（高电压与绝缘技术专业论文）变电站开关操作电磁骚扰数据的补偿与统计分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘耍 摘要 针对变电站隅离开关和断路器操作时，产生的瞬态电压、瞬态电流、瞬态电场、 瞬态磁场对二次设备造成干扰的问题，结合国家电力公司科技项髓“5 0 0 k v 变电站 电磁骚扰水平及输变电没备电磁环境影响研究”和华北电力集团公司科技项目“变 电站二次系统电磁干扰问题的研究”，对测量数据的补偿和特征统计方法进行。了研 究。本文针对使用散射参数法对衰减器在阻抗不匹配时的电压传输特性难以直接测 量的问题，提出了利用阻抗分析仪对电压衰减器传输特性进行测量的阻抗测量法。 利用阻抗分析分析仪测量了实验室骞己研制的4 个衰减器的电压传输特性。提出了 在额域下对骚扰数据进行孝b 偿的逐点 偿法，从丽提高了从变电站所测得的数据的 准确度。为了评估变电站的骚扰水平，对变电站电压、电流、电场、磁场豹骚扰数 掘进行了特征提取和分析，所得结果可以为二次设备的抗扰度设计提供参考。使用 了正态性检验和贝赛尔公式，分别对上升时间、峰峰值、频带宽度、差频分布进行 统计，从而得到了变电站骚扰数据的统计学特征，进步为二次设备的抗扰度设计 提供了参考。 关键词：变电站，衰减器，补偿，特征分析，统计分析 a b sr i r a c t s u p p o r t e db yn o r t hc h i n ae l e c t r i c p o w e r g r o u pc o m p a n ys c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o j e c t ”r e s e a r c ho nt h es e c o n ds y s t e me l e c t r o m a g n e t i ei n t e r f e r e n c e i ns u b s t a t i o n ”，w h e na t t e n u a t o r l si m p e d a n c ed o s en o tm a t c h ，t h ew i d e - b a n dt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i co fa t t e n u a t o rc a nn o tb em e a s u r e dd i r e c t l yb a s e do nt h et h e o r yo f s c a t t e r i n gp a r a m e t e r s f h e t h e s i s p r e s e n t s a i m p e d a n c e m e a s u r e d m e t h o dt h e w j d e - b a n dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co ff o u ra t t e n u a t o rm a d eb yo u rl a bw a sm e a s u r e d w j t h 协i m p e d a n c ea n a l y z e r p r e s e n taf r e q u e n c y d o m a i nc o m p e n s a t i o nm e t h o d t h e n t h ed a t aa c c u r a c ym e a s u r e di ns u b s t a t i o mw a sp r o v e d f o re v a l u a t i n gi n t e r f e r e n c e l e v e li ns u b s t a t i o n 、t h ei n t e r f e f e n c ed a t aw e r ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e d t h er e s u l tc a n b et h er e f e r e n c eo ft h es e c o n de q u i p m e n ti m m u n i t yd e s i g n ，u s i n gn o m a l t e s t i n ga n d b e s s e l f o r m u l a ，r a i s et i m e ，p e a k p e a kv a l u e ，b a n dw i d t h ，d o m a i nf r e q u e n c ya r e s t a t i s t i ca n a l y z e d ud a q u a n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gw e i d o n g k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ，a t t e n u a t o r , c o m p e n s