基于超寬頻電壓監測的大型水電站雷擊暫態過電壓分析

龐理聲，丁登偉，李 星，戴明建，韋金國，陳泰瑜，郭海霞

（1.大唐觀音巖水電開發有限公司，昆明 650011；2.清華四川能源互聯網研究院，成都 610213）

0 引言

大型水電站中的500 kV 升壓站由于受到地理條件的限制，均采用結構緊湊、易維護的GIS（氣體絕緣組合電器）設備，GIS 與升壓設備大多通過油氣套管直連。水電站出線大多會穿越雷電頻繁的山區，輸電線路易遭受雷擊。雷電陡波會沿著輸電線路傳輸到水電站，達到升壓變壓器線圈尾端中性點時將產生全波反射，發射波疊加使得設備遭受的雷電過電壓加倍，容易造成設備絕緣擊穿，威脅站內設備安全［1-5］。

另一方面，由于GIS 隔離開關滅弧性能差，觸頭運動速度慢，觸頭間隙間會發生多次電弧重燃，同時斷路器在分合過程中存在著預擊穿和重擊穿，將會產生VFTO（特快速暫態過電壓）。VFTO 上升時間可快至數十納秒，幅值實際上可能超過2 p.u.［6-12］。VFTO 波頭陡度高，作用在繞組型電氣設備（如變壓器或電抗器）上時，快速變化的電壓將在設備內部線圈繞組的首端呈現高度的非線性分布，線圈承受較高的電壓差，可能引發設備故障［13-22］。尤其當GIS 和變壓器之間采用油氣套管直連時，VFTO 等暫態電壓衰減減小，對變壓器絕緣威脅更加嚴重。

目前，水電站和變電站主要采用電磁式電壓互感器監測GIS 設備的系統電壓，但由于電磁式互感器的頻帶限制（頻帶通常低于100 kHz），對頻率較高的暫態電壓監測有效性較低。另一方面，水電站和變電站采用的錄波系統，每秒采樣點數低于105，無法準確捕捉GIS 內部的暫態電壓。而以往對于雷擊線路入侵變電站的過電壓也主要集中在仿真研究［23-26］，對入侵暫態電壓的寬頻測量則未見報道。

為實時監測水電站內的暫態過程，本文在靠近變壓器油氣套管的GIS 氣室增設超寬頻電壓傳感器，構建超寬頻暫態電壓在線監測系統，研究水電站出線遭受雷擊時站內GIS 設備動作所引起的暫態響應過程，基于對暫態電壓的分析，實時評估開關設備的暫態電氣性能，發現并預警設備異常，提高設備可靠性，保障水電穩定外送。

1 超寬頻暫態電壓在線監測系統構建

某大型水電站裝機5臺，單機容量為600 MW，電氣主系統電壓等級為500 kV，通過甲乙兩條500 kV 架空線路送出。為了實時監測水電站內出現的暫態電壓，準確評估GIS 和變壓器的暫態電氣性能，在與變壓器相連的GIS 筒體裝吸附劑的蓋板處加裝了超寬頻暫態電壓監測終端。如圖1所示，每臺主變壓器（以下簡稱“主變”）附近增設一個測點，共布置15個測點。

圖1 暫態電壓監測點分布Fig.1 Distribution of transient voltage monitoring points

超寬頻暫態電壓在線監測系統包括監測傳感單元、就地供電單元和上位存儲控制單元。監測傳感單元由暫態電壓傳感器和監測終端組成。如圖2（a）所示，暫態電壓傳感器采用電容分壓原理，由GIS 手孔、高壓母線、手孔蓋板、感應電極、絕緣薄膜和電纜等組成，感應電極安裝于GIS手孔內部，通過絕緣薄膜與手孔蓋板絕緣。感應電極和手孔蓋板構成傳感器的低壓臂電容，通常為nF級；感應電極和高壓母線構成傳感器的高壓臂電容，通常為0.001 pF級。本文通過對GIS筒體上已有蓋板進行改造構建的傳感器實物如圖2（b）所示。

暫態電壓在線監測系統的監測終端安裝在暫態電壓傳感器手孔蓋板外，如圖3所示。暫態電壓監測終端由安裝在不銹鋼屏蔽箱內的阻抗轉換單元、高速采集單元、電源模塊以及深度隔離變壓器等構成。外部220 V交流電通過深度隔離變壓器連接至電源模塊，電源模塊將220 V交流電轉化成直流電供給采集單元和阻抗轉換單元。深度隔離變壓器可防止外部電磁干擾侵入監測終端內部，保證暫態電壓監測的穩定可靠。高速采集單元最高每秒采樣點數為250×106，模擬帶寬100 MHz，可滿足暫態電壓監測需要。采集單元設定為陡度觸發模式，即電壓波形陡度超過預設值時，立即啟動長時記錄，存儲相應波形數據。

