电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究.doc

电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究 电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究AbstractWi ththe devel opment ofonl i ne measurementtechnol ogy，the power system moni tori ngtechnol ogyhas beendevelopedandappl ied，suchas PartialDi scharge，thethe onl i nediagnosti csof the stateto transformerrunni ng，there is thepower systemover-vol tagel i nemoni tori ng，powersystemfai lurecaused byover-vol tage，therei sthe needto keeprecordsand reflect thereal timeoperati onof the班d volageli norder toanalyze thespeci ficreasonsfor theai dent，provi ding aneffecti ve basi sfor theover-vol tageai dentsin thefuture，thi srequiresto monitor i nternalOVer-vol tageand l i ghti ng over-vol tageofpowersystem,inorderto controltheoperati onalrel iabi l i tyofthe grid，the impactto theequipmentand theconstruction costof thepowersystem caused by overvol tageai dent withi nreasonabl e1i mits andto mi ni mize theseiniti atives asa basis；inorderto achieve reli able electri calequipmenti nsulati oncoordi nati on andover-vol tageprotecti on，weneed tomoni torover-vol tageofthe powersystemin real time，bi ningwi ththei nsulati ngproperti esofelectri calequipmentto determi ne thel evelat areasonabl esaferange，moni tori ngandrecordi ngofover-vol tageinrealti meplaysan important andsi gnifi cantrol efor thesereasonsThi sarti cledevdopeda FPGA-baseddi stributedover-vol tageonl i nemonitori ngsystem，thedevi cei ncludes avol tage transformer，front ci rcui t，data acquisi tion，and thetransmissi onsystembetweenthe vol tagetransformerand themeasuri ngi nstruments，datacol lecti on，cache，dump forthedata acquisi tion systemby theFPGA chip，the systemhi曲speed adjustabl esampl ing frequencyCanbe takei ntoaount theinternalOVer vol tage andatmospheric vol tagecol lection，the transientresponseof the system tomeet themonitori ngandrecordi ngofpowersystem OVer-vol tageOver-vol tagedatacol lectedbythesystemthroughsi mul ati onand hanging run，thesystemcal