a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e s ， s t a t i s t i ca n a l y s e s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站开关操作电磁骚扰数据的补偿 与统计分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期阈，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 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期：趁堑：丝 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、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 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、缩印或其它复制手 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) 作者签名 日期： 矽6 ：堑 日期：趔l 二盘二堡 华北电力大学硕士学位论文 1 1 变电站电磁兼容问题 第一章引言 电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ) ，即“在电磁环境中共 存的能力”，其定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境的 任何事务构成不能承受的电磁骚扰的能力【1 ，2 】”。、电磁兼容主要研究设备或系统的电 磁骚扰和抗扰度的问题，要研究如何使所有的电子设备既不要成为一个有害的电磁 骚扰源，对周围的其他设备的正常工作产生不良影响；又要能承受周围电磁环境中 从各种途径传输的各种电磁骚扰，保证自身的正常工作。 随着电力系统自动化水平的提高，变电站内采用的弱电设备及系统越来越多， 如数据采集、系统通信、系统控制和继电保护等，有的变电站还开始从有人值班向 无人值班或少人值守方向发展。变电站内外产生的电磁干扰很容易对这些弱电设备 或系统产生干扰，影响它们的正常运行，从而影响变电站及电网的安全运行。 变电站一次系统有大量的隔离开关和断路器。在电力系统运行时开关要经常操 作，如隔离开关切合高压空载母线、断路器切合高压母线、断路器切合高压线路、 断路器投切电容器组、还有空载变压器及电抗器的投切操作等。开关操作时，在高 压母线上会产生复杂的瞬态电压和电流，并且在母线周围空间产生瞬态电磁场。这 些瞬态电磁过程不仅幅值较高，而且包含的频率分量从几十k h z 到上百m h z p j ，这 就会对变电站内工作的二次设备和系统产生电磁干扰。这种变电站开关操作在母线 上产生的瞬态电磁过程的主频率会随电压等级的提高而降低，其幅值随电压等级的 提高而升高，而断路器操作比隔离开关操作产生的瞬态电磁过程的频率还要高一 些。高压母线上的瞬态电磁过程将通过以下耦合途径进入到二次设备和系统中1 4 j ： 1 感性耦合。高压母线上产生的瞬态电流在周围空间会产生磁场，该磁场将 在附近的连接二次设备的电缆上感应产生干扰电压和电流； 2 容性耦合。高压母线上产生的瞬态电压在周围空间会产生电场，该电场将 在附近的连接二次设备的电缆上感应产生干扰电压和电流； 3 电磁场辐射。开关操作在高压母线周围空间产生瞬态电磁场，并以电磁辐 射的形式对附近的二次设备及系统造成电磁干扰； 4 传导性耦合。高压母线上产生的瞬态电压和电流将通过与母线相连接的电 压互感器和电流互感器传入二次设备中，从而在二次设备端口产生干扰电压和电 流： 华北电力大学硕士学位论文 1 2 本课题的研究背景 1 2 1 国外研究概况 随着电力系统的不断发展，电网电压不断升高，从高压到超高压再到特高压， 设备容量越来越大，电网规模也越来越大。同时，在电力系统内部经常发生一次系 统产生的电磁干扰影响二次设备及系统正常运行的情况，有时在二次设备之间也会 发生一些电磁干扰现象。干扰结果较严重的如保护设备误动、拒动，控制设备的失 灵等，最终结果可能导致整个区域电网的瘫痪。作为影响电力系统安全运行的一个 重要因素就是电力系统电磁兼容问题。电力系统运行的安全可靠性直接关系到一个 地区甚至一个国家的国民经济发展，因此，各发达国家对电力系统电磁兼容问题都 非常重视，集中了大量的人力物力进行广泛而深入的研究。 目前，有关变电站电磁兼容问题的研究，工作做得最多的是美国电力科学研究 院( e p r i e l e c t r icp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 。e p r i 对变电站电磁干扰问题分 两个阶段进行了专门的研究，历时十五年，成绩斐然。 第一阶段的研究工作从1 9 7 8 年开始到1 9 8 3 年结束，并提出了该阶段的研究报 告【卯。研究工作包括测量系统的研制 6 】、变电站电磁环境测量方法及所得数据的分 析方法的研究、建筑物结构的电磁散射效应等，还提出了种分析变电站瞬态电磁 干扰问题的时域模型，对变电站内时域电场和磁场进行了计算，并与实测数据做了 比较【7 ，8 1 。