畢業(yè)論文---電網(wǎng)非接觸式過電壓在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

1、<p>　　密級(jí)___________ _____</p><p><b>　?。ê隗w5號(hào)）</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　電網(wǎng)非接觸式過電壓在線監(jiān)測(cè)技術(shù)</p><p>　　院（系）名 稱：電氣工程學(xué)院</p><p>

2、　　專 業(yè) 名 稱 ：電氣工程及其自動(dòng)化</p><p>　　學(xué) 生 姓 名 ： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 ： </p><p><b>　　二○一○年六月</b></p><p>　　BACHELOR'S DEGREE THESIS</p><p>　　OF WUHAN

3、 UNIVERSITY</p><p>　　Over-voltage online monitoring by non-contact sensor </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電力系統(tǒng)的供電的可靠性是由一定時(shí)間內(nèi)中斷用戶供電的次數(shù)和每次中斷供電的持續(xù)時(shí)間來衡量的。電力系統(tǒng)之所以會(huì)發(fā)生中斷用戶供電的情況

4、，很大程度上是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)發(fā)生了故障，導(dǎo)致系統(tǒng)的繼電保護(hù)動(dòng)作，從而使系統(tǒng)供電中斷。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)最明顯的現(xiàn)象就是系統(tǒng)的電壓變化和電流變化。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)經(jīng)常伴隨過電壓的產(chǎn)生，系統(tǒng)的故障類型不同，發(fā)生的過電壓的類型也就不同，過電壓的程度及其持續(xù)時(shí)間也有很大的差異。系統(tǒng)的過電壓會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作，從而使系統(tǒng)部分供電中斷，同時(shí)，過電壓也會(huì)使系統(tǒng)設(shè)備的遭到損害，系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣有可能會(huì)在多次的過電壓作用后發(fā)生老化，甚至有可能使絕緣擊穿。&

5、lt;/p><p>　　因此對(duì)過電壓的監(jiān)測(cè)十分重要。本文首先講述了各種過電壓的類型及其產(chǎn)生的機(jī)理，然后介紹了非接觸式過電壓在線監(jiān)測(cè)的傳感器的原理，并用ATP-EMTP軟件對(duì)基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其原理的可行性，同時(shí)也用MATLAB編寫程序計(jì)算驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，通過驗(yàn)證我們發(fā)現(xiàn)這種傳感器能夠用于過電壓在線監(jiān)測(cè)。然后我們通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器的過電壓監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，來

6、驗(yàn)證工程上的可行性。通過實(shí)驗(yàn)，我們得出結(jié)論，這種傳感器可用于過電壓在線監(jiān)測(cè)，并有很好的發(fā)展前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：過電壓，在線監(jiān)測(cè)，非接觸式傳感器，多導(dǎo)線耦合</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The reliability of Power Supply in the Power Syste

7、m 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

8、 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 a

9、re quite d</p><p>　　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-conta

10、ct 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 valida

11、tion of this sensor can be used in Over-voltage Monitoring and it has a bright future in the </p><p>　　Key Words: over-voltage；on-line monitoring；non-contact sensors；multi-wire coupling</p><p>&

12、lt;b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題的研究意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.2.1 非接觸式電壓傳感器的特點(diǎn)3</p><p>　　1.3

13、課題研究的內(nèi)容方法3</p><p>　　第二章 過電壓的類型及其產(chǎn)生機(jī)理5</p><p><b>　　2.1 引言5</b></p><p>　　2.2 雷電過電壓6</p><p>　　2.2.1 雷電放電的過程6</p><p>　　2.2.2 感應(yīng)雷過電壓8</p>

14、;<p>　　2.2.3 直擊雷過電壓8</p><p>　　2.3 內(nèi)過電壓8</p><p>　　2.3.1 工頻過電壓8</p><p>　　2.3.2 諧振過電壓10</p><p>　　2.3.3 操作過電壓11</p><p>　　第三章 非接觸式過電壓在線監(jiān)測(cè)的原理15</

15、p><p>　　3.1 過電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成15</p><p>　　3.2 非接觸式傳感器原理16</p><p>　　3.2.1 單相線路原理17</p><p>　　3.2.2 三相線路原理18</p><p>　　第四章 非接觸式過電壓仿真及計(jì)算23</p><p>　　4.1 正

16、常工作狀態(tài)下電壓仿真23</p><p>　　4.1.1 單相交流的仿真23</p><p>　　4.1.2 三相交流的仿真25</p><p>　　4.1.3 單相直流的仿真28</p><p>　　4.2 過電壓仿真30</p><p>　　第五章 過電壓在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)33</p><

17、p>　　5.1 實(shí)驗(yàn)裝置33</p><p>　　5.2 實(shí)驗(yàn)方案34</p><p>　　5.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析35</p><p>　　5.3.1 電容分壓器對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響35</p><p>　　5.3.2 支撐材料對(duì)傳感器的影響36</p><p>　　5.3.3 濕度對(duì)傳感器的影響37

18、</p><p>　　5.3.4 高度對(duì)傳感器的影響38</p><p>　　5.3.5 感應(yīng)線長度對(duì)傳感器的影響39</p><p>　　5.3.6 末端電容對(duì)傳感器的影響39</p><p>　　5.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)40</p><p>　　第六章 結(jié)論及展望42</p><p>&l

19、t;b>　　6.1 結(jié)論42</b></p><p><b>　　6.2 展望42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　　致 謝45</b></p><p><b>　　第一章 緒論</

20、b></p><p>　　1.1 本課題的研究意義</p><p>　　電力系統(tǒng)中電壓超過正常電壓的情況叫做電力系統(tǒng)過電壓。電力系統(tǒng)過電壓產(chǎn)生的根本原因就是系統(tǒng)中電磁能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。電力系統(tǒng)的過電壓嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的供電可靠性。電力系統(tǒng)供電的可靠性是由一定時(shí)間內(nèi)中斷用戶供電的次數(shù)和每次中斷供電的持續(xù)時(shí)間來衡量的?？煽啃栽诤艽蟪潭壬先Q于電力系統(tǒng)的耐電沖擊特性，雖然有很多原因?qū)е孪?/p>

21、統(tǒng)供電的中斷，但是其中最常見的就是各種短路故障，而這些短路故障有很大一部分是系統(tǒng)中某些電力設(shè)備絕緣被擊穿造成的。</p><p>　　電力系統(tǒng)的過電壓是造成電力設(shè)備絕緣擊穿的直接原因。正常情況下，電力設(shè)備處于正常的電壓作用下，其設(shè)備的絕緣強(qiáng)度能夠保證在正常工作狀態(tài)下不發(fā)生擊穿。但是很多時(shí)候，電力設(shè)備并不是時(shí)刻處于正常工作電壓的作用下，經(jīng)常遇到過電壓的侵襲。</p><p>　　當(dāng)過電壓較小

22、時(shí)，電力設(shè)備的絕緣可能不會(huì)馬上擊穿，但是這種過電壓會(huì)使電力設(shè)備的絕緣老化，降低其耐電強(qiáng)度。當(dāng)過電壓較大時(shí)，電力設(shè)備的絕緣會(huì)直接被擊穿，從而引發(fā)各種事故。</p><p>　　過電壓產(chǎn)生的原因很多，雖然我們可以采取一些措施盡可能的避免過電壓的產(chǎn)生，或者在一定程度上減小過電壓的幅值，但是在實(shí)際的系統(tǒng)中，還是會(huì)產(chǎn)生各種過電壓。因此過電壓的在線檢測(cè)就顯得尤其重要，通過過電壓的在線檢測(cè)，我們可以知道系統(tǒng)什么時(shí)候發(fā)生了什么類