圖3 暫態電壓在線監測系統的監測終端Fig.3 Monitoring terminal of the online transient voltage monitoring

2 線路遭受雷擊時水電站內的暫態響應過程分析

該水電站處于高原地區，雷暴日較多，水電站出線發生多次雷擊接地故障。以下分別分析甲、乙出線遭受雷擊接地故障時，水電站內的暫態響應過程。

2.1 甲線雷擊的暫態響應過程分析

某次水電站甲線C 相遭受雷擊，發生接地故障，繼電保護正確動作，5022 和5023 C 相斷路器跳閘清除了故障電流，后續重合閘成功。從雷擊接地故障發生到故障電流清除，水電站內暫態響應過程如圖4所示。由圖4可見，當線路遭受雷擊時造成線路接地，站內C相電壓峰值迅速從440 kV降低至200 kV 左右。此時，C 相電流增大，線路差動保護啟動，5022 和5023 C 相斷路器跳閘。在大約38.5 ms后，斷路器動靜觸頭間電弧熄滅，分閘成功，水電站內C相系統電壓恢復正常。

圖4 甲線遭受雷擊時水電站內的暫態響應過程Fig.4 Transient response process in the hydropower station during lightning strike on line A

甲線遭受雷擊時，侵入水電站內的暫態電壓波形如圖5所示。由圖5 可見，當線路遭受雷擊時，雷擊過電壓侵入水電站，引起站內避雷器動作，限制了部分過電壓，但站內電壓從-440 kV 跌落至-772 kV，電壓陡變時間約為12 μs。雷擊引起的電壓陡波在水電站和線路故障點之間，以及對側變電站之間來回傳播，形成顯著的電壓行波過程，可以根據電壓行波特征時間實現雷擊故障點的單端定位。如圖5所示，第一個電壓突變脈沖和第二個突變脈沖之間相隔181.64 μs，為電壓行波從故障點傳播至水電站時間的兩倍。架空線上的行波傳播速度取294 m/μs，由此可計算得到雷擊故障點距離水電站26.7 km，與水電站內電流行波定位結果一致。

圖5 甲線遭受雷擊時侵入水電站內的暫態電壓Fig.5 Transient voltage infiltrating the hydropower station during lightning strike on line A

對甲線雷擊時侵入水電站內的暫態電壓進行頻譜分析，結果如圖6所示。由圖6可見，侵入水電站的雷擊過電壓頻譜主要分布在50 kHz 以下，大部分分量低于2 kHz，在3.5 kHz、6 kHz、8 kHz附近存在較大高頻分量。利用連續小波變換對暫態電壓進行時頻分析，結果如圖7所示。由圖7可見，甲線雷擊時侵入水電站的暫態電壓瞬時頻率接近400 kHz，但很快衰減至200 kHz 以下。由此可見，雷擊侵入的過電壓包含高頻暫態分量，對變壓器繞組的匝間絕緣構成了嚴重威脅。

圖6 甲線雷擊時侵入水電站內的暫態電壓頻譜分布Fig.6 Spectrum distribution of transient voltage infiltrating the hydropower station during lightning strike on line A

圖7 甲線雷擊時侵入水電站內的暫態電壓時頻特征Fig.7 Time domain characteristics of transient voltage infiltrating the hydropower station during lightning strike on line A

當5022和5023 C相斷路器切除雷擊故障電流時，水電站內500 kV 系統也出現了明顯的暫態電壓過程，如圖8所示。由圖8可見，斷路器操作引起的暫態持續了近5 ms，操作過電壓接近-490 kV，電壓跌落時間約為400 μs，明顯緩于雷擊過電壓的陡變曲線。暫態電壓頻譜分析結果如圖9所示，斷路器切除故障引起的暫態電壓主要頻譜分布在5 kHz 以下，特征頻點分布在1.9 kHz 和3.5 kHz，與水電站內電氣接線相關。

圖8 切除甲線雷擊故障時水電站內的暫態電壓Fig.8 Transient voltage in the hydropower plant when the lightning fault on line A is being cleared

圖9 切除甲線雷擊故障時水電站內的暫態電壓頻譜分布Fig.9 Spectrum distribution of transient voltage in the hydropower plant when the lightning fault on line A is being cleared