lmonitor andpleterecord ofvol tage processin realtimeprovi dinga reli ablebasic forover-voltageaidentanal ysisKeywordsPower System；Over-Vol tage；Moni tori ng；FPGAIIL一一西华大学硕士学位论文目录摘要?IAbstract?II1绪论?111暂态过电压监测研究的目的和意义?111暂态过电压监测研究现状?1121过电压研究的基本方法?1122国外研究历史?2123国内过电压监测系统成果?313本课题完成的主要工作?42过电压产生原因及特性分析?621大气过电压【131?622暂时过电压?一623操作过电压?6231间歇电弧接地过电压?6232空载线路分闸过电压?7233空载线路合闸过电压?7234切除空载变压器?8235解列过电压?一83过电压在线监测系统的原理及关键技术?1031过电压在线监测的原理?1032过电压在线监测系统的关键技术?104过电压在线监测系统硬件设计?1441在线监测系统的总体方案?1442在线监测系统的原理?1443系统装置的组成?15431互感器冲击性能分析研究?15432前置电路的设计?32433采集卡的设计?415过电压在线监测系统软件设计?4451数据采集流程?4452采集控制软件设计?46III电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究521FPGA简介?46522FPGA芯片选型?47523数据采集控制模块仿真?4754波形分析软件设计?535-4-1软件整体功能简介?53542Vi sualBasi c6简介?。 5454-3软件功能及界面设计?546系统在线监测功能及波形分析?5861前面板介绍?5862后面板介绍?5963该系统的主要特性?5964波形分析?6064-1直击雷过电压?60642感应雷过电压?61643间歇电弧接地过电压?62644接地故障过电压?62645合闸过电压?6365小结?647总结及展望?65参考文献?67攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果?j?69致谢?70IV西华大学硕士学位论文1绪论11暂态过电压监测研究的目的和意义据电力系统运行部门记录资料表明，电力系统中出现的事故的首要原因是过电压的发生，过电压包括内部过电压和雷电过电压【4，51，电力系统过电压不仅对电网一次设备的绝缘产生了重要的影响，也是事故发生的主要因素，因为电网的运行往往在恶劣条件下运行，这对系统中存在的绝缘弱点更是一个导致事故的不利因素，因此必须对过电压的估计和防护加以重视。 在这种情况下过电压可能引发单相对地闪络，在故障没有解除而持续运行时有可能发展成相间短路，引起电弧燃烧，如果断路器不及时进行动作，继电保护设备出现拒动或者误动，这种情况将很严重，可能烧毁系统中的电气设备致使系统停运。 雷电过电压不仅对一次设备产生威胁，并且对二次设备也产生严重的威胁，据资料统计表明。 雷击引起的暂态冲击过电压常常通过网络线路的耦合侵入调度中心等集控站而使设各受到雷电冲击或干扰而使设备失灵或损坏，导致设备的误动作，造成严重的经济损失。 由于我国资源分布极度不均，随着东部沿海城市工业的发展，其对资源的需求越来越紧缺，因此我国实施了西部资源往东部城市输送的战略【2】，这样一来，超高压输电线路将不得不横穿我国西部雷电现象比较活跃的地区【3】，而雷电过电压也是导致电网事故的一个重要因数，电力系统中还包括系统内部能量装换和传递引起的过电压，而经常一次事故可能是许多因数引起的，这将给事故的分析判断带来困难，所以分析事故的依据和重要的消息越来越重要了。 因此研制一套能记录事故发生过程数据波形的装置对准确的分析事故原因显得尤为重要了，对装置的要求就是要满足对内外过电压的准确采集，具有可靠性高，功能多，自动化程度高等特点，能完整记录整个过电压发展过程，包括过电压波形和各种参数，并将记录的数据保存存储，为工作人员分析事故提供强有力的依据，最后根据电气设备的绝缘特性和保护特性及记录的过电压参数为绝缘配合和过电压防护提供依据和帮助。 近年来随着许多相关技术的发展，过电压在线监测技术也有了很大的发展，相关的研究也越来越多【l】，这为电力系统的安全运行和降低经济损失都提供保证。 11暂态过电压监测研究现状121过电压研究的基本方法 一、计算机仿真数值计算电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究根据电力系统实际元件来构建一个数学模型，这是电力系统过电压利用计算机仿真数值计算方法的思路【6，71，然后利用计算机对构造的数学模型加以仿真，从而达到对电力系统过电压真实情况反映为目的。 