电网非接触式过电压在线监测技术(毕业论文).doc

学号_200632540298_ 密级_ _ （黑体5号）武汉大学本科毕业论文 电网非接触式过电压在线监测技术院（系）名 称：电气工程学院专 业 名 称 ：电气工程及其自动化学 生 姓 名 ：张鹏指 导 教 师 ：袁佳歆 副教授 二一年六月BACHELORS DEGREE THESIS OF WUHAN UNIVERSITYOver-voltage online monitoring by non-contact sensor College ：Electrical engeering collegeSubject ：Electrical engeering and automationName ：Zhang PengDirected by ：Yuan Jiaxin Vice professor June 2010郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要电力系统的供电的可靠性是由一定时间内中断用户供电的次数和每次中断供电的持续时间来衡量的。电力系统之所以会发生中断用户供电的情况，很大程度上是因为电力系统发生了故障，导致系统的继电保护动作，从而使系统供电中断。系统发生故障时最明显的现象就是系统的电压变化和电流变化。系统发生故障时经常伴随过电压的产生，系统的故障类型不同，发生的过电压的类型也就不同，过电压的程度及其持续时间也有很大的差异。系统的过电压会导致继电保护装置的动作，从而使系统部分供电中断，同时，过电压也会使系统设备的遭到损害，系统中设备的绝缘有可能会在多次的过电压作用后发生老化，甚至有可能使绝缘击穿。因此对过电压的监测十分重要。本文首先讲述了各种过电压的类型及其产生的机理，然后介绍了非接触式过电压在线监测的传感器的原理，并用ATP-EMTP软件对基于平行多导线耦合原理的非接触式传感器进行仿真，验证其原理的可行性，同时也用MATLAB编写程序计算验证仿真的准确性，通过验证我们发现这种传感器能够用于过电压在线监测。然后我们通过实验来验证基于平行多导线耦合原理的非接触式传感器的过电压监测实验，来验证工程上的可行性。通过实验，我们得出结论，这种传感器可用于过电压在线监测，并有很好的发展前景。关键词：过电压，在线监测，非接触式传感器，多导线耦合AbstractThe reliability of Power Supply in the Power System is measured by the frequency of Power Supply interruption and the duration of each time. Power Supply interruption in the Power Systems had occurred the situation, largely because power system malfunctioned,which cause the system to the protective actions. The most obvious phenomenon of the system failure is voltage and current changes. System failure often associates with over-voltage generation. Over-voltage level and its duration are quite different according to the types of system failure. Over-voltage will cause damage to system equipment.The insulation of the equipment may be aging after the over-voltage and even may be breakdown.So Over-voltage monitoring is very important. In this dissertation,First we talk about the over-voltage generating mechanism of various types ,then we introduce The principle of non-contact sensor and we do the simulation using APT-EMTP in order to verify its feasibility.We also program in Matlab to verify the accuracy of simulation. After that,We have done some