（电气工程专业论文）配电网过电压在线监测系统的设计与开发.pdf

华北电力大学l ：群硕十学位论文摘要 摘要 统计资料表明，电网中经常出现的内、外过电压是引发各种事故的首要原因。 为了币确分析事故原因，需要通过在线监测系统监测电网中出现的内部过电压和大 气过电压( 外部过电压) 。但目前市场上已有的在线监测装置采样速率一般为1 0 k 左 右，只能记录内部过电压：且由于现有的分压器和母线p t 响应时问太长( 般在 几百微秒) ，因而无法监测雷击过电压。本文丌发研制了一种基于p c 总线的集中式 过电压在线监测系统，咳系统能同时兼顾大气过电压和内部过电压的采集其快速 的频率响应能够较好地满足工程实际的需要。该过电压在线监测系统实际挂网运行 表明。该系统能够及时捕捉过电压波形，准确分析过电压形成原因，运行稳定可靠。 关键词：配电网，内部过电压，外部过电压，在线监测 a b s t r a c t s t a t i s t i c a ld a t a i n d i c a t et h a tt h ei n t e r i o ra n de x t e r i o r o v e r v o l t a g ea p p e a r i n g f r e q u e n t l yi np o w e rn e t w o r ka r et h ep r i m a r yr e a s o n so fv a r i o u se l e c t r i cp o w e ra c c i d e n t s t h eo n l i n em o n i t m i n gd e v i c ei sn e e d e dt oc a t c ht h eo v e r v o l t a g ew a v e f o r m sf o r1 i g h t l y a n a l y z i n ga c c i d e n tr e a s o n b u tt h em o s te x i s t e n td e v i c e si nm a r k e ta tp r e s e n tc a l lo n l 5 r e c o r dt h ei n t e r i o ro v e r v o l t a g eb e c a u s eo fs a m p l i n gs p e e d ；f u r t h e r m o r ei t i sc a nn o t r e c o r dt h el i g h t n i n go v e r v o l t a g ed u et ot h el o n gr e s p o n s et i m eo fv o l t a g ed i v i d e ra n db u s b a rp t i nt h i sp a p e r a l lo n l i n ed e v i c ef o rm o n i t o r i n go v e r v o l t a g ei sd e v e l o p e d ，w h i c h b a s e do nt h ec e n t r a l i z e dp cb u s t h i sd e v i c ecanr e c o r di n t e r i o ro v e r v o l t a g ea sw e l la s e x t e r i o ro v e r v o l t a g e a n da tt h es a n l et i m e ，f a s t - s p e e df r e q u e n c yr e s p o n s ec a ns a t i s t yt h e e n g i n e e r i n gn e e d sp e r f e c t l y t h r o u g ht h ep r a c t i c a lr u nw i t ht h ep o w e rn e t w o r k i ti s s e e m e dt h a tt h ed e v i c ec a nc a t c ht h eo v e r v o l t a g ew a v e f o r mi nt i m ea n da n a l y z et h e r e a s o n so fo v e r v o l t a g ea c c u r a t e l y ，w h i c hs h o w st h a tt h ed e v i c ew o r k sr e l i a b l ya n ds t a b l y g u ox i a n g j u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i a n gg u i s h ua n ds e n i o re n g i n e e rx uw e n t a o k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i n t e r i o ro v e r v o l t a g e ，e x t e r i o ro v e r i o l