这种方法能够任意调节参数和变量，从而不再受实验室模拟实验条件的限制，所以至今受到了广泛的应用，同时也得到了发展和完善，但是我们通过仿真工具建立起来的数学模型和现实中真正的电力系统还是存在一定的差异的，比如说电力系统中存在很多的杂散电容的影响，这对构建的模型不好模拟，并且随着电力系统越来越庞大，因此其数学模型越来越复杂，所以我们通过仿真软件建立的数学模型不可能和实际情况完全相吻合。 二、实验室模拟实验室模拟的方法是在实验采用暂态网络分析仪(删)根据过电压产生的机理及实际的电力系统参数和运行状态来进行模拟。 TNA是电力系统模型的一种模拟装置，它既是“数学模型，也可以说是“物理模型，之所以说其是一个数学模型是因为它是将电力系统的参数，比如高电压、大电流、大体积等物理量按照一定比例缩小抽象成小的实验平台；之所以说其也是一个物理模型，是因为在实验平台上按照各种过电压产生机理来模拟过电压的电磁暂态现象，只是比例上存在一定的差异。 但是实际电力系统是很复杂的，产生过电压的因素和各种过电压产生具有随机性，这样一来很有可能几种过电压可能同时产生，这在实验室实验条件局限的情况下是很难模拟真实情况的过电压。 三、在线监测除了以上介绍的两种方法外，目前对电力系统过电压研究和应用比较常用的方法是在线监测，此种方法的最大优点是它可以真实的反映电力系统过电压情况，并且自动化程度高，系统中一旦有过电压出现，过电压监测装置能及时的将过电压数据记录下来，为以后的事故分析提供依据，在线监测也克服了以上两种方法时间条件简单和有限的局限性，在线监测主要就是将系统中采集的过电压数据通过网络或串口通信传给计算机，然后利用后台机软件对数据进行处理和管理。 122国外研究历史在20世纪70年代末，数字式冲击测量仪Bi lmal io就已经研制成功，该测量仪为双通道采样，其分辨率8bi t，采样率也很高可达到100Ms，每个通道具有2kB的存储空间。 在20世纪80年代的春天，随着70年代数字测量技术发展，冲击电压测量技术也得到进步，德国物理技术研究院的KFeser提出高电压技术中暂态冲击电压的测量将采用数字测量仪将取代电子式射线示波器，暂态冲击电压的测量也可以采用带有AD转西华大学硕士学位论文换器的具有高频特性好的暂态记录仪器来进行采样和记录。 20世纪80年代秋天，RMal ewski介绍了通过传递函数法来评定电力变压器冲击示伤结果，同年数字式冲击测量仪器的研制也有很多新的成果，比如有瑞士协屈一咖公司的Tektroni csAD的数字式冲击测量系统，还有美国公司研制了一套具有存储功能的数字型暂态冲击仪器。 123国内过电压监测系统成果1DLEII数字式电力系统过电压在线监测仪9】该仪器由西安交大研制，该设备体积小，便于携带，但是监测仪器不能对采集的过电压数据进行处理和存储，该设备主要用于现场测量，具备过电压采集的功能，主要由数据采集，显示，CPU控制及过电压波形打印等几部分组成。 2TR2000过电压在线监测装置【lo】四川电力科学研究院研制的“TR2000型暂态过电压监测及记录系统”获取过电压信号是通过电容式电压互感器获取的，该装置主要由图11几部分组成，该装置的整体结构如图11所示图11TR2000型暂态过电压在线监测装置结构框图Fi g11The block diagram ofTR2000type transient over-voltageonl i ne monitoringdevi ce3MV一1过电压监测装置l ll J武大研制的MV一1装置具有测量精度高、存储容量大的特点，设备工作稳定，但是该装置采样频率较低，只有128KHz，这对暂态冲击信号来讲，难以满足采集的要求，该装置采用分散式的结构，采集的过电压数据通过光纤传输系统传送至后台机形成数据文件保存于计算机硬盘中，该装置主要由高压分压器获取过电压信号，然后对过电压信号进行采集和处理，形成的数据通过通过光纤传输系统传送至后台机根据过电压发生时间命名形成数据文件保存于计算机硬盘中。 该设备虽然采样频率虽然不能满足采集高频墨到引尹电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究过电压的要求，但是该装置的研制也为国内过电压在线监测设备的研制提供了思路。 410kV配网内外过电压在线监测系统【12j“l OkV配网内外过电压在线监测系统”是由重大研制，该装置主要通过电压传感器获取过电压信号，然后过电压信号经过前置电路进行隔离滤波等预处理进入采集电路对其进行采集，过电压的采集是在工控机的控制下完成的，该设备还有相关的外围设备比如USB接口，数据打印等。 