本發(fā)明屬于高壓測(cè)量技術(shù)研究領(lǐng)域，特別涉及一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

氣體絕緣變電站(Gas Insulated Substation)因其受環(huán)境影響因素小、占用空間小、運(yùn)行可靠性高、很少維修等優(yōu)點(diǎn)在近二、三十年中得到了日益廣泛的應(yīng)用。隨著運(yùn)行電壓和GIS內(nèi)氣壓的提高，因隔離開關(guān)、接地開關(guān)和斷路器的操作而引起的快速暫態(tài)過程將會(huì)更加明顯和嚴(yán)重，并可能對(duì)系統(tǒng)引起若干不良影響，尤其是隔離開關(guān)切合空載母線時(shí)，因其操作的概率和頻數(shù)比較大，操作周期比較長(zhǎng)，造成過電壓現(xiàn)象和電磁兼容問題不可避免，越來越引起世人的關(guān)注。

GIS中由開關(guān)操作引起的電磁暫態(tài)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：GIS母線套管上的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)、GIS殼體上的暫態(tài)地電位升高(TEV)，以及由于GIS內(nèi)部產(chǎn)生高頻特快速暫態(tài)電流(VFTC)，而在GIS周圍空間產(chǎn)生暫態(tài)電磁場(chǎng)(TEM)和電磁干擾(EMI)，造成對(duì)二次設(shè)備的無(wú)干擾，如圖1所示。

其中，快速暫態(tài)過電壓VFTO和VFTC是GIS中最典型、危害最嚴(yán)重的一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象。隔離開關(guān)在操作過程中，由于其切換速度慢，觸頭間隙會(huì)發(fā)生多次重燃，產(chǎn)生極陡的行波并在GIS管線內(nèi)迅速發(fā)生折射、反射和疊加，產(chǎn)生高頻振蕩的快速暫態(tài)過電壓即VFTO和VFTC。典型的VFTO和VFTC的波形，如圖2和圖3所示。

根據(jù)電磁場(chǎng)原理，VFTC和VFTO具有一定的相關(guān)性，VFTO產(chǎn)生暫態(tài)過電壓的同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過電流，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，VFTO具有以下特點(diǎn)：

1)波前很陡，上升時(shí)間短(3～20ns)，電壓上升率高，可達(dá)40MV/s；

2)頻率高，主要集中在0.5～150MHz范圍內(nèi)，最高可達(dá)300MHz；

3)幅值不高，典型值為1.5～2.0p.u.，最高可達(dá)2.5p.u.。

VFTO主要作用于GIS內(nèi)部導(dǎo)體與殼體之間，危及GIS內(nèi)部設(shè)備，尤其是對(duì)盆式絕緣子的絕緣危害非常大。當(dāng)GIS內(nèi)的VFTO以行波方式沿母線傳播時(shí)，高頻電流的肌膚效應(yīng)使電流沿母線的外表面及外殼的內(nèi)表面流動(dòng)，到達(dá)套管后，一部分沿著架空線傳播，對(duì)與之相連的電氣設(shè)備(如變壓器、架空線路)造成直接的絕緣損壞；另一部分則耦合到殼體與地之間，使GIS殼體上形成暫態(tài)地電位升高，即TGPR，幅值范圍一般在0.1～0.25p.u.之間。數(shù)十到上百千伏的TGPR具有持續(xù)時(shí)間短、頻率高和陡度大的特點(diǎn)，對(duì)二次設(shè)備構(gòu)成過電壓威脅。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)VFTO特性的研究，可以看出，對(duì)VFTO和VFTC特性的研究主要存在如下問題：

(1)現(xiàn)有對(duì)快速暫態(tài)過電壓的研究較多，但對(duì)快速暫態(tài)過電流特性研究較少，由于在高電位情況下電流測(cè)量較困難，且外部對(duì)電流干擾較大，屏蔽問題較難解決。