experiment At last,we find out that validation of this sensor can be used in Over-voltage Monitoring and it has a bright future in the next few years.Key Words: over-voltage；on-line monitoring；non-contact sensors；multi-wire coupling目 录第一章 绪论11.1 本课题的研究意义11.2 国内外现状及发展趋势11.2.1 非接触式电压传感器的特点31.3 课题研究的内容方法3第二章 过电压的类型及其产生机理52.1 引言52.2 雷电过电压62.2.1 雷电放电的过程62.2.2 感应雷过电压82.2.3 直击雷过电压82.3 内过电压82.3.1 工频过电压82.3.2 谐振过电压102.3.3 操作过电压11第三章 非接触式过电压在线监测的原理153.1 过电压监测系统的构成153.2 非接触式传感器原理163.2.1 单相线路原理173.2.2 三相线路原理18第四章 非接触式过电压仿真及计算234.1 正常工作状态下电压仿真234.1.1 单相交流的仿真234.1.2 三相交流的仿真254.1.3 单相直流的仿真284.2 过电压仿真30第五章 过电压在线监测实验335.1 实验装置335.2 实验方案345.3 实验数据处理与分析355.3.1 电容分压器对测量系统的影响355.3.2 支撑材料对传感器的影响365.3.3 湿度对传感器的影响375.3.4 高度对传感器的影响385.3.5 感应线长度对传感器的影响395.3.6 末端电容对传感器的影响395.4 实验总结40第六章 结论及展望426.1 结论426.2 展望42参考文献44致 谢45第一章 绪论1.1 本课题的研究意义电力系统中电压超过正常电压的情况叫做电力系统过电压。电力系统过电压产生的根本原因就是系统中电磁能量的转移和转化。电力系统的过电压严重影响了电力系统的供电可靠性。电力系统供电的可靠性是由一定时间内中断用户供电的次数和每次中断供电的持续时间来衡量的。可靠性在很大程度上取决于电力系统的耐电冲击特性，虽然有很多原因导致系统供电的中断，但是其中最常见的就是各种短路故障，而这些短路故障有很大一部分是系统中某些电力设备绝缘被击穿造成的。电力系统的过电压是造成电力设备绝缘击穿的直接原因。正常情况下，电力设备处于正常的电压作用下，其设备的绝缘强度能够保证在正常工作状态下不发生击穿。但是很多时候，电力设备并不是时刻处于正常工作电压的作用下，经常遇到过电压的侵袭。当过电压较小时，电力设备的绝缘可能不会马上击穿，但是这种过电压会使电力设备的绝缘老化，降低其耐电强度。当过电压较大时，电力设备的绝缘会直接被击穿，从而引发各种事故。过电压产生的原因很多，虽然我们可以采取一些措施尽可能的避免过电压的产生，或者在一定程度上减小过电压的幅值，但是在实际的系统中，还是会产生各种过电压。因此过电压的在线检测就显得尤其重要，通过过电压的在线检测，我们可以知道系统什么时候发生了什么类型的过电压，以及过电压的幅值，波形等等，这有利于我们采取各种措施来降低过电压的危害，防止电力设备的绝缘遭到破坏，从而提高电力系统的供电可靠性。与此同时，通过过电压在线监测，我们可以得到很多过电压的数据，分析系统每个环节产生的过电压幅值，得知系统的设备所需承受的过电压大小，从而确定设备的绝缘配合。1.2 国内外现状及发展趋势国外过电压在线监测系统一般采用分散式结构1，即前置智能化过电压在线采集器。采用完全模块化设计，一般主要由32 位微型工控机，电源板，各种智能数据采集板构成，主要完成故障记录、事件记录、电气量的计算和记录、以及记录管理功能，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。使用DSP芯片完成数据的采集和计算，数据采集模块通过个高速的总线，如PC、VME等，与中央处理器连接，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据记录格式以便于通信。国外过电压在线监测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网连到1 台PC机或专用处理器上，实现对多条母线电压的监测2。利用后台机的管理分析软件，进行数据的分析与显示。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。