13本课题完成的主要工作由于雷电过电压冲击波有很陡峭的波头，这就需要采集卡采用很高的频率对其采集才能记录雷电过电压波形，然而内部过电压的波头相对平坦，其持续时间甚至可以达到几个毫秒，如果同样用很高的频率去采集内部过电压，那么相应地需要很大的存储空间，因此为了能采集雷电过电压同时也能采集完整内部过电压，必须有合适的频率才能兼顾，这对系统硬件和软件的要求就是可以灵活调节设备的采样频率。 本文的目的是研究并开发一套采样频率和预触发长度可以调节的，能兼顾内外过电压的监测并完整记录的装置。 本文采用基于分布式采集结构，电网电压信号从电容式电压互感器中获取，过电压信号使用基于FPGA控制的数据采集卡进行同步采集，每个通道的存储深度为512kB，采样频率110MHz可以根据实际情况调节，能对电力系统出现的大气过电压和内部过电压在线实时监测并完整记录过电压发生过程。 本文研制的过电压实时自动记录系统包括电容式电压互感器、同轴电缆、前置电路、信号采集控制系统。 论文的研究内容主要有1信号的获取通过电力系统现有的电容式电压互感器来获取内外过电压信号，包括对电容式电压互感器的建模，冲击电压响应特性仿真，本文结合互感器的暂态响应理论，建立电压互感器暂态冲击响应的分布参数模型，采用EMTP仿真软件对电压互感器绕组内和绕组间存在的静电耦合、电磁响应和自由震荡过程进行仿真分析。 并对电压互感器的冲击电压响应误差做了分析。 2模拟前置电路和采集卡的设计模拟前置电路主要包括对信号调理等预处理和过电压检测并触发两部分。 信号预处理就是采用二阶有源滤波器对过电压信号进行低通滤波，并把过电压信号幅值调节到适合采集卡采集的范围内等基本调理；触发电路就是将过电压信号通过过电压硬件检测电路并发出触发启动采集卡的脉冲。 由于电压信号三相出现过电压具有随机性，所以只要西华大学硕士学位论文任意一相出现过电压便触发数据采集卡，本文采用FPGA对数据采集卡的控制，根据雷电过电压和内部过电压的波形参数设置采集卡的采样速率和存储卡容量，过高的频率尽管满足了对外过电压的采集，然而假如以相同的采样频率采集持续时间长的内过电压，采集卡的存储空间就不够了，有可能采集到的内过电压出现不完整的情况，这就需要降低采集卡的采样频率，而且从经济角度考虑也不合适，本文设计采集卡的存储容量为512招，l。 10M-z可调的采样频率。 3软件设计本文的软件设计包括两部分，一部分是对硬件的控制程序，主要功能是完成过电压信号的监测和数据采集，另一部分是对采集的过电压数据进行波形“回放”显示和数据处理的后台机分析软件，采用此种设计方式的好处在于过电压在线监测装置采集形成的数据格式文件可以在任何计算机上进行分析处理，而过电压离线分析程序也可以在任何计算机上安装使用。 数据采集软件就是对硬件的驱动，本文采用VHDL编写了对采集卡数据采集控制的程序，包括对数据的采集，数据的缓存以及对数据的发送和存储；采用Vi sualBasi c编写了过电压离线分析程序，数据分析软件包括对数据的处理和数据的测量，数据的处理包括对过电压数据功率谱分析和频谱分析以及对过电压的统计，数据测量包括参数测量包括幅值、频率、陡度和时间等参数的测量。 通过对系统挂网运行所采集的过电压进行分析，验证了本文研究开发的在线过电压系统在获取电力系统过电压信号的准确性和可靠性，然后对系统存在的不足做出总结，对以后过电压在线监测的研究方向提出展望。 电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究2过电压产生原因及特性分析21大气过电压n朝大气过电压主要指雷电过电压。 雷电一般集中在夏季是大自然宏伟壮观的气体放电过程，雷电流不仅陡度大而且幅值很高，雷电波头时间据大量统计资料表明只有几个微妙，雷电流幅值有时可达到数百翩，这样大的雷电流流过被击设备将引起很高的雷电过电压，对电力系统中电气设备的安全运行产生严重的危害，甚至可能造成设备的绝缘损伤，严重时可能严重损坏，这个电力系统的安全运行带来了严重隐患，电力运行部门必须对雷电过电压加以重视并进行监测【141。 22暂时过电压工频过电压，顾名思义，该类过电压的频率为工频或者接近工频，工频过电压的频率虽然很低，以致于其陡度不高，并且幅值也不高，不会对设备的绝缘产生明显的影响和损伤，但是工频过电压的时间相对操作过电压更长，可能发展为一种稳定状态，如果在工频过电压的基础上再出现操作过电压的话，操作过电压的幅值很高，对设备的绝缘危害很大，所以电力系统运行部门必须对类此过电压加以限制，在超高压电网中，我国规定线路上出现的工频过电压和母线上出现的工频过电压必须在规定的范围内。 引起工频电压升高的因素很多，比如线路的不对称性短路故障，以及电力系统中突然失去负荷等【271。 