23、型的過電壓，以及過電壓的幅值，波形等等，這有利于我們采取各種措施來降低過電壓的危害，防止電力設(shè)備的絕緣遭到破壞，從而提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。與此同時(shí)，通過過電壓在線監(jiān)測(cè)，我們可以得到很多過電壓的數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的過電壓幅值，得知系統(tǒng)的設(shè)備所需承受的過電壓大小，從而確定設(shè)備的絕緣配合。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　國外過電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一

24、般采用分散式結(jié)構(gòu)[1]，即前置智能化過電壓在線采集器。采用完全模塊化設(shè)計(jì)，一般主要由32 位微型工控機(jī)，電源板，各種智能數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成，主要完成故障記錄、事件記錄、電氣量的計(jì)算和記錄、以及記錄管理功能，通過改變裝置數(shù)據(jù)采集模塊的配置，可以調(diào)節(jié)裝置容納的模擬量通道。使用DSP芯片完成數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，數(shù)據(jù)采集模塊通過個(gè)高速的總線，如PC、VME等，與中央處理器連接，采樣頻率和分辨率高，存儲(chǔ)容量大，使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄格式以便于通

25、信。國外過電壓在線監(jiān)測(cè)采集器具有多個(gè)串行接口，多個(gè)過電壓在線采集器通過以太網(wǎng)連到1 臺(tái)PC機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥魃?，?shí)現(xiàn)對(duì)多條母線電壓的監(jiān)測(cè)[2]。利用后臺(tái)機(jī)的管理分析軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與顯示。</p><p>　　國內(nèi)過電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用集中式結(jié)構(gòu)，即通過屏蔽電纜將被測(cè)信號(hào)引入</p><p>　　系統(tǒng)主機(jī)，然后由主機(jī)進(jìn)行集中循環(huán)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。集中式過電壓在線檢測(cè)裝置一般采用分層式結(jié)構(gòu)，

26、管理層一般采用PC系列工控機(jī)[3, 4]，主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、處理、顯示，以及數(shù)據(jù)采集層的定時(shí)互檢和對(duì)時(shí)等；數(shù)據(jù)采集層大多采用單片機(jī)作為智能化部件，常用的方式是采用MSC196 和MSC51 系列單片機(jī)組成雙CPU結(jié)構(gòu)，一片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和A/D轉(zhuǎn)換，另一片負(fù)責(zé)計(jì)算和判斷是否要啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也有的從機(jī)模板采用1 塊工控板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和啟動(dòng)判斷，管理層與數(shù)據(jù)采集層之間采用PCI或ISA總線相聯(lián)[4]。但這種設(shè)計(jì)受硬件配置的限制，采

27、樣頻率不高，分辨率一般為12 位，同時(shí)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i效應(yīng)，不利于故障信息的及時(shí)傳輸和處理。</p><p>　　目前國內(nèi)外故障錄波裝置的信號(hào)大都是從電容分壓器或者電壓互感器中獲得的。這兩種電壓傳感器在目前的電力系統(tǒng)中被廣泛的采用，但是這兩種電壓傳感器均為接觸式電壓傳感器，它們的絕緣水平要求都比較高，且都存在各自的局限性。</p><p>　　電容分壓器雖然結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量精度較高，暫

28、態(tài)響應(yīng)及負(fù)載特性好，但在測(cè)量過程中會(huì)與系統(tǒng)中的其他感性元件一起產(chǎn)生振蕩，且分壓器并聯(lián)于電壓等級(jí)較高的系統(tǒng)時(shí)，必須考慮其長期運(yùn)行的可能性、發(fā)熱、阻抗匹配、交流沖擊、安全等一系列問題。</p><p>　　電壓互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用比較成熟。但是電壓互感器大部分采用鐵磁材料作為鐵心, 主要用于獲取低頻信號(hào), 較難捕捉到高頻過電壓。且電壓互感器的鐵芯在飽和時(shí)為非線性，容易與系統(tǒng)中的電容常數(shù)配合，使系統(tǒng)發(fā)生諧振，產(chǎn)生P

29、T諧振過電壓，對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的絕緣產(chǎn)生影響，有時(shí)候甚至?xí)筆T燒毀。</p><p>　　為了解決上述兩種傳感器所存在的問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，取得了一系列的成果。主要有基于霍爾效應(yīng)的電壓傳感器，非接觸式電壓傳感器，光電傳感器等[5]。</p><p>　　1.2.1 非接觸式電壓傳感器的特點(diǎn)</p><p>　　1、在較高等級(jí)電網(wǎng)中，非接觸式電壓傳感器比高壓分

30、壓器更安全。非接觸式電壓傳感器感應(yīng)出的電壓值一般較小，與電網(wǎng)沒有直接電氣聯(lián)系，運(yùn)行起來更加安全可靠。</p><p>　　2、非接觸式電壓傳感器無鐵磁部分，避免了由于鐵心的非線性引起的鐵磁諧振過電壓。</p><p>　　3、傳感器裝置頻響特性好，測(cè)量精度高，可以捕捉高頻信號(hào)，對(duì)于采集、測(cè)量操作過程中的電壓數(shù)據(jù)十分有效。</p><p>　　4、設(shè)備簡單，成本低廉，

31、便于推廣[6] 。</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容方法</p><p>　　本課題主要是針對(duì)電網(wǎng)非接觸式傳感器過電壓在線監(jiān)測(cè)的研究，主要的工作內(nèi)容和方法如下：</p><p>　　1、查看過電壓在線檢測(cè)的相關(guān)書籍及論文，了解過電壓產(chǎn)生的機(jī)理，以及抑制各種過電壓的相關(guān)措施，了解當(dāng)前國內(nèi)外電力系統(tǒng)過電壓在線檢測(cè)的方法及各種傳感器的特性及發(fā)展趨勢(shì)。通過相關(guān)論文

32、的閱讀，獲悉當(dāng)前在過電壓檢測(cè)方面，我們已經(jīng)研究到什么程度。初步擬定自己的研究方向。</p><p>　　2、查看相關(guān)論文，了解非接觸式傳感器的原理，以及非接觸式傳感器的性能特點(diǎn)。</p><p>　　3、學(xué)會(huì)使用ATP－EMTP仿真軟件，利用ATP－EMTP軟件實(shí)現(xiàn)基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器測(cè)量電力系統(tǒng)過電壓的仿真。通過仿真進(jìn)一步認(rèn)識(shí)這種傳感器的特性，并且驗(yàn)證平行多導(dǎo)線耦合原理

33、的非接觸式傳感器的可行性。</p><p>　　4、了解非接觸式傳感器的原理之后，通過計(jì)算來驗(yàn)證仿真的結(jié)果的正確性，同時(shí)也可驗(yàn)證傳感器原理的可行性。用MATLAB編寫程序來實(shí)現(xiàn)計(jì)算。計(jì)算的內(nèi)容包括直流，單相交流和三相交流三種情況。</p><p>　　5、設(shè)計(jì)基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器的實(shí)驗(yàn)方案，考慮各種對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響因素來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，降低實(shí)驗(yàn)誤差。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步

