CN103217659B - 特快速暂态过电压测量系统的标定方法与标定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种特快速暂态过电压测量系统的标定方法与标定装置。该特快速暂态过电压测量系统的标定方法包括:设置有测量系统的气体绝缘金属封闭开关设备GIS的测试母线连接至直流电压源;在测试母线的电位提高至直流电压源的输出电压后，断开GIS设备至直流电压源的电连接;将测试母线的一端接地，以使测试母线的电位产生振荡衰减;读取测量系统在振荡衰减过程中的测量波形;根据测量波形和输出电压计算测量系统的测量分压比。本发明的技术方案与现有标定方法相比，标定所用电压幅值更高，标定环境与测量系统的实际工作环境一致，提高了标定的准确性。

Description

特快速暂态过电压测量系统的标定方法与标定装置
技术领域
本发明涉及高电压领域，具体而言，涉及一种特快速暂态过电压测量系统标定方法与标定装置。
背景技术
在应用气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Swichgear，以下简称为GIS)的各种电压等级的电力系统中，均可能因为隔离开关切合空载短母线而产生特快速暂态过电压(VeryFast Transient Overvoltage，以下简称为VFTO)。VFTO可能破坏设备绝缘，引起系统故障，是电力设备和电力系统的严重威胁。准确地测量VFTO，是开展相关研究的基础和前提。
GIS隔离开关操作时产生的VFTO幅值可达2～3倍工频峰值。为了满足测量的需要，测量系统要将高电压转换为低电压，所以测量系统的分压比一般都非常大。因此，要确定测量结果在多大程度上反映实际的VFTO水平，对测量系统的标定就显得至关重要。一般情况下，对测量系统的标定包括2个部分:(1)频率特性标定，用以确定测量系统的频响特性和测量带宽；(2)分压比标定，用以确定测量时传感器输出电压与被测VFTO电压的幅值关系。目前，国内外虽对测量VFTO的方法已经进行了长期的研究，提出了电容传感器法和微积分法等多种方法，并开展了一些实际测量，但在测量系统的标定问题上仍然未能达成共识，也没有形成完善的标定方法。此外，国际上尚未制定VFTO波形的标准，因此，也没有标准的VFTO源来对VFTO测量系统进行标定。
以下文献介绍了现有的标定VFTO测量系统的一些方法:
[1]岳功昌，刘卫东，陈维江，关永刚，李志兵。特高压气体绝缘组合开关设备中特快速瞬态过电压测量系统的标定，高电压技术，2012，38(2):342-349。
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文献[1]介绍了一种实验室标定电容分压式VFTO传感器频率特性的方法，包括高频截止频率和低频截止频率。该方法使用实验室模拟电路施加已知的工频电压和雷电冲击电压，根据测量结果标定测量系统的工频和雷电冲击分压比，并将该结果作为VFTO测量时传感器的分压比。但是现有的实验室条件产生的标定信号并不能精准模拟现场的信号。因此使用这种方法中进行标定，施加的工频电压和雷电冲击电压要小于实际现场的电压值，而且波形的陡度明显比现场波形相差较大，因此，使用实验室条件标定的测量系统在现场使用时的测量准确程度存在着不确定的因素。
文献[2]提出采用不同波形、不同幅值的三种脉冲源作为信号源，以电阻分压器作为比对基准，对电容分压式VFTO传感器的频带进行标定的方法。三种脉冲源分别是即低电压陡脉冲源、高电压陡脉冲源以及低电压长波尾脉冲源，分别由不同的脉冲发生电路产生。使用这种方法所产生的波形与实际VFTO波形在幅值和陡度上仍有所区别，而且标定所用装置和电路与实际GIS设备产生VFTO过程时的电路也有很大不同，并且操作过程复杂，需要的设备比较多。
文献[3-8]为考核VFTO测量用传感器的高频性能，采用了在GIS母线或者同轴传输单元上施加方波或快前沿冲击电压的方法。使用该方法，所施加的电压上升时间一般为数纳秒时间，以满足标定高频性能的要求，但其幅值都比较低，而电容传感器的分压比较大，标定时的输出电压小，造成小信号难于测量，从而难以实现精确标定。
文献[9]采用对电容传感器低压臂及传输系统进行扫频的方法。该方法可避免使用较高电压的信号源，但标定时未考虑电容分压器的高压臂的影响，但是标定工况与实际使用时有一定差异，不能考虑实际测量状况下的电磁干扰。