电力系统暂时过电压还包括谐振过电压，这类过电压的持续时间也很长，如果不及时处理故障和正确的操作，谐振过电压也会持续下去，电力系统中存在大量的电感和电容元件，在系统正常运行时，这些元件配合得当，不会发生谐振，当有时系统可能出现某些故障和基本操作时某些元件被切除，系统的自振频率和外加频率相等或接近时，将会出现谐振现象，引发谐振过电压。 23操作过电压231间歇电弧接地过电压电力系统大部分故障是短路引起的，短路的种类很多，其中单相短路又占大部分，因此单相接地故障必须加以重视，它是电力系统中的主要故障形式。 在低压配电网中，中性点一般不接地，主要就是因为配电网单相接地故障相对比较多，但是这种故障的发生在中性点不接地系统中并不改电力系统中线电压的对称性，因而可以再持续运行一段时间，接地电压也不大，为了不影响配电网供电的持续性，因而不需要立即切除故障，在这段时间运行人员可以根据接地指示发现故障然后做出相应的故障切除处理。 设彳相西华大学硕士学位论文接地，假设电源相电压为U。 ，可得I嗣=Ib cos300+Ic cos3003coCoU矿(21)长期运行经验证明，电力系统运行部门应对电气设备定期检查其绝缘状态，及时找出电气设备的绝缘弱点和消除事故隐患，保证电气设备的绝缘欲度和完好状态，是减少电力系统间歇性接地故障的主要措施，即使发生间歇性接地而出现过电压，此类过电压也不足以引起绝缘事故。 232空载线路分闸过电压电力系统也常进行空载线路分闸等操作，空载线路表现为电容性元件，若此时断开线路侧断路器，通常流过断路器的电流为几十安培到几百安培，流过线路侧断路器的电流相比于断路器常断开故障短路电流来讲是很小的，但分闸空载线路的操作很不顺利，断路器会伴随着重燃现象，偶尔会发生一次甚至多次重燃，这样空载线路表现为电容性质的元件会通过切断的回路产生震荡，在断路器发生重燃时电力系统中电源继续提供能量，从而产生过电压。 当然，切断流过空载线路侧断路器的电流与线路网络的结构、长度及电压等级都有关系【271。 运行部门也必须对此类过电压加以重视。 233空载线路合闸过电压线路经过检修后的需要重新合闸投入运行，合闸前线路上已经没有残余电荷或存在很少的残余电荷和接地故障，空载输电线路的电感非常小，电路中可以只考虑输电线路对地电容和两两导线间的相间电容，合闸过程中，并出现震荡过电压，此类过电压倍数一般不超过2倍，大多数情况在165185倍范围内。 自动重合闸也常对断开带有短路性质的故障的空载线路进行合闸操作，和对检修后的空载线路合闸操作不同，自动重合闸线路的起始电压可能还没来得及降为零电位，我们知道大多数短路都伴随着电弧性质，断开后的故障线路还可能伴随着电弧重燃，这样故障相上的电荷可以通过电弧流入大地，故障相的电压也很快的降为零，而非故障相上的电荷则很缓慢的通过对地电导流入大地，电导的大小和绝缘子表面的绝缘程度和现场的环境气象因素有关，在干燥的气候条件下，当线路断路器QF跳闸后经过时间04s重合闸，线路残余电压通常为初始值的6070。 两种情况由于初始条件不同，因此自动重合闸相对于检修后线路的空载线路重合闸操作来讲产生的过电压更严重。 电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究图22线路重合闸前后的稳态电压分布Fi g22The steadystate voltage di stri buti on before and afterthe reclosi ng因此与检修后线路的计划性合闸不一样，自动重合闸可以发生在线路残余电压较高的情况下，这将使得Avcm，在此过程中将出现幅值较高的过电压，过电压系数大于2，甚至接近于3，电容效应引起的电压升高和冲击系数将决定自动重合闸过电压的大小。 234切除空载变压器在电力系统中，除了以上对空载线路等电感性等元件操作外，也常对电感性负载的切除，如切除空载变压器，在工频电压作用下，电路在空载变压器切除前，回路流过的电感电流远大于流过C的电流，C为变压器及与变压器直接相连的电气设备、所有引线、连线等元件对地电容的并联值，为空载变压器励磁电感，因此在这种感情况下，可以忽略C的作用，整个回路流过的为电感电流f，通常约为几安到几十安。 大约为变压器额定电流的054。 电网通过断路器对空载变压器的切除操作，整个切除过程和断路器自身性能及灭弧能力和系统的实际情况密切相关，断路器是按切断大的短路电流来设计灭弧能力的，使用这种断路器带来一个问题。 断路器在切除小的空载变压器励磁电感电流时有可能在电流还没有过零前就被截断，就是所谓的截流现象，回路中将在空载变压器的励磁电感己上产生很高的过电压【2引。 235解列过电压在多电源系统中，若系统失步，系统两侧电源电动势的功率相角万将摆动，万可在O1800范围内变化，当万接近1800时电力系统中线路分闸，这种情况是最不利的，将出现很高的过电压，如单相重合闸重合于永久性单相故障，合闸不成功，线路一端三相解列。 