34、的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。</p><p>　　6、總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，進(jìn)一步提出可以改進(jìn)的地方。</p><p>　　第二章 過電壓的類型及其產(chǎn)生機(jī)理</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　電力系統(tǒng)中過電壓產(chǎn)生的根本原因是系統(tǒng)中電磁能量的轉(zhuǎn)化。根據(jù)系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓的能量的來源分類，我們可以將過電壓

35、分為雷電過電壓和內(nèi)過電壓。雷電過電壓的能量來源于系統(tǒng)外部的雷電，故又叫大氣過電壓或外部過電壓。內(nèi)過電壓的能量來源于電力系統(tǒng)中的電源[7]。</p><p>　　雷電過電壓分為直擊雷過電壓、感應(yīng)雷過電壓。雷擊線路附近地面或線路桿塔時(shí)由于電磁感應(yīng)在導(dǎo)線上引起的過電壓，稱為感應(yīng)雷過電壓。雷直接擊于線路引起的過電壓，稱為直擊雷過電壓[7]。直擊雷過電壓分為雷擊輸電線桿塔、雷擊檔距中央、雷繞擊于輸電線。輸電線路防雷性能的重

36、要指標(biāo)是耐雷水平和雷擊跳閘率。耐雷水平是雷擊線路時(shí)，線路絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值。雷擊跳閘率是指取標(biāo)準(zhǔn)雷暴日數(shù)為40時(shí)，每年每100km線路的雷擊跳閘次數(shù)[7]。</p><p>　　內(nèi)過電壓是由電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的轉(zhuǎn)化和傳遞引起的，由于系統(tǒng)內(nèi)過電壓的能量來自于系統(tǒng)本身，因此內(nèi)過電壓的大小與系統(tǒng)的電壓等級(jí)有關(guān)。110kv以上的系統(tǒng)，電壓等級(jí)較高，發(fā)生內(nèi)過電壓的幅值也就比較高，因此對(duì)于110kv以上的系統(tǒng)，

37、線路和設(shè)備的絕緣水平由系統(tǒng)可能產(chǎn)生的內(nèi)過電壓大小確定。而對(duì)于較低電壓等級(jí)的系統(tǒng)，其線路和設(shè)備的絕緣水平一般由雷電過電壓的大小確定。</p><p>　　系統(tǒng)的內(nèi)過電壓分為暫時(shí)過電壓和操作過電壓。電力系統(tǒng)中由于電感和電容的參數(shù)的配合不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長的各種形式的諧振現(xiàn)象或電壓升高，稱為暫時(shí)過電壓[8]。另外，在電力系統(tǒng)中，由于斷路器的操作和各類故障，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，造成電磁能量的積累與振蕩，而在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)

38、生的過渡過程引起的瞬時(shí)電壓升高，稱為操作過電壓。</p><p>　　系統(tǒng)中的暫時(shí)過電壓又分為工頻過電壓和諧振過電壓。工頻過電壓的形式包括甩負(fù)荷過電壓，不對(duì)稱接地過電壓，空載長線電容效應(yīng)導(dǎo)致的過電壓。諧振過電壓的形式有線性諧振過電壓，鐵磁諧振過電壓和參數(shù)諧振過電壓。操作過電壓的形式包括切斷空載線路過電壓，空載線路合閘過電壓，切斷空載變壓器過電壓和間歇電弧接地過電壓等。</p><p>　　

39、綜上所述，各種類型過電壓的分類可以用下圖來表示：</p><p>　　圖2.1 過電壓的分類</p><p><b>　　2.2 雷電過電壓</b></p><p>　　雷電過電壓是由于外界能量的引入而引起的過電壓。雷電是一種自然現(xiàn)象，是指雷云放電時(shí)所表現(xiàn)出的雷鳴電閃，即帶電荷的雷云與大地之間或帶異號(hào)電荷雷云之間的氣體放電。從雷電放電所造成的后

40、果來講，人們更關(guān)心雷云與大地之間的放電，這將對(duì)人、動(dòng)物、建筑物、電氣設(shè)備、以及通訊網(wǎng)絡(luò)等造成很大的破壞，有時(shí)甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失[9]。</p><p>　　2.2.1 雷電放電的過程</p><p>　　雷電放電是一種長間隙的自持放電，存在先導(dǎo)過程。通常90％的雷電都是負(fù)極性的，而且大部分都屬于下行雷[10]。我們以下行雷為例，介紹雷電放電的三個(gè)階段[11,12]。</p>

41、;<p>　　1、先導(dǎo)放電階段：雷云對(duì)大地有靜電感應(yīng)，在雷云電場(chǎng)的作用下，大地感應(yīng)出異號(hào)電荷，兩者形成一個(gè)特殊的大電容器，隨著雷云中電荷的逐步積累，空間的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)雷云中的電荷密集處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞電離，形成指向大地的一段導(dǎo)電通道，稱為雷電先導(dǎo)。先導(dǎo)放電不是連續(xù)向下發(fā)展的，而是一段接著一段的向前推進(jìn)的。</p><p>　　2、主放電階段：當(dāng)下行先導(dǎo)接近地面

42、時(shí)，會(huì)從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)，便產(chǎn)生強(qiáng)烈的“中和”過程，引起極大的電流，這就是雷電的主放電階段，伴隨出現(xiàn)閃電和雷鳴現(xiàn)象。主放電階段的特點(diǎn)是主放電存在的時(shí)間極短，約為50到100，且放電電流極大，可達(dá)到數(shù)十至數(shù)百千安。</p><p>　　3、余光放電階段：主放電到達(dá)云端就結(jié)束了，然后云中的殘余電荷經(jīng)主放電通道流下來，稱為余光放電階段。由于雷云中的電阻很大，余光放電階段對(duì)應(yīng)

43、的電流不大，約為數(shù)百安培，持續(xù)時(shí)間則較長（0.03~0.15s）[7]。</p><p>　　雷云中的電荷分部是不均勻的，往往形成多個(gè)電荷密集中心，所以第一個(gè)電荷中心完成上述放電過程后，可能引起第二個(gè)、第三個(gè)甚至更多個(gè)的中心向第一個(gè)中心放電，并沿原來的通道到達(dá)大地，因此雷電可能是多重性的。第二次及以后的主放電電流一般較小，不超過30KA，但是雷電后續(xù)分量的陡度非常大，對(duì)電力系統(tǒng)的危害很大[13]。</p&g

44、t;<p>　　圖2.2 雷電放電的發(fā)展過程</p><p>　　2.2.2 感應(yīng)雷過電壓</p><p>　　當(dāng)雷擊線路附近大地或線路桿塔時(shí)，由于雷電通道周圍空間電磁場(chǎng)的劇烈變化，會(huì)在輸電線上感應(yīng)產(chǎn)生過電壓。該過電壓由靜電分量和電磁分量兩部分構(gòu)成。感應(yīng)過電壓的靜電分量和電磁分量都是在主放電過程中，由統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的突變而同時(shí)產(chǎn)生的，由于主放電通道和導(dǎo)線差不多互相垂直，互感不大