t a g e ， o n l i n em o n i t o r i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网过电压在线监测系统的设计与 丌发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或汪书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：重耸塑 臼 期：迸：兰3学位论文作者签名：建耸型 臼 期：迸：兰3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位沧文的规定，即：学校有权保锚、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制- 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者虢坦翮虢巡貉丑1 舀 日期：巡：立! 玛 日期：兰! 笠：竺：当群 华北电力人学r 程硕十学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 配电网是由配电线路、配电所及用户组成，它的作用是把电力分配给配电所或 用户，通常电压在1 0 k v 或以下。出于配电网系统承担着直接向用户供电的任务， 具有分布广、设备多、绝缘水平低的特点，因此，极易因过电压造成绝缘事故。电 力系统发生的过电压包括外部过电压和内部过电压。外部过电压主要指雷电过乜 压，又称为大气过电压，是出于雷击输电线路或设备，从而侵入到电力系统叫1 形成 的。内部过电压是指电力系统中出于断路器操作、故障或其它原因，使系统参数发 生变化，引起电网内部电磁能量的转化或传递所造成的电压升高。内部过电压发生 的时间较长，出现的频率较高，电压包括的频谱较宽( 频率范围从几十到几千h z ) ： 外部过电压的幅值较高、波头较陡，因其所含高频成分丰富从而对电力系统造成的 危害更大。 统计资料表明，f i = l 网中经常出现的内部过电压与外部过电压是引发各利，事故的 首要原因。当系统中存在绝缘弱点或系统在绝缘脏污、潮湿、高温等恶劣f n 环境 下运行时，就必须充分估计到内部过电压的危害。它可能引起单相对地闪络，极端 情况下还会扩展到相问短路，引起飞弧：如果断路器延时丌断，继电保护拒动或失 灵，会导致电气设备和配电f h j 隔烧毁。而雷击引起的暂态高电压或过电压常常可以 通过网络线路耦合或转移到网络设备上，造成设备的损坏。多年来，固内外有关微 波站、润度通信站、计算中心等遭受雷电冲击或干扰而失效、损坏的 i t 例屡见不鲜， 造成了巨大的直接或问接的经济损失。据不完全统计表明，闩本每年电子设备故障 的6 是因雷电引起的，美国佛罗早达州每年也发生多起出雷击引发的计算机损坏。j 故，德固1 9 8 4 1 9 8 5 年问有1 1 3 台设备因雷击而损坏。我国1 9 9 8 2 0 0 1 年共发! 卜 j 6 次重大雷电灾害，( 其中有5 2 次发生在4 8 月之间) ，各年发生的次数分别为 2 l 、l7 、8 和l o ；直接经济损失共计1 4 4 0 9 8 力元，平均每次损失约为2 j 7 ：3 j 元。 在华中电力网中，全网有微波站近百个，近几年的统计表明，造成设备损坏，导敛 长时间通信中断的主要原因是雷害，仅武一衡线段的1 5 个站中，就有1 2 个站曾闪 遭受雷击而影响限常通信，甚至有多台设备遭到损坏。1 9 8 7 1 9 9 0 年全固电力系统 有17 个微波站2 2 次遭受雷害使通信设备损坏，仅1 9 8 9 年8 月3 0 日夜就有j 个站 遭受袭击，损坏1 l 块电路盘，通信中断l7 个小时。 目前国内防雷多是头痛医头、脚痛医脚，或者随意加装保护器了事，虽然有i k 敏电阻、气体放电管等过电压保护器件，但如果一、二次避雷器位置放置不当或参 数选取不合理，也往往会引起事故。因此防雷需要优化和配合，最好是结合被保护 华北电力人学i 科硕十学位论文 对象，进行仔细地电磁暂念研究，并结合保护器性能的研究，对安装位置、技术指 标进行多次方案优化，只有这样才能取得良好的防护效果。但是，电力系统缺少关 于实际过电压波形的真实资料，即缺少对设备故障诊断的技术数据，因而难以判断 某些设备损坏的真f 原因。而曾经出现的与避雷器并列运行的设备遭到损坏的现象 更给故障分析带来了难度，因此对运行系统中出现的过电压进行捕捉和分析是很有 意义的，呵以为治理过电压提供真实的第一手数据。 随着配电网建设的迅速发展，过电压对配电网安全的影响受到越来越高的壅 视。运行经验表明，在1 0 1 1 0 k v 电力系统中，1 0k v 系统过电压事故率较高。近 年来，1 0 k v 配电网的电气设备绝缘事故时有发生，尽管在实际系统中安装了火鞋 的避雷器等过电压保护装置，但当出现过电压事故时，由于没有监测装计，难以确 定事故原因是由于过电压幅值或陡度超过设备的承受能力，或者设备的绝缘水1 t - 降 低所造成，还是保护装置有问题。电力系统现有的故障录波装置是从电压互感器抉 取过电压信号，测量精度及频率响应差，对很多过电压信号根本不能监测，特别是 根本不可能监测到电网外部过电压。