8西华大学硕士学位论文Usmes(t)eR(t)o_(更卜K啪QFUl确16Rm图23解列前后线路稳态电压分布Fi g23The linesteady-statevol tagedistributionbeforeandafter spli tting线路解列点R处的电压为-URJ n，由于线路的空载电容效应，线路末端的电压URml最高，沿线电压分布如图23所示。 9电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究3过电压在线监测系统的原理及关键技术31过电压在线监测的原理电力系统过电压在线监测是为了实时反映系统电压变化情况，一旦系统出现过电压，过电压在线监测装置记录并存储过电压的发生过程，为日后事故分析和过电压统计做好记录以供查询。 过电压在线监测装置一般都是经过高压分压器输出端上来获取电网过电压信号的，输出电压信号首先经过隔离传感器对信号进行隔离滤波等基本处理，经过处理的信号送进数据采集卡的模拟通道，由数据采集卡将电压信号转换成计算机能进行处理的数字信号，并将电压数据暂存到RAM的缓存区里。 装置实时检测和判断过电压是否已经出现，否则继续进行检测和判断，过电压的判断可以通过软件或硬件来实现，一旦判断有过电压信号到来，工控机将从负延时规定的开始地址进行计数并将过电压发生过程的波形数据暂存于缓存区里，并通过中断方式通知计算机有新的过电压数据，工控机通过串口通信或网络将数据送入后台机，由后台机将各相过电压信号存储到硬盘，以便在计算机上将过电压信号波形显示出来，利用后台机分析软件对过电压峰值、陡度、脉冲等参数的测量和统计；还包括对过电压数据的处理，对其进行傅里叶分析，显示各相电压信号的频谱特性；利用后台机过电压分析软件对采集到的过电压数据进行统计、计算、处理等操作【71。 32过电压在线监测系统的关键技术电力系统中在线监测技术现在应用很多，比如局部放电的检测，变压器运行状态的故障诊断，过电压在线监测也是一个很重要的方面，但是它们的流程和结构都是一样的，如31所示，主要包括传感器部分、向前模拟通道调理部分及数据采集、数据处理和分析等几部分组成。 10西华大学硕士学位论文信号变送系统(现场)数据采集系统(设备附近)分析管理系统(主控室)图31在线监测系统组成框图Fi g31Bl ockdiagram ofonlme monitoringsystem过电压在线监测主要是从电力系统中通过电压转换装置或传感器从系统母线上获取过电压信号，然后通过传感器的向前通道对电压信号进行一系列的处理，包括隔离滤波，二次分压，将过电压信号调节到采集卡能合适采集的范围内，然后由采集卡对过电压信号进行采集和存储，并通过工控机对采集的数据进行转存，由后台机专业软件对采集到的过电压进行分析处理。 图32过电压在线监测系统基本流程结构Fi g32Basi cprocessstructure ofover-voltageonl ine monitoringsystem总结国内外对过电压监测的研究现状，最主要的研究方面和关键技术如下1电压传感器在整个在线监测系统中，我们首先要考虑的是与被测物理量相联系的传感器通道，因为传感器通道是关系到这个测量系统性能和可靠性好坏的很重要的一部分，我们在设计传感器时必须考虑被测物理量的特性，这包括被测物理量的状态、参量、环境因素。 所以在向前通道设计时必须考虑传感器类型、通道结构、信号的预处理和一系列的外围设备等都需加以考虑。 这对弱电信号必须加以考虑的是抗干扰措施。 圈匿日电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究电力系统获取过电压是靠电压传感器实现的，电压传感器是整个在线监测装置的重要组成部分，后续模块能否发挥各自最大性能都是建立在电压传感器性能基础之上的，目前国内外获取过电压的电压传感器主要有专门研制的高压分压器、光纤电压传感器和电力系统现有设备电压互感器【lo】等。 但是总结起来各有各的优缺点。 目前，高压分压器在配电网的应用技术已经比较成熟，也得到了广泛的应用，因其结构简单，所以暂态冲击响应特性良好，测量精度也好，响应时间可以达到nS级，在测量冲击电压时低频振荡很小，但是，高压分压器需要并联于电力系统长时间的运行，高压臂和低压臂存在着直接的电气连接，这不仅影响电力系统的安全运行，同时对现场工作人员的安全也存在着安全隐患，高压分压器的并网运行存在电容器闪络的潜在安全隐患。 所以，对超高压电网来讲，这些都是必须考虑的问题，必须有相当成熟的技术才能得到工程应用，特别是人身安全、电网安全运行、测量仪器的可靠性等问题。 