜抗干擾連接方式，在實驗室進行了沖擊特性測試。測試用CVT 額定電壓為110 kV，高壓側對地主電容為7 833 pF，低壓臂傳感器電容22 μF，理論分壓比為2 809∶ 1。將傳感器接入CVT 中壓電容與接地點之間，測試電纜長度約100 m，采用首端匹配，測試結果如圖7 所示。

藍色曲線為Tektronix 6 015 A 探頭測得波形，該探頭帶寬為75 MHz，衰減為1 000 倍；紅色曲線為傳感器輸出波形。如圖7 a) 所示，是在CVT 高壓側施加工頻電壓信號，CVT 傳感器測試結果?？梢钥闯?，在傳感器波形與高壓探頭測量波形變化一致，在幅值上相差一個固定常數。如圖7b) 和圖7c)所示為對CVT 的沖擊特性測量結果，放大時間軸可看到傳感器輸出在微秒級仍有很高精度。工頻分壓特性和沖擊分壓特性的測試表明，傳感器在低頻和高頻情況下都有很好的分壓特性，分壓比穩定一致，高頻時響應速度快，在微秒級別仍有很高的精度，滿足操作過電壓測量帶寬要求。

圖7 CVT 傳感器的分壓特性測量Fig. 7 Voltage-dividing characteristics measurement of CVT sensor

4.2 換流站現場測試

在±800 kV 陜武特高壓直流輸電工程投運調試期間，在陜北換流站進行了現場測試。傳感器結構與試驗傳感器相同，僅改變了低壓臂容量以適應更高電壓等級，低壓臂電容為60 μF，CVT 銘牌標示電容為660 pF，理論分壓比為9 091∶ 1，采用首端匹配，分壓信號經雙層屏蔽電纜傳輸到約300 m 外監測室。

分別進行了投切空載線路和投切低壓電抗器測試。圖8 為投切750 kV 空載陜朔I 線時傳感器記錄到的典型波形，表3 為投切空載線時記錄的測試數據。圖9 為投切66 kV 低壓電抗器時傳感器記錄到的典型波形，表4 為投切低壓電抗器時記錄的測試數據。

表4 投切66 kV 低壓電抗器測試數據Table 4 Test data of switching 66 kV low voltage reactor

圖8 投切750 kV 陜朔Ⅰ線空載線路典型波形Fig. 8 Test of switching 750 kV Shaan-Shuo I no-load line

表3 投切750 kV 空載陜朔I 線測試數據Table 3 Test data of switching 750 kV no-load Shaan-Shuo line I

在陜北換流站投切空載線路和投切低壓電抗器時，傳感器可靠捕獲了這一過程的過電壓波形，見圖8 和圖9。傳感器長時間掛網輸出波形穩定未見電磁干擾，驗證了分壓系統、電磁屏蔽和信號電纜抗干擾設計的有效性。在測試期間空載陜朔Ⅰ線運行正常，低壓電抗器性能正常，均未出現諧振現象，換流站內其他設備亦未見異常，驗證了測量系統的可靠性和安全性。

圖9 投切66 kV 低壓電抗器試驗波形Fig. 9 Test of switching 66 kV low voltage reactor

5 結論

針對目前特高壓換流站內尚無操作過電測量的有效手段這一問題，進行了特高壓換流站內操作過電壓測量技術的研究，得出如下結論。

（1）通過CVT 等效模型仿真，分析了CVT 改裝測量的分壓特性，論證了對CVT 改裝既可滿足操作過電壓測量要求，同時也不會對CVT 原有功能產生不利影響。

（2）通過對分壓電容選型和內部結構的優化，減小了低壓臂的雜散參數，提高了其抗干擾能力。通過對測量系統外屏蔽、信號電纜匹配、屏蔽和接地等抗干擾措施的優化，實現強電磁干擾下過電壓信號的采集，實際測試表明抗干擾設計效果良好。

（3）對傳感器進行低頻和沖擊分壓特性測試，結果表明其分壓特性良好，滿足操作過電壓測量要求。在特高壓換流站進行現場測試，有效測量了投切空載線路和投切低壓電抗器時的操作過電壓，驗證了設計方案的安全性和可行性。

總之，本文搭建了一種便于推廣應用、成本可控、安全可靠的特高壓換流站操作過電壓測量系統，對于提高特高壓換流站運行的穩定性具有重要意義，實際測量的波形和數據對正確分析過電壓產生原因、防止過電壓事故具有重要參考價值。