45、，電磁感應(yīng)較弱，因此電磁感應(yīng)分量要比靜電感應(yīng)分量小得多，故靜電分量將起主要的作用。感應(yīng)雷過電壓具有如下的特點(diǎn)：</p><p>　　1、感應(yīng)雷過電壓的極性一定與雷云的極性相反；</p><p>　　2、感應(yīng)雷過電壓一定要在雷云及其先導(dǎo)通道中的電荷被中和后才能出現(xiàn)；</p><p>　　3、感應(yīng)雷過電壓的波前平緩(數(shù)微秒到數(shù)十微秒)，波長較長(數(shù)百微秒)；</p

46、><p>　　4、感應(yīng)雷過電壓在三相導(dǎo)線上同時(shí)出現(xiàn)，且數(shù)值基本相等，故不會(huì)出現(xiàn)相間電位差和相間閃絡(luò)，如幅值較大，也只能引起對(duì)地閃絡(luò)[9]。</p><p>　　2.2.3 直擊雷過電壓</p><p>　　我國110KV及以上線路一般全線裝有避雷器，而35KV及以下線路一般不裝設(shè)避雷線，線路落雷有三種情況：雷擊桿塔塔頂及其附近避雷線、雷繞擊于線路、雷擊避雷線檔距中央。直

47、擊雷過電壓對(duì)電力系統(tǒng)的危害最大。雷擊線路后，雷電波會(huì)沿著輸電線浸入變電站，對(duì)變電站的設(shè)備造成破壞，因此，變電站都裝有1～2km的進(jìn)線段保護(hù)，用來限制雷電波的幅值和陡度。并且在變電站進(jìn)線處也要安裝避雷器，防止雷電波的侵入。</p><p><b>　　2.3 內(nèi)過電壓</b></p><p>　　2.3.1 工頻過電壓</p><p>　　電力系

48、統(tǒng)中的工頻過電壓倍數(shù)一般小于2，這對(duì)于220kv及其以下系統(tǒng)的正常絕緣的電氣設(shè)備是沒有危害。但是對(duì)特高壓、超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)，工頻過電壓對(duì)確定系統(tǒng)絕緣水平卻起著決定性的作用，必須予以充分的重視。工頻電壓升高的數(shù)值是決定保護(hù)電器的工作條件的重要根據(jù)[8]。例如，避雷器的最大允許工作電壓就是由避雷器安裝處的工頻電壓升高決定的。工頻電壓升高的幅值越大，避雷線的最大允許工作電壓也要提高，則避雷器的沖擊放電電壓和殘壓也將提高，相應(yīng)被保護(hù)的電氣設(shè)

49、備絕緣水平也要隨之提高。</p><p>　　2.3.1.1 空載長線路的電容效應(yīng)</p><p>　　空載長線路末端電壓高于首端電壓的的現(xiàn)象就是所謂的空載長線路的電容效應(yīng)而引起的工頻電壓升高。如圖2.3所示，一般線路的等值容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路的等值感抗，輸電線路的等值電路如下：</p><p>　　圖2.3 輸電線路等值電路圖</p><p>

50、　　圖2.4 電壓的向量圖</p><p>　　由上可知，在線路空載的情況下，在輸電線路首端電壓的作用下，可列出如下電路方程為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　以為參考方向，可得到圖2.4所示的向量圖，由向量圖可以清楚的看到，由于電容電流的存在，線路末端的電壓反而比首端的電壓大。這就是空載長線路的電容效應(yīng)。

51、</p><p>　　2.3.1.2 不對(duì)稱接地引起的工頻電壓升高</p><p>　　不對(duì)稱接地是輸電線路中最常見的故障形式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相或者兩相不對(duì)稱接地短路時(shí)，短路引起的零序電流會(huì)使健全相出現(xiàn)工頻電壓升高，其中單相接地時(shí)非故障相的電壓可達(dá)到較高的數(shù)值，若同時(shí)發(fā)生健全相的避雷器動(dòng)作，則要求避雷器能在較高的工頻電壓作用下切斷續(xù)流。因此，單相接地工頻電壓升高是確定避雷器滅弧電壓的依據(jù)[8

52、]。</p><p>　　在中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低值阻抗接地系統(tǒng)中，零序電抗是感抗，而系統(tǒng)的正序電抗是感性的，此時(shí)非故障相電壓隨著（為零序電抗，為正序電抗）值的增大而上升。高壓和超高壓系統(tǒng)采取中性點(diǎn)直接接地方式時(shí)，由于考慮繼電保護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的要求，一般，其故障相電壓升高不大于0.8倍線電壓。</p><p>　　中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)包括兩種情況：中性點(diǎn)絕緣、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。中性點(diǎn)絕緣

53、時(shí)單相接地時(shí)非故障點(diǎn)的工頻電壓升高約為1.1倍線電壓。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中性點(diǎn)與地之間接一個(gè)電感線圈，用以補(bǔ)償零序電容，此種情況下非故障相電壓有可能上升至線電壓。</p><p>　　2.3.1.3 甩負(fù)荷引起的工頻過電壓</p><p>　　當(dāng)線路重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于某種原因，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，斷路器將跳閘甩掉負(fù)荷。甩負(fù)荷前，由于線路上輸送著相當(dāng)大的有功及感性無功功

54、率，因此系統(tǒng)電源電勢(shì)必然高于母線電壓。甩負(fù)荷后，根據(jù)磁鏈不變?cè)?，電源暫態(tài)電勢(shì)將維持原來的數(shù)值，加上甩負(fù)荷后形成的電容效應(yīng)以及發(fā)電機(jī)超速造成電勢(shì)和頻率上升，將產(chǎn)生較高的工頻過電壓。</p><p>　　2.3.2 諧振過電壓</p><p>　　諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強(qiáng)迫頻率的一種穩(wěn)態(tài)（或準(zhǔn)穩(wěn)</p><p>　　態(tài)）現(xiàn)象[7]。在這種周期性或準(zhǔn)

55、周期性的運(yùn)行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會(huì)急劇上升。</p><p>　　電力系統(tǒng)中包括有許多電感和電容元件，電感元件有電力變壓器、電磁式電壓</p><p>　　互感器、電抗器、發(fā)電機(jī)、消弧線圈以及線路導(dǎo)線等的電感；電容元件有線路導(dǎo)線的對(duì)地電容和相間電容、補(bǔ)償用的串聯(lián)和并聯(lián)電容器組以及各種高壓設(shè)備的寄生電容等。在正常運(yùn)行時(shí)，這些元件參數(shù)不會(huì)形成諧振，但在系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，這些電感和

56、電容元件，可能形成各種不同的振蕩回路，在電源作用下，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，引起諧振過電壓。</p><p>　　諧振過電壓持續(xù)時(shí)間比操作過電壓長得多，甚至是穩(wěn)定存在的，直到破壞諧振</p><p>　　條件為止。某些情況下，諧振發(fā)生一段時(shí)候后會(huì)自動(dòng)消失，不能自保持。諧振過電壓的危害性既決定于其幅值大小，也決定于持續(xù)時(shí)間長短。</p><p>　　電力系統(tǒng)中的電容一般為線性參