现有技术中特快速暂态过电压测量系统中标定方法不能完全模拟实际测量环境，造成标定结果不准确，目前尚无有效解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种特快速暂态过电压测量系统的标定方法与标定装置，以解决现有技术中特快速暂态过电压测量系统中标定方法不能完全模拟实际测量环境，造成标定结果不准确问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种特快速暂态过电压测量系统的标定方法。该特快速暂态过电压测量系统的标定方法包括:设置有测量系统的气体绝缘金属封闭开关设备GIS的测试母线连接至直流电压源;在测试母线的电位提高至直流电压源的输出电压后，断开GIS设备至直流电压源的电连接;将测试母线的一端接地，以使测试母线的电位产生振荡衰减；读取测量系统在振荡衰减过程中的测量波形;根据测量波形和输出电压计算测量系统的测量分压比。
进一步地，根据测量波形和输出电压计算测量系统的测量分压比包括:根据测量波形得出振荡衰减完毕后波形的电压幅值;计算直流电压源的输出电压值与波形的电压幅值的比值，并将比值作为测量分压比。
进一步地，直流电压源的输出电压的幅值与GIS设备的额定交流工作电压的峰值相匹配，且直流电压源输出为正极性或负极性。
进一步地，读取测量系统在振荡衰减过程中的测量波形包括利用示波器读取经过阻抗变换器处理的测量波形。
进一步地，还包括:计算多次标定过程中得出的测量分压比的平均值，并将该平均值作为测量系统的标定系数。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种特快速暂态过电压测量系统的标定装置。其中，测量系统设置在气体绝缘金属封闭开关设备GIS上，该标定装置包括:直流电压源、隔离开关、接地开关、信号读取装置以及计算装置，其中，隔离开关的第一端连接GIS设备，隔离开关的第二端连接直流电压源;接地开关的第一端连接GIS设备，接地开关的第二端连接电气地;信号读取装置，与测量系统连接，用于测量测量系统在振荡衰减过程中的测量波形;计算装置，与信号读取装置连接，用于根据测量波形和直流电压源的输出电压计算测量系统的测量分压比。
进一步地，该标定装置还包括母线连接套管，设置在隔离开关的第二端与直流电压源之间。
进一步地，该标定装置还包括:阻抗变换器，设置在信号读取装置和测量系统之间。
进一步地，直流电压源的输出电压的幅值与GIS设备的额定交流工作电压的峰值相匹配。
进一步地，信号读取装置包括示波器。
应用本发明的特快速暂态过电压测量系统标定方法与标定装置，采用的是实际待测VFTO的GIS设备和试验电路，接地开关闭合时其断口间绝缘击穿而在回路中产生的振荡电压波形与VFTO波形的幅值和陡度相近，因此，与现有标定方法相比，标定所用电压幅值更高，从而标定环境与测量系统的实际工作环境一致，提高了标定的准确性。而且仅通过对两个开关的控制就可以完成整个标定过程，所需设备与实际测量VFTO时的设备相同，不需要专门的脉冲发生电路，也不需要高频信号发生器或扫频仪等设备，使用电路简单，所需操作简单。整个过程，仅需关合连接直流电源充电和接地放电两个步骤即可。
另外，相对于实验室标定中，一般只针对电容式分压器的低压臂和数据采集部分进行，高压臂的情况和影响，测量系统的电磁兼容性则无法考虑。本发明的标定方法可以用于现场标定。测量系统是完整的，与实际工作状况完全相同。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是根据本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定装置的示意图;
图2是根据本发明实施例的特快速暂态过电压的电容分压式测量系统的示意图;
图3是根据本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定方法的示意图;
图4是根据本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统测量的波形;以及