因此，为了诈确分析事故原因，需要研制一种 高性能、自动化的实时在线监坝4 系统，以便能够监测电网中出现的内部过i 乜i 和人 气过电压，以及实时判断电网中有无过电压出现，在过电压发生时能完整记录下过 电压发生前后的实际变化过程。此外，也可以根掘陔系统捕获并保存的过电压发：1 三 前后的电压波形参数( 例如频率、幅值j 波形的陡度等) ，结合现场的实际情况以 及其它记录手段，实时或事后分析过电压的频率、类型和导致过电爪产生n 勺原， 为电力系统进行事故分析提供科学依据。它对于研究判断电气设备的绝缘强度、检 修周期、设备改进和系统改造、过电压对电力系统的影响方式和程度以及过l 乜硼0 防范等都具有重要的指导意义。 1 2 本课题国内外研究概况 国外过电压在线监测系统一般采用分散式结构。，即前置智能化过电且三舀：线采 集器。采用完全模块化设计，一般主要由3 2 位微型工控板、电源板、各种羁1 能数 据采集板构成，主要完成故障记录、事件记录、电气量的计算和记录、记录管理j 力 能。通过改变装置数据采集模块的配置，可以调节装置容纳的模拟量通道。使刚i ) ” 芯片完成数据的采集和计算，数据采集模块通过高速的总线，如p c 、v m e 等，与。p 央处理器连接，采样频率和分辨率高，存储容量大，使用数据压缩技术和标准数掘 记录格式便于通信。 国外过电压在线采集器具有多个串行接口，多个过电压在线采集器通过以太喇 连到1 台p c 机或专用处理器上，实现对多条母线电压的监测”1 。利用后台机的管理 华北电力火学r 稃硕十学伉论文 分析软件，进行数据的分析、显示。 国内过电压在线监测系统多采用集中式结构，即通过屏蔽电缆将被测信号引入 系统主机，然后由主机进行集中循环检测和数据处理。集中式过电压在线监测装置 般采用分层式结构，管理层一般采用p c 系列工控机“。1 ，主要完成数据的存储、 分析、处理、显示，以及数据采集层的定时互检和对时等：数据采集层大多采用单 片机作为智能化部件，常用的方式是采用m s c l 9 6 或m s c 5 l 系列单片机组成双c p u 结构，一片负责数据的采集和模数转换，另一片负责计算和判断是否耍启动数据 存储，也有的从机模板采用i 块工控板负责数据的采集和启动判断，管理层与数据 采集层之问采用p c 或i s a 总线相联“。但这种设计受硬件配置的限制，采样频率h ： 高，分辨率一般为1 2 位，同时容易产生数据传输的瓶颈效应，不利1 二敞障信息的 及时传输和处理。 国内对过电压在线监测装置的研究和丌发起步较晚，大约2 0 世纪9 0 年代j 逐 渐开始，但其发展速度很快。下面介绍几种目前存在的较为有特点的过电压存线j 监 测装置。 ( l ) 配电网内部过电压在线监测装置“” 该装置适用于对配电网内部过电压进行在线监测。由四大部分组成，即测量装 置的甜向通道；信号采集与处理部分；数据传输部分；数据的计算机处理部分。测 量装置的前向通道由高压分压器和光电隔离型传感器组成，从母线采集的系统i u _ | | i 通过传感器将信号隔离，并进一步降低送至信弓采集与处理部分进fj ：a d 转换， 写入数据信号缓存并山一台工控机管理，负责将过电压数据信号送j 三后台机处理。 该部分是整套装置的核心部分，出高速数据采集卡与一台工控机组成，可以获得高 达8 0 k h z 的数据采集速度，最多同时采集8 路信号。工控机送出的过电胍数据幽 2 3 2 串行口输出，考虑前后台机的距离较远，在输出l q 装设一个| s 一2 ：j 2 s d 8 j 总线转换器，然后数据信号经屏蔽电缆邀至后台机上接的另一个i s 一4 晒胁 2 3 2 转换器，进入后台机的数据管理系统。 该系统采用集成度较高的采集卡在很大程度上提高了装置的可靠性与抗二f 扰 性，数据采集模块与后台机的处理模块完全电气隔离，提高了安全系数。 ( 2 ) g d y 型电力系统过电压监测装置”。 该套装置主要是针对在超高压电网中存在的主变绝缘事故设计歼发的，能够临 测电气设备在运行中承受过电压的情况。与配电网内部过电压在线监测装置相比， 该装置简化了数据传输部分。高压分压器低压臂上的电压信号经过电一光转换器、 光导纤维、光一电转换器传输至后台的数据采集部分；来自光纤隔离系统的模拟f 电 信号采样保持和a d 转换器转换成数字量，按时序依次存入循环存储器r a i l 中。 当a d 和r a m 接收到控制器发出的“有效采集”命令后，将电压数据经接口送入 华北电力人学r 科硕十学何论文 微机，再存入磁盘后进行数据处理。 该系统的特点是：将r a m 分成3 段，可以连续采集3 次过电压后再转入“读” 状态，进行存盘与数据处理过程。因此可以避免遇到连续产生数次过电压时，工作 速度相对较慢的计算机就来不及存盘和数据处理，致使a d 通道内部r a m 无法【自 “读”状念及时转入“写”状态，从而丢失过电压数掘。在不需要r a m 分段采集时， 可以由转换开关进行切换，将各段r a m 合为一体，以采集更长的时段周波数，或以 更快的采样速度柬对波形的快速瞬变部分做更细致地采集。 ( 3 ) d l e i i 数字式电力系统过电压在线监测仪“ 浚测量仪由西安交通大学电气自动化研究所研制，主要由数据采集、c p i j 控制、 键盘、显示和绘图打印五部分组成，它的特点是便携，主要用于测量现场，不具备 数据存储和处理功能。 