CN110988475B - 非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统设备在线监测技术，具体涉及非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，根据氧化锌避雷器的结构以及母线的排列分布形式，构建氧化锌避雷器三相母线的仿真模型；在氧化锌避雷器母线其中一相的正下方选择一观测点，将观测点电场相位与对应相母线电压相位进行对比，得到该母线的母线电压相位与观测点电场相位之间的关系式；通过电场传感器测得观测点的电场相位；根据所得到该母线的母线电压相位与观测点电场相位之间的关系式和所测得观测点的电场相位，求出氧化锌避雷器母线其中一相母线电压，进而求得另外两相母线电压。该方法操作简单，可靠，适合对氧化锌避雷器的工作状态进行有效评估。

Description

非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法

技术领域

本发明属于电力系统设备在线监测技术领域，尤其涉及非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法。

背景技术

作为防止过电压及其续流损坏电气设备的保护装置，氧化锌避雷器在电力系统的运行过程中起着至关重要的作用。其中氧化锌避雷器凭借着其优良的保护性能，已然成为国内外应用最广泛的、关键的过电压保护设备，具有重要的研究和应用价值。

对氧化锌避雷器进行有效的在线监测，是检测其性能是否老化、电网是否能继续可靠运行的重要工作。氧化锌避雷器在发生老化故障时，其阻性电流分量会明显增加，而在一定的电压下，氧化锌避雷器的容性电流是不变的，且与阻性电流相位相差90°。但准确测得阻性电流分量是困难的。传统测量采用电压传感器获取电压信号，测得氧化锌避雷器母线的电压与幅值，但实际上在工频状态下，电压幅值基本保持不变，而且阻性电流的变化对其影响也不大，因此电压幅值是不必要的，仅需测得相位即可，同时，电压传感器在测量时是并联在PT两侧的，一旦发生故障使输入阻抗过小时，会引发短路危险，对变电站的设备和电力系统稳定造成严重损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式的变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1、根据氧化锌避雷器的结构以及母线的排列分布形式，构建氧化锌避雷器三相母线的仿真模型；

步骤2、利用基于有限元的静电场仿真方法对氧化锌避雷器母线下方电场进行计算，在氧化锌避雷器母线其中一相的正下方选择一观测点，将该观测点电场相位与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位进行对比，得到氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位与观测点电场相位之间的关系式；

步骤3、通过电场传感器测得观测点的电场相位；

步骤4、根据步骤2所得到氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位与观测点电场相位之间的关系式和步骤3所测得观测点的电场相位，求出氧化锌避雷器母线其中一相母线电压，进而求得另外两相母线电压。

在上述的非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法中，步骤1所述氧化锌避雷器三相母线的仿真模型构建方法为：将母线简化为圆柱导线，设置材料属性和边界条件，取大地电位为零，边界取3-5倍截断边界，边界条件设为零电位；不考虑高次谐波分量对仿真模型的影响，设三相母线流过线电压为500kV、相位相差120°的工频正弦电压。

在上述的非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法中，步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1、在氧化锌避雷器母线其中一相正下方距离地面0.5m，且不与母线接触处选择一观测点；

步骤2.2、对步骤2.1所选观测点对应的氧化锌避雷器母线其中一相的初相位从0°开始递增30°施加电压进行多次仿真计算，测量其电场随时间变化曲线，并以仿真得到的氧化锌避雷器母线其中一相下方电场波形到达第一个波峰的时间t₁为基准，与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压波形对应的波峰时间t₂进行比较，t₁与t₂的差为一个误差不超过0.000005s的固定值Δt，通过t₁推出t₂的值，从而实现电场相位到电压相位的转化。

在上述的非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法中，步骤3所述电场传感器选择基于光学原理的光学电场传感器。

本发明的有益效果：在变电站复杂的工作环境下，本发明提供的非接触式在线监测方法能够安全、简便的对氧化锌避雷器母线电压相位进行监测，使工程人员能够实时掌握氧化锌避雷器的工作状态，避免发生事故。

附图说明

图1是本发明一个实施例实现方法流程图；

图2是本发明一个实施例氧化锌避雷器母线电压电流相位示意图；

图3是本发明一个实施例氧化锌避雷器单回三相母线的二维模型图；

图4(a)是观测点S电场相位与A相电压相位为0°时母线电压相位仿真波形图；

图4(b)是观测点S电场相位与A相电压相位为30°时母线电压相位仿真波形图；

图4(c)是观测点S电场相位与A相电压相位为60°时母线电压相位仿真波形图；

图4(d)是观测点S电场相位与A相电压相位为90°时母线电压相位仿真波形图；

图4(e)是观测点S电场相位与A相电压相位为120°时母线电压相位仿真波形图；

图4(f)是观测点S电场相位与A相电压相位为150°时母线电压相位仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

