基于复合积分罗氏线圈的过电压监测方法-王永强

第39卷第5期电网技术Vol.39No.52015年5月PowerSystemTechnologyMay2015文章编号：1000-3673（2015）05-1450-06中图分类号：TM835.4文献标志码：A学科代码：470·4051基于复合积分罗氏线圈的过电压监测方法王永强1，谢军1，律方成1，李敏1，阎春雨2，毕建刚2，袁帅2（1．输变电设备安全防御河北省重点实验室（华北电力大学），河北省保定市071003；2．中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）AnOvervoltageMonitoringMethodBasedonCompositeIntegralRogowskiCoilWANGYongqiang1,XIEJun1,LÜFangcheng1,LIMin1,YANChunyu2,BIJiangang2,YUANShuai2(1.HebeiProvincialKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentSecurityDefense,(NorthChinaElectricPowerUniversity),Baoding071003,HebeiProvince,China;2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China)ABSTRACT:Basedonthethinkingofindirectmonitoringofendshieldtapovervoltage,acompositeintegralRogowskicoilbasedovervoltagemonitoringmethodispresented.Intheproposedmethodthevoltagetobemeasuredisobtainedbymeasuringthecondenserbushing’sendshieldtapcurrentandintegratingthemeasuredvalue.Basedontheamplitudecharacteristicsandfrequencycharacteristicsofthecondenserbushing’sendshieldtapcurrentcausedbypowerfrequencyovervoltage,switchingovervoltageandlightningovervoltagerespectively,inallusiontothedeficiencyofexitingRogowskicoilacompositeintegralelement,whichiscomposedoftheactiveintegrator,thepassiveintegrator,thehigh-passfilterandthehigh-frequencyself-integralcircuitoftheRogowskicoil,isdesigned.Bymeansofinteractionandcoordinationofthesecircuitsthepurposeofspreadspectrumisachieved.Onthisbasis,acompositeintegralRogowskicoilbasedcurrentsensorisdesigned,andthebandwidthofitsmeasurablefrequencyrangeisfrom30Hzto3.23MHz,andthesensitivityisupto100mV/A,thusthemeasurementdemandoftheendshieldtapcurrentunderovervoltageissatisfied.On-sitemeasurementresultsshowthatusingtheproposedmethod,thefrequentovervoltagecanbedetectedaccurately,andthewaveformrestorationeffectiscontent.KEYWORDS:compositeintegral;Rogowskicoil;overvoltage;monitoringmethod摘要：基于套管末屏间接式过电压监测方法的思路，提出一种基于复合积分罗氏线圈的过电压监测方法。该方法通过测量电容式套管末屏抽头电流并积分以求得待测电压。在分析工频过电压、操作过电压以及雷电过电压作用下套管末屏抽基金项目：中央高校基本科研业务专项资金资助项目(13MS73)；国家电网公司科技项目(GY17201200047)。ProjectSupportedbytheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(13MS73);ScienceandTechnologyProjectofStateGrid(GY17201200047).头电流幅值及频率特性基础上，针对现有罗氏线圈电流传感器的不足，设计了复合积分环节。该复合积分环节由有源积分环节、无源积分环节、高通滤波环节以及罗氏线圈高频自积分环节组成，通过各环节频率特性的相互配合而达到了扩频目的。在此基础上，研制了复合积分罗氏线圈电流传感器，其测量频带范围为30Hz到3.23MHz，灵敏度达到100mV/A，满足过电压下套管末屏电流测量需求。现场测试结果表明，运用该方法可对常见过电压进行准确检测，波形还原效果较好。关键词：复合积分；罗氏线圈；过电压；监测方法DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.05.0420引言运行经验与研究结果表明：过电压是电网故障和绝缘发生缺陷的主要原因[1]。