研究表明，开关操作产生的电弧并非主要的电磁干扰源，电磁干扰主要通 过母线与二次设备间的辐射性电磁耦合产生。变电站的开关操作、短路故障和雷击 可能导致强度较大的高频电磁干扰。 第二阶段的研究工作从1 9 8 6 年开始到1 9 9 3 年结束，并提出了该阶段的研究报 告3 ，发表了一些相关论文 9 - 13 1 。在这个阶段内，对7 座空气绝缘变电站( a i $ 一a i r i n s u l a t e ds u b s t a t i o n ) 和2 座气体绝缘变电站( g i s g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ) 进行了1 3 次现场测量，测得大量的干扰波形，数据量多达5 0 0 m b 。研究报告及发表 的论文对测量得到的数据进行了总结分析，并提出了预测变电站瞬态电磁干扰的建 模方法和测量技术。 美国电力科学研究院的研究工作在整个变电站电磁兼容问题研究中最具有代 表性，有很多的测量及分析结果、建模方法值得参考。 国际大电网会议( c 工g r e c o n s e i li n t e r n a ti o n a ld e sg r a n d sr 6 s e a u x 色l e c t r i q u e s ) 是电力系统及其相关领域最重要的国际组织之一，其中第3 6 研究委 员会( s c 3 6 一s t u d yc o m m i t t e e3 6 ) 专门研究电力系统电磁兼容问题。该委员会现 下设五个工作组( w g w o r k i n gg r o u p ) ，它们是w g 3 6 0 2 ( 电力系统对电信电路、低 华北电力大学硕士学位论文 压系统和金属结构的电磁兼容) 、w g 3 6 0 4 ( 一般的电力系统电磁兼容与电磁场) 、 w g 3 6 0 5 ( 一般电力质量) 、w g 3 6 0 6 ( 电力系统电场、磁场与健康) 和w g 3 6 0 7 ( 电 力质量指针与目标) 。为了指导发电厂和变电站的电磁兼容设计，1 9 9 7 年1 2 月国际 大电网会议w g 3 6 0 4 工作组发布了发电厂和变电站电磁兼容导则【l4 1 。该导则发 布后，w g 3 6 0 4 工作组的主要工作集中于高压变电站某些电磁骚扰的更完整的描述 和变电站二次设备抗扰度特性评估两个方面，对变电站在开关操作、短路故障和雷 击情况下产生的瞬态电磁环境和二次回路快速瞬态电压和共模电流方面的数据进 行了更新。基于最新的研究结果，国际大电网会议电磁场与电磁兼容工作组于2 0 0 1 年1 0 月向国际电工委员会提出了修改瞬态抗扰度标准的建议【l5 | 。主要建议是：( 1 ) 增加快速瞬变脉冲群抗扰度标准( i e c 6 1 0 0 0 4 4 ) 的脉冲重复频率；( 2 ) 将振荡波 抗扰度标准( i e c 6 1 0 0 0 - 4 - 1 2 ) 的频率加大到1 0 m h z 和5 0 m h z ，并将重复频率提高 1 0 倍。 此外，俄罗斯、加拿大、法国、意大利、德国、瑞士、瑞典、日本和南非等国 家也开展了大量的研究工作。在俄罗斯专家发表的论文【l6 j 中，还对变电站接地故障、 雷击变电站导致瞬态地电位升和瞬态地电位差对二次电缆系统的干扰问题进行了 研究分析，对变电站接地网的瞬态地电位分布及接地网上两点间的瞬态电位差进行 了测量。 1 2 2 国内研究概况 近二十多年来，我国的电力工业发展迅猛。在2 0 世纪8 0 年代，电网电压等级提高 到5 0 0 k v ，到现在全国已有许多5 0 0 k v 输电线路及变电站。目前，7 5 0 k v 电压等级的输 电线路及变电站可行性研究论证已经通过，。正处于实施阶段。我国电网今后的发展方针 为“西电东送，南北互供，全国联网”。在这样的电力系统发展情况下，电力系统电磁兼 容问题特别是变电站电磁兼容问题越来越受到关注。国家电网公司和前国家电力公司非 常重视研究电力系统电磁兼容问题，将电力系统电磁兼容问题列为今后电力系统发展中 必须解决的关键问题之一。 我国早期的电力系统电磁兼容问题研究始于二十世纪八十年代初期。当时结合第一 条5 0 0 k v 输电线路的配套工程凤凰山5 0 0 k v 变电站的调试，有针对性地做过一些瞬态 电压和电流的测量工作以及大量的工频电磁场的预测计算和测量研究工作 1 。到现在， 我国相关研究单位及院校己对电力系统电磁兼容问题进行了大量的研究，且开始从定性 分析和试验研究阶段向定量研究转化。 中国电力科学研究院组织翻译了c i g r e 第3 6 0 4 工作组在1 9 9 7 年1 2 月出版的发 电厂和变电站电磁兼容导则。另外，中国电力科学研究院对高压输电线路故障下的瞬 态电场强度【18 1 、电力电缆金属护套的屏蔽系数【i9 1 、导线和大地形成的回路中线电流产生 华北电力大学硕士学位论文 的磁场 2 0 】、城市电力线路附近地下金属管网中感应电流的计算 1 9 】等问题进, u r y n a 研 究。 武汉高压研究所对南昌、益阳、新乡、孝感、长沙等5 0 0 k v 变电站由于开关操作 引起的瞬态电磁干扰进行了测量分析，得到了不少数据【2 1 】。