1 3 本文完成的主要工作 配电网系统过电压包括大气过电压( 外部过电压) 和内部过电压。由于火气过 电压的波头较陡，需要较高的采样频率，而内部过电压频谱很宽，通常为几十h z 到 几- t h z ，要在较高的频率下完整采集内部过电压“。个周期，则要求采集卡有较火的 存储深度”“。但是如果采样的数据太长，就会降低整个装置的f 1 融应时剐，x , i 硬件 的要求也比较高。hi l l j 吲内外绝大部分研制成功的过电压在线监测系统只能躲测变 化速度较慢、持续时m 较长的内部过电压“。市场上的在线监测装置采样速率般 为1 0 k 左右，只能记录内部过电压；且由于现有的分爪器和母线p t 响心时问爪k ( 一般在几百微秒) ，因而无法监测雷击过电压。 随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、h 一算机技术、信息处理技术等 的发展和向各领域的渗透，系统监控技术中j 一泛应用了这些先进的科研成粜使n ： 线舱测技术逐步走向实用化阶段。为了提高在线髂测装置的智能化水平，为了满足 高压及超高压网络中过电压在线监测的需要，目前所研究的过电压在线监测装胃媳 有采用总线式结构监测系统、加强网络功能和通信能力、加强在线监测系统的钾能 化水平等特点。 本文的目的是丌发采样速率和记录数据量可智能调节的、既能监测内部过电j 又能监测大气过电压的技术和装置。拟采用基于p c 总线的集中式过电压在线监测 系统，这样能同时兼顾大气过电压和内部过电压的采集；其快速的频率响应，能够 较好地满足工程实际的需要。其中软硬件的设计包括： 1 信号的获耿：过电压信号有两种办法获取一种通过母线电压互感器( p | 、) 来获取，另一种是通过传感器来获取。本文采用分压器作为传感器来获耿数据，即 4 华北电力人学l ：群硕十学位论文 采用阻容串联分压器，它可长期在电网中并联运行，并且响应时间快、波形失真小。 2 数据采集装置的设计：对信号进行阻抗匹配和二次分压把幅值变小并对信 号进行滤波，对三相信号进行电压比较，当任何一相高于正常电压时都可以启动a d 卡进行采样、记录。采样频率要求能够满足雷电波的记录，存储深度为故障甜半个 周波，故障后1 3 个周波，具有预触发功能。 3 软件的设计：采集软件的设计主要是对采集卡进行驱动、信号处理和参数 的测量。过电压分析软件将本装置录制的电压数据文件进行波形显示、合成、导出、 打印、运算分析等，为用户分析故障原因提供最大的帮助。 通过该在线监测系统的挂网运行，分析目前过电压设备在运行中存在的问题， 归纳总结电力系统过电压保护器与综合防雷接地的要求，研究电力系统过电i 刈1 乜 力设备的危害。 华北电力人学j ：捌硕十学位论文 2 1 外部过电压 第二章配电网过电压的分类及危害 外部过电压主要是雷电过电压。雷电是大自然中宏伟壮观的气体放电现象，甫 电放电所产生的雷电流可高达数十、甚至数百干安，从而引起很高的雷电过电r 医， 对配电网的安全运行产生严重的危害。雷击引起暂态高电压或过电压常常可以通过 网络线路耦合或转移到网络设备上，造成设备的损坏。对于中性点不接地的分级绝 缘变压器，当雷电波从线路侵入变压站到达变压器中性点以及系统单相接地、非全 相运行，特别是伴随产生变压器励磁电感与线路对地电容谐振时，会产生较商的雷 电过电压或工频稳念过电压，对分级绝缘变压器中性点构成威胁，甚至使绝缘损坏。 2 1 1 雷电波入侵微电子系统的主要途径 2 1 1 1 电力线路遭雷击 雷电波可以通过电力线路侵入变电站母线，再经过变压器高、低压绕组问的静f u 年 电磁耦合，侵入低压线缆系统。当供电线路是1 0 k v 架空线时，架空线的绝缘支柱为 个针式绝缘瓷瓶，冲击删压只有7 0 k v 左右，此电压等级下避雷线的作用很小，通常邦 不装避雷线。当线路附近的地面或高建筑物上落雷时，在供电线上会出现感应过r 乜j j i 。 当供电线路采用电缆而电缆为架空装设时，过电压可因雷电直击电缆外皮引起。当电缆 埋地敷设时，在雷击电缆附近大地、树木或建筑物时，如果电缆与雷击点f n j j g g ： e r jf h 场 强度超过了土壤的击穿强度，则雷击点就会向电缆放电，或虽然未发生闪络，但雷f 包流 在大地流散过程中会以电缆金属护层作为导电回路流通。这样就会危及通信i u 缆的绝 缘，造成通信电缆的损坏。当配电变压器由架空线再经电缆供电时，架空线上的直击街 或感应雷过电压会经电缆传至配电变压器。 2 1 12 雷击天线铁塔或避雷针 微波天线铁塔上有微波抛物天线和避雷针，当雷击微波天线铁塔或雷击避雷针州， 雷电流经接地装置主地网散流于大地，在铁塔和接地装置上产生电压升高，同时雷电流 会通过和天线相连的波导管或天线馈线进入微波机房的设备，也会经铁塔上的微波天线 或照明灯的引下线将高压引进。当雷电流经过铁塔及引下线入地时，会在其周围产生强 大的电磁场，危及机房内的微电子设备，甚至在离大楼1 2 k m 的对地雷击也会对楼内 6 华北电力人学i ：科硕十学位论文 微电子设备造成电磁干扰，影响其f 常工作。在9 0 9 3 年的四年中，华中电网曾有五 个微波站的故障是由于雷击微波铁塔，高电位经波导管或电缆引入机房进而损坏设备造 成的。