集中式过电压在线检测装置一般采用分层式结构，管理层一般采用PC系列工控机3, 4，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MSC196 和MSC51 系列单片机组成双CPU结构，一片负责数据的采集和A/D转换，另一片负责计算和判断是否要启动数据存储，也有的从机模板采用1 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间采用PCI或ISA总线相联4。但这种设计受硬件配置的限制，采样频率不高，分辨率一般为12 位，同时容易产生数据传输的瓶颈效应，不利于故障信息的及时传输和处理。目前国内外故障录波装置的信号大都是从电容分压器或者电压互感器中获得的。这两种电压传感器在目前的电力系统中被广泛的采用，但是这两种电压传感器均为接触式电压传感器，它们的绝缘水平要求都比较高，且都存在各自的局限性。电容分压器虽然结构简单，测量精度较高，暂态响应及负载特性好，但在测量过程中会与系统中的其他感性元件一起产生振荡，且分压器并联于电压等级较高的系统时，必须考虑其长期运行的可能性、发热、阻抗匹配、交流冲击、安全等一系列问题。电压互感器在电力系统中的应用比较成熟。但是电压互感器大部分采用铁磁材料作为铁心, 主要用于获取低频信号, 较难捕捉到高频过电压。且电压互感器的铁芯在饱和时为非线性，容易与系统中的电容常数配合，使系统发生谐振，产生PT谐振过电压，对设备和系统的绝缘产生影响，有时候甚至会使PT烧毁。为了解决上述两种传感器所存在的问题，国内外进行了大量的研究，取得了一系列的成果。主要有基于霍尔效应的电压传感器，非接触式电压传感器，光电传感器等5。1.2.1 非接触式电压传感器的特点1、在较高等级电网中，非接触式电压传感器比高压分压器更安全。非接触式电压传感器感应出的电压值一般较小，与电网没有直接电气联系，运行起来更加安全可靠。2、非接触式电压传感器无铁磁部分，避免了由于铁心的非线性引起的铁磁谐振过电压。3、传感器装置频响特性好，测量精度高，可以捕捉高频信号，对于采集、测量操作过程中的电压数据十分有效。4、设备简单，成本低廉，便于推广6 。1.3 课题研究的内容方法本课题主要是针对电网非接触式传感器过电压在线监测的研究，主要的工作内容和方法如下：1、查看过电压在线检测的相关书籍及论文，了解过电压产生的机理，以及抑制各种过电压的相关措施，了解当前国内外电力系统过电压在线检测的方法及各种传感器的特性及发展趋势。通过相关论文的阅读，获悉当前在过电压检测方面，我们已经研究到什么程度。初步拟定自己的研究方向。2、查看相关论文，了解非接触式传感器的原理，以及非接触式传感器的性能特点。3、学会使用ATPEMTP仿真软件，利用ATPEMTP软件实现基于平行多导线耦合原理的非接触式传感器测量电力系统过电压的仿真。通过仿真进一步认识这种传感器的特性，并且验证平行多导线耦合原理的非接触式传感器的可行性。4、了解非接触式传感器的原理之后，通过计算来验证仿真的结果的正确性，同时也可验证传感器原理的可行性。用MATLAB编写程序来实现计算。计算的内容包括直流，单相交流和三相交流三种情况。5、设计基于平行多导线耦合原理的非接触式传感器的实验方案，考虑各种对实验的影响因素来优化实验方案，降低实验误差。通过对实验数据的分析，进一步的优化实验方案。6、总结毕业设计的内容，进一步提出可以改进的地方。第二章 过电压的类型及其产生机理2.1 引言电力系统中过电压产生的根本原因是系统中电磁能量的转化。根据系统中产生过电压的能量的来源分类，我们可以将过电压分为雷电过电压和内过电压。雷电过电压的能量来源于系统外部的雷电，故又叫大气过电压或外部过电压。内过电压的能量来源于电力系统中的电源7。雷电过电压分为直击雷过电压、感应雷过电压。雷击线路附近地面或线路杆塔时由于电磁感应在导线上引起的过电压，称为感应雷过电压。雷直接击于线路引起的过电压，称为直击雷过电压7。直击雷过电压分为雷击输电线杆塔、雷击档距中央、雷绕击于输电线。输电线路防雷性能的重要指标是耐雷水平和雷击跳闸率。耐雷水平是雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。雷击跳闸率是指取标准雷暴日数为40时，每年每100km线路的雷击跳闸次数7。内过电压是由电力系统内部电磁能量的转化和传递引起的，由于系统内过电压的能量来自于系统本身，因此内过电压的大小与系统的电压等级有关。110kv以上的系统，电压等级较高，发生内过电压的幅值也就比较高，因此对于110kv以上的系统，线路和设备的绝缘水平由系统可能产生的内过电压大小确定。而对于较低电压等级的系统，其线路和设备的绝缘水平一般由雷电过电压的大小确定。系统的内过电压分为暂时过电压和操作过电压。电力系统中由于电感和电容的参数的配合不当，会产生持续时间较长的各种形式的谐振现象或电压升高，称为暂时过电压8。另外，在电力系统中，由于断路器的操作和各类故障，使系统参数发生变化，造成电磁能量的积累与振荡，而在系统内部产生的过渡过程引起的瞬时电压升高，称为操作过电压。