图5是根据本发明实施例的特快速暂态过电压的试验回路和测量系统标定装置的布置图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种特快速暂态过电压测量系统的标定装置，图1是根据本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定装置的示意图，加图1所示，该标定装置主要包括:GIS设备11、直流电压源12、隔离开关13、接地开关14。信号读取装置以及计算装置，其中，特快速暂态过电压测量系统10布置在GIS设备11上，以测量GIS设备中母线的VFTO，隔离开关13的第一端连接GIS设备11，隔离开关13的第二端连接直流电压源12；接地开关14的第一端连接GIS设备11，接地开关14的第二端连接电气地。
进行标定时，首先闭合隔离开关13，使GIS设备的母线充电至直流电压源12的输出电压。该直流电压源12的输出电压优选的幅值与测量系统所测量的GIS设备的额定交流工作电压的峰值相匹配。一般而言，可以使用输出电压的幅值等于被测GIS设备的额定交流工作电压峰值的直流电压源12。
在GIS设备11的母线电位提高至直流电压源的输出电压后，也就是充电完成后，断开隔离开关13以断开GIS设备11至直流电压源12的电连接;然后闭合接地开关14，使GIS设备11的母线接地从而产生电位衰减。然后读取测量系统10振荡衰减完毕后的电压值，计算直流电压源输出电压与该测量读数的比值即为测量分压比。
以上读取电压值的设备可以使用示波器，由测量人员读取波形的数值后，进行手工计算得出以上测量分压比。
以上示波器还可以使用其它信号读取装置来替代，比如，本实施例的标定装置的另一种方式是设置有信号读取装置和计算装置。其中，与测量系统10连接，用于测量测量系统10在振荡衰减过程中的测量波形；计算装置，与信号读取装置连接，用于根据测量波形和直流电压源12的输出电压计算测量系统10的测量分压比。
以上信号读取装置和计算装置可以使用数据采集卡和计算机系统的方式进行，数据采集卡用于采集测量系统10的测量数据，并将以上测量数据传输给计算机，计算机对以上测量数据进行分析，计算得出振荡衰减完毕后的电压数值，以及直流电压源输出电压与该测量读数的比值，从而得到测量分压比。更优选的方式，是以上计算机还可以直接控制以上隔离开关和接地开关，从而整个标定过程减少了测量人员的工作量，实现了自动标定。
以上GIS设备11的母线与直流电压源12可以使用GIS设备11的高压套管作为连接部件，在这种情况下，本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定装置还可以包括母线连接套管，该母线连接套管设置在隔离开关的第二端与直流电压源12之间，作为连接部件。
为了使标首先闭合定结果更加符合现场测量的要求，直流电压源12的输出电压的幅值与测量系统所测量的GIS设备的额定交流工作电压的峰值相匹配。一般而言，可以使用输出电压的幅值等于被测GIS设备的额定交流工作电压峰值的直流电压源12。从而测量系统的标定环境与实际工作状况完全相同。而且标定所需设备与实际测量时的设备基本相同，不需要专门研制的脉冲发生电路，出不需要高频信号发生器或扫频仪等设备。
以上特快速暂态过电压测量系统可以采用电容分压式传感器的结构，图2是根据本发明实施例的特快速暂态过电压的电容分布式测量系统的示意图，电容分压式特快速暂态过电压测量系统是将感应电极和待测母线之间的电容作为高压臂电容，感应电极和手孔盖板之间的电容为低压臂电容，其中CH为高压臂电容、CL为低压臂电容，RO为示波器内阻。在信号读取装置和测量系统之间设置阻抗变换器可以将提高测量系统的输入阻抗，从而忽略读取装置的输入电阻对标定结果的影响，阻抗变换器可以使用频率响应好的电压跟随器。
本发明实施例提供了一种特快速暂态过电压测量系统的标定方法，该方法利用本实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定装置完成整个标定过程，以得到准确的分压比，为测量系统提供精确测量的基础。
图3是根据本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定方法的示意图，该快速暂态过电压的测量系统的标定方法包括:
步骤S31，将设置有测量系统的GIS设备11的测试母线连接至直流电压源12，以使GIS设备11的测试母线的电位提高至直流电压源12的输出电压;
步骤S32，在GIS设备11母线的电位提高至直流电压源的输出电压后，断开GIS设备11至直流电压源12的电连接;
步骤S33，将测试母线接地，以使测量母线的电位产生振荡衰减;
步骤S34，读取测量系统在振荡衰减过程中的测量波形;
