暫態過電壓

電網暫態過電壓不僅決定系統中電力設備的絕緣水平，也威脅設備設施的安全運行，含有缺陷的設備在過電壓作用下可能會造成絕緣擊穿，甚至引發爆炸事故。這使得電網暫態過程的研究一直是電力科技工作者們極其重要的工作，也是國內外科研院所、高校以及IEEE、IEEJ、IET和CSEE等學術團體所關注的熱門課題。此外，其他相關領域技術上的發展也促進了該課題的研究，比如：金屬氧化物避雷器(MOA)的設計和應用，EMTP仿真計算和分析，以及操作、雷電過電壓和長期交流電壓應力作用下對電力設備絕緣材料老化特性影響的V-t數據積累、分析和應用，等等。為保證電力系統安全、穩定和可靠運行，能夠準確評估電力設備的絕緣狀態，對電網暫態過電壓進行實時測量或監測是非常重要的 ^[1]  。

電網暫態過電壓引起的問題，對電力設備是否造成致命性的危害，在理論上沒有完全分析清楚。事故分析的暫態過電壓波形記錄缺乏，對事故原因的分析一直以來依靠經驗，均造成事故分析不徹底、不明確。暫態過電壓測量或監測裝置，其能夠準確地獲取過電壓幅值及其變化過程，對故障發生、發展的整個過程進行記錄，通過波形分析就能確定事故是由於過電壓幅值或陡度超過了設備絕緣的承受能力，還是由於設備本身絕緣水平的降低所造成，或其它原因。

但在工程中，暫態過電壓測量系統和裝置被沒有被強制要求，使得實測的現場暫態過電壓數據非常缺乏。鑑於實測暫態過電壓數據的重要性，其測量或監測技術的推廣應用尤為重要。暫態過電壓測量或監測就是通過過電壓分壓器（傳感器），基於數據採集技術，實時測量電網系統的電壓擾動，記錄和保存暫態過電壓發生時各相電壓的幅值、波形及各種參數。並具有信號處理、參數提取、應用與分析（報警、歷史數據查詢和統計等）功能。但過電壓分壓器的工作方式即電壓波形信號的傳感耦合是影響測量系統安全性、可靠性、準確性的核心，也是基礎。

信號可以選擇階躍波、方波、標準操作衝擊和雷電衝擊波、以及陡化和振盪調製下的高頻脈衝源，對比和分析“傳感器”輸出和標準分壓器輸出波形在時域和頻域下的差異，從而判定該傳感耦合方式是否滿足暫態過電壓波形的工程測試要求。

在變電站母線或出線加裝專用的高壓分壓器採集過電壓信號（電容式、阻容式分壓器的分壓原理，這裏不予闡述），該方式波形記錄準確性高，頻率響應可滿足暫態過電壓波形，但對分壓器的可靠性要求其能夠長期掛網穩定運行，因此一般僅用於10~110 kV 電壓等級電網。對於220 kV 及以上高電壓等級電網的暫態過電壓測量，在線監測使用外接分壓器作為專用分壓器的案例較少；但輸變電設備的啓動調試錄波，可求助於移動式的外接分壓器。開關分和分操作時測量的線路末端過電壓波形，暫態過程較為強烈，產生的過電壓倍數較高並出現了開關燃弧現象 ^[2]  。

①空載長線電容效應（費蘭梯效應）。在工頻電源作用下，由於遠距離空載線路電容效應的積累，使沿線電壓分佈不等，末端電壓最高。

②不對稱短路接地。三相輸電線路a相短路接地故障時，b、c相上的電壓會升高。

③甩負荷過電壓，輸電線路因發生故障而被迫突然甩掉負荷時，由於電源電動勢尚未及時自動調節而引起的過電壓。

操作過電壓是由於進行斷路器操作或發生突然短路而引起的衰減較快持續時間較短的過電壓，常見的有：

①空載線路合閘和重合閘過電壓。

②切除空載線路過電壓。

③切斷空載變壓器過電壓。

④弧光接地過電壓 ^[2]  。

諧振過電壓是電力系統中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發生諧振所造成的過電壓。

一般按起因分為：

①線性諧振過電壓。

②鐵磁諧振過電壓。

③參量諧振過電壓。

我國已經在暫態過電壓傳感耦合技術設計、試驗與應用開展了全面的研究，初步取得了豐碩的成果，一些技術和理念已經成功用於解決工程實際難題，為暫態過電壓傳感耦合技術的進一步研究打下了深厚的基礎。但是，由於暫態過電壓傳感耦合技術涉及電氣、傳感器、數據採集、信號處理、計算機等多個學科及其交叉，研究工作點多面廣，存在一定的複雜性，相關技術和應用仍然存在較多的問題。

隨着電網向着高電壓、高智能、高可靠性的方向發展，對暫態過電壓測量裝置性能的要求越來越高，波形傳感耦合技術的發展面臨諸多挑戰。由於該技術包含的內容很多，涉及面廣，這裏不再一一例舉，其中如下方面值得重點研究：