系统中的暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。工频过电压的形式包括甩负荷过电压，不对称接地过电压，空载长线电容效应导致的过电压。谐振过电压的形式有线性谐振过电压，铁磁谐振过电压和参数谐振过电压。操作过电压的形式包括切断空载线路过电压，空载线路合闸过电压，切断空载变压器过电压和间歇电弧接地过电压等。综上所述，各种类型过电压的分类可以用下图来表示：图2.1 过电压的分类2.2 雷电过电压雷电过电压是由于外界能量的引入而引起的过电压。雷电是一种自然现象，是指雷云放电时所表现出的雷鸣电闪，即带电荷的雷云与大地之间或带异号电荷雷云之间的气体放电。从雷电放电所造成的后果来讲，人们更关心雷云与大地之间的放电，这将对人、动物、建筑物、电气设备、以及通讯网络等造成很大的破坏，有时甚至会造成巨大的经济损失9。2.2.1 雷电放电的过程 雷电放电是一种长间隙的自持放电，存在先导过程。通常90的雷电都是负极性的，而且大部分都属于下行雷10。我们以下行雷为例，介绍雷电放电的三个阶段11,12。1、先导放电阶段：雷云对大地有静电感应，在雷云电场的作用下，大地感应出异号电荷，两者形成一个特殊的大电容器，随着雷云中电荷的逐步积累，空间的电场强度不断增大。当雷云中的电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强时，就会产生强烈的碰撞电离，形成指向大地的一段导电通道，称为雷电先导。先导放电不是连续向下发展的，而是一段接着一段的向前推进的。2、主放电阶段：当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时，便产生强烈的“中和”过程，引起极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随出现闪电和雷鸣现象。主放电阶段的特点是主放电存在的时间极短，约为50到100，且放电电流极大，可达到数十至数百千安。3、余光放电阶段：主放电到达云端就结束了，然后云中的残余电荷经主放电通道流下来，称为余光放电阶段。由于雷云中的电阻很大，余光放电阶段对应的电流不大，约为数百安培，持续时间则较长（0.030.15s）7。雷云中的电荷分部是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至更多个的中心向第一个中心放电，并沿原来的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30KA，但是雷电后续分量的陡度非常大，对电力系统的危害很大13。图2.2 雷电放电的发展过程2.2.2 感应雷过电压当雷击线路附近大地或线路杆塔时，由于雷电通道周围空间电磁场的剧烈变化，会在输电线上感应产生过电压。该过电压由静电分量和电磁分量两部分构成。感应过电压的静电分量和电磁分量都是在主放电过程中，由统一的电磁场的突变而同时产生的，由于主放电通道和导线差不多互相垂直，互感不大，电磁感应较弱，因此电磁感应分量要比静电感应分量小得多，故静电分量将起主要的作用。感应雷过电压具有如下的特点：1、感应雷过电压的极性一定与雷云的极性相反；2、感应雷过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后才能出现；3、感应雷过电压的波前平缓(数微秒到数十微秒)，波长较长(数百微秒)；4、感应雷过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相等，故不会出现相间电位差和相间闪络，如幅值较大，也只能引起对地闪络9。2.2.3 直击雷过电压我国110KV及以上线路一般全线装有避雷器，而35KV及以下线路一般不装设避雷线，线路落雷有三种情况：雷击杆塔塔顶及其附近避雷线、雷绕击于线路、雷击避雷线档距中央。直击雷过电压对电力系统的危害最大。雷击线路后，雷电波会沿着输电线浸入变电站，对变电站的设备造成破坏，因此，变电站都装有12km的进线段保护，用来限制雷电波的幅值和陡度。并且在变电站进线处也要安装避雷器，防止雷电波的侵入。2.3 内过电压2.3.1 工频过电压电力系统中的工频过电压倍数一般小于2，这对于220kv及其以下系统的正常绝缘的电气设备是没有危害。但是对特高压、超高压远距离输电系统，工频过电压对确定系统绝缘水平却起着决定性的作用，必须予以充分的重视。工频电压升高的数值是决定保护电器的工作条件的重要根据8。例如，避雷器的最大允许工作电压就是由避雷器安装处的工频电压升高决定的。工频电压升高的幅值越大，避雷线的最大允许工作电压也要提高，则避雷器的冲击放电电压和残压也将提高，相应被保护的电气设备绝缘水平也要随之提高。2.3.1.1 空载长线路的电容效应空载长线路末端电压高于首端电压的的现象就是所谓的空载长线路的电容效应而引起的工频电压升高。