步骤S35，根据测量波形和输出电压计算测量系统的测量分压比。
为了使标定结果更加符合现场测量的要求，直流电压源12的输出电压的幅值与测量系统所测量的GIS设备的额定交流工作电压的峰值相匹配，且直流电压源12输出为正极性或负极性。例如，可以选择输出电压的幅值等于被测GIS设备的额定交流工作电压峰值的直流电压源12。而且该实施例的方法可以利用是实际待测VFTO的现场GIS设备和电路进行。
步骤S31可以具体是闭合隔离开关13以使GIS设备11的母线与直流电压源12电连接，对于基于电容分压原理的VFTO传感器来说，由于存在泄漏电阻等的影响，当GIS中心导体上为直流稳态电压时VFTO传感器的输出电压为0。
在GIS设备11的母线电位提高至直流电压源12的输出电压并稳定后，依次执行步骤S32和步骤S33，断开GIS设备至直流电压源12之间的电连接，然后将GIS设备11的母线接地。接地的具体步骤可以为闭合接地开关14。
图4是根据本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统测量的波形，GIS设备11的母线接地后，GIS设备的母线电压可以分解为幅值衰减的振荡波和指数衰减的直流成分叠加的波形。其中指数衰减直流成分会影响到振荡波衰减后电压稳态值的读取，从而影响标定的正确性，因此本发明实施例需要减小指数衰减的影响。
指数衰减的时间常数决定于低压臂电容和低压臂电容的泄露电阻以及测量系统的输入电阻。要减小指数衰减的影响，需要增大时间常数，需要增大低压臂电容的泄露电阻，并提高测量系统的输入电阻。因此实施例优选在信号读取装置和测量系统之间设置阻抗变换器以提高测量系统的输入阻抗。在设置有阻抗变换器的情况下，测量系统的输入电阻可以认为是无穷大，因此时间常数就决定于低压臂电容的泄露电阻，而一般而言，该泄露电阻很大，约为1GΩ的数量级别。从而指数衰减的时间常数一般为50S以上，能够保证在振荡波经过几个微秒而衰减完毕之后，指数衰减量极小而可以忽略不计。此时可以将振荡衰减完毕之后的高压电容臂和低压电容臂之间的分压电压值称作振荡波形的"稳态值"。该"稳态值"可以通过测量系统在振荡衰减过程中的测量波形得出。
上述步骤S35的具体步骤可以具体包括:根据测量波形得出振荡衰减完毕后波形的电压幅值;计算直流电压源的输出电压值与波形的电压幅值的比值，并将比值作为测量分压比。上述振荡衰减完毕后波形的电压幅值也就是上述振荡波形的“稳态值”。其中，读取测量系统在振荡衰减过程中的测量波形包括:利用示波器读取经过阻抗变换器处理的测量波形。
通过执行以上步骤S31至S35，可以计算得到测量系统的测量分压比，该测量分压比可以直接作为测量系统的标定系数，用于实际测量。为了避免一次标定中出现的偶然情况，可以重复若干次步骤S31至S35，计算得到测量系统的多个测量分压比数值，从而，本发明的实施例的标定方法还可以计算多次标定过程中得出的测量分压比的平均值，并将该平均值作为测量系统的标定系数。
应用本实施例的特快速暂态过电压测量系统标定方法与标定装置，所模拟的标定环境与测量系统的实际工作环境基本一致，提高了标定的准确性，而且仅通过对两个开关的控制就可以完成整个标定过程，所需设备与实际测量VFTO时的设备相同，不需要专门的脉冲发生电路，也不需要高频信号发生器或扫频仪等设备，使用电路简单，操作容易。
本发明实施例经过了中国电力科学研究院武汉交流特高压试验基地现有测试平台的测试，图5是本实施例特快速暂态过电压的试验回路和测量系统标定装置布置图，图5中的试验回路包括两个隔离开关Ds1和Ds2，两个接地开关Es1和Es2。Ds1和Ds2之间的短母线做为测试母线，该短母线上设置有安装测量系统的安装位置，套管1和套管2分别作为测试母线的连接部件，该测试回路用于本实施例的本发明实施例的特快速暂态过电压测量系统的标定方法时，Ds1、Es1保持断开状态，Ds2保持闭合状态，接地开关Es2作为接地开关14，套管2连接隔离开关13和直流电压源12。
在进行标定时，套管2与直流电压源12相连，该直流电压源12的电压幅值为GIS设备额定交流工作电压的峰值，极性可以为正也可以为负。下面以正极性为例说明，负极性可以类推。在VFTO传感器和数据采集仪器如示波器之间采用基于电压跟随器的阻抗变换器连接，上述VFTO传感器为特快速暂态过电压测量系统的核心传感部件。示波器可以作为信号读取装置的核心部件。