以微波塔的接地电阻为4 l o q 为例，当雷电流为1 0 k a 时，铁塔的电位可能高 达4 0 1 0 0 k v 以上，此电位由波导管和电缆直接传入机房，必使设备损坏，也就是说如 果不采用其它防护措施，即使天线铁塔上引下的波导管和天线馈线电缆采取和铁塔多点 相连的等电位措施，一个很小的雷电流直击微波塔时都可能会引起事故。在机房没备- k 穿后，根据试验模拟雷击铁塔，得到波导管和电缆的分流系数分别为1 1 3 6 和8 ，勰。 据文献报道，在广西某变电站微波塔做现场试验时测得约有1 0 左右的冲击电流山波导 管引入机房，可见即使落一个小雷，假设雷电流为1 0 k a ，经波导管引入机房的雷f t t i , 1 t 就有lk a ，足以使设备严重烧损。多次微波站雷害事故的现场也证实，夸内殴错入l 处都有明显的大电流灼烧痕迹，很多电源扳和话令板中的元器件被烧坏。 2 1 13 雷电波通过无线电接受系统感应侵入 雷击大 流成f 比， 人线上感应 楼附近物体时会在无线电天线上感应雷电过电压，感应过电压和需i i 霄1 l 与雷击点离灭线的距离成反比。计算表明2 0k m 以外的雷电放 山u 流1 ：j i 能“ 出对电子设备有危害的过电压。 211 4 雷电波通过电话线或网络线等线缆入侵 感应雷电波通过电话线或网络线等线缆入侵，会以很高的电压直接加到信o “j ：j 1 0 送 端上，造成接收和发送端模块烧坏。该感应雷电过电压与雷电流及导线的商度成l f i 比， 同时与雷击点离丌线路的距离也有关系。 2 115 雷电流通过接地体引起的电位升对微电子设备的反击 雷电流通过接地体后，接地体上电位升高，将可能对微电子设备电源线和信l j 线等 造成反击，引起设备损坏。电位升高的数值与雷电流大小和接地体的接地电阻有关，接 地r 乜阻和雷电流越大，电位升高的越高。因此接地电阻的大小以及均压是防雷的雨要环 节。 2 1 2 雷电过电压分类及危害 雷电过电压按落雷位置的不同可分为直击雷过电压和感应雷过电压 出现的位置可分为纵向过电压和横向过电压。 华北电力人学 ：程硕士学位论文 ( 1 ) 直击雷过电压与感应雷过电压“” 当雷云较低，周围又没有带异性电荷的云层，雷云就会通过高大树木或建筑物 放电。雷云通过线路或电气设备放电时称为直击雷。当发生直击雷时，主放电瞬问 通过线路或电气设备，电流高达数十万安培，此电流将以光速向线路两端涌去。这 时若没有适当设备将雷电流迅速引入大地，则大量电荷将使线路发生很高的过电 压，势必将绝缘薄弱处击穿。这种过电压称为直击雷过电压，它的大小取决于雷电 流的幅值与雷电流波头的陡度( 即雷电流变化的速度) 。 如果直击雷落在铁塔上，雷云通过铁塔放电，一旦铁塔底脚接地电阻过大，则 雷电流导入大地时，势必在铁塔上产生很高的电压降。有可能击穿设备或线路的绝 缘，这种现象通常称为”反击”。 对配电网影响较大的情况是雷电击中线路附近的大地或击中接地的线路十i ：塔 顶部时，在绝缘的导线上引起的感应雷过电压。当雷电没有直接击中线路，而是击 中线路附近大地或紧靠导线的接地物体时，由于主放电通道周围电磁场的剧烈变 化，在线路上将产生过电压，该过电压被称为感应雷过电压。 在雷云放电的起始阶段，存在着出云向大地发展的先导放电过程，在先导通道 中充满了电荷，线路处于雷云先导通道的电场中。由于静电感应，沿导线方向的i 乜 场强度将导线两端与雷云异号的正电荷吸引到先导通道的一段导线一l ，成为束缚f u 苘，导线上与雷云同号的负电荷，则因电场强度的排斥作用向两端运动，通过线路 的泄漏电导和系统接地的中性点而流入大地。由于导线对地存在泄漏电导，导线电 位将与远离雷云处导线的电位相同，当雷云对附近地面放电时，先导通道中的负i 一麓被迅速中和，先导通道所产生的电场将迅速降低，使导线上的束缚f 巳荷获得释放， 沿导线魏两侧运动，形成过电压，此过电压称j , j 感应过电压的静电分鲢。与此时， 雷电通道咿缒雷电流，在通道周围的空问还建立了一个强大的磁场磁场的突然变 化，也将在导线上感应很高的电压，此过电压称为感应过电压的电磁分量。雷击线 路附近的地面时，感应过电压钓电磁分量比静电分量小的多，所以一般只考虑静r t i 分量。 感应雷过电压具有以下特点： 感应雷过电压是出雷云先导放电和主放电过程的静电感应和电磁感应而j l ! ； 成的，其极性与雷云电荷相反，即与直击雷过电压的极性相反。 由于主放电有一定速度，在先导放电过程中所积聚的束缚电荷转化为臼 | t 电荷释放流动，亦有相应的时恻。因此，感应雷过电压的波形较平缓，波头时问为 几微秒至几十微秒，而波长可达数百微秒。 因线路三相导线对地高度相差不大，各相导线上的感应雷过电压基本相等， 所以不会发生感应雷过电压造成相间闪烙的情况，只能是相对地闪烙。 华l e 电力久学| 二群磺十学侮论文 ( 2 ) 纵向过电篷与横向避电压 程乎赞电路荣点出现的对地的避电压称之为级自避电压。从她电僚j ：升起斡f 巍 压，可看侔是扶地系统侵入灼纵国过电压。 在平衡电路线与线之闻，或不乎徽电路的线对地之闯出现的过电压称之为横向 过电压。连接对称平衡传输线路的设备幽予线路中两线分别对地的级囱过电压不平 衡，或因纵向防护元件动作时间豹麓异，都会导致横向过电压的产生。连接同轴电 缆系统的电子设备，纵向过电压即为横向过电援。 对于乎 5 | i 魄路中的器设备元部传震浇，纵囱冲击可以损坏跨接京线与地之i n l 泌 元部 牛鬣其绝缘介质；击穿在线路和设备闽起阻抗匹配作j 嚼豹变悉器匝闻、联闯或 线对池绝缘等。