在电力系统过电压监测的研究中，有不少学者和公司研究人员也对光纤传感器产生了很大的兴趣，光纤电压传感器也有它的优点，它受电磁干扰小，传送频带较快，但是光纤电压传感器在监测过电压的应用中也离不开高压分压器，所以说光纤传感器在超高压电网中的应用也受到了限制，光纤传感器受温度系数影响较大且价格昂贵，在电力系统中装置的应用也必须考虑经济因素。 基于种种原因光纤电压传感器现在在电力系统中应用还较少。 在以往过电压在线监测技术获取过电压方式的研究中，传统观点认为互感器只能传变工频信号，不能传变暂态冲击电压信号【291，此观点只考虑互感器的电磁感应，忽略了互感器存在大量杂散电容，而大量杂散电容的存在会使互感器的原边绕组和副边绕组存在静电感应，而在暂态冲击电压响应过程中，静电感应起着主要作用，并在瞬间完成。 从本文所建互感器模型的仿真分析结果可以看出，电容式电压互感器原边在冲击电压作用下，副边的响应明显存在静电耦合、电磁感应和自由振荡3个部分，副边响应为这三个过程共同作用并叠加的结果。 其中静电感应部分能够瞬间无延时的响应原边冲击电压信号的波头极性。 副边侧的震荡幅度随着原边冲击电压的时间参数变化而变化。 互感器原边在同一时间参数冲击电压下，电容式互感器副边绕组的传递系数为一常数，电压互感器虽然在响应冲击电压信号时，波头存在着一定的延迟，幅值存在着一定程度的衰减和削弱，但是只要在一定的误差范围内都是可以接受的，基于该理论可以表明，电压互感器可以传递暂态过电压信号，并可以通过电压互感器获取电力系统过电压。 利用电压互感器获取过电压信号不仅不改变系统原有运行方式，不改变系统原来的结构，利用电压互感器获取过电压的方法比上述几个方法更具有可行性，而且可以在经济上得到节损的条件下达到过电压在线监测的目的。 12西华大学硕士学位论文2数据采集过电压在线监测数据采集部分的功能就是将模拟过电压信号部分转换成计算机能处理的数字信号，为了保证对采集信号的不失真采样，必须要求采集卡的采样频率和采样精度满足一定的要求，采样频率根据采样定理规定采样频率不低于原信号频率的两倍。 但工程中往往要求的采样频率要高一点。 对采集卡的控制方式很多，有单片机和DSP，单片机具有编程简单，能满足的功能很多，但是单片机的主频不高，这对要求高频过电压采集来讲是达不到要求的，尤其是雷电过电压的采集，而起对三相过电压的同时采集，这对单片机的控制性能要求更高，DSP具有非常强悍的数字信号处理功能，但是其逻辑控制性能往往达不到要求，基于上述集中对数据采集卡的控制方式的比较，本文选用FPGA来对采集卡进行控制，FPGA高的主频能使数据采集卡的频率发挥到最大，而且内嵌RAM以及时钟管理单元这些都能很好的保证对暂态过电压信号的高频同步采样和缓存，FPGA的控制功能和内嵌模块都是DSP和单片机无法比拟的，因此本文设计选用FPGA对采集卡的控制更能满足对暂态过电压采集的要求。 3数据处理与分析本文对过电压数据处理和分析是靠软件实现的，软件设计包括两部分，一部分是对硬件的控制程序，主要功能是完成过电压信号的监测和数据采集，另一部分是对采集的过电压数据进行波形显示和数据处理的后台机分析软件，采用此种设计方式的好处在于过电压在线监测装置采集形成的数据格式文件可以在任何计算机上进行分析处理，而过电压离线分析程序也可以在任何计算机上安装使用。 过电压后台机分析软件可以对采集到的过电压进行局部放大显示，过电压参数计算，比如幅值，陡度，过电压信号频谱分析，打印等基本操作。 电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究4过电压在线监测系统硬件设计41在线监测系统的总体方案本文设计的过电压在线测量装置由图41所示几个部分组成【16】，装置从电力系统高压母线处获取过电压信号，然后通过同轴电缆将过电压信号传送到测量设备的向前通道进行一系列的信号预处理，经过处理后的过电压信号在工控机的控制下进行采集，缓存，转出等基本处理，设备还包括电源和抗干扰等部件。 高压母线图41在线监测系统硬件结构方框图Fi g41Hardware block diagram ofonline system为了使过电压在线监测装置受到外界干扰和影响较小，并且要求设备具有高的可靠性，在线监测系统必须配备独立的供电电源，为了保证系统能更精确的记录过电压信号，降低过电压冲击信号在电压传感器和测量仪器来回反射、折射引起的振荡，因此在电压互感器和测量仪器之间采用大带宽同轴电缆，并在首端和末端进行严格匹配，使过电压高频部分的失真度达到最小。 为了完整记录每一次过电压发生过程，过电压在线监测与记录系统具备频率可调的操作，春、秋冬季节大自然雷电活动基本上很少，电力系统可能只存在内部过电压，这些季节可以通过过电压在线监测软件将仪器的采样频率调的低一点，在夏季雷电活动比较频繁，工作人员可以将采集频率调的高一点，尤其值班人员可以根据天气情况提前做好准备工作。 