经过分析得到了瞬态磁场、 模拟电缆感应电压、2 2 0 v 电源上的瞬态共模干扰及电流互感器、电压互感器二次侧干 扰电压和电流的一些特征数据。为了对高压变电站瞬态电磁干扰进行更好的测量，武汉 高压研究所还专门建造了一辆测量用屏蔽车。在开展了一系列的分析、测量和标准化工 作后【2 2 _ 2 6 1 ，武汉高压研究所负责起草了由中华人民共和国国家经济贸易委员会作为电力 行业指导性文件而发布的技术文件( ( 5 0 0 k v 变电所保护和控制设备抗扰度要求【27 | 。 华北电力大学近些年对电力系统电磁兼容问题也做了大量，的研究工作。如对开关操 作引起的瞬态电磁干扰进行了深入研究，建立了带分支的多导体传输线模型，并开发了 变电站瞬态电磁干扰预测软件包【2 8 - 3 1 】；进行了瞬态电场和瞬态磁场传感器的研究【3 2 , 3 3 】， 自主开发研制了光纤瞬态电场和磁场传感器。独立组织或参与1 0 座5 0 0 k v 变电站瞬态 电磁骚扰的现场测量，对测量数据进行了初步的分析整理 3 4 3 7 】；提出了完整的分析变电 站接地网接地性能的频域电磁场数值计算方法，并开发了变电站接地网频域电磁场数值 计算软件包 3 8 - 4 0 】。 鉴于目前电力行业对电磁兼容问题研究的迫切要求，前国家电力公司在武汉高压研 究所、电力自动化研究院和华北电力大学还分别建立了不同功能的电磁兼容实验室，装 备了符合i e c 电磁兼容标准( i e c 6 1 0 0 0 4 ) 的电磁兼容性试验系统，为电力行业自动化 设备电磁兼容的检测和研究工作提供了必要的条件。 一 通过本文的调研工作发现r 国外对开关操作产生的瞬态电磁骚扰数据做了相当的研。 究分析和测量工作，但是对各种操作的所产生的骚扰量没有做全面的统计，而国内对这 方面的研究还很少。需要对大量的测量数据进行统计分析，以便获得电磁骚扰的特征信 息。 1 3 本文的主要工作 本文针对以上变电站电磁兼容问题，结合国家电力公司科技项目“5 0 0 k v 变 电站电磁骚扰水平及输变电设备电磁环境影响研究”和华北电力集团公司科技项 目“变电站二次系统电磁干扰问题的研究”，重点研究了以下几方面的变电站电 磁兼容问题： 1 针对使用散射参数法对衰减器在阻抗不匹配时的电压传输特性难以直接测 量的问题，提出了利用阻抗分析仪对电压衰减器传输特性进行测量的阻抗测量法。 利用阻抗分析分析仪测量了实验室自己研制的4 个衰减器的各种端接阻抗参数，从 衰减器的各种端接阻抗参数可以得到其电压传输特性。从而解决了衰减器的电压传 4 华北电力大学硕士学位论文 输特性的准确测量问题。 2 针对由于衰减器宽频特性不理想，经过衰减器衰减所测量到的数据波形畸 变的问题，提出了在频域下对骚扰数据进行补偿的逐点补偿法，从而提高了从变电 站所测得的数据的准确度。 3 为了评估变电站的骚扰水平，对变电站电压、电流、电场、磁场的骚扰数 据进行了特征提取和分析，所得结果可以为二次设备的抗扰度设计提供参考。 4 针对某次断路器或者开关操作所产生的骚扰并不能代表变电站开关操作的 骚扰水平问题，使用了正态性检验和贝赛尔公式，分别对上升时间、峰峰值、频带 宽度、主频分布进行统计，从而得到了变电站骚扰数据的统计学特征，为进一步评 估变电站的瞬态骚扰水平和制定或修订相关标准提供了参考。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电压衰减器传输特性的测量与电压骚扰数据的补偿 在超高压变电站内，当一次系统有开关操作时，将在p t 、c t 等设备的二次端 口上感应幅值很高的共模和差模骚扰电压量，在对这些骚扰电压量进行测量时，由 于示波器的承受电压能力所限，需要对骚扰电压进行衰减。但是所使用的电压衰减 器在高频下分布效应较大，这将对测量数据带来误差。为了提高所测骚扰电压数据 的准确度，需要对衰减器的宽频特性进行补偿。 由于电压衰减器不是阻抗匹配网络，因此采用网络分析仪通过测散射参数而计 算得到电压传输特性将带来很大的误差。传统的电压传输特性有扫频法和脉冲测量 法。但两种方法在阻抗不匹配时只能测量得到衰减器低频段的传输特性，另外在频 率要求较高的情况下( 大于等于1 m h z ) ，较高频段的测量难以实现，这也会给测量 结果带来误差，且工作量较大。本文提出了用阻抗法测量输入阻抗，通过二端口参 数的转换计算，从而得到衰减器的电压传输特性。 为提高骚扰电压数据的测量精度提出了对衰减器进行逐点数字补偿的方法，也 就是对数据要求的频段内进行采点补偿。经分析补偿结果表明本数字补偿方法的误 差在允许的范围内，可用作对骚扰电压数据进行补偿。 2 1 测量变电站骚扰电压的必要性和测量系统的构成 变电站瞬态电磁干扰是其e m c 问题中最突出的一个方面，瞬态信号的测量是科 学评价变电站电磁环境的必要手段，是验证瞬态电磁波过程的产生机理及其耦合模 型的必要途径，为二次设备的抗扰度试验提供数据，验证各项抗干扰措施的实际效 能，为最终形成有关的标准和规范，进而从e m c 的角度指导一次系统和二次回路的 工程设计和二次设备的抗干扰设计提供科学的依据。对由于雷击和故障引起的瞬态 电磁信号的测量只能通过模拟实验完成，很难进行现场测量。即使对由于开关操作 引起的瞬态电磁信号的测量，也必须具备如下两个先决条件【3 7 】： 1 从技术角度而言，瞬态电磁信号只有采用具有触发功能的瞬态记录仪或数字 存储示波器才能被采集并存储起来。