如图2.3所示，一般线路的等值容抗远远大于线路的等值感抗，输电线路的等值电路如下：图2.3 输电线路等值电路图图2.4 电压的向量图由上可知，在线路空载的情况下，在输电线路首端电压的作用下，可列出如下电路方程为： （2.1）以为参考方向，可得到图2.4所示的向量图，由向量图可以清楚的看到，由于电容电流的存在，线路末端的电压反而比首端的电压大。这就是空载长线路的电容效应。2.3.1.2 不对称接地引起的工频电压升高不对称接地是输电线路中最常见的故障形式。当系统发生单相或者两相不对称接地短路时，短路引起的零序电流会使健全相出现工频电压升高，其中单相接地时非故障相的电压可达到较高的数值，若同时发生健全相的避雷器动作，则要求避雷器能在较高的工频电压作用下切断续流。因此，单相接地工频电压升高是确定避雷器灭弧电压的依据8。在中性点直接接地或经低值阻抗接地系统中，零序电抗是感抗，而系统的正序电抗是感性的，此时非故障相电压随着（为零序电抗，为正序电抗）值的增大而上升。高压和超高压系统采取中性点直接接地方式时，由于考虑继电保护、系统稳定等方面的要求，一般，其故障相电压升高不大于0.8倍线电压。中性点不接地系统包括两种情况：中性点绝缘、中性点经消弧线圈接地。中性点绝缘时单相接地时非故障点的工频电压升高约为1.1倍线电压。中性点经消弧线圈接地的系统，即在系统中性点与地之间接一个电感线圈，用以补偿零序电容，此种情况下非故障相电压有可能上升至线电压。2.3.1.3 甩负荷引起的工频过电压当线路重负荷运行时，由于某种原因，如系统发生接地短路故障，断路器将跳闸甩掉负荷。甩负荷前，由于线路上输送着相当大的有功及感性无功功率，因此系统电源电势必然高于母线电压。甩负荷后，根据磁链不变原理，电源暂态电势将维持原来的数值，加上甩负荷后形成的电容效应以及发电机超速造成电势和频率上升，将产生较高的工频过电压。2.3.2 谐振过电压谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态（或准稳态）现象7。在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波幅值会急剧上升。电力系统中包括有许多电感和电容元件，电感元件有电力变压器、电磁式电压互感器、电抗器、发电机、消弧线圈以及线路导线等的电感；电容元件有线路导线的对地电容和相间电容、补偿用的串联和并联电容器组以及各种高压设备的寄生电容等。在正常运行时，这些元件参数不会形成谐振，但在系统进行操作或发生故障时，这些电感和电容元件，可能形成各种不同的振荡回路，在电源作用下，产生谐振现象，引起谐振过电压。谐振过电压持续时间比操作过电压长得多，甚至是稳定存在的，直到破坏谐振条件为止。某些情况下，谐振发生一段时候后会自动消失，不能自保持。谐振过电压的危害性既决定于其幅值大小，也决定于持续时间长短。电力系统中的电容一般为线性参数，而电感则可以是线性、非线性或周期性变动的参数，它们与电容参数配合就构成了三种不同性质的谐振7：1、线性谐振：这种回路中的电感与电容、电阻一样，都是线性参数。回路中的电感元件或者为不带铁芯的电感(如线路电感和变压器漏感)，或者为励磁特性接近线性的有铁芯电感(如消弧线圈，其铁芯常带有气隙)。发生线性谐振的条件是等值回路的自振频率等于或接近电源频率。2、铁磁谐振(非线性谐振)：是发生在含有非线性电感元件的串联振荡回路中的谐振。当电感元件带有铁芯时，一般都会出现饱和现象，这时电感不再是常数，而是随着电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会产生铁磁谐振现象。铁磁谐振与线性谐振的特点不大相同。由于谐振回路中的铁芯电感会因磁饱和程度不同而相应有不同的电感量，于是铁磁谐振回路的自振角频率也不是固定的。研究表明，在不同的条件作用下，铁磁振荡回路可产生三种谐振状态：谐振频率等于工频的工频谐振，也称基波谐振；谐振频率为工频整数倍的高频谐振，也称高次谐波谐振；谐振频率为工频分数倍的分频谐振，也称分次谐波谐振。3、参数谐振：系统中某些元件的电感参数在某种情况下会发生周期性的变化，例如发电机转动时，其电感的大小随着转子位置的不同而周期性的变化。当发电机带有电容性负载(例如一段空载线路)时，如再存在不利的参数配合，就有可能引发参数谐振现象。谐振过电压不仅会在操作或发生故障的过程中产生，而且可能在过渡过程结束后的较长时间内稳定存在，直到发生新的操作，谐振条件受到破坏为止。谐振过程不仅会产生过电压使电气设备的绝缘，产生持续的过电流而烧毁设备，而且还可能影响过电压保护装置的工作条件，如影响阀型避雷器的灭弧条件。对谐振过电压的根本防护措施是设法改变电路参数，以避开谐振7。2.3.3 操作过电压电力系统中有许多电感、电容元件，构成了复杂的振荡回路。操作过电压是指电力系统中由于操作从一种稳定工作状态通过振荡转变到另一种工作状态的过渡过程中所产生的过电压。