2.2 乙線雷擊的暫態響應過程分析

某次水電站乙線A 相遭受雷擊，引起線路接地故障，繼電保護系統正確動作，5013 和5012 A相斷路器分閘清除了故障電流，后續重合閘成功。從乙線雷擊接地到故障電流清除，水電站內暫態響應過程如圖10所示。由圖10可見，當乙線遭受雷擊時，較高的雷擊過電壓侵入水電站，站內A相的系統電壓峰值迅速從440 kV降低至100 kV左右。此時，A 相電流增大，線路差動保護啟動，5012和5013A相斷路器跳閘。約41.9 ms后，斷路器動靜觸頭間電弧熄滅，分閘成功，水電站內的A 相系統電壓恢復正常。此次乙線雷擊故障清除響應時間比甲線長了3.4 ms，同時在38.5 ms 附近出現了兩次幅值較小的暫態電壓過程，如圖10 中紅框所示。

圖10 乙線遭受雷擊時水電站內的暫態響應過程Fig.10 Transient response process in the hydropower station during lightning strike on line B

乙線遭受雷擊時，侵入水電站內的暫態電壓波形如圖11所示。由圖11可見，當線路遭受雷擊時，線路與桿塔之間絕緣被擊穿，電壓瞬間跌落。雷擊過電壓侵入水電站，站內避雷器動作，過電壓受到限制，但也使站內電壓從-440 kV 跌落至-852 kV，電壓陡變時間約為9 μs。此時過電壓值明顯高于甲線遭受雷擊時的侵入過電壓，而且電壓陡變時間更短。第一個和第二個突變脈沖之間相隔60.16 μs，計算可知雷擊故障點距水電站8.8 km，與水電站內電流行波定位結果一致。雷擊接地點距離水電站更近，雷擊侵入的過電壓衰減更小。

圖11 乙線遭受雷擊時侵入水電站內的暫態電壓Fig.11 Transient voltage infiltrating the hydropower station during lightning strike on line B

對乙線遭受雷擊時侵入水電站內的暫態電壓進行頻譜分析，結果如圖12所示。由圖12 可見，侵入水電站的雷擊過電壓頻譜主要分布在50 kHz以下，大部分分量分布在2～10 kHz，特征頻點包含2.2 kHz、4 kHz、5.9 kHz、8 kHz、10.1 kHz 及19 kHz，高頻分量比甲線遭受雷擊時更豐富。利用連續小波變換對暫態電壓進行時頻分析，結果如圖13所示。由圖13可見，乙線遭受雷擊時侵入水電站的暫態電壓瞬時頻率接近800 kHz，很快衰減至200 kHz以下。由此可見，當雷擊點距離水電站更近時，侵入水電站的過電壓瞬時高頻暫態分量更多，對變壓器繞組匝間絕緣的威脅更大。

圖12 乙線遭受雷擊時侵入水電站內的暫態電壓頻譜分布Fig.12 Spectrum distribution of transient voltage infiltrating the hydropower station during lightning strike on line B

圖13 乙線遭受雷擊時侵入水電站內的暫態電壓時頻分析Fig.13 Time domain analysis of transient voltage infiltrating the hydropower station during lightning strike on line B

當5012 和5012A 相斷路器切除雷擊故障電流之后，水電站內500 kV 系統也出現了明顯的暫態電壓過程，如圖14所示。由圖14可見，斷路器操作引起的暫態過程持續了近5 ms，操作過電壓接近550 kV，電壓上升時間約為400 μs，與甲線切除雷擊故障時類似。暫態電壓頻譜分析如圖15所示，斷路器切除故障引起的主要分布在5 kHz以下，特征頻點也分布在1.9 kHz 和3.5 kHz，與甲線切除雷擊故障時一致。由此可見，水電站操作過電壓的特征頻率主要取決于水電站內的電氣接線特征，一般不會變化。

圖14 切除乙線雷擊故障時水電站內的暫態電壓Fig.14 Transient voltage in the hydropower plant when the lightning fault on line B is being cleared

圖15 切除乙線雷擊故障時水電站內的暫態電壓頻譜分布Fig.15 Spectrum distribution of transient voltage in the hydropower plant when the lightning fault on line B is being cleared

3 乙線雷擊接地故障清除時的新暫態事件分析

乙線雷擊接地故障的清除時間比甲線長了3.4 ms，并出現了兩次新的暫態事件，如圖16所示。在雷擊過電壓侵入水電站35 ms后，出現了暫態事件1，1.4 ms 后又出現了暫態事件2。暫態電壓在水電站和雷擊故障點之間來回傳播，存在明顯的返回行波。

圖16 切除乙線雷擊故障時出現的新暫態事件Fig.16 New transient events during the lightning fault on line B is being cleared