这类仪器对输入信号的幅值均有一定的 要求。 2 从测试条件而言，在已经正常运行的变电站内，不大可能进行多次试验性的 开关操作，因此不具备测试条件。这类测量只能在变电站投运启动阶段进行。 为了测量变电站二次设备的骚扰电压，需要在二次设备端口取电压信号。但该 电压信号峰峰值有时会很大，特别是在共模情况下，极可能大于数字存储示波器的 耐压值，所以需要用一衰减器对其进行幅值衰减，否则可能会超出数字存储示波器 华北电力大学硕士学位论文 的量程，以至于数字存储示波器的损坏。其接线方式如图2 一l 所示。 图2 - 1 变电站骚扰电压测量系统连接图 2 2 衰减器电压传输函数的表示方法 衰减器可以等效成一个二端口网络。不论网络的内部情况如何j 线性网络的端 口特性完全可以由网络的端口参数来描述。对于图2 2 示的二端口网络共有两个端 口电流和两个端口电压变量，我们可以任取两个端口变量作为激励而把其余两个端 口变量作为响应，从而获得描述二端口网络端口特性的两个线性方程。 当激励为各端口电流，响应为各端口电压时，方程的系数矩阵为开路阻抗矩阵； 当激励为各端口电压，响应为各端口电流时，方程的系数矩阵为短路导纳矩阵；而 当激励和响应分别为不同端口的电压和电流时，得到混合矩阵。 - ，2 、 卜 二端口 ，1 网络 【 一 图2 2 二端。口网络 2 2 1衰减器电压传输函数的z 参数表示法 假设图2 1 中二端口网络的激励是电流和厶，响应是电压u 和u 2 ，相应的 参数称为开路阻抗参数，即z 参数。 u 2 = z 2 l 厶+ z 2 21 2 其中：肇卜，z 1 2 ：阜l ：，z 2 l ：宰l，z 2 2 ：拿卜 。 引，2 = 01 2l ，l = 01 1 2 = 0厶1 1 1 = 0 则在端口2 空载情况下，电压传输函数为 华北电力大学硕士学位论文 h ：丝：u 2 i i ：一z 2 1 u lu l f i 、z 1 1 其中h ，u 2 ，u l ，z 2 1 ，z j 均是频率f 的函数。 2 2 2 衰减器电压传输函数的s 参数表示法 散射参数( s 参数) 在微波设计中是非常重要的端口参数，因为它能够在高频 下非常容易地通过测量获得，而其他参数在高频下测量是非常困难的。s 参数概念 简单，分析方便，能够解决在测量和设计中的具体问题。 散射参数的理论是从传输线理论演变而来的。定义a i , 6 j 为第i 口的归一化入射 散射变量和反射散射变量，且有 驴罂，6 j ：罂 。2 i r ez f l 4 2 l r e 互i 其中为端口电压，为端口电流，z f 为任意参考阻抗。为了方便测量和计 算，通常规定参考阻抗互为正实数z 0 。 对图2 3 所示的电路，二端口网络的s 参数定义如下 乞g 、巧 二端口 盲f )叶 网络 +l 岛 一6 ， 图2 - 3 二端口网络 自变量q 、a ：为归一化的入射电压 铲i u l + 厅i i z o ， 因变量反、b 2 为归一化的反射电压 岛2 等， 描述二端口的散射参数线性方程为 铲紫 包2 警 b l = 一l a l + $ 1 2 a 2 l2 一 + 2 8 华北电力大学硕士学位论文7 b 22 $ 2 1 a l + $ 2 2 a 2 羹中s ：，= 鲁l 口：。，s ：= 笔 i 口。：。，s ：。= 等i 口：。，s 。：= 芝 i q ：。 下面讨论已知二端口网络的s 参数时，如何求图2 2 所示的二端e l 网络的开路电压 传输函数。已知二端口网络的s 参数方程为 l b l = s l a l + s 2 口2 【b 2 = 是l a l + 岛2 a 2 对应的信号流图如图2 4 所示。 对于图2 - 3 所示的电路有 侄 热驴糍 = 糍， 相应的信号流图如图2 - 5 所示。 图2 - 4 二端口的信号流图 2 1 q + s 1 2 a 2 =是1q+2识(2-1) 2 6 9 + f 9 6 1 = f l b 2 1 1 ，：互鱼。 。 r 1s 。 是：一 i b ls 2 口2 图2 - 5 电路的信号流图 此处只讨论z 。= z 0 和负载开路( 乙= 0 0 ) 时的电压传输函数。 对锄- 5 ，当z g = 舛r g = 再z g - z 0 = 0 ；乙删凡2 糍= 1 ：o 1 ) 输入口的反射系数爿。和输入阻抗z l ， 对于图2 。5 中的信号流图，由梅森公式m 1 1 得 耻鲁一1 a a q 一 9 华北电力大学硕士学位论文 其中， = l 一( s l l l g + 曼2 1 1 l + s 1 2 s 2 1 r f g ) + s l s 2 2 1 1 l r g 2 1 一是2 ，l 。1 一是2 i l 。1 一s 2 2 ， 墨= s 1 1 ，a 2 = 1 ，最= s 1 2 s 2 1 f l = $ 1 2 s 2 l 。所以 又因为 因此 。u 1 么1 15 l q ，一垒一土 。1 1 q 一 坟k = s 1 1 + 土季u,zoai 生+ 7 z l _ 。_ z o 2 ) 前向传输增益民和转移阻抗z 2 。 s 1 2 s 2 l 1 一是2 z l i z q z 1 1 + z o = z o ( 1 + s 1 1 ) ( 1 一s 2 2 ) +s ：是， ( 1 一s u ) ( 1 一s ：) 一 翌, ，= i b 2 = _ 1 a 足k a 1 一 s ：曼。 ( 2 - 2 ) 其中，a = i 一( s 1 r g + s 2 2 r l + s 2 1 r 1 1 9 ) + s l 2 i 三r g = 1 一是2 ，# = s 2 l ，l 2 1 。所以 又因为 因此 s ；, - b q 2 2 五1 - p k k 2 a ，一b 2 0 2 1 。 a l u ， = z o 3 ) 电压转移函数日 一厶z 。 u 、+ i z c 1 一是2 7 1 27 乞1 一百铴 互l + z o = 鼢( 乙+ z l ，) = o o s 2 s 2 l 1 一s 2 2 = z o ( 厶= 0 ) 2 s 1 2 ( 1 一- s 1 ) ( 1 一s 2 2 ) 一s 1 2 s 2 l ( 1 一s t l ) ( 1 一叉2 ) 一s 1 2 最l 1 0 ( 2 - 3 ) 坠嗡一坠 + 一 一 兰 乙 = 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 中二端口的开路阻抗参数方程为 i u = z l 。厶+ z 1 ：厶 【u 2 = z 2 。i i + z 2 2 厶 由于z ，= 0 0 ( 厶= 0 ) ，所以，开路电压传输函数为 日：丝：型：鱼 uz i ，厶z l 。 将式( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 代入上式，得 h ：堕： 兰墨2 u 。( 1 + s 1 ) ( 1 一是2 ) + s 1 2 曼l 其中h ，u ：，u 1 ，s l i ，s 1 ：，8 2 i ，s 2 2 均是频率f 的函数。 2 2 3 衰减器端口2 有负载时的处理方法 以上推导的是衰减器传输特性的两种参数的表示方法，但是上述两种方法是在 空载下得到的，在实际的测量系统中，在衰减器的端口2 会连接一个数字存储示波 器，在这里数字存储示波器会等效成一个负载，所以应考虑负载效应。下面给出连 接有负载时的处理方法： 1 、对于z 参数毒示法即白2 鲁2 茜筹2 詈，设空载时的衰减器网络是l ， 可以先把1 网络利用其z 参数等效成一个t 型阻抗网络，加数字存储示波器这个负 载后的网络是，这时就可以算出新的网络m 的传输特性h j + 呗0 就是数字存储示 波器上的显示数值和变电站二次侧的数值的比值了。 z 。z z 得到新的网络 2 的z 参数 图2 6 负载时z 参数法的处理流程 2 、对于孓参数表示法即日2 谠2 百。i i 茹= z 6 夏1 2 了丽同样，设空载时的衰 减器网络是1 ，可以先把1 网络的s 参数通过公式转换成z 参数的表达方式，然后 再通过处理z 参数表达法的方法换算成新的网络m 的z 参数，再通过公式转换成s 参数，即可以算出新的网络 的传输特性h ，则就是数字存储示波器上的显示数 值和变电站二次侧的数值的比值了。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 电压传输函数的测量 2 3 1 衰减器宽频传输特性的扫频测量法 由线性系统频域分析发展起来的频域测量技术，仍是当前对模拟系统测量的基 本技术，在线性系统测量中具有特殊意义。所谓“扫频测量法【4 2 】”，就是利用某种 方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律、在一定范围内扫动以获得线性系统的 频率响应特性。 用扫频测量法测量电压衰减器宽频传输特性时，在电压衰减器一次侧施加信号 发生器发出的某一频率下幅值适宜的正弦信号，并利用双通道数字存储示波器同时 测量电压衰减器一次侧和二次侧的电压信号，就可以得到该频率下被测电压衰减器 的电压传输特性。使正弦信号的频率按一定规律、在一定范围内扫动，利用双通道 数字存储示波器跟踪测量，就可以得电压衰减器在响应频率范围内的电压传输特 性。图2 7 给出了扫频测量法测量电压衰减器电压传输特性的接线图。 图2 7电压衰减器电压传输特性的测量接线示意图 2 3 2 电压衰减器宽频传输特性的脉冲测量法 2 3 2 1 测量的基本原理 不考虑互感器的非线性特性时，利用信号发生器产生一个幅值适宜的脉冲信 号，将其施加在电压互感器的高压侧，同时用双通道数字存储示波器测量电压互感 器高压侧电压波形( f ) 和低压侧电压波形u 2 ( f ) ，并利用数字存储示波器的接口软件 传送到计算机进行快速傅里叶变换( f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，得到它们的 频率特性u ( j c o ) 和u 2 ( j c o ) ，则该电压互感器的宽频电压传输特性 4 2 】为： 删班船= ) | z e ( j 国) ( 2 - 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 2 脉冲信号的选取 图2 8 ( a ) 所示为一个采样信号，又称为s i n c 信号。该信号的表达式为： x ( r ) ：s i n ( w t ) ( 2 5 ) 7 r t 该信号的第一个波瓣的宽度为一7 r w 万形，图2 - 8 ( b ) 所示为它的傅立叶变换， 其中，丌为该信号的幅值【4 2 1 。 