特快瞬态过电压VFTO的数字测量技术

王彦金，王巍

（WAYAJ智能制造工作室  武汉  430074）

摘要：为了在实验室研究特快瞬态过电压VFTO产生、控制、测量和传递。本文根据特快瞬态过电压VFTO和标准所描述的特性；介绍在实验室研究特快瞬态过电压VFTO研究的基本条件，并构架基于Lab VIEW8.6 的 VFTO研究平台；并在实验室进行VFTO的产生、控制、测量和传递初步工作；最后给出一个现场应用的实例。

关键词：VFTO；Lab VIEW8.6；；B（A）类冲击波；传递过电压；研究平台

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特快瞬态过电压VFTO(very-fast-transient over voltage) 在标准中称特快波前过电压 VFFO(very-fast-front over voltage) ； 在科研院所和高等学府，对电力系统中VFTO的起因、特性、危害和预防进行大量的研究工作(1-10)。

在实验室进行VFTO的产生、控制、测量和传递研究工作，开始于2003年，此時IEC  60044-2-1997标准要求进行电力互感器传递过电压测量检测项目。由于冲击电压发生器内部存在的固有电感和电阻，要将波前上升時间调整0.5 us 难度很大，对于B型冲击波10ns波就更难实现了[9] 。2008年，基于黑合子方法的GIS电压互感器高频电路模型的建立，并对二次电压波从理论进行了分析[3-7] 。

目前对VFTO测量有各种方法，国际上尚未制定针对VFTO波形的标准，对VFTO测量系统的要求也无标准可依[13]。

VFTO是由VFTO内的断口装置如隔离开关和断路器的操作引起的，它具有很陡的波头。在气体绝缘变电站中，隔离开关和断路器的操作引起的。VFTO传导二次设备分二种方式，一是暂态过电压通过电压互感器或电流互感器内部的杂散电容与其相连的二次电缆，进而进入二次设备，这种叫容性传导耦合；另一种方式是暂态过电压通过地网进入接地的二次电缆的屏蔽层，进而感应到二次电缆的芯线，这种叫阻性传导耦合。二次设备由于向型化、数字化和智能化的发展，增加了二次设备对暂态干扰的敏感性和脆弱性。高频特性的VFTO通过互感器传入二次设备很有可能造成二次设备的损坏，干扰变电站正常运行。因此，为了研究VFTO通过互感器后表现在二次端口处的特性，在实验室建立一个VFTO的产生、控制、测量和传递的研究平台是非常必要的。

2008年，传递过电压测控工作室开始学习Lab VIEW8.6，构建基于Lab VIEW8.6的传递过电压测控平台；从事电力互感器传递过电压测量，制作适用电流互感器、电磁式电压互感器、电容式互感器和GIS互感器的传递过电压测量装置。2013年升级基于Lab VIEW8.6的毫微秒冲击高电压发生器的设计平台；从事各类冲击波产生、控制和测量的设计及研制[20-23]。2014年升级为基于Lab VIEW8.6 的 VFTO研究平台；在实验室研究特快瞬态过电压VFTO产生、控制、测量和传递[12-13]。本文根据特快瞬态过电压VFTO和标准所描述的特性；介绍在实验室研究特快瞬态过电压VFTO研究的基本条件，并构架基于Lab VIEW8.6 的 VFTO研究平台；并在实验室进行VFTO的产生、控制、测量和传递初步工作；最后给出一个现场应用的实例。

1  VFTO传递的方式

1）VFTO定义

特快波前过电压 （VFFO very-fast-front over voltage）一种瞬态过电压，通常为单向的，到达峰值的时间 Tf ≤ 0.1 μs，有或者没有叠加振荡，振荡频率在 30 kHz ＜ f ＜ 100 MHz之间。特快波前过电压VFFO也称为特快速瞬态过电压VFTO（very-fast-transient over voltage）。特快瞬态过电压VFTO(very-fast-transient over voltage) 是指波前時间在3-100ns范围内的瞬态过电压，在IEC60071-1：2006(绝缘配合第—部分定义、原理和原则) 和国家GB311-2012 标准中称之陡波前过电压。