这里所指的操作，包括断路器的正常操作，例如空载线路的分闸合闸操作、空载变压器和电抗器的分闸操作等；还包括故障情况，例如接地故障，短路故障。操作过电压的能量来源于电力系统本身，所以操作过电压的数值与电力系统中的额定电压有关。电力系统中的额定电压越高，操作过电压的问题就越突出。在超高压、特高压电网中，操作过电压对电气设备的绝缘选择起着决定性的作用。因此操作过电压的防护是发展超高压、特高压电网的重要研究课题之一。2.3.3.1 间歇电弧接地过电压运行经验表明，电力系统的故障至少有60是单相接地故障。在中性点接地电网中，当发生单相接地故障时，故障点与接地点可以构成一个短路回路，此时，回路中电流很大，继电保护装置会动作，导致线路被切除。但是，在中性点不接地电网中，系统单相接地时流过故障点的电流是不大的对地电容电流，这时系统三相电源电压仍然维持对称，不影响对用户的继续供电，因此不要求立即切除故障线路，允许继续运行一段时间（一般0.52h）。 在中性点不接地系统中，当电网较小，线路不长，线路对地电容电流较小时，系统发生单相接地故障时流过接地点的电流也小，许多临时性的单相电弧接地故障，接地电流可以自动熄灭，系统很快恢复正常。随着电网的发展和电缆出线的增多，单相接地电容电流也随之增加，当610kv线路电容电流超过30A，2060kv线路电容电流超过10A时，接地电弧将难以自动熄灭。但这种电容电流又不会大到形成稳定的电弧的程度，而表现为接地电流过零时电弧暂时性熄灭，随后在故障点恢复电压的作用下，又重新出现电弧，系统出现电弧时燃时灭的不稳定状态。这种故障点电弧重燃和熄灭的间歇性现象，引起电力系统状态瞬间改变，导致电网中的电感、电容回路中的电磁振荡，因而产生遍及全电网的电弧接地过电压。这种过电压持续时间较长，若不采取措施，可能危机设备绝缘，引起线间短路造成故障。在实际电网发生间歇电弧接地时，燃弧和重燃是随机的，这对过电压的倍数有很大的影响，另外系统相关参数对过电压也有较大的影响，如考虑线路间电容、绝缘子串泄露残余电荷以及网络损耗电阻对过渡过程都将有衰减作用。因此，实际电网中间歇电弧接地过电压的倍数一般小于3.1。为了防止此种过电压的影响，通常采取中性点接消弧线圈来补偿电容电流，一般消弧线圈处于过补偿状态。2.3.3.2 空载线路分闸过电压切除空载线路过电压产生的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。在分闸初期，由于断路器触头间恢复电压上升速度可能超过介质恢复强度的上升速度，造成电弧重燃现象，从而引起电磁振荡，出现过电压。空载线路分闸过电压不仅幅值高，而且持续时间长，可达0.51 个工频周期以上。而且断路器灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值越高9。影响过电压的因素有：1、断路器的灭弧性能及电弧燃灭过程的随机性；2、线路侧的损耗因素。线路侧的损耗，尤其是有功损耗能起到阻尼振荡的作用，从而使过电压减小。3、中性点接地方式。中性点不接地时，因三相断路器动作的不同期，会形成瞬时的不对称，产生中性点位移电压，使过电压增大。为了限制线路分闸过电压可以采取以下措施：1、改善断路器的灭弧性能；2、采用带并联电阻的断路器；3、采用避雷器。2.3.3.3 空载线路合闸过电压空载线路的合闸有两种不同的形式：一种是计划性合闸操作；另一种是自动重合闸操作。空载线路无论是计划性合闸还是自动重合闸，都将使线路从一种稳态过渡到另一种稳态，又由于系统中L、C的存在，会产生振荡过电压。由于长线路的分布参数特性，过电压将由工频稳态分量和无限个迅速衰减的分量叠加组成。过电压系数一般小于2，通常为1.651.85。计划性合空载线路产生的最大过电压为2.0倍；三相重合空载线路产生的最大过电压为3.0倍7。影响空载线路合闸过电压的影响因素有合闸时电源电压的相位角和线路上的残余电压的极性和大小。此外，线路参数、电网结构、母线的出线数、断路器合闸时三相的同期性和导线的电晕都对空载线路合闸过电压有影响。目前，我国采取带并联电阻的短路器作为限制此种过电压的主要措施，并用性能良好的氧化锌避雷器作为后备保护。此外我们也可采取专门的同步合闸控制装置，使断路器在触头间的电位差接近零时完成合闸操作，这将使过电压大大减弱。2.3.3.4 空载变压器分闸过电压电力系统中利用断路器切除空载变压器、并联电抗器及电动机等都是常见的操作方式，它们属于切断感性小电流的情况。用断路器开断感性负荷时，当流过感性负荷的电流在达到自然零值之前被断路器强行切断，电弧熄灭，这就是截流现象7。由于电流被截断，从而使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而导致电压的升高，这称为截流过电压。如果截流过电压作用在断路器的触头上，由于此时触头间距很小，因而容易被击穿，即发生复燃。