t r ，w 丌， ( a ) s i n c 信号 x ( j w ) 1 卜l 一 0w ( b ) s i n c 信号对应的傅立叶变换 图2 - 8s i n c 信号及其傅立叶变换 从图2 8 可以看出，s i n c 信号具有两个特点。第一，s i n c 信号频谱是一个矩形， 其角频率范围为一形缈，或其频率范围为一w 2 r c w1 2 r e ，其截止频率为： 矗舣= w 2 7 c ( 2 6 ) 上式表明：s i n c 信号的频谱在一w 2 万w 2 万的频率范围内任一频点上的幅值是 相等的；第二，s i n c 信号第一个波瓣的宽度和傅立叶变换后得到的频谱宽度有一个对应 关系，通过调节s i n c 信号的第一个波瓣的宽度，就可以调节s i n c 信号的截止频率。s i n c 信号第一个波瓣的宽度越宽，贝0 它的截止频率越低；s i n c 信号第一个波瓣的宽度越窄， 华北电力大学硕士学位论文 则它的截止频率越高。因此，选用s i n c 信号作为对电压互感器宽频电压传输特性进行 脉冲测量的脉冲信号是可行的。 2 。4 电压衰减器宽频传输特性的阻抗测量法和实例 2 4 1 传输特性阻抗测量法的原理 衰减器由线绕电阻、电缆、屏蔽盒等组成。由于电阻、电缆、导线在高频下都 有较大的分布参数，本文把衰减器用的线绕电阻、电缆、导线等视作一个二端口网 络，并对其进行补偿 4 3 】。图2 - 9 为其原理图，为阻性分压器。图2 1 0 是考虑分布效 应情况下的原理图。 图2 - 9 衰减器原理图 o 一r = c 一r - _ 2 c 1 衰减器的端口1 的输入阻抗 乙可表示为： z f 。2 瓦a z l 知2 + b 其中a 、b 、c 、d 为衰减器二端口的传输参数( t 参数) ，z l ：为端口2 的负载。则当乙： 开路、短路和端接一个电阻时，z 埘均有不同的值，又a d - b c = l ，则可得到下列方程： z o c 昙+ z s c = 畜b z z l _ a z h l - 卜f b 5 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 彳d 一曰c = l ( 2 - 1 0 ) 则由四个方程可得到衰减器的二端口网络的t 参数，即可求得z 参数。则当衰减器无端 接时电压转移函数日为： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 日= 兰= 纽( 2 1 1 ) u lz 1 l 其中电压转移函数h 、乙、z ，、a 、b 、c 、d 是随着频率f 变化的。 2 4 2 传输特性阻抗测量法的实例 本章采用a g i l e n t4 3 9 6 a 网络频谱阻抗分析仪分别测量了实验室自己研制的 c 0 0 5 0 和e 0 1 0 0 两个衰减器在不同端接下的输入阻抗，从而根据输入阻抗算出了衰 减器的传输特性。该网络分析仪在阻抗分析功能下的频谱范围为l o o k h z 5 0 0 m h z ， 频率最小分辨率为l m h z 。 对于空气绝缘变电站，断路器和开关操作在变电站的p t 、c t 等二次设备端口 上产生的瞬态电压的频谱可达i o o m h z ，但主要成分集中在5 0 m h z 的频率范围内，因 此本次测量频率选为l o o k h z - - 一，5 0 m h z ，这个范围能满足工程需要。 校准能消除误差，提高测量精度。在实际测量之前应同上节所述做好校准工作， 然后将阻抗分析仪的初始频率设为l o o k h z ，终止频率设为5 0 m h z ，横坐标采用对数 形式。图2 1 1 给出了电压衰减器的各种短接阻抗测量输入阻抗的测量接线示意图， 图2 - 1 2 到图2 - 1 5 给出了该电压衰减器在各种端接情况下的输入阻抗的测量结果。 其中图2 1 2 是衰减器c 0 0 5 0 端口2 开路的输入阻抗，图2 1 3 是端口2 短路时的输 入阻抗，图2 - 1 4 是端口2 接有负载r 0 时的输入阻抗。图2 - 1 5 是试验电阻r o 的幅 频特性。 阻抗分析仪电压衰减器 c 图2 - 1 1 用阻抗分析仪测量电压衰减器不同端接的输入阻抗接线图 负 载 图2 1 2c 0 0 5 0 端口2 开路的输入阻抗图2 1 3c 0 0 5 0 端口2 短路的输入阻抗 1 5 华北电力大学硕士学位论文 特性 图2 1 6 衰减器c 0 0 5 0 的传输特性 图2 1 7 衰减器e o l 0 0 的传输特性 根据在上一小节中的衰减器电压传输特性的阻抗测量法，计算出c 0 0 5 0 的电压 传输特性如图2 1 6 所示。根据图2 一1 6 衰减器c 0 0 5 0 的传输特性可以看出，该衰减 器在小于1 m h z 的频段内有较好的电压传输特性，大于1 m h z 的频段其电压传输特性 不够理想，我们可以得到这样的结论：在使用本衰减器测量频带范围小于1 m h z 的 电压信号时，所测量得到的数据基本不需要补偿，但是在大于1 m h z 的频段内，其 宽频特性较差，所以需要对测量的数据进行补偿，不然有很大的误差。图2 - 1 7 是 衰减器e 0 0 1 0 的传输特性，和衰减器c 0 0 5 0 有类似的性质。 