(2)實(shí)際運(yùn)行中的GIS隔離開關(guān)速度較低，速度單一，難以改變隔離開關(guān)的分合鬧速度，研究在多種不同隔離關(guān)速度情況下對(duì)產(chǎn)生VFTO和VFTC的影響較為困難。對(duì)于隔離關(guān)分合閘速度對(duì)VFTO的影響，隔離開關(guān)運(yùn)動(dòng)速度越慢，分閘的時(shí)候重?fù)舸┑拇螖?shù)則越多，那么空載母線上的殘余電荷就會(huì)越少，下一次合鬧過程中所產(chǎn)生的VFTO的幅值也就越低，并沒有給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。重合鬧次數(shù)越多，殘余電荷會(huì)越少，沒有理論方面的解釋。

(3)對(duì)隔離開關(guān)高頻電弧特性的研究不夠準(zhǔn)確，對(duì)一次擊穿中弧道電阻的確定缺乏依據(jù)，不能確定弧道電阻是回路的電阻值還是一次燃弧的弧阻值。

由于電壓可以在GIS外部測(cè)試，因此目前對(duì)于GIS暫態(tài)過電壓VFTO的測(cè)量方法較多。GIS電流探頭是用于測(cè)量GIS內(nèi)部導(dǎo)體暫態(tài)電流的傳感器。在GIS隔離開關(guān)分合過程中，其暫態(tài)電流頻率特性與快速暫態(tài)過電壓(VFTO)特性類似，其電流高頻部分頻率上限達(dá)到100MHz，其低頻部分在數(shù)百kHz。測(cè)量高頻暫態(tài)電流的基本方法是采用羅氏線圈測(cè)量。測(cè)量較高頻率電流的羅氏線圈，其體積尺寸都較小，所以測(cè)量電流的導(dǎo)體不能太大，此外還存在測(cè)量絕緣問題。因此用羅氏線圈測(cè)量電流，需解決和測(cè)量導(dǎo)體尺寸配合、測(cè)量絕緣問題。根據(jù)初步研究分析，采用羅氏線圈測(cè)量電流其結(jié)構(gòu)復(fù)雜難度較大，解決成本也大。

因此，目前對(duì)GIS內(nèi)部VFTC的測(cè)量是一個(gè)行業(yè)難題，急需一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試安全，且精度高的測(cè)量系統(tǒng)及方法，對(duì)GIS的電磁暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)及方法，以解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明方法是一種電流測(cè)量范圍為50kV～500kV，測(cè)量帶寬為50Hz～100MHz(-3db)，測(cè)量誤差≤3％，電壓測(cè)量響應(yīng)時(shí)間≤2ns的GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電流的測(cè)量方法，安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與測(cè)試安全、精度高為一體的用于GIS內(nèi)部特快速暫態(tài)電流VFTO測(cè)量的方法，為GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量提供一種簡(jiǎn)單、高效的方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)，包括手孔蓋板、聚四氟乙烯絕緣套、聚四氟乙烯絕緣薄膜和中間極板；手孔蓋板與中間極板之間設(shè)有一層聚四氟乙烯絕緣薄膜，保持手孔蓋板與中間極板之間的絕緣；中間極板為平板結(jié)構(gòu)；中間極板通過若干螺釘固定在手孔蓋板的內(nèi)側(cè)面，所述若干螺釘與中間極板之間設(shè)有絕緣套絕緣；手孔蓋板的外側(cè)面上固定有BNC探頭輸出座，中間極板中心設(shè)有中間極板同軸導(dǎo)體，BNC探頭輸出座的電極芯與中間極板同軸導(dǎo)體電性連接。

進(jìn)一步的，BNC探頭輸出座通過螺紋緊固于手孔蓋板上。

進(jìn)一步的，還包括電壓探頭輸出端密封罩，電壓探頭輸出端密封罩通過鋼制緊固螺絲固定在手孔蓋板外表面上，并罩住BNC探頭輸出座；電壓探頭輸出端密封罩和手孔蓋板之間通過密封圈密封。