2)VFTO的产生和分类

电力系统中有气体绝缘变电站（Gas Insulation Substation简称GIS）和空气绝缘变电站（Air  insulated Substation，简称AIS）。

VFTO隔离开关和断路器的操作引起的，其波头陡度与放电间隙的导通时间关系由巴申定律表示如下：波头部分的最大陡度为

（du/dt）max=0.15*U2/k*S

式中      U—间隙的静态击穿电压(伏) ；

S—间隙的距离(厘米) ；

               K—常数，K=1-2*102 (伏*秒/厘米) 。

在大气状态下，放电间隙的导通时间约为10-20毫微秒。在压缩气体状态下，放电间隙的导通时间约为1毫微秒。因此VFTO在电力系统中有气体绝缘变电站（Gas Insulation Substation简称GIS）和空气绝缘变电站（Air  insulated Substation，简称AIS）是不相同。

在气体绝缘变电站中，VFTO是由GIS内的断口装置如隔离开关和断路器的操作引起的，它具有很陡的波头。在气体绝缘变电站中，VFTO是由隔离开关和断路器的操作引起的。

3) VFTO的传递的方式

3.1) 感性耦合。高压母线上产生的瞬态电流在周围间会产生磁场，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：

3.2) 容性耦合。高压母线上产生的瞬态电流在周围间会产生电场，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：

3.3)        电磁场辐射。开关操作在高压母线周围空间产生瞬态电磁辐射的形式对附近的二次设备及系统造成电磁干扰：

3.4)        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。

上面四种耦合方式中，只有传导性耦合使得一次系统和二次系统有直接的电气系，所以要加以重。

2       VFTO的频率特性

VFTO总的波形往往很复杂，但通常由四个分量组成：

1) 阶 跃 电压;

2)由于波阻抗的多处微弱变化形成的甚高频范围f1分量(最高达100 MHz);

3)由于波阻抗的显著变化引起反射而形成的高频范围f2分量(最高达30 MHz);

4) 由 于 外部的大电容设备，如电容式电压互感器或输电线载波系统的藕合电容器引起谐振而产生的低频范围f3分量(0.1 MHz--5 MHz) 。

图 1 由 隔 离 开 关 合 闸 引 起 的 内 部 陡 波 前 过 电 压 波形示例

3   对测量系统的要求

目前对VFTO测量有各种方法，国际上尚未制定针对VFTO波形的标准，对VFTO测量系统的要求也无标准可依[7]。

由互感器传递过电压测量与雷电冲击电压试验的比较可知目前高压试验大厅的雷电冲击装置不满足互感器传递过电压测量的要求。认互感器传递过电压测量就是一种雷电冲击电压试验，这是一种误区。由于传递电压（U2）应在开路的二次端子上测量，通过50Ω同轴电缆连接输入阻抗为50 Ω且带宽不低于100MHz示波器读取峰值；目前高压试验室的雷电冲击电压发生器调不到对应5V的一次电压(约2000V以下) 。

4  实验室研究特快瞬态过电压VFTO电压实验研究基本条件

1) 高电压毫微秒冲击电压发生器

变电站中开关操作引起VFTO分为B冲击波和A类冲击波，其参数見表一

A类冲击波

波前时间T1=0.50（1+20%）μs

半峰值时间T2≥50μs

图 2   A类冲击波波形

B类冲击波

             波前时间    T1=10ns±20%

波尾时间     T2≥100ns

图 2   B类冲击波波形

2) 在实验室进行VFTO的测量

VFTO的测量采用微分积分(D/I)测量系统。该(D/I)测量系统是一种对信号相继进行微分和积分，以形成电压，用以测量特快速瞬态过电压VFTO（very-fast-transient overvoltage）。。它的基本原理如图11所示。