針對暫態事件1，對A相上5個測點監測到的暫態電壓波形進行聯合分析。各測點處暫態事件1的電壓波形如圖17所示，1 號主變A 相測點所測暫態電壓突變值最大，接近100 kV，其次為2 號主變。暫態電壓突變時間約為50 ns，符合SF6間隙擊穿所激發的暫態電壓特征［27］。此外2 號主變所測暫態電壓信號先向負電壓突變，之后再向正極性振蕩，而其他測點均是向正電壓突變。由此，可推測暫態事件1的激勵源分布在1號主變和2 號主變之間的GIS設備內。各測點處暫態事件1的頻譜分布如圖18所示，5 個測點的暫態電壓頻譜分量均分布在300 kHz～2 MHz，特征頻點存在一定區別。1號主變處的暫態電壓高頻分量明顯高于其他測點，其次為2號主變，進一步印證了暫態激勵源靠近1號主變。

圖17 各測點處暫態事件1的電壓波形Fig.17 Voltage waveforms of transient event 1 at measurement points

圖18 各測點處暫態事件1的頻譜分布Fig.18 Spectrum distribution of transient event 1 at measurement points

根據設備的動作時序及各測點暫態電壓特征，推測暫態事件1是由于5013A相斷路器在切斷故障電流過程中觸頭間發生了重燃，從而產生了特快速暫態電壓。由圖16 可見，5012A 相斷路器觸頭間電弧首先熄滅，實現電氣隔離。在134.91 ms處，5013A 相斷路器觸頭間電弧熄滅，實現故障電流切除，水電站內A 相的電壓開始上升。開關故障電流產生了很多SF6氣體分解產物，同時故障大電流也會導致觸頭燒蝕，影響斷路器斷口絕緣恢復強度，因此在135 ms，5013A 相斷路器觸頭間的絕緣恢復強度低于斷口電壓，出現電弧重燃，產生VFTO。斷路器觸頭流過故障電流的時間延長，加劇觸頭燒蝕程度。后續的斷路器氣體分解產物測試結果表明，5013A相的SO2含量明顯高于5012A。

各測點處暫態事件2的電壓波形如圖19所示。由圖19可見，2號主變A相測點所測暫態電壓突變值最大，接近250 kV，其次為1 號主變。暫態電壓突變時間約為700 ns，符合GIS內部固體絕緣表面擊穿所激發的暫態電壓特征［20］。各測點處暫態事件2的頻譜分布如圖20所示，5個測點的暫態電壓頻譜分量均分布在200～700 kHz，700 kHz以上的高頻分量明顯比暫態事件1少很多。1號主變所測暫態信號700～1 200 kHz 的高頻分量明顯大于其他測點。因此，推斷暫態事件2的激勵源也位于1 號和2 號主變之間的GIS 設備內部，且靠近1 號主變。此時系統電壓較低，根據暫態電壓波形特征，排除了GIS 設備對地絕緣擊穿的可能。推測為斷路器重燃引起的暫態故障電流較大，造成GIS避雷器內部閥片間擊穿放電。后續對1號主變高壓避雷器氣室進行氣體分解產物測試，也發現氣室SO2含量偏高。

圖20 各測點處暫態事件2的頻譜分布Fig.20 Spectrum distribution of transient event 2 at measurement points

4 結語

本文通過在水電站主變高壓側的GIS設備上增設超寬頻暫態電壓傳感器，構建了水電站500 kV系統暫態電壓在線監測系統。監測系統準確完整地記錄了兩條出線遭受雷擊時水電站內的暫態響應過程，通過分析線路雷擊時侵入水電站的暫態電壓以及斷路器切除故障電流所引起的操作過電壓，得到以下結論：

1）水電站出線遭受雷擊接地故障時，正常故障清除時間約為38.5 ms。一旦清除時間過長，應通過暫態電壓在線監測系統明確斷路器是否發生重燃。一旦發生重燃，應重點關注GIS 斷路器的觸頭燒蝕狀態，必要時進行停電檢修。

2）通過侵入水電站的雷擊暫態電壓波形可實現準確的故障單端定位。當線路雷擊距離水電站10 km以內時，侵入水電站內部的暫態電壓瞬時頻率可接近1 MHz，最大值接近900 kV，對變壓器絕緣造成威脅。

3）斷路器切除故障電流在水電站內引起的操作過電壓持續近5 ms，最大值接近600 kV，主要頻率分布在1.9 kHz和3.5 kHz。

4）利用超寬頻暫態電壓監測，可準確捕捉線路遭受雷擊時水電站暫態響應過程中的異常暫態事件。通過暫態波形的時域和頻域特征分析，可定位暫態激勵源位置，有助于及時掌握設備電氣絕緣狀態，保障設備運行可靠性。