虽然运行人员采取了一系列防范过电压的措施[2]，但过电压现象以及由此导致的各种故障仍时有发生。过电压在线监测可以实现对过电压数据的实时捕捉，为事故分析提供依据并指导人们采取措施进一步提高电网安全性。过电压在线监测的关键环节是过电压信号的获取，目前过电压监测方法主要有：高压分压器、电磁式电压互感器、光纤式电压互感器、基于套管末屏特性的过电压监测方法等[2-13]。高压分压器具有结构简单、测量精度高、暂态性能好等优点[2-3]，但由于其高低压臂在电气上直接联系，其安全性不高[2]。电磁式电压互感器的铁芯饱和现象，使高频过电压下输出信号存在严重的失真和饱和现象[4-5]。光纤式电压互感器基于电光效应原理，具有小、重量轻、测量精度高、测量频带宽、绝缘性能好等优点[6-7]，然而由于技术要求高，设计难度大，现场应用较少[8]。基于套管末屏特性的过电压监测方法目前研究较多[9-13]，其过电压信号获取方法主要有直接式和间接式2种：直接式方法通过外部电压传感第39卷第5期电网技术1451器与容性设备串联构成分压器以获取电压信号[9]，该方法原理简单，但存在着使得容性设备地线断开的严重危险，故该方法难以推广；间接式方法通过穿芯式电流互感器测量套管末屏抽头电流，并由此电流间接得到过电压信号，该方法不改变套管本体电气结构，安全可靠，但由于过电压波形多样性使得套管末屏抽头电流频率分布范围较广，电流互感器频带设计较为困难，影响监测效果[12-14]。文献[12]采用低频与高频分别测量并求和的分频技术对电流进行测量，但存在着分频点选择困难及分频处过电压监测精度不高的缺点；文献[13]采用自积分罗氏线圈对电流进行测量，但自积分型罗氏线圈无法准确反映工频电流，难以监测工频过电压。本文基于套管末屏间接式过电压监测方法的思路，针对上述问题，提出一种基于复合积分罗氏线圈的过电压监测方法。该方法无需改变套管本体电气连接形式，安全可靠；基于复合积分环节的设计，达到扩频目的，能满足常见过电压下套管末屏抽头电流测量的需要，进而实现对工频过电压、雷电过电压以及操作过电压的监测。1套管末屏间接式过电压监测原理及末屏抽头电流特性1.1套管末屏间接式过电压监测原理电容式套管等电容型绝缘设备可采用如图1所示电容C、电阻R并联的形式进行等效。当遭受过电压()ut侵袭时，套管末屏抽头会流过电流()it。由电工学基本知识，可得d()()()dututitCtR=+(1)电流互感器监测套管末屏抽头电流的输出信号一般为电压形式，在电流互感器测量频带范围内，其输出电压0()ut与末屏抽头电流()it关系为0d()()()()dutututkitkCktR==+(2)其中k为电流传感器的变比。对电流互感器输出信号进行积分，设积分时间常数为iT，则经积分器后输出电压为图1电容型设备等效电路Fig.1Capacitiveequipmentequivalentcircuit201()()diututtT=ò(3)故其传递函数为2()1()()()iUskHsCUsTsR==+(4)其频率特性221|(j)|1()1taniikCkCHTRCTwdw=+=+(5)其中tand为此容性设备介质损耗角正切。对于正常的容性设备，工频下其tan1d=，故工频下，|(j)|/iHkCTw=；冲击电压作用下，由于此时频率较高，1/1RCw=，故冲击电压作用下，|(j)|/iHkCTw=。因此，在测量频带内有2()()ikCututT=(6)因此通过电流传感器测量过电压作用下套管末屏抽头电流，并对此电流进行积分运算可对过电压进行监测。1.2不同过电压下套管末屏抽头电流特性由1.1节中分析可知，准确测量末屏抽头电流是该过电压监测方法成功的关键，同时，为了区分不同类型的过电压，必须弄清常见各类型过电压作用下套管末屏抽头电流的特性。本文通过仿真计算获得各类型常见过电压下套管末屏抽头电流特性，为使仿真结果准确，采用电容、电感、电阻网络构建电容式套管精确等效电路[15]，并在仿真时采用西安高压电瓷厂110kV油纸绝缘电容式套管模型[16]。幅值为110kV工频电压下套管末屏泄漏电流波形见图2。由图可知，正常情况下，套管末屏电流信号约为mA级。幅值为450kV的250/2500ms标准操作过电压作用下末屏抽头电流及其频谱见图3。此时，末屏抽头电流约为3A，频率上限约为20kHz。幅值为450kV的1.2/50ms标准雷电过电压作用下套管末屏抽头电流及其频谱见图4。在标准雷i/mA图2工作电压下套管末屏抽头电流Fig.2Currentofthebushingendshieldtapinnormalcondition1452王永强等：基于复合积分罗氏线圈的过电压监测方法Vol.39No.5图3操作过电压下末屏抽头电流及其频谱Fig.3Currentandspectrumofthebushingtapinswitchingover-voltaget/s0204000f/kHz(a)末屏抽头电流(b)抽头电流频谱1002001230200400图4雷电过电压下末屏抽头电流及其频谱Fig.4Currentandspectrumofthebushingtapinlightningover-voltage电过电压作用下，末屏抽头泄漏电流幅值超过了200A，频率上限约为3MHz。2复合积分罗氏线圈过电压监测方法2.1罗氏线圈电流互感器基本原理由1.2节分析可知，在进行过电压监测时，套管末屏电流传感器必须能够准确测量mA级到百A级的电流，其工作频带必须从工频到MHz级。一般传感器难以满足准确测量幅值范围和频带如此大的电流信号的要求。与传统电流互感器相比，罗氏线圈电流传感器具有测量频带宽、响应特性好、测量精度高等优点，特别适合频率以及幅值变化范围大的电流测量[17-18]。设被测电流为()it，罗氏线圈输出电压为()tut，则其传递函数为1()()/()tHsUsIs=。文献[19]给出了罗氏线圈本体的频率特性，如图5所示。L()rcccIIIIII20图5罗氏线圈本体频率特性Fig.5Frequencycharacteristicsofthe