传统的便携式设备测量方式需要通过PT二次侧获取电压信号，现场测量非常不方便，并且有造成电压互感器短路或保护跳闸的危险，大量的仿真实验与典型案例计算结果表明，氧化锌避雷器母线下方的电场相位与其母线电压相位之间存在着一定的关系，若能找到这个关系，再测得母线下方的电场相位，即可在不与氧化锌避雷器有直接接触的情况下得到母线电压相位，间接测量氧化锌避雷器母线的工作电压相位，安全可靠，操作简便，适合在工作环境复杂的变电站中使用。

若能准确测得电压相位α的变化，就可以由图2所示的相位关系较准确的求出阻性电流分量的变化。其中U为母线电压，I_X为母线电流，I_C为容性电流，I_R为阻性电流，相对于阻性电流的变化，相位α的变化显得更加灵敏。

基于此，本实施例提出的一种非接触式的变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，首先对氧化锌避雷器母线进行仿真建模，通过静电场分析计算得到氧化锌避雷器母线下方一观测点处电场相位与母线电压相位之间的关系，再将电场传感器放在与仿真对应的实际的观测点处，测得此处电场相位，即可根据相位之间的关系，得到氧化锌避雷器的母线电压相位，进而对氧化锌避雷器的状态进行监测。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种非接触式的变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，将现有的接触式氧化锌避雷器母线电压测量方式改为电场测量探头测量方式，主要考虑三相母线的电压相位，其幅值精确度要求适当放宽。通过建立氧化锌避雷器母线几何模型并进行有限元仿真分析，得到母线下方电场相位与母线电压相位之间的对应关系，在变电站现场布置实际的电场传感器，测得电场相位，即可根据母线下方电场相位与母线电压相位之间的对应关系求得氧化锌避雷器母线电压相位，进而对氧化锌避雷器工作状态进行判断，具体包括以下步骤：

S1，根据氧化锌避雷器的结构以及母线的排列分布形式，忽略氧化锌避雷器法兰、均压环的影响，对氧化锌避雷器模型进行简化，构建氧化锌避雷器三相母线的仿真模型；

S2，根据氧化锌避雷器的实际运行条件，利用基于有限元的静电场仿真方法对氧化锌避雷器母线下方电场进行计算，在氧化锌避雷器母线其中一相的正下方处选择一观测点，将该观测点电场相位与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位进行对比，得到氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位与观测点电场相位之间的关系；

S3，将电场传感器放在与S2中仿真对应的氧化锌避雷器母线下方实际观测点位置上，测得该观测点的电场相位；

S4，根据S2中得到的观测点电场相位与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位之间的关系和S3中使用电场传感器测得的观测点电场相位，求得氧化锌避雷器母线其中一相母线电压，又因为工频三相母线的电压相位互差120°，进而可求得其他两相母线电压。

并且，S1中忽略氧化锌避雷器均压环、法兰的影响是因为经过实际仿真建模，发现均压环和法兰对氧化锌避雷器母线下方电场的影响主要体现在幅值上，在相位上不存在误差。

S1中氧化锌避雷器三相母线的仿真模型构建方法为：将母线简化为圆柱导线，设置材料属性和边界条件，取大地电位为零，边界取3-5倍截断边界，边界条件设为零电位。不考虑高次谐波分量对本次仿真的影响，且认为三相母线流过线电压为500kV、相位相差120°的工频正弦电压。

S2中观测点的位置选择应在氧化锌避雷器其中一相母线的正下方距离地面0.5m处，且不与母线接触。

S2中得到氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位与观测点电场相位之间关系的具体方法为：为方便统计分析规律，对应观测点的氧化锌避雷器母线其中一相初相位从0°开始递增30°施加电压进行多次仿真计算，测量其电场随时间变化曲线，并以仿真得到的氧化锌避雷器母线其中一相下方电场波形到达第一个波峰的时间t₁为基准，与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压波形对应的波峰时间t₂进行比较，t₁与t₂的差为一个误差不超过0.000005s的固定值Δt，由t₁推出t₂的值，便可以实现从电场相位到电压相位之间的转化。

S3中的电场传感器优先选择基于光学原理的光学电场传感器。

具体实施时，以变电站500kV避雷器为例，如图1所示，为本发明的流程图，具体步骤如下：

一、根据氧化锌避雷器的结构以及母线的排列分布形式，忽略氧化锌避雷器法兰、均压环的影响，对氧化锌避雷器模型进行简化，构建氧化锌避雷器单回三相母线的二维模型，如图3所示，氧化锌避雷器母线A、B、C三相依次排开，对地高度为15米，相间距离为W＝6米，S点为选择的观察点，位于A相的正下方，距离地面H＝0.5米处。