闭合隔离开关13，使DS1和DS2之间的短母线充电至直流电压源12电压。对于基于电容分压原理的VFTO传感器来说，由于存在泄漏电阻等的影响，当GIS中心导体上为直流稳态电压时VFTO传感器的输出电压为0。
充电稳定后，断开隔离开关13，关合ES2。此后短母线上各点的电压将表现为幅值衰减的振荡波与指数衰减波形相的叠加的波形，最终稳定于地电位，在振荡衰减完毕之后，指数衰减量很小可以忽略不计。将振荡衰减完毕之后的高压电容臂和低压电容臂之间的分压电压值可以定义为振荡波形的"稳态值"。
读出该振荡波形的"稳态值"，该稳态值的大小与电源电压的幅值相对应，电源电压幅值和该测量"稳态值"二者之比即为该测量系统的分压比。可以将该分压比作为后续正式测量时，测量系统的参数。
为了减小一次测量过程的测量误差，可以重复若干次上述标定过程，将若干次测量得出的测量分压比的平均值作为测量系统的分压参数，直接用于正式测量结果的换算。
应用本实施例的特快速暂态过电压测量系统标定方法与标定装置，接地开关闭合时其断口间绝缘击穿而在回路中产生的与VFTO波形幅值和陡度相近的振荡波形，标定所用电压幅值更高，从而标定环境与测量系统的实际工作环境一致，提高了标定的准确性。而且仅通过对两个开关的控制就可以完成整个标定过程，所需设备与实际测量VFTO时的设备相同，不需要专门的脉冲发生电路，也不需要高频信号发生器或扫频仪等设备，使用电路简单，操作容易。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范固之内。

Claims (9)

1.一种特快速暂态过电压测量系统的标定方法，其特征在于，包括：
将设置有所述测量系统的气体绝缘金属封闭开关设备GIS的测试母线连接至直流电压源；
在所述测试母线的电位提高至所述直流电压源的输出电压后，断开所述气体绝缘金属封闭开关设备GIS至所述直流电压源的电连接；
将所述的测试母线接地，以使所述测试母线的电位产生振荡衰减；
读取所述测量系统在所述振荡衰减过程中的测量波形；
根据所述测量波形和所述输出电压计算所述测量系统的测量分压比，
其中，根据所述测量波形和所述输出电压计算所述测量系统的测量分压比包括：根据所述测量波形得出振荡衰减完毕后所述波形的电压幅值；计算所述直流电压源的输出电压值与所述波形的电压幅值的比值，并将所述比值作为所述测量分压比。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述直流电压源的输出电压的幅值与所述气体绝缘金属封闭开关设备GIS的额定交流工作电压的峰值相匹配，且所述直流电压源输出为正极性或负极性。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，读取所述测量系统在所述振荡衰减过程中的测量波形包括：利用示波器读取经过阻抗变换器处理的所述测量波形。
4.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，还包括：计算多次标定过程中得出的所述测量分压比的平均值，并将该平均值作为所述测量系统的标定系数。
5.一种特快速暂态过电压测量系统的标定装置，所述测量系统设置在气体绝缘金属封闭开关设备GIS上，其特征在于，包括：直流电压源、隔离开关、接地开关、信号读取装置以及计算装置，其中，
所述隔离开关的第一端连接所述气体绝缘金属封闭开关设备GIS，所述隔离开关的第二端连接所述直流电压源；
所述接地开关的第一端连接所述气体绝缘金属封闭开关设备GIS，所述接地开关的第二端连接电气地；
所述信号读取装置，与所述测量系统连接，用于测量所述测量系统在振荡衰减过程中的测量波形；
所述计算装置，与所述信号读取装置连接，用于根据所述测量波形和所述直流电压源的输出电压计算所述测量系统的测量分压比。
6.根据权利要求5所述的标定装置，其特征在于，还包括母线连接套管，设置在所述隔离开关的第二端与所述直流电压源之间。
7.根据权利要求5所述的标定装置，其特征在于，还包括
阻抗变换器，设置在所述信号读取装置和所述测量系统之间。
8.根据权利要求5所述的标定装置，其特征在于，所述直流电压源的输出电压的幅值与所述气体绝缘金属封闭开关设备GIS的额定交流工作电压的峰值相匹配。
9.根据权利要求5所述的标定装置，其特征在于，所述信号读取装置包括示波器。
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