在复燃的过程中将产生高频振荡，产生高频振荡过电压。这两种过电压都称为空载变压器分闸过电压。在实际情况中，这两种电压往往交织在一起，对电力系统的绝缘产生危害。图2.5 中给出了电流被截断时变压器上的电压波形，图中为截断电流，截断的结果使电流迅速下降到零，使回路中电流变化率很大，如是电感上的压降很大，这就形成了过电压，考虑到变压器的损耗，回路中电压、电流呈衰减振荡。(a)截流发生在电流上升部分 (b)截流发生在电流下降部分图2.5 截流前后变压器电压波形断路器的灭弧能力对切空变过电压有很大的影响，此外中性点的接地方式也会影响过电压的大小，中性点不接地的三相变压器，由于断路器动作的不同期性，切空变时会出现复杂的相间电磁联系，引起中性点位移，在不利的情况下，开断三相空载变压器产生的过电压会比单相高出50%.目前，限制空载变压器分闸过电压的主要措施是采用避雷器。且避雷器应接在断路器的变压器侧，还可以采用相对地加装并联电容器和相对地加装阻容吸收装置来限制。第三章 非接触式过电压在线监测的原理3.1 过电压监测系统的构成目前国内外研究过电压的方法主要有三种：一、实验室模拟；二、计算机仿真计算；三、在线监测。前两种方法都有其缺陷，有时候不能真实反应实际情况。因此，在线监测的方法尤其重要。在线监测系统包含四个要素：信号变送系统、信号采集系统、处理和诊断系统、集成管理系统。四个系统之间的关系如图所示：图3.1 在线监测系统的构成信号变送系统是通过传感器把电力设备上监测出反映设备状态的物理量和化学量转化为电信号；数据采集系统是把电信号经过放大、A/D转换等功能，变换成标准信号以便传输；信号传输单元采用数字信号传输和光信号传输，使监测的信号无畸变、有效的传输到主控室的数据处理单元；数据处理和诊断系统是把监测信号进行处理和分析，对设备的状态做出诊断和判定；集成管理系统就是把诊断数据接收到集成系统，或者通过专用电缆或互联网往远程监测系统发送诊断数据和接收指令。图3.2 电力系统在线监测系统原理图电力系统过电压在线监测技术主要由传感器、信号采集单元、信号处理传输、数据处理与诊断单元构成。基本原理如下图3.2所示。目前测量电压的传感器非常多，常见的主要是电磁式电压互感器、电容式分压器。这两中在电力系统中已经被广泛使用，技术比较成熟。随着科技的发展，各种新型的传感器也被研发出来了，主要有霍尔电压传感器、光电传感器以及各种基于其他原理的非接触式传感器。本文研究的传感器是基于平行多导线耦合原理的非接触式传感器。数据采集是将来自传感器的模拟信号转换为数字信号后，送往后台数据处理系统，以便对监测到的信号进行分析和处理。数据采集部分的核心功能是A/D 转换及相应的控制电路。可以实现A/D 转换的器件有单片机、DSP、数据采集卡或者数据采集模块等。我们在实验中采用的数据采集装置是数据采集卡。数据传输系统是对采集到的数据以电信号或者光信号的形式传输到信号处理和诊断系统上去。常见的传输方式有光纤传输、同轴电缆传输以及无线传输。在过电压监测的实验中，我们为了使信号能够顺利传输，采用无线传输。数据处理与诊断单元是整个系统的软件核心。有多种技术可以对得到的信号进行处理，在本次实验中，我们采用的是分形理论来处理得到的电压波形，从而判断过电压的类型。3.2 非接触式传感器原理根据麦克斯韦静电方程，在与地面平行的n根导线中，导线k的电位除了与导线本身所带的电荷有关外，还与其他根导线上的电荷有关。因此，可以利用叠加原理，把这n根导线上的电荷在第k根导线上产生的对地电位相加，得到： （3.1）上式中 为各导线单位长度上的电荷； 为导线k单位长度的自电位系数； 为导线k与导线m单位长度的互电位系数。其中： （3.2）式中： 为第k根导线的对地平均高度，m； 为第k根导线的半径，m； 为第k根导线与第m根导线的镜像之间的距离，m； 为第k根导线与第m根导线之间的距离，m。图3.3 电位系数计算模型3.2.1 单相线路原理对于单相线路有： （3.3）图3.4 单相非接触式传感器模型其中：由于感应线与输电线没有直接的电气联系，感应线上的电荷为感应得到的电荷，因此对于整个感应线来说，其上的总电荷为零，故0。 因此有： （3.4）式中：为输电线电压； 为感应线电压。因此，我们可以通过测量从而推算出的电压，并且与呈线性关系。3.2.2 三相线路原理图3.5 三相非接触式传感器模型根据麦克斯韦方程有： （3.5）则令，矩阵为两个33矩阵，且由于感应线上电荷为静电感应得到的，故，。由此，我们可以得到： （3.6） （3.7）故我们可以推导出： （3.8）这样，我们就可以通过测量感应线上三相的电压通过变换矩阵来反推出实际三相输电线上的电压。实际的测量系统中，我们一般都会在三相感应线的末端接一个电容C。在此种情况下，我们还需考虑所加电容对测量系统的影响，下面就在三相感应线上加装电容C之后的情况加以分析。