二、根据氧化锌避雷器的实际运行条件，利用基于有限元的静电场仿真方法对氧化锌避雷器母线下方电场进行计算，将母线简化为圆柱导线，设置材料属性和边界条件，取大地电位为零，边界取3-5倍截断边界，边界条件设为零电位。不考虑高次谐波分量对本次仿真的影响，且认为三相母线流过线电压为500kV、相位相差120°的工频正弦电压，使用Ansys软件工具求解氧化锌避雷器母线下方的电场情况。

三、对A相从0°开始递增30°施加电压进行多次仿真计算，共计算6组数据，测量其电场随时间变化曲线，并以仿真得到的电场波形到达第一个波峰的时间t₁为基准，与电压波形对应的波峰时间t₂进行比较，由t₁推出t₂的值，便可以实现电压相位的观测。A相电压相位为0°时，仿真得到的波形图如图4(a)所示，A相电压相位为30°时，仿真得到的波形图如图4(b)所示，A相电压相位为60°时，仿真得到的波形图如图4(c)所示，A相电压相位为90°时，仿真得到的波形图如图4(d)所示，A相电压相位为120°时，仿真得到的波形图如图4(e)所示，A相电压相位为150°时，仿真得到的波形图如图4(f)所示。其中幅值较大的为A相电压波形，幅值较小的为S点处电场波形。计算得到的A相母线电压相位与观测点S电场相位之间的关系如下表所示；

表1观测点S电场与A相电压相位关系

由表1可知，A相下方S点的电场波形到达第一个峰值时间t₁与对应的A相电压峰值时间t₂之差是一个固定的时间，其上下误差不超过0.000005s，按工频50Hz电压一个周期为0.02s计，换算成角度误差为0.09°，符合精度要求。

可以看到，A相电压相位总滞后于S点的电场相位1.125π(弧度制)。由此规律我们可以总结出单回母线情况下在A相下方、地面上方0.5米的点S处的电场波形函数推出电压波形函数，仅关注其相位，不关注其幅值。当S点的电场相位为

时，对应的A相电压相位为

由于工频三相电压相位互差120°，所以B相电压相位为

C相电压相位为

四、将实际的电场传感器放置在变电站氧化锌避雷器母线下方与仿真对应的A相母线下方，距离地面0.5米的观测点S处，测出该点的电场相位值，再根据步骤三得到的A、B、C三相电压相位与S点电场相位之间的关系，得到该氧化锌避雷器母线电压的相位。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、根据氧化锌避雷器的结构以及母线的排列分布形式，构建氧化锌避雷器三相母线的仿真模型；

步骤2、利用基于有限元的静电场仿真方法对氧化锌避雷器母线下方电场进行计算，在氧化锌避雷器母线其中一相的正下方选择一观测点，将该观测点电场相位与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位进行对比，得到氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位与观测点电场相位之间的关系式；

步骤3、通过电场传感器测得观测点的电场相位；

步骤4、根据步骤2所得到氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位与观测点电场相位之间的关系式和步骤3所测得观测点的电场相位，求出氧化锌避雷器母线其中一相母线电压相位，进而求得另外两相母线电压相位；

步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1、在氧化锌避雷器母线其中一相正下方距离地面0.5m，且不与母线接触处选择一观测点；

步骤2.2、对步骤2.1所选观测点对应的氧化锌避雷器母线其中一相的初相位从0°开始递增30°施加电压进行多次仿真计算，测量其电场随时间变化曲线，并以仿真得到的氧化锌避雷器母线其中一相下方电场波形到达第一个波峰的时间t₁为基准，与氧化锌避雷器母线其中一相母线电压波形对应的波峰时间t₂进行比较，t₁与t₂的差为一个误差不超过0.000005s的固定值Δt，通过t₁推出t₂的值，从而实现电场相位到电压相位的转化。

2.如权利要求1所述的非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，其特征是，步骤1所述氧化锌避雷器三相母线的仿真模型构建方法为：将母线简化为圆柱导线，设置材料属性和边界条件，取大地电位为零，边界取3-5倍截断边界，边界条件设为零电位；不考虑高次谐波分量对仿真模型的影响，设三相母线流过线电压为500kV、相位相差120°的工频正弦电压。

3.如权利要求1所述的非接触式变电站氧化锌避雷器母线电压相位在线监测方法，其特征是，步骤3所述电场传感器选择基于光学原理的光学电场传感器。

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