2 5 衰减器的逐点补偿法及其应用实例 2 5 1 逐点补偿法的原理 逐点补偿法就是通过对数字存储示波器上的数据进行快速傅里叶变换，得到 其频谱，然后由测量得到的电压衰减器的传输特性进行还原真实数据的一种方法， 它是一种频域方法。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 8 变电站骚扰电压数据的频域流程 、 逐电补偿法是一种数字补偿方法，它和对硬件进行补偿的硬件补偿法比有以下 优点：、不用对衰减器的主结构进行更改，不会对衰减器的性能造成影响，更不 会造成破坏，、由于是数字补偿法，不用花费购买元器件，成本小，、数字补 偿法精确，而且误差容易控制。 如图1 l ，设在变电站二次设备端口信号的数据为x ( t ) ，存储在数字存储示波器 上的数据为y ( t ) ，电压衰减器的传输特性为h ( f ) 。y ( t ) 经过快速傅立叶变换后得到 其频谱y ( f ) ，由于x ( f ) 卑h ( f ) = 】，( ) ，则在频域做如下变换，则可得到二次设备端 口数据的频谱： x ( 厂) ：塑( 2 12 ) 爿( ) 对( 2 1 2 ) 中的x ( f ) 进行反傅立叶变换变换则即可得n - ：次设备端口电压信号的 离散化的时域形式x ( t ) 。 需要注意的是，当y ( f ) 和h ( f ) 的频率分辨力不同时，则不可直接利用式( 2 一1 2 ) 进行计算，需要采用再采样和插值技术y ( f ) 和h ( f ) 有相同的频率分辨力然后再进 行计算。 2 5 2 逐点补偿法的应用实例 以在保北5 0 0 k v 变电站进行的开关操作所产生骚扰的测量工作为例。图2 1 9 是闭合保霸线上5 0 3 1 6 刀闸时在现场c t 的n 对地所产生的瞬态骚扰电压的时域波 形，数据文件名是“0 1 c s v ”0 取的是n 对地，是共模电压量，双极性，峰峰值是 1 4 6 8 v ，上升时间是1 2 5 n s ，采样率是4 0 m h z ，测量数据时采用的是e 0 1 0 0 衰减器， 衰减比1 0 0 ：1 。图2 2 0 是频谱图，可以看出其频带宽度是2 0 0 k h z 一8 m h z ，主频分 布是5 0 0 k h z ，1 5 m h z 和6 m h z 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 9 数据0 1 c s v 的时域波形图2 2 0 数据0 1 c s v 的频谱 现在使用测量得到的衰减器e 0 1 0 0 的电压传输特性对这条数据使用逐点补偿法 进行补偿。图2 - 2 1 是数据0 1 c s v 补偿后的数据的频谱，图2 - 2 2 是数据0 1 c s v 补 偿前后骚扰电压的频谱的对比图，图2 2 3 是骚扰电压数据0 1 c s v 补偿后的时域波 形，图2 - 2 4 是骚扰电压数据0 1 ：c s v 补偿前后时域波形的对比图。 图2 - 2 1 数据0 1 c s v 补偿后的频谱图2 - 2 2 数据0 1 c s v 补偿前后的频谱对比 卜。； 。叫 _ “ i ： 051 01 5加篇笃柏蜡 t 图2 2 30 1 c s v 补偿后的时域波形图2 2 40 1 c s v 补偿前后时域波形的对比 分析补偿后的频谱和时域波形我们可以发现：补偿前后其频谱在主频分布上 没有改变，但是在主频点也就是频谱密度大的频点上其频谱密度较补偿前有所增 1 8 华北电力大学硕士学位论文 加；时域上补偿前峰峰值为1 4 6 8 v ，补偿后的为1 5 9 2 v ，比补偿前增大了1 2 4 v 。在时 域波形的形状上也有所改变。 4 0 图2 - 2 5 电压补偿前的时域波形图2 - 2 6 电压补偿前的频谱 图2 2 7 使用的衰减器的传输特性图2 - 2 8 电压补偿后的频谱 卜 o o1 枷3 0 0 柏o 06 7 8 t 图2 2 9 电压补偿前后的频谱对比图2 3 0 龟压补偿后的时域波形 图2 2 5 到图2 3 1 是对使用衰减器衰减的万全变电站电压数据进行补偿。图 2 2 5 电压补偿前的时域波形，图2 - 2 6 电压补偿前的频谱，图2 2 7 使用的衰减器 的传输特性，图2 2 8 电压补偿后的频谱，图2 - 2 9 电压补偿前后的频谱对比，图 2 3 0 电压补偿后的时域波形，图2 - 3 1 电压补偿前后的时域波形。从图形上可以看 1 9 华北电力大学硕士学位论文 出，补偿前的峰峰值是1 0 5 v ，补偿后只有5 3 v ，减少了5 2 v 。 2 6 本章小结 图2 3 1 电压补偿前后的时域波形 本章首先推导了二端口网络端口2 开路时电压传输函数的阻抗参数表示法和散 射参数表示法，然后提出了在端口2 接有不同负载时的解决方案，为下面衰减器端 口2 接有数字存储示波器问题的解决做准备。 本章提出了测量衰减器的电压传输函数的阻抗法。由于在使用网络分析仪测量 二端口网络时要求必须是匹配网络，而衰减器有较大的输入阻抗和输出阻抗，所以 难以直接使用网络分析仪测量散射参数。本文是用阻抗分析仪测量衰减器在断口2 不同端接负载的情况下的输入阻抗，从而可以计算得到其t 参数，再使用公式转化 为z 参数，即可计