图3.6 加装电容后三相非接触式传感器模型加装电容前有： （3.9）其中矩阵为： （3.10）对式3.9进行求逆运算有 （3.11）为一个电容矩阵，此时把感应线上的三相电容加上去，得到新的电容矩阵， （3.12）接着对求逆矩阵，得到新的电位系数矩阵，则，此时有 （3.13）其中： （3.14）此时令、为两个三阶矩阵： （3.15） （3.16），。由此，我们可以得到： （3.17） （3.18）故 （3.19）同样可以通过测量感应线上的电压求得输电线上的三相电压。第四章 非接触式过电压仿真及计算为了验证原理的可行性和进一步了解基于多导线耦合原理的非接触式传感器的特性，我们用ATP-EMTP软件对这种非接触式传感器进行了仿真，并跟据实验原理来编写程序计算感应线上的电压，从而来验证仿真结果的正确性。4.1 正常工作状态下电压仿真我们首先通过ATP-EMTP软件对正常工作状态下的电压进行仿真，包括单相交流，三相交流，以及单相直流。通过这三种情况的仿真，我们可以对这种非接触式电压传感器有更加深入的认识。4.1.1 单相交流的仿真仿真电路图如下所示：图4.1 单相交流仿真电路图上图中LCC模型如下：图4.2 单相非接触式仿真模型LCC填卡如下所示：图4.3 LCC卡片的填写仿真结果如下所示：图4.4 输电线上电压波形图图4.5 感应线上电压波形图由上述图形可知，在单相实验时，感应线上的电压值很小，幅值只有0.11V，且单相时感应线上的相位与输电线的电压相位相同。感应线上的电压是输电线上电压的2.2e-005倍，这与Matlab计算的结果完全一致。Matlab计算得到的新电位系数矩阵为Z =1.0e+011 * 1.40028465272178 0.00001540810878 0.00001540810878 0.00009999236636所以与ATP-EMTP仿真结果一致。4.1.2 三相交流的仿真仿真电路图如下所示：图4.6 三相仿真电路图三相线路仿真时，LCC的模型与图3.6一致。其LCC填卡如图所示。图4.7 三相线路时LCC填卡图仿真结果如下：图4.8 输电线上三相电压波形图4.9 感应线上三相电压波形由图可知，通过ATP的仿真，我们可以看到基于平行多导线耦合原理的非接触式的传感器能够用于测量电力系统过电压，且耦合线上的电压值不大，为三相正弦波，a，c相的电压比b相的电压幅值大一些。a，c相电压的幅值为0.035v，b相电压的幅值为0.0067v。对比相位之后，我们可以看到感应线上的三相电压相位与输电线上的三相电压相位并不相同，而是存在一定的相位差，这时因为在经过转换矩阵之后，感应线上的电压相位发生了变化。用Matlab编写程序计算三相感应线上的电压，得到的三相电压波形如下图所示：图4.10 感应线上三相电压对比图4-10和图4-9可知，Matlab仿真的结果与ATP-EMTP仿真的结果完全吻合，都是b相电压低，a，c相电压高。由此也说明多导线耦合原理的非接触式传感器能够用于测量过电压，且ATP仿真的结果完全正确。由Matlab得到的变换矩阵为：Z= 1.0e-005 * 0.74511448106132 0.52427309587465 0.33981122441172 0.51733025040988 0.58437257421697 0.51733025040988 0.33981122441172 0.52427309587465 0.74511448106132感应线上的三相电压等于变换矩阵乘以输电线上三相电压。反之，我们通过实验测量得到的感应线三相电压，然后再乘以变换矩阵的逆矩阵即可得到输电线上的三相电压。4.1.3 单相直流的仿真4.1.3.1 带负载的直流电路仿真：仿真电路图：图4.11 直流带负载仿真电路仿真中采用的电源为10kv的直流的直流电源，仿真后感应线的电压波形如下图所示：图4.12 感应线上电压波形感应线电压波形开始部分有震荡，放大后波形如下：图4.13 振荡部分放大后效果图4.1.3.1 不带负载直流测量系统仿真：图4.14 直流不带负载仿真电路图仿真中采用的电源依然是10kv的直流电源。感应线上电压波形如下所示：图4.15 不带负载时感应线电压波形低压侧波形有震荡，放大后波形如下：图4.16 感应线振荡部分放大后效果图由上可知，非接触式传感器能够用来测量直流高压系统，但是其感应线所得的波形会有一定的震荡，当有电阻性负载存在时，震荡能够被抑制，衰减掉，没有电阻性负载时震荡一直存在，其平均值与带负载时基本相同，但是不带负载时候的震荡更加明显。与单相交流的仿真比较之后，我们可以发现，当交流电压的幅值与直流电压的平均值相同时，交流系统感应线上交流电压的幅值与直流系统感应线上直流电压的平均值也一样。对此进行分析，我们认为这是因为这种非接触式传感器实际上是应用静电耦合的原理，这对于直流和交流都是适用的。由上述仿真及计算结果，我们可以推知，基于多导线耦合的非接触