57、數(shù)，而電感則可以是線性、非線性或周期性變</p><p>　　動(dòng)的參數(shù)，它們與電容參數(shù)配合就構(gòu)成了三種不同性質(zhì)的諧振[7]：</p><p>　　1、線性諧振：這種回路中的電感與電容、電阻一樣，都是線性參數(shù)?；芈分械碾姼性蛘邽椴粠цF芯的電感(如線路電感和變壓器漏感)，或者為勵(lì)磁特性接近線性的有鐵芯電感(如消弧線圈，其鐵芯常帶有氣隙)。發(fā)生線性諧振的條件是等值回路的自振頻率等于或接近電源

58、頻率。</p><p>　　2、鐵磁諧振(非線性諧振)：是發(fā)生在含有非線性電感元件的串聯(lián)振蕩回路中的</p><p>　　諧振。當(dāng)電感元件帶有鐵芯時(shí)，一般都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)，而是隨著電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。</p><p>　　鐵磁諧振與線性諧振的特點(diǎn)不大相同。由于諧振回路中的鐵芯電感會(huì)因磁飽和程度不同而相應(yīng)

59、有不同的電感量，于是鐵磁諧振回路的自振角頻率也不是固定的。研究表明，在不同的條件作用下，鐵磁振蕩回路可產(chǎn)生三種諧振狀態(tài)：諧振頻率等于工頻的工頻諧振，也稱基波諧振；諧振頻率為工頻整數(shù)倍的高頻諧振，也稱高次諧波諧振；諧振頻率為工頻分?jǐn)?shù)倍的分頻諧振，也稱分次諧波諧振。</p><p>　　3、參數(shù)諧振：系統(tǒng)中某些元件的電感參數(shù)在某種情況下會(huì)發(fā)生周期性的變化，</p><p>　　例如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

60、，其電感的大小隨著轉(zhuǎn)子位置的不同而周期性的變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶有電容性負(fù)載(例如一段空載線路)時(shí)，如再存在不利的參數(shù)配合，就有可能引發(fā)參數(shù)諧振現(xiàn)象。諧振過電壓不僅會(huì)在操作或發(fā)生故障的過程中產(chǎn)生，而且可能在過渡過程結(jié)束后的較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，直到發(fā)生新的操作，諧振條件受到破壞為止。諧振過程不僅會(huì)產(chǎn)生過電壓使電氣設(shè)備的絕緣，產(chǎn)生持續(xù)的過電流而燒毀設(shè)備，而且還可能影響過電壓保護(hù)裝置的工作條件，如影響閥型避雷器的滅弧條件。對(duì)諧振過電壓的根本防護(hù)措施

61、是設(shè)法改變電路參數(shù)，以避開諧振[7]。</p><p>　　2.3.3 操作過電壓</p><p>　　電力系統(tǒng)中有許多電感、電容元件，構(gòu)成了復(fù)雜的振蕩回路。操作過電壓是指電力系統(tǒng)中由于操作從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)通過振蕩轉(zhuǎn)變到另一種工作狀態(tài)的過渡過程中所產(chǎn)生的過電壓。這里所指的操作，包括斷路器的正常操作，例如空載線路的分閘合閘操作、空載變壓器和電抗器的分閘操作等；還包括故障情況，例如接地故障，

62、短路故障。</p><p>　　操作過電壓的能量來源于電力系統(tǒng)本身，所以操作過電壓的數(shù)值與電力系統(tǒng)中的額定電壓有關(guān)。電力系統(tǒng)中的額定電壓越高，操作過電壓的問題就越突出。在超高壓、特高壓電網(wǎng)中，操作過電壓對(duì)電氣設(shè)備的絕緣選擇起著決定性的作用。因此操作過電壓的防護(hù)是發(fā)展超高壓、特高壓電網(wǎng)的重要研究課題之一。</p><p>　　2.3.3.1 間歇電弧接地過電壓</p><

63、p>　　運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力系統(tǒng)的故障至少有60％是單相接地故障。在中性點(diǎn)接地電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)與接地點(diǎn)可以構(gòu)成一個(gè)短路回路，此時(shí)，回路中電流很大，繼電保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，導(dǎo)致線路被切除。</p><p>　　但是，在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，系統(tǒng)單相接地時(shí)流過故障點(diǎn)的電流是不大的對(duì)地電容電流，這時(shí)系統(tǒng)三相電源電壓仍然維持對(duì)稱，不影響對(duì)用戶的繼續(xù)供電，因此不要求立即切除故障線路，允許繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（

64、一般0.5～2h）。 在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)較小，線路不長，線路對(duì)地電容電流較小時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)流過接地點(diǎn)的電流也小，許多臨時(shí)性的單相電弧接地故障，接地電流可以自動(dòng)熄滅，系統(tǒng)很快恢復(fù)正常。隨著電網(wǎng)的發(fā)展和電纜出線的增多，單相接地電容電流也隨之增加，當(dāng)6～10kv線路電容電流超過30A，20～60kv線路電容電流超過10A時(shí)，接地電弧將難以自動(dòng)熄滅。但這種電容電流又不會(huì)大到形成穩(wěn)定的電弧的程度，而表現(xiàn)為接地電流過零時(shí)電弧暫

65、時(shí)性熄滅，隨后在故障點(diǎn)恢復(fù)電壓的作用下，又重新出現(xiàn)電弧，系統(tǒng)出現(xiàn)電弧時(shí)燃時(shí)滅的不穩(wěn)定狀態(tài)。這種故障點(diǎn)電弧重燃和熄滅的間歇性現(xiàn)象，引起電力系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，導(dǎo)致電網(wǎng)中的電感、電容回路中的電磁振蕩，因而產(chǎn)生遍及全電網(wǎng)的電弧接地過電壓。這種過電壓持續(xù)時(shí)間較長，若不采取措施，可能危機(jī)設(shè)備絕緣，引起線間短路造成故障。</p><p>　　在實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生間歇電弧接地時(shí)，燃弧和重燃是隨機(jī)的，這對(duì)過電壓的倍數(shù)有很大的影響，另外系

66、統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)過電壓也有較大的影響，如考慮線路間電容、絕緣子串泄露殘余電荷以及網(wǎng)絡(luò)損耗電阻對(duì)過渡過程都將有衰減作用。因此，實(shí)際電網(wǎng)中間歇電弧接地過電壓的倍數(shù)一般小于3.1。為了防止此種過電壓的影響，通常采取中性點(diǎn)接消弧線圈來補(bǔ)償電容電流，一般消弧線圈處于過補(bǔ)償狀態(tài)。</p><p>　　2.3.3.2 空載線路分閘過電壓</p><p>　　切除空載線路過電壓產(chǎn)生的原因是斷路器分閘過程中的重

67、燃現(xiàn)象。在分閘初期，由于斷路器觸頭間恢復(fù)電壓上升速度可能超過介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度，造成電弧重燃現(xiàn)象，從而引起電磁振蕩，出現(xiàn)過電壓?？蛰d線路分閘過電壓不僅幅值高，而且持續(xù)時(shí)間長，可達(dá)0.5~1 個(gè)工頻周期以上。而且斷路器滅弧能力越差，重燃幾率越大，過電壓幅值越高[9]。</p><p>　　影響過電壓的因素有：</p><p>　　1、斷路器的滅弧性能及電弧燃滅過程的隨機(jī)性；</p&