進(jìn)一步的，所述一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)安裝于GIS設(shè)備的手孔中，中間極板置于GIS中高壓導(dǎo)體與手孔蓋板之間，高壓導(dǎo)體與中間極板之間形成電容C1，中間極板與手孔蓋板之間形成電容C2，C1與C2組成一個(gè)電容分壓器。

一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量方法，其特征在于，基于一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)，包括以下步驟：

1)將一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)安裝在待測(cè)GIS設(shè)備上之前，對(duì)所述一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，確定其分壓比；

2)將所述一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)安裝在待測(cè)GIS設(shè)備手孔位置，中間極板置于GIS中高壓導(dǎo)體與手孔蓋板之間；

3)高壓導(dǎo)體與中間極板之間形成電容C1，中間極板與手孔蓋板之間形成電容C2，C1與C2組成一個(gè)電容分壓器；測(cè)量時(shí)，臨時(shí)拆除電壓探頭輸出端密封罩，測(cè)量BNC探頭輸出座外殼與電極芯之間的電壓，即中間極板與手孔蓋板之間的電壓，根據(jù)步驟1)確定過的分壓比，通過計(jì)算得到高壓導(dǎo)體的對(duì)地電壓。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明通過在GIS設(shè)備的手孔蓋板中設(shè)置一塊中間極板，中間極板置于GIS中高壓導(dǎo)體與手孔蓋板之間，高壓導(dǎo)體與中間極板之間形成電容C1，中間極板與手孔蓋板之間形成電容C2，C1與C2組成一個(gè)電容分壓器，當(dāng)分壓比確定后，測(cè)量電容C2兩端的電壓，通過計(jì)算即可得到高壓導(dǎo)體的對(duì)地電壓。本發(fā)明安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與測(cè)試安全、精度高。

本發(fā)明電流測(cè)量范圍為50kV～500kV，測(cè)量帶寬為50Hz～100MHz(-3db)，測(cè)量誤差≤3％，電壓測(cè)量響應(yīng)時(shí)間≤2ns。本發(fā)明為一種用于GIS內(nèi)部特快速暫態(tài)電流VFTO測(cè)量的方法，為GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量提供一種簡(jiǎn)單、高效的方法。

本發(fā)明對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部的電磁暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究，進(jìn)而通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，對(duì)GIS設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，另外也可應(yīng)用于對(duì)變電站中暫態(tài)電磁環(huán)境的研究，提高上述技術(shù)應(yīng)用的精度和準(zhǔn)確度。

附圖說明

圖1為GIS中的電磁暫態(tài)現(xiàn)象示意圖；

圖2為GIS內(nèi)部典型VFTO波形；其中圖2(a)為隔離開關(guān)合閘時(shí)電壓波形；圖2(b)為隔離開關(guān)分閘時(shí)的波形；

圖3為GIS內(nèi)部典型VFTC波形；其中圖3(a)為隔離開關(guān)合閘時(shí)暫態(tài)電流波形；圖3(b)為隔離開關(guān)合閘時(shí)暫態(tài)電流波形；

圖4為GIS電壓探頭原理圖；

圖5為GIS電壓探頭結(jié)構(gòu)圖。

圖中，1、手孔蓋板；2、電壓探頭輸出端密封罩；3、聚四氟乙烯絕緣套；4、聚四氟乙烯絕緣薄膜；5、中間極板；11、鋼制緊固螺絲；12、密封圈；13、BNC探頭輸出座；14、中間極板同軸導(dǎo)體；15絕緣套。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖4所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)出一個(gè)在GIS手孔蓋板位置安裝電壓探頭。