1）暫態過電壓傳感耦合方式接入電網系統的規範標準及安全性評估。隨着相關技術的發展，基於“路”和“場”以及兩者相結合的各種暫態過電壓測量技術層出不窮，設備運維管理人員面對測量或監測系統的選擇以及安裝時，沒有相關依據可循。這使得暫態過電壓傳感耦合方式接入電網系統的規範標準及安全性評估的研究需要開展，以便於後期暫態過電壓測量或監測系統的推廣和應用。

2）具有高品質暫態響應的CVT研製。隨着電網向着超高壓、特高壓的方向發展，CVT作為電壓互感器用於計量、保護測控的主要設備，其位置不可替代。研製具有優良暫態響應特性的CVT，使其能夠測量工頻、諧波直至暫態過電壓波形，將會進一步增加該設備在電網中的重要性。

3）基於EVT 的暫態過電壓傳感耦合新技術開發。電網朝着智能化方向發展，220kV及以下新建變電站開始大量使用EVT。EVT 的一次電壓傳感器主要由電阻分壓、電容分壓、光電轉換3種類型。其中，基於電阻分壓式EVT（R-EVT）改裝後，用於測量投切電容器操作過電壓的在線監測系統已經在電網中投運。由此，藉助於其它分壓方式或新型的EVT、或對EVT 進行改裝，使其在滿足測量工頻電壓的同時具備測量暫態過電壓波形的性能，也是今後可以開展的研究方向。

4）非接觸式的暫態過電壓傳感耦合方式的深化研究和應用。研究資料表明，該方式具有的特點：a）與電網設備沒有直接聯繫，運行安全可靠；b）設備簡單，成本低廉；c）母線或輸電線路下方均可安裝。因此，可以在研究基礎上，進一步對如何提高波形保真度、以及其它形式的非接觸式暫態電壓傳感耦合方式等展開深化研究，並積累實測數據，針對實際工程中發現的問題進行改進，可以為後期推廣創造良好條件。

5）基於高電壓等級設備測量的電流、電壓信號反演獲得暫態過電壓的研究和應用。無論是藉助於PT 二次測量、CVT二次測量，或者變壓器套管末屏接地電流以及避雷器動作電流，涉及的設備電壓等級最高為110 kV。由於該傳感耦合方式一般不會影響、改變運行設備的電氣性能和運行安全，也不會降低系統的可靠性和存在潛在隱患，使得設備管理運維人員容易接受其作為暫態過電壓波形的測量方式。據此，對220 kV及以上高電壓等級設備測量得到的電流、電壓信號進行反演，從而獲得暫態過電壓波形的研究和應用亟需開展，以便在推廣應用時具有較長的掛網運行經驗。

6）基於避雷器改造的暫態過電壓波形傳感耦合方式研究。由於避雷器設備分佈於電網各個電壓等級的變電場所和輸電網絡，如果能夠藉助於避雷器，對其進行改造，在不改變其原有功能特性的基礎上設計出可以用於測量暫態過電壓波形的傳感耦合方式，勢必可以得到大力推廣。無間隙MOA非線性電阻閥片柱模型可以用它的電容及並聯的非線性電阻來表示，如果以該MOA原有的閥片柱作為電壓傳感器的高壓臂，選用同批次的氧化鋅閥片作為低壓臂，是否可以實現暫態過電壓的分壓轉換？該工作需要經過避雷器的電場計算、加裝均壓環並設計產品後進行試驗驗證。

7）特高壓、多落點交直流混聯電網系統的暫態擾動特性及其過電壓波形的測量和分析。國家電網積極推進發展特高壓電網，構建堅強、智能的能源互聯網，已建成多條特高壓交直流輸電線路，在送端和受端均形成了密集接入的區域，我國已經成為世界上電壓等級最高、交直流混聯電網規模最大的國家。然而，隨着國網公司以特高壓電網為主網架的“九交十三直”大規模直流輸電工程的建設投運，特高壓、多落點交直流混聯繫統的逐步形成，電網特性發生了變化，交直流系統的協調運行成為關注的焦點，一旦發生相互干擾，可能導致系統停運，大量潮流的損失，無論是對受端電網，還是送端電網，可能帶來大量甩機組，或甩負荷的風險，甚至導致大面積停電的巨大風險。從調度運行提供的數據看，多個超特高壓直流輸電工程投運以來，已多次遭受交流電網故障及未明原因的干擾，導致直流閉鎖、輸送功率突然損失，對電網穩定運行產生不利影響。原因可能是在某些運行方式變化過程中產生了電壓的暫態過程，對這些暫態過程對直流系統的影響尚缺乏研究。同時，對於已經投運的特高壓交直流混聯受端電網，往往分佈在本地電源缺失的地區，其電網呈現出“強饋入、弱開機”的特徵，受到交流擾動時反應劇烈。因此，期望通過上述的總結和分析，能夠為該複雜工況下提供暫態過電壓波形的傳感耦合方式、以及通過實際測量波形去研究交直流系統的實際暫態擾動特性和作用機制，從而找到影響直流輸電換相失敗的原因 ^[3]  。