42在线监测系统的原理当过电压信号到来时，首先通过电容式电压互感器分压，得到低压信号，过电压信号通过传输系统传递到过电压监测设备的向前通道进行处理。 前置电路分为信号调节和过电压检测电路。 信号调节的主要是对过电压信号进行二次分压和隔离滤波。 过电压检国爵母西华大学硕士学位论文测电路的主要功能是将模拟电压和门限电压进行比较判断产生触发脉冲数字电平，对过电压信号进行采样。 经过数据采集卡转换的数据信号通过通信接口传送至后台机，由后台机过电压波形分析软件对采集到的数据按照过电压发生的时间及顺序命名形成数据文件并存盘，进行管理，包括波形再现、分析、参数计算、时域及频域分析等。 43系统装置的组成本文设计的电力系统过电压在线监测与记录系统的硬件结构主要包括电容式电压互感器，传输系统，前置电路，数据采集卡，本地工控机几部分组成，下面将对各个硬件部分的设计做出详细的介绍。 虽然现在对电力系统过电压的监测越来越受到重视，过电压在线监测与记录的设备也越来越多，但是大多数是停留在低压配电网过电压的监测，过电压对超高压电网的危害更加严重，尤其是雷电过电压，然而传统观念认为电压互感器不能传变暂态冲击电压信号，对电压互感器的研究仅仅停留在工频阶段，然而对超高压电网过电压在线监测与记录是必须通过系统中存在的现有设备电压互感器来获取的，我们国家对电力系统过电压在线监测与记录系统的导则现在还没有颁布，因此对电压互感器冲击电压响应特性的研究势在必行，意义更加重大。 本文设计的电力系统过电压在线监测与记录系统获取过电压信号是通过系统变电站内互感器副边绕组侧获取的，因此需要对电压互感器的冲击电压响应特性进行分析和研究，并对电压互感器的冲击电压响应误差进行分析，以验证通过此种方法获取过电压信号的可行性。 431互感器冲击性能分析研究冲击电晕使波发生衰减和变形【271，这对电气设备的过电压防护是有利的，同时，冲击电晕使雷电过电压在导线上传输时波形陡度的降低，这对采用电容式电压互感器获取过电压信号也是有利的，因此在研究电容式电压互感器冲击响应特性之前有必要先对冲击电晕对线路波过程影响研究。 本文建立频变参数输电线路模型，并对冲击电晕对线路波过程影响加以仿真分析。 在电力系统中，对于351l OkV的配电网中，输电线路一般不架设避雷线，但在靠近变电所附近如果线路遭受雷击，这时由线路侵入变电所的雷电流可能很大，超过避雷器所允许流经的电流值，一般规定351l OkV的系统中，流经避雷器的安全电流不能超过5kA，这是对雷电流幅值的要求，而且雷电流的陡度也不能太大超过所允许的值，因此为了限制雷电流的副值大小和陡度，必须在靠近变电所12km处架设避雷线，我们称之为进线段保护，对于架设的避雷线也有一定的要求，对于不同的电压等级规定也不一电力系统暂态过电压在线监测与记录系统的研究样，进线段必须具有较高的耐雷水平。 为了避免和尽量减少变电所进线段输电线路遭受雷击的机率，对进线段保护的角度也有一定的要求，一般规定为20”左右，对于超高压的输电线路，其作用越来越重要，不仅要全线架设避雷线，而且在靠近变电所附件的12km也必须架设避雷线，相关的要求也要参照规定。 在变电所架设进线段保护，这样变电所遭受雷击的概率也就小了，而且对变电所内的电气设备也有相应的保护作用，这样在变电所进线段以外遭受雷击时，利用冲击电晕对电压的影响和进线段保护的作用来降低侵入变电所的过电压也是现在变电所防雷保护的一种措施，进线段不仅可以使雷电流的幅值降低，而且冲击电晕对入侵波陡度的降低和幅值的衰减都起着有利的作用【271。 1冲击电晕对线路波过程的影响理论在电力系统中，随着暂态冲击行波在输电线路的传输，由于输电线路和大地存在电阻，会使行波在传输过程中引起变形和衰减。 但是一般雷电过电压通常高于导线的起始电晕放电电压，因此雷电过电压暂态行波在输电线路上传输时会引起行波的衰减和变形，这是引起雷电过电压暂态行波衰减和变形的主要原因。 当电网遭受雷击或系统由于操作及故障时而引起操作过电压时，这些暂态冲击电压一般都高于输电线路的起始电晕电压，引起输电线路电晕放电，输电线路形成电晕放电的时间非常短，因此我们往往都认为输电线路的电晕放电和暂态冲击电压的瞬时值大小相关。 输电导线的临界放电电压大小和导线的半径大小和导线的材料有关，因此到输电线路一定时导线电晕放电的激烈程度和暂态冲击电压幅值大小相关，由于正极性暂态冲击波和负极性暂态冲击波的特性不一样，因此它们对导线产生的冲击电晕放电的作用和效果都不同。 大量统计资料表明，负极性暂态行波在输电线路上传输时引起的电晕放电程度小，对衰减过电压幅值和引起行波的变形作用相对于正极性行波小。 这对于电力系统中的过电压防护是不利的，而大量统计资料表明，自然界大部分雷电波的极性又是负极性的，因此我们在研究冲击电晕时主要考虑负极性的电晕【271