圖4中中間極板和手孔蓋板為一對(duì)鋁制金屬極板。手孔蓋板為GIS罐體手孔蓋板，通過螺絲緊固于GIS殼體上，電位為地電位，可根據(jù)不同電壓等級(jí)GIS尺寸，制作不同大小手孔蓋板配套安裝。中間極板置于GIS中高壓導(dǎo)體與手孔蓋板之間，因此，高壓導(dǎo)體與中間極板之間形成電容C1，中間極板與手孔蓋板之間形成電容C2，C1與C2組成一個(gè)電容分壓器，當(dāng)分壓比確定后，測(cè)量電容C2兩端的電壓，通過計(jì)算即可得到高壓導(dǎo)體的對(duì)地電壓。實(shí)際測(cè)量是在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)量穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電壓量，以已知穩(wěn)態(tài)電壓幅值比對(duì)暫態(tài)電壓幅值，即可得到電壓暫態(tài)量。

請(qǐng)參閱圖5所示，本發(fā)明一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)，包括手孔蓋板1、電壓探頭輸出端密封罩2、聚四氟乙烯絕緣套3、聚四氟乙烯絕緣薄膜4和中間極板5。

手孔蓋板1與中間極板5之間設(shè)有一層聚四氟乙烯絕緣薄膜，保持手孔蓋板1與中間極板5之間的絕緣。中間極板5為平板結(jié)構(gòu)；探頭輸出特性為高阻，與測(cè)量?jī)x器連接宜采用10:1或100:1高阻標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量表筆探頭連接，表筆探頭輸入阻抗為10MΩ或100MΩ。探頭輸出采用同軸傳輸系統(tǒng)，使探頭具有較好的傳輸性能。為保證探頭的密封性能，探頭結(jié)構(gòu)采用雙密封結(jié)構(gòu)，即圖5中3處同軸灌膠密封和密封圈12，最大限度保證探頭的密封性能。中間極板5和手孔蓋板1之間的固定螺絲與中間極板之間通過圖5中緊固螺絲與中間極板之間的絕緣套15進(jìn)行絕緣。BNC探頭輸出座13外殼通過螺紋緊固于手孔蓋板1上，其中電極芯與中間極板同軸導(dǎo)體14焊接在一起。

電壓探頭輸出端密封罩2通過鋼制緊固螺絲11固定在手孔蓋板1外表面上；電壓探頭輸出端密封罩2和手孔蓋板1之間通過密封圈12密封。中間極板5的四周通過多個(gè)螺釘固定在手孔蓋板1的內(nèi)表面上，該等緊固螺絲與中間極板之間設(shè)有絕緣套15，手孔蓋板1與中間極板5有一層聚四氟乙烯絕緣薄膜。中間極板5的中心設(shè)有中間極板同軸導(dǎo)體14，手孔蓋板1的中心設(shè)有BNC探頭輸出座13，中間極板同軸導(dǎo)體14與BNC探頭輸出座13的電極芯連接。

根據(jù)不同電壓等級(jí)GIS設(shè)備手孔位置和蓋板大小，加工裝配電壓探頭，這兩個(gè)探頭除蓋板尺寸有差異外，其它部分完全相同。每個(gè)做好的探頭在安裝前要通過試驗(yàn)標(biāo)定其分壓比。

本發(fā)明一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)將一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)安裝在待測(cè)GIS設(shè)備上之前，對(duì)所述一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，確定其分壓比；

2)將所述一種GIS內(nèi)部高頻暫態(tài)電壓的測(cè)量系統(tǒng)安裝在待測(cè)GIS設(shè)備手孔位置，中間極板置于GIS中高壓導(dǎo)體與手孔蓋板之間；

3)高壓導(dǎo)體與中間極板之間形成電容C1，中間極板與手孔蓋板之間形成電容C2，C1與C2組成一個(gè)電容分壓器；測(cè)量時(shí)，臨時(shí)拆除電壓探頭輸出端密封罩2，測(cè)量BNC探頭輸出座13外殼與電極芯之間的電壓，即中間極板與手孔蓋板之間的電壓，根據(jù)步驟1)確定過的分壓比，通過計(jì)算得到高壓導(dǎo)體的對(duì)地電壓。

步驟3)中實(shí)際測(cè)量是在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)量穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電壓量，以已知穩(wěn)態(tài)電壓幅值比對(duì)暫態(tài)電壓幅值，即可得到電壓暫態(tài)量。