横向冲击则同信息一样可在电路中传输，损坏内部f 毡路的电拳、电 感及捱寸冲击熊力差的固体元件。 设备中霓部馋遭受雷击损坏的程度，取决于不同的绝缘水平及受冲击的强皮。 对其有自行恢复能力的绝缘，击穿只是暂时的，一量冲击消失，绝缘镶快得到恢复， 有些非鱼行恢复的绝缘介质，如果击穿聪只流过很小的电流，常不会立即中断设器 的运行但随时问的推移，元部 牛受潮导致其绝缘淫渐下降，电路特蛙黛蜒：，擐威 将馈电路中断。有的设备元部髂如晶体管的象电极与发射极或发射极与蘩板，糟笈 生葳向击穿就出现了永久性损坏，对易爱能爨损坏的元器件，受损环糕艘羲蟹取决 于瀛过其上的电滚及持续时闽。 2 2 内部过电压 海辩过瘛暴分两大炎：因操作或赦漳引起暂奄电压手 麓，称其为操群避i e j l i ： 困系统的魄藤电容参数蘸己置不当，出现鑫种持续时间根长的谨振现象及萁i 也胍彳1 赢。称其为疆鞭进电压“”1 。 2 2 1 搡作过电隧 电力系统孛黪毫容、电感均巍储能冠释，当操作蠛故障饿其工作状态发生变化 时，将有过渡过稔产生。在过渡过程串，出予电源继续供给能量，丽且存锵在电感 中的磁熊会在菜一瞬问转变为静电场能量鲍形式存储于系统的电容之中，所以r i l 产 生数铸子电源电压的操终过电压。 形成操作过电压的能量来源于电力系统本身，因而这类过电压的幄菹与系统额 定电蕊大致成歪比，通常用系统最高运行相电疆幅值的倍数表示过电援值的大小。 操作过电隧值的大小与电气设备特性，尤其悬麟踌器的特性，以敷系统结构、运行 参数、操作或故障形式等因素有蓑，买寄鞠照的随机健。 9 华北电力_ 人学l ：科硕十学位论文 2 2 1 1 截流过电压 出于真空断路器有良好的灭弧性能，当开断小电流时，电弧在过零前就会熄灭， 由于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充 电，转变为电场能量。对于电机和变压器，特别是空载或容量较小时，则相当于一 个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生高的过电压，特别是丌断空载变压器 时更危险。从理论上讲这种情况可以产生很高的过电压，但由于触头和凹路咔r 有 定的电阻产生损耗以及发生击穿，对过电压值有相当的抑制作用然而这种抑制作 用是有限的，不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此特别对感应负载在采用 真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。 2 2 1 2 多次重燃过电压 多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电容进行充r n 而f 。 生的。在真空断路器切断电流的过程中，触头的侧为工频电源，另一侧为l cl j 路充放电的振荡电源，如果触头间的丌距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间 发生击穿，断路器的恢复电压就会升高。同样如果触头丌距不够大，还会发生第一二 次重燃。再灭弧、再重燃以致发生多次重燃现象。多次的充放电振荡，触头问的恢 复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压，损坏f 巳气 设备。 2 2 1 3 三相开断过电压 三相丌断过电压是由于断路器首先丌断相弧隙产生重燃时，流过该棚弧隙的岛 频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使未丌断相随之被叫断，侄其 它两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，所i ”生 的过f 乜压是加在相与相之矧的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易 觋二三相丌断过电压。该过电压对母线支撑件，套管以及所连接的二二次设备都有较大 影响。 2 2 2 谐振过电压 电力系统中存在着许多电感和电容元件，如电力变压器、互感器、发电机、消 弧线圈、电抗器、线路导线电感等均可作为电感元件，而线路导线对地和相削电容、 补偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容均可作为电容元件。当系统进 行操作或发生故障时，这些电感、电容元件可形成各种振荡回路，在一定的能源作 用下，会产生串联谐振现象，导致系统中某些部分( 或元件) 出现严重的谐振过乜 0 华北电力人学l 。样硕寸= 学位论文 压。 谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大；过电压一旦发生，往 往造成电气设备损坏和大面积的停电事故。许多运行经验表明，中低压电网中过电 压事故大多数都是由谐振现象所引起的。由于谐振过电压作用时阳j 较长，在选择保 护措施方面造成困难。为了尽可能地防止发生谐振过电压，在设计和操作电网时， 应事先进行必要的估算和安排，避免形成严重的串联谐振回路：或采取适当的防l j ： 谐振的措施。