68、gt;<p>　　2、線路側(cè)的損耗因素。線路側(cè)的損耗，尤其是有功損耗能起到阻尼振蕩的作用，從而使過電壓減小。</p><p>　　3、中性點(diǎn)接地方式。中性點(diǎn)不接地時(shí)，因三相斷路器動(dòng)作的不同期，會(huì)形成瞬時(shí)的不對(duì)稱，產(chǎn)生中性點(diǎn)位移電壓，使過電壓增大。</p><p>　　為了限制線路分閘過電壓可以采取以下措施：</p><p>　　1、改善斷路器的滅弧性能

69、；</p><p>　　2、采用帶并聯(lián)電阻的斷路器；</p><p><b>　　3、采用避雷器。</b></p><p>　　2.3.3.3 空載線路合閘過電壓</p><p>　　空載線路的合閘有兩種不同的形式：一種是計(jì)劃性合閘操作；另一種是自動(dòng)重合閘操作?？蛰d線路無論是計(jì)劃性合閘還是自動(dòng)重合閘，都將使線路從一種穩(wěn)態(tài)

70、過渡到另一種穩(wěn)態(tài)，又由于系統(tǒng)中L、C的存在，會(huì)產(chǎn)生振蕩過電壓。由于長線路的分布參數(shù)特性，過電壓將由工頻穩(wěn)態(tài)分量和無限個(gè)迅速衰減的分量疊加組成。過電壓系數(shù)一般小于2，通常為1.65～1.85。計(jì)劃性合空載線路產(chǎn)生的最大過電壓為2.0倍；三相重合空載線路產(chǎn)生的最大過電壓為3.0倍[7]。</p><p>　　影響空載線路合閘過電壓的影響因素有合閘時(shí)電源電壓的相位角和線路上的殘余電壓的極性和大小。此外，線路參數(shù)、電網(wǎng)結(jié)

71、構(gòu)、母線的出線數(shù)、斷路器合閘時(shí)三相的同期性和導(dǎo)線的電暈都對(duì)空載線路合閘過電壓有影響。</p><p>　　目前，我國采取帶并聯(lián)電阻的短路器作為限制此種過電壓的主要措施，并用性能良好的氧化鋅避雷器作為后備保護(hù)。此外我們也可采取專門的同步合閘控制裝置，使斷路器在觸頭間的電位差接近零時(shí)完成合閘操作，這將使過電壓大大減弱。</p><p>　　2.3.3.4 空載變壓器分閘過電壓</p>

72、;<p>　　電力系統(tǒng)中利用斷路器切除空載變壓器、并聯(lián)電抗器及電動(dòng)機(jī)等都是常見的操</p><p>　　作方式，它們屬于切斷感性小電流的情況。用斷路器開斷感性負(fù)荷時(shí)，當(dāng)流過感性負(fù)荷的電流在達(dá)到自然零值之前被斷路器強(qiáng)行切斷，電弧熄滅，這就是截流現(xiàn)象[7]。由于電流被截?cái)啵瑥亩箖?chǔ)存在電感中的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)為電場(chǎng)能量而導(dǎo)致電壓的升高，這稱為截流過電壓。如果截流過電壓作用在斷路器的觸頭上，由于此時(shí)觸頭間距很小

73、，因而容易被擊穿，即發(fā)生復(fù)燃。在復(fù)燃的過程中將產(chǎn)生高頻振蕩，產(chǎn)生高頻振蕩過電壓。這兩種過電壓都稱為空載變壓器分閘過電壓。在實(shí)際情況中，這兩種電壓往往交織在一起，對(duì)電力系統(tǒng)的絕緣產(chǎn)生危害。圖2.5 中給出了電流被截?cái)鄷r(shí)變壓器上的電壓波形，圖中為截?cái)嚯娏鳎財(cái)嗟慕Y(jié)果使電流迅速下降到零，使回路中電流變化率很大，如是電感上的壓降很大，這就形成了過電壓，考慮到變壓器的損耗，回路中電壓、電流呈衰減振蕩。</p><p>　　

74、(a)截流發(fā)生在電流上升部分 (b)截流發(fā)生在電流下降部分</p><p>　　圖2.5 截流前后變壓器電壓波形</p><p>　　斷路器的滅弧能力對(duì)切空變過電壓有很大的影響，此外中性點(diǎn)的接地方式也會(huì)影響過電壓的大小，中性點(diǎn)不接地的三相變壓器，由于斷路器動(dòng)作的不同期性，切空變時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的相間電磁聯(lián)系，引起中性點(diǎn)位移，在不利的情況下，開斷三相空載變壓器產(chǎn)生的過電壓會(huì)比單相高

75、出50%.</p><p>　　目前，限制空載變壓器分閘過電壓的主要措施是采用避雷器。且避雷器應(yīng)接在斷路器的變壓器側(cè)，還可以采用相對(duì)地加裝并聯(lián)電容器和相對(duì)地加裝阻容吸收裝</p><p><b>　　置來限制。</b></p><p>　　第三章 非接觸式過電壓在線監(jiān)測(cè)的原理</p><p>　　3.1 過電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的

76、構(gòu)成</p><p>　　目前國內(nèi)外研究過電壓的方法主要有三種：一、實(shí)驗(yàn)室模擬；二、計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算；三、在線監(jiān)測(cè)。前兩種方法都有其缺陷，有時(shí)候不能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際情況。因此，在線監(jiān)測(cè)的方法尤其重要。</p><p>　　在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含四個(gè)要素：信號(hào)變送系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、處理和診斷系統(tǒng)、集成管理系統(tǒng)。四個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖所示：</p><p>　　圖3.1 在線監(jiān)測(cè)

77、系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　信號(hào)變送系統(tǒng)是通過傳感器把電力設(shè)備上監(jiān)測(cè)出反映設(shè)備狀態(tài)的物理量和化學(xué)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是把電信號(hào)經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換等功能，變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以便傳輸；信號(hào)傳輸單元采用數(shù)字信號(hào)傳輸和光信號(hào)傳輸，使監(jiān)測(cè)的信號(hào)無畸變、有效的傳輸?shù)街骺厥业臄?shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理和診斷系統(tǒng)是把監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)做出診斷和判定；集成管理系統(tǒng)就是把診斷數(shù)據(jù)接收到集成系統(tǒng)，或者通過專用電

78、纜或互聯(lián)網(wǎng)往遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送診斷數(shù)據(jù)和接收指令。</p><p>　　圖3.2 電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　電力系統(tǒng)過電壓在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要由傳感器、信號(hào)采集單元、信號(hào)處理傳輸、數(shù)據(jù)處理與診斷單元構(gòu)成?；驹砣缦聢D3.2所示。</p><p>　　目前測(cè)量電壓的傳感器非常多，常見的主要是電磁式電壓互感器、電容式分壓器。這兩中在電力系統(tǒng)中已經(jīng)被廣泛

79、使用，技術(shù)比較成熟。隨著科技的發(fā)展，各種新型的傳感器也被研發(fā)出來了，主要有霍爾電壓傳感器、光電傳感器以及各種基于其他原理的非接觸式傳感器。本文研究的傳感器是基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集是將來自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送往后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系</p><p>　　統(tǒng)，以便對(duì)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。數(shù)據(jù)采集部分的核心功能是A/D 轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的控