图中   R—阻尼电阻，L—杂散电感，C1—微分电容，C1—高压极板杂散电容，

C1—低压极板电容，U1—输入电压，U0—输出电压。

图5 微分积分(D/I)测量基本原理

4        基于Lab VIEW8.6 的 VFTO特快瞬态过电压实验研究平台

互感器传递过电压检测技术是在实验室进行VFTO的产生、控制、测量和传递工作的初步；进行互感器传递过电压检测的必要条件如下：

1）符合标准要求的试验发生器

B类冲击波试验发生器适用于安装在气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）中的互感器。

图6 简易式WYJB型冲击波发生器

A类冲击波试验发生器适用空气绝缘关的互感器。

图9简易式WYJA型冲击波发生器

基于Lab VIEW 8.6的高电压毫微秒冲击电压发生器设计平台研制的简易式WYJB型冲击波发生器简易式WYJA型冲击波发生器符合标准要求

2）互感器传递过电压测量

3.2 高电压毫微秒冲击波测量

高电压毫微秒冲击波测量可采用示波器

和采集卡，但都需利用Lab VIEW开发数字冲击测量系统如图14所示。

图14数字冲击测量系统

3）

4    3.3高电压毫微秒冲击波形处理

采用最小二乘法拟合，用实现；其原理如图15所示

图15  最小二乘法拟合原理图

冲击电压波形处理波形拟合程序如图16，图中红线为实侧波形而蓝线为标准定义波形。

图16冲击波形处理波形拟合程序

4）二次电压测量

由于传递电压（U2）应在开路的二次端子上测量，通过50Ω同轴电缆连接输入阻抗为50 Ω且带宽不低于100MHz示波器读取峰值。这一条件下，示波器的允许电压为5V；为解决这一难点，提出WYJ式测量标定法不仅提高信噪比，而保证示波器使用安全。

5) 一次和二次电压计量、朔源和建标

互感器传递过电压检测中一次和二次电压计量、朔源和建标，可采GB/T 16896.1-2005标准要求基于Lab VIEW8.6高电压毫微秒冲击电压发生器的设计平台具有满足上述标准的试验发生器和数字冲击测量系统。

5   现场应用的实例

现场应用以传导性耦合为例。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。

基于Lab VIEW8.6VFTO研究平台平台能制作适用电流互感器、电磁式电压互感器、电容式互感器和GIS互感器的传递过电压测量装置；现就电容式互感器传递过电压测量装置为例，进行现场试验。电容式传递过电压测量现场试验照片如图12所示。

如图12容式传递过电压测量现场试验照片

此检测对110kV电容式电压互感器进行传递过电压测量，分别进行了单次测量和十次测量，波形如图10和图11。从图10中可以看出单次测量的A冲击波，无论波形特征，波前时间，波尾时间均符合GB 20840.1-2010要求，测得二次传递过电压小于标准要求的限值1600V,因此可判断符合要求；而图11中是相同条件下十次测量得到的二次传递过电压值，可以看出十次产生的A类冲击波幅值在100-300V之间，波前时间在0.4到0.6 us（T1）之间，波尾时间大于50 us（T2）。十次重复测量的标准不确定度小于2%。

图11 CVT传递过电压单次测量

图12 CVT传递过电压十次测量

6      结论

  1）基于Lab VIEW8.6 的 VFTO研究平台能在实验室进行VFTO的产生、控制、测量；可对VFTO的起因、特性、危害和预防等研究工作(。

2）  基于Lab VIEW8.6 的 VFTO研究平台需扩展VFTO建模和仿真资源。

 3) VFTO计量、朔源和建标工作；但需计量行业尽快开展。

参 考 文 献

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作者简介

王彦金，高级工程师，长期从事在实验室研究特快瞬态过电压（VFTO）产生、控制、测量和传递。现任gongkong认证专家，从事《智能制造论坛》服务平台工作。