谐振过电压轻者会令到t v 的熔断器熔断、匝问短路或爆炸：重者则 发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电力系统和电气设备运行安全 的事故。 华北电力人学l ：牲硕十学位论文 第三章过电压在线监测系统的原理及关键技术 3 1 过电压在线监测的原理 过电压在线监测就是要实现实时地监视系统的电压变化，记录和保存过电压发生h 寸 各相电压的幅值、故障前后的波形及各种参数，并具有分析、报警和历史查咖等功能。 过电压在线监测系统一般是由高压分压器、隔离传感器、多路丌关、数据采集l 、 通信接口和后台机等部分组成。 系统电压经高压分压器降低至合适的电平，出隔离传感器对电压信号进行高速、高 精度的隔离变换后，送至多路丌关，经多路丌关选通的某路电压信号进入数据聚集肾。 由数据采集卡对输入的电压模拟量进行a d 转换，并将数据存入r a m 的循环区中然 后再利用软件或硬件来监视判断是否出现过电压信号。一旦出现过电压信号，循环存储 器r a m 的地址计数器从预罱地址行始计数，将故障前后的电压信号“有效存储”，并通 过通信接口送入后台机，进入数据处理部分。利用软件对数据进行计算、分析、保存等 操作，实现智能化管理。 3 2 过电压在线监测的关键技术 由于过电压在线监测系统智能化和自动化程度较高，要达到设计要求有许多关键技 术需要解决。其中包括测量系统的前向通道，数据采集部分和后台操作管理软件。 ( 1 ) 测量系统的前向通道 在测量琴统中，与被测对象相联系的| 前 句通道是关系到整个系统测量精度和稳定性 的关键部分之一。前向通道的设计与被测对象状态、特征、所处的环境密切相关。在胁 向通道设计时要考虑到传感器的选择、通道结构、信号调节、电源配置和抗干扰殴计等。 高压分压器一般可直接接在母线上或线路电压互感器( 以下简称t v ) 二次侧。当分压 器接在线路t v 二次侧时，应充分考虑t v 自身传输特性的影响。对高压分压器的选取， 要求测量精度高，响应特性好。在配电网中，在电压等级较低时，采用电阻分压器就可 满足测量精度和响应特性的要求。随着电压等级的提高，分压器的体积不断增大，杂敞 电容和回路电感的影响越来越大，致使电阻分压器的测量精度下降，响应特性变坏难 以满足频响要求。特别是用于测量频率较高的冲击电压时，般电阻分压器更不能适应。 为了适应测量更高冲击电压的需要和改善频响特性，本系统采用低阻尼电容分压器。它 能克服更高电压分压电阻制作上的困难和电容式分压器的振荡问题。因此，低阻尼电容 华北电力人学：j ：穰硕十学位论文 分压器可以获得相当好的响应特性”“。 隔离传感器对电压信号进行高速、高精度的隔离变换，将高压分压器低压臂上的电 压信号进一步降低到数据采集部分能接收的合适电平，其输出接口可直接与数掘采集部 分的输入端相连，有效地解决了数据采集中常遇到的隔离、变换、传送、共地和共电源 等关键问题，且有效地克服了共模干扰”。 ( 2 ) 数据采集部分 由电压传感器输出的信号是一个连续的模拟信号，要通过数据采集系统变换为计算 机能够处理的信号。数据采集部分是整个测量部分的核心。它的整体设计和实现鄙要紧 紧围绕着被测信号来考虑。根据采样定理，如果采样频率不够高，输入信号将会产生混 叠现象，采样得到的数据将不能完全恢复出原始信号。为了能够恢复出原始信号，采样 频率必须大于信号频率的至少两倍，一般工程上要求采样频率要比信号频率高4 j 倍。 也就是说，在被测信号经过前向通道降低为合适的电平被数据采集装置采集之后，转化 的结果能否最大限度的逼近真实信号，取决于数据采集装置的采样速度和量化精度。采 集速度主要由数据采集装置的c p u 和a d 转化系统决定；量化精度则取决于数掘采集 装置的a d 转化系统。 电压模拟信号进入数据采集部分后，先通过采样保持器，再进行a d 转换。a d 转换器完成一次转换需要一定的时问，在这段时间内希望a d 转换器输入端的卡楚拟信 号r b 压保持不变，以保证有较高的转换精度，采样保持器的引入，大火提高了数扒采 集系统的采样频率。a d 转换所得的数据写入a d 转换器的输出寄存器，然后利用硬 件比较屯路或软件计算程序，从输出寄存器中提取数据，与基准值进行比较，使得所聚 集的数据只有在满足一定条件下彳。进行传输。在此需要注意的是，在数据比较或计算j i j 问c p u 不从输出寄存器中驭数，因此必须保持在c p u 忙于数据比较或计算州输寄仃 器刁：能溢出，否则会造成数据丢失。 ( 3 ) 后台操作管理软件 后台操作管理软件是在线监测系统智能化程度的直接体现。后台操作管理软件以t p 文w i n d o w s9 x m e 2 0 0 0 x p n t 为平台，采用汇编和7 is u a lc + + 编程。这部分包括过爪 列表、显示、打印、波形再现、标准时标、越限设置、越限报警、自检与故障显永、数 掘存储显示、后台专家分析系统。其中的后台专家分析系统具备图文并茂和界【f | i 友好的 图象处理功能：从秒到微秒时域无级放大；纳秒级脉冲波前显示；快波前、陡波前的微 分求导( 上升率：d u d t ) ；三相三色电压波形曲线时间轴向拉伸，可精确判断过电压时 序；等等。其它还包括数据接收及处理、数据存储、图形显示、数据库管理及维护等。 