80、制電路?？梢詫?shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換的器件有單片機(jī)、DSP、數(shù)據(jù)采集卡或者數(shù)據(jù)采集模塊等。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)采集裝置是數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)以電信號(hào)或者光信號(hào)的形式傳輸?shù)叫盘?hào)處理和診斷系統(tǒng)上去。常見的傳輸方式有光纖傳輸、同軸電纜傳輸以及無線傳輸。在過電壓監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)中，我們?yōu)榱耸剐盘?hào)能夠順利傳輸，采用無線傳輸。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理與診斷單元是整個(gè)

81、系統(tǒng)的軟件核心。有多種技術(shù)可以對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行處理，在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是分形理論來處理得到的電壓波形，從而判斷過電壓的類型。</p><p>　　3.2 非接觸式傳感器原理</p><p>　　根據(jù)麥克斯韋靜電方程，在與地面平行的n根導(dǎo)線中，導(dǎo)線k的電位除了與導(dǎo)線本身所帶的電荷有關(guān)外，還與其他根導(dǎo)線上的電荷有關(guān)。因此，可以利用疊加原理，把這n根導(dǎo)線上的電荷在第k根導(dǎo)線上產(chǎn)生的對(duì)地電位

82、相加，得到：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　上式中 為各導(dǎo)線單位長度上的電荷；</p><p>　　為導(dǎo)線k單位長度的自電位系數(shù)；</p><p>　　為導(dǎo)線k與導(dǎo)線m單位長度的互電位系數(shù)。</p><p><b>　　其中：</b>

83、</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中： 為第k根導(dǎo)線的對(duì)地平均高度，m；</p><p>　　為第k根導(dǎo)線的半徑，m；</p><p>　　為第k根導(dǎo)線與第m根導(dǎo)線的鏡像之間的距離，m；</p><p>　　為第k根導(dǎo)線與第m根導(dǎo)線之間的距離，m。</

84、p><p>　　圖3.3 電位系數(shù)計(jì)算模型</p><p>　　3.2.1 單相線路原理</p><p><b>　　對(duì)于單相線路有：</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　圖3.4 單相非接觸式傳感器模型</p><p&

85、gt;　　其中：由于感應(yīng)線與輸電線沒有直接的電氣聯(lián)系，感應(yīng)線上的電荷為感應(yīng)得到的電荷，因此對(duì)于整個(gè)感應(yīng)線來說，其上的總電荷為零，故＝0。 因此有：</p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　式中：為輸電線電壓；</p><p><b>　　為感應(yīng)線電壓。</b></p><p&

86、gt;　　因此，我們可以通過測(cè)量從而推算出的電壓，并且與呈線性關(guān)系。</p><p>　　3.2.2 三相線路原理</p><p>　　圖3.5 三相非接觸式傳感器模型</p><p>　　根據(jù)麥克斯韋方程有：</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　則令，矩陣為兩個(gè)3

87、×3矩陣，且</p><p>　　由于感應(yīng)線上電荷為靜電感應(yīng)得到的，故，，。由此，我們可以得到：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　故我們可以推導(dǎo)出：</b></p>

88、<p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　這樣，我們就可以通過測(cè)量感應(yīng)線上三相的電壓通過變換矩陣來反推出實(shí)際三相輸電線上的電壓。</p><p>　　實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)中，我們一般都會(huì)在三相感應(yīng)線的末端接一個(gè)電容C。在此種情況下，我們還需考慮所加電容對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，下面就在三相感應(yīng)線上加裝電容C之后的情況加以分析。</p>

89、<p>　　圖3.6 加裝電容后三相非接觸式傳感器模型</p><p><b>　　加裝電容前有：</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　其中矩陣為：</b></p><p><b>　　（3.10）</b

90、></p><p>　　對(duì)式3.9進(jìn)行求逆運(yùn)算有</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　為一個(gè)電容矩陣，此時(shí)把感應(yīng)線上的三相電容加上去，得到新的電容矩陣，</p><p><b>　　（3.12）</b></p><p>　　接著對(duì)求逆矩

91、陣，得到新的電位系數(shù)矩陣，則，此時(shí)有</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　此時(shí)令、為兩個(gè)三階矩陣：</p><p><b

92、>　　（3.15）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　，，。由此，我們可以得到：</p><p><b>　?。?.17）</b></p><p><b>　?。?.18）</b></p><p&

93、gt;<b>　　故</b></p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　同樣可以通過測(cè)量感應(yīng)線上的電壓求得輸電線上的三相電壓。</p><p>　　第四章 非接觸式過電壓仿真及計(jì)算</p><p>　　為了驗(yàn)證原理的可行性和進(jìn)一步了解基于多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器的特

94、性，我們用ATP-EMTP軟件對(duì)這種非接觸式傳感器進(jìn)行了仿真，并跟據(jù)實(shí)驗(yàn)原理來編寫程序計(jì)算感應(yīng)線上的電壓，從而來驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。</p><p>　　4.1 正常工作狀態(tài)下電壓仿真</p><p>　　我們首先通過ATP-EMTP軟件對(duì)正常工作狀態(tài)下的電壓進(jìn)行仿真，包括單相交流，三相交流，以及單相直流。通過這三種情況的仿真，我們可以對(duì)這種非接觸式電壓傳感器有更加深入的認(rèn)識(shí)。</

95、p><p>　　4.1.1 單相交流的仿真</p><p>　　仿真電路圖如下所示：</p><p>　　圖4.1 單相交流仿真電路圖</p><p>　　上圖中LCC模型如下：</p><p>　　圖4.2 單相非接觸式仿真模型</p><p>　　LCC填卡如下所示：</p>&l

96、t;p>　　圖4.3 LCC卡片的填寫</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下所示：</b></p><p>　　圖4.4 輸電線上電壓波形圖</p><p>　　圖4.5 感應(yīng)線上電壓波形圖</p><p>　　由上述圖形可知，在單相實(shí)驗(yàn)時(shí)，感應(yīng)線上的電壓值很小，幅值只有0.11V，且單相時(shí)感應(yīng)線上的相位與輸電

97、線的電壓相位相同。感應(yīng)線上的電壓是輸電線上電壓的2.2e-005倍，這與Matlab計(jì)算的結(jié)果完全一致。Matlab計(jì)算得到的新電位系數(shù)矩陣為</p><p>　　Z =1.0e+011 *</p><p>　　1.40028465272178 0.00001540810878</p><p>　　0.00001540810878 0.00009999236

98、636</p><p>　　所以與ATP-EMTP仿真結(jié)果一致。</p><p>　　4.1.2 三相交流的仿真</p><p>　　仿真電路圖如下所示：</p><p>　　圖4.6 三相仿真電路圖</p><p>　　三相線路仿真時(shí)，LCC的模型與圖3.6一致。其LCC填卡如圖所示。</p><

99、p>　　圖4.7 三相線路時(shí)LCC填卡圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖4.8 輸電線上三相電壓波形</p><p>　　圖4.9 感應(yīng)線上三相電壓波形</p><p>　　由圖可知，通過ATP的仿真，我們可以看到基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式的傳感器能夠用于測(cè)量電力系

100、統(tǒng)過電壓，且耦合線上的電壓值不大，為三相正弦波，a，c相的電壓比b相的電壓幅值大一些。a，c相電壓的幅值為0.035v，b相電壓的幅值為0.0067v。對(duì)比相位之后，我們可以看到感應(yīng)線上的三相電壓相位與輸電線上的三相電壓相位并不相同，而是存在一定的相位差，這時(shí)因?yàn)樵诮?jīng)過轉(zhuǎn)換矩陣之后，感應(yīng)線上的電壓相位發(fā)生了變化。</p><p>　　用Matlab編寫程序計(jì)算三相感應(yīng)線上的電壓，得到的三相電壓波形如下圖所示：&l

101、t;/p><p>　　圖4.10 感應(yīng)線上三相電壓</p><p>　　對(duì)比圖4-10和圖4-9可知，Matlab仿真的結(jié)果與ATP-EMTP仿真的結(jié)果完全吻合，都是b相電壓低，a，c相電壓高。由此也說明多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器能夠用于測(cè)量過電壓，且ATP仿真的結(jié)果完全正確。由Matlab得到的變換矩陣為：</p><p><b>　　Z=</b&

102、gt;</p><p>　　1.0e-005 *</p><p>　　0.74511448106132 0.52427309587465 0.33981122441172</p><p>　　0.51733025040988 0.58437257421697 0.51733025040988</p><p>　　0.33981

103、122441172 0.52427309587465 0.74511448106132</p><p>　　感應(yīng)線上的三相電壓等于變換矩陣乘以輸電線上三相電壓。反之，我們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的感應(yīng)線三相電壓，然后再乘以變換矩陣的逆矩陣即可得到輸電線上的三相電壓。</p><p>　　4.1.3 單相直流的仿真</p><p>　　4.1.3.1 帶負(fù)載的直流電路

104、仿真：</p><p><b>　　仿真電路圖：</b></p><p>　　圖4.11 直流帶負(fù)載仿真電路</p><p>　　仿真中采用的電源為10kv的直流的直流電源，仿真后感應(yīng)線的電壓波形如下圖所示：</p><p>　　圖4.12 感應(yīng)線上電壓波形</p><p>　　感應(yīng)線電壓波形開始

105、部分有震蕩，放大后波形如下：</p><p>　　圖4.13 振蕩部分放大后效果圖</p><p>　　4.1.3.1 不帶負(fù)載直流測(cè)量系統(tǒng)仿真：</p><p>　　圖4.14 直流不帶負(fù)載仿真電路圖</p><p>　　仿真中采用的電源依然是10kv的直流電源。感應(yīng)線上電壓波形如下所示：</p><p>　　圖4.

106、15 不帶負(fù)載時(shí)感應(yīng)線電壓波形</p><p>　　低壓側(cè)波形有震蕩，放大后波形如下：</p><p>　　圖4.16 感應(yīng)線振蕩部分放大后效果圖</p><p>　　由上可知，非接觸式傳感器能夠用來測(cè)量直流高壓系統(tǒng)，但是其感應(yīng)線所得的波形會(huì)有一定的震蕩，當(dāng)有電阻性負(fù)載存在時(shí)，震蕩能夠被抑制，衰減掉，沒有電阻性負(fù)載時(shí)震蕩一直存在，其平均值與帶負(fù)載時(shí)基本相同，但是不帶

107、負(fù)載時(shí)候的震蕩更加明顯。</p><p>　　與單相交流的仿真比較之后，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交流電壓的幅值與直流電壓的平均值相同時(shí)，交流系統(tǒng)感應(yīng)線上交流電壓的幅值與直流系統(tǒng)感應(yīng)線上直流電壓的平均值也一樣。對(duì)此進(jìn)行分析，我們認(rèn)為這是因?yàn)檫@種非接觸式傳感器實(shí)際上是應(yīng)用靜電耦合的原理，這對(duì)于直流和交流都是適用的。</p><p>　　由上述仿真及計(jì)算結(jié)果，我們可以推知，基于多導(dǎo)線耦合的非接觸式傳感器

108、能夠用于測(cè)量高壓，具有可行性。</p><p><b>　　4.2 過電壓仿真</b></p><p>　　上面的仿真都是基于工頻正常情況下的仿真，輸電線和感應(yīng)線上的電壓都是工頻電壓，不存在高頻成分。因此為了了解高頻情況下此種傳感器的特性，我們對(duì)雷電過電壓進(jìn)行了仿真。</p><p>　　仿真電路中的LCC模型依然采用工頻試驗(yàn)中的三相LCC模型

109、。在輸電線路的a相施加一個(gè)雷電電壓源。此雷電電壓源的波前時(shí)間為1.2，半峰值時(shí)間為50，峰值電壓為500kV。</p><p>　　圖4.17 雷電過電壓仿真電路圖</p><p>　　圖4.18 雷電電壓源卡片</p><p>　　輸電線上三相電壓波形如下所示：</p><p>　　圖4.19 輸電線上三相電壓波形</p>&

110、lt;p>　　圖4.20 感應(yīng)線上三相電壓波形</p><p>　　從上述波形可以看出，輸電線上雷電壓峰值為500kV，模型中沒有施加工頻電壓，僅僅是在a相上施加雷電電壓源。因此在輸電線上其他兩相也感應(yīng)出峰值為100kV左右的雷電壓。感應(yīng)線上感應(yīng)出一定的電壓，其中a相電壓峰值為9.14V，波頭時(shí)間為1.2，半峰值時(shí)間為50。感應(yīng)線上a相的電壓相位與輸電線上a相的電壓相同。另外在b，c相上也分別感應(yīng)出峰值為7

111、.26 V ，5.68 V。</p><p>　　第五章 過電壓在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　5.1 實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　圖5.1 實(shí)驗(yàn)電路圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)電路圖如上所示，實(shí)驗(yàn)電源我們采用的是220V，50Hz的交流電，經(jīng)過自耦變壓器調(diào)壓之后經(jīng)升壓器升壓。在工頻實(shí)驗(yàn)中，我們高壓輸

112、電線上的電壓為500v到5000v，為了做切空線等過電壓實(shí)驗(yàn)，我們?cè)陔娐分性黾恿巳嗾婵战佑|器。非接觸式電壓傳感器為于輸電線路之下，用環(huán)氧棒或者木架子做支撐。高壓輸電線和傳感器感應(yīng)線的長度均為兩米，采用塑料管和有機(jī)玻璃棒做支撐，以便讓輸電線和感應(yīng)線更加直，更加平行。感應(yīng)線的末端接0.1的電容，在電容的兩端接同軸電纜獲取感應(yīng)線上的電壓信號(hào)，并使電壓信號(hào)的干擾減小。此外，為了對(duì)非接觸式傳感器的性能有更深入的了解，我們?cè)诟邏狠旊娋€路的首端接入

113、PT和CVT來分別獲取信號(hào)，以便與感應(yīng)線上得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，了解非接觸式電壓傳感器的特點(diǎn)。</p><p>　　我們接入的PT變比為10000：100，CVT的變比為352：1，并且兩者的精度都比較好，能夠?yàn)楦袘?yīng)線數(shù)據(jù)的對(duì)比提供依據(jù)。輸電線和感應(yīng)線均采用截面積為6的帶絕緣皮的銅導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)裝置的具體布置如圖5.2所示，為了模擬地面，我們將一大塊長方形的鋁板放置在輸電線路的下面，并將其與地線相連。</p>