数据采集部分将过电压信号，通过系统总线( 如r s 一2 3 2 ) 传人后台机，后台软件实时地 监测与系统总线相连的计算机接口( 如计算机的标准串行口) ，当有数据传入后，按通讯 规约接收数据并将数据存盘。数据处理模块会自动对数据平滑纠错和计算，通过f f l 变 华，i t 电力人学：i ：样硕十学位论文 换计算出表征各相电压特性的各种数据( 包括电压幅值，频率及过电压倍数等) ，并以图 形形式直观地显示出来。数据库管理模块，将各相电压的参数及时问信息保存，并可对 历史数据查询和再现，以及后台打印与在线帮助等辅助功能。 3 3 过电压在线监测系统的特点 过电压在线监测系统在其技术要求、功能实现方面有其自身的特点。 ( 1 ) 与绝缘在线监测装置相比，过电压在线监测装置要求的实时性更高。 前者只需定期地对各种电气设备进行在线监测，采集电气设备的各种绝缘状态 的参数。以判断其绝缘状态。而后者要求对电网屯压进行实时在线数据采集、处础， 并分析判断是否有过电压出现并记录过电压发展的整个过程。 ( 2 ) 在数据采集方面，过电压在线监测装置为保持数据的真实性，应尽可能地 减少滤波。 而其它的实时监测采集装置( 如继电保护装胃) ，为保证判明故障的准确性 则要求消除各次谐波，因此在硬件和软件上都要采取措施，特别是软件滤波在继电 保护装置的c p u 时间分配中占有较大的比重。 ( 3 ) 对于过电压在线监测装置最重要的是能记录故障的全过程，不仪要记录故 障过程，还要记录故障前的波形和数掘。 装置中要丌辟一定容量的环形内存缓存区，不断地以采得的最新数抓：刷新， 照出现过电压，就首先将缓存区中的内容( 包括故障前和故障过程中的数据) 保仃 澎柬。直到过电压消除。 ( 4 ) 与故障录波装置相比，过电压在线监测装置在电压监测方面更准确、业。典 用。 故障录滚装嚣主要汜录的是以工频为基础的故障波形，对过电压中的高频成分 则难以记录i 百西氢它的信号是通过电压互感器获得的，对测量某些暂念过电压，其 传输特性尚不能满足测量要求。另外，由于过电压在线监测装置的廉价性，们i 可m 配电网中推广。 3 4 过电压在线监测系统的设计要求 ( 1 ) 测量同步性。只有严格的同步测量，才可真实地反映被测电气量的相关关 系也爿能真实地反映系统运行时各电气量的时间状态。 ( 2 ) 测量通道。考虑到两段母线，分别具有a 、b 、c 三相电压( u ，u 。) ， 因此需6 个测量通道测量模拟量。并且，各个通道都是独立的、不共地，避免共地 系统的信号干扰。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 智能化高、抗干扰性强。电力系统现场运行环境存在着强电磁干扰。因此 要求装置的智能化高、抗干扰性强。为了测量系统过电压的频率特性及满足采样定 理要求，装簧每通道的采样频率设计为5 m h z 一2 0 m h z 可调，即采样周期最小可达 o 0 5 , u s 。为监测产生过电压的过渡过程， 合闸全过程，存储深度为故障前1 2 周波 装置应具有记录及追忆功能，记录自动重 故障时1 3 个周波。另外，考虑过电压可 多次重复发生，装置应能记录多次触发事件，设计存储记录可以达到2 0 0 0 次，如 果超过2 0 0 0 次，则自动循环覆盖最古老的一次故障数据。 ( 4 ) 数据通信功能。装置应有可靠与完善的通信功能，充分应用电力系统计算 机网络，提供标准的t c p i p 通信协议，能将现场采集数据通过计算机网络远距离 传送。由于记录的数据是给专业人员进行分析用，需要开发方便灵活的应用软件， 进行各种计算和分析，提供完善可靠的分析功能。 华北电力人学一l ：程硕士学位论文 第四章 过电压在线监测系统硬件设计及软件功能介绍 4 1 在线监测系统的总体方案 本文设计丌发的在线监测系统出专用高压分压器、数据采集、当地工控机( 可 选) ，过电压数据专用分析软件构成“。其硬件部分( 如图4 一l 所示) 由4 个模块绀 成按照过电压信号的流经次序分别是：传感器模块、前置电路、数据采集f u 路、 工控机及相关外围设备。 高压母线 图4 1 在线监测系统硬件结构方框图 为保证该系统能监测到电网失电瞬间可能出现的过电压信号，配备独立的 j i 电、备用电源。另外，为使通过的高频信号失真度较小，专用传输线刷大带宽( ( ) 1 9 0 m h z ) 同轴电缆并在两端严格匹配。软件用汇编和v i s u a lc t t 语南编写，由数抓 采集及存储、波形显示及分析两个或并行或独立的子程序组成。系统的软硬件都婴 求具有可扩充性、可维护性，为以后系统的扩充和软硬件升绒提供条件。 4 2 在线监测系统的原理 本系统主要由额定电压为1 0 k v 的低阻尼阻容分压器、同轴电缆、保护电路、 时置电路、p e m 采集卡和工控机构成，原理如图4 2 所示。 华北电力人学i ：程硕士学位论文 图4 - 2 在线监测系统原理图 分压器并联在配电网1 0 k v 母线上，当过电压信号到来时，首先通过分压器分 压，得到低压信号，通过同轴电缆传递到保护电路和前置电路。前置电路分为信号 处理电路和触发电路。信号处理电路的主要功能是实现阻抗匹配以及对过电压数抛 进行二次分压。触发电路的主要功能是把模拟信号转换成标准数字电平，启动采集 卡，对数据信号进行采样。 4 3 过电压在线监测系统硬件设计 43