CN108896947A - 换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法及暂态电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法及暂态电压测量方法，该现场校准方法结合实验室条件下的标准直流电场环境、标准交流电场环境和现场安装环境，获取高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁及电场仪输入输出比例k₂，完成对测量装置的校准，不仅填补了换流站直流场暂态电压非接触式测量装置现场校准技术的空白，而且提高了暂态电压测量的准确性。

Description

换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法及 暂态电压测量方法

技术领域

本发明属于电力系统暂态电压测量技术领域，涉及高压换流站直流场暂态电压测量技术，具体涉及一种换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法及暂态电压测量方法。

背景技术

高压换流站直流场监测过程中测量得到的暂态电压波形对于换流站直流场的过电压校验及绝缘配合分析具有重要的参考价值。

换流站直流场暂态电压的频率覆盖范围较广(直流～数MHz)、幅值较高(最高可至数千kV)。直流场已配置的直流分压器主要针对直流工作电压，带宽和采样率有限，难以满足直流场暂态电压的测量要求。而如果专门针对直流场暂态电压特性设计接触式分压器，不仅带宽的性能指标要求难以满足，而且高电压的绝缘要求导致其绝缘设计成本极高。

近年来，随着电场仪的发展，其带宽和稳定性均达到较高水平，例如光学电场仪的带宽可以覆盖5Hz～100MHz，体积仅为几个cm³，从而使采用非接触式测量高压极线上的电压成为可能。其基本原理如图1所示，原有的直流分压器2通过直流分压器支柱4安装在高压极线1和大地之间，原有的直流分压器高压线端接入高压极线1，电场仪3设置在高压极线下方、临近绝缘子 12地电位端水平高度以下的位置。当高压极线1上产生暂态电压波形U(t)时，附近会相应产生感应电场E(t)，电场仪便通过测量感应电场，再通过对感应电场进行数据处理间接得到高压换流站直流场的暂态电压。然而，若不对包含电场仪在内的测量装置进行现场校准，将会严重影响暂态电压的测量精度，进而影响换流站直流场暂态电压监测效果。

发明内容

本发明的目的旨在，针对现有技术中存在的技术缺陷，提供一种换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，在无需停电或额外增加其它试验设备的前提下，结合已有直流分压器直流电压完成对暂态电压非接触式测量装置的现场校准。

本发明另一目的旨在，基于上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，提供一种换流站直流场暂态电压非接触式测量方法。

本发明提供的换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，所针对的用于换流站直流场暂态电压非接触测量的测量装置包括电场仪以及与电场仪依次连接的数据采集系统和数据处理系统等设备；所述电场仪测量模式一般包括直流测量模式和交流(暂态)测量模式。本发明采用的电场仪为市场外购的自带直流电场转化模块的电场仪，或者由静态场强仪与直流电场转化模块组合而成的电场仪。

经研究，当采用包含电场仪在内的测量装置对换流站直流场暂态电压进行测量时，若高压极线上产生暂态电压波形U(t)，电场仪附近会相应产生电场E(t)，电场仪测量得到的输出电压为U_out(t)，因此有以下关系式：

E(t)＝k₁U(t) (1)

U_out(t)＝k₂E(t) (2)

即得到：U_out(t)＝k₁k₂U(t) (3)。

因此根据输出电压U_out(t)就可以得到高压极线上产生的暂态电压波形，其关键在于确定高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁和电场仪输入输出比例系数k₂，获取系数k₁和k₂的过程即称为校准过程。由于k₁系数与电场仪布置位置、高压极线结构以及高压极线对地高度等多方面的因素，目前必须要电场仪现场安装后再进行“现场”校准才能获得准确的k₁值。 k₂系数主要与电场仪的输入输出比相关。

本发明现场校准的目的是确定高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁和电场仪输入输出比例系数k₂。先在实验室条件下，构建标准直流电场环境和标准交流电场环境，于标准直流电场环境和标准交流电场环境下对测量装置进行校准，获得直流电场测量变比系数k_2DC和交流电场测量变比系数k_2AC；之后在将测量装置安装到现场，依据直流电场测量变比系数k_2DC、直流场已有直流分压器获得的高压极线直流电压幅值以及电场仪输出结果，对测量装置进行现场校准，获得高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁，最终获取暂态电压非接触式测量装置的k₁系数和k₂系数，实现测量装置的现场校准，具体包括以下步骤：

(1)对电场仪进行带宽测试，获得电场仪的频率响应特性曲线，取频率响应特性曲线幅值平坦段的下限频率f₀，以及与平坦段频率幅值相差±3％以内的下限频率f_L；

(2)分别构建标准直流电场环境和标准交流电场环境；

(21)在标准直流电场环境下，将电场仪设置为直流测量模式，设置电场仪直流电场转化模块转化频率为f₀和f_L之间的任意频率；对测量装置进行测试，根据U_DC1＝k_2DCE_DC1，得到直流电场测量变比系数k_2DC，E_DC1为标准直流电场环境下电场仪处产生的电场强度幅值，U_DC1为电场仪测量到的与电场强度幅值E_DC1相对应的输出电压值；

(22)在标准交流电场环境下，将电场仪设置为交流测量模式，设置标准交流电场的频率为f₀和f_L之间的任意频率；对测量装置进行测试，根据 U_AC1＝k_2ACE_AC1，得到交流电场测量变比系数k_2AC，E_AC1为标准交流电场环境下电场仪处产生的电场强度幅值，U_AC1为电场仪测量到的与电场强度幅值E_AC1相对应的输出电压值；并将该交流电场测量变比系数k_2AC作为电场仪输入输出比例系数k₂，即k₂＝k_2AC；

(3)将测量装置安装到换流站高压极线下方、临近绝缘子地电位端水平高度以下的位置，将电场仪设置为直流测量模式，设置电场仪直流电场转化模块转化频率为f₀和f_L之间的任意频率；此时，电场仪的输出电压为U_DC2，结合直流电场测量变比系数k_2DC，根据U_DC2＝k_2DCE_DC2，得到换流站直流场在电场仪处产生的电场强度E_DC2；

(4)结合步骤(3)得到的电场仪处的电场强度E_DC2及换流站设置的直流分压器测量得到的高压极线直流电压U_DC3，根据E_DC2＝k₁U_DC3，得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁，完成对测量装置的校准。

上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，所述标准直流电场环境由标准直流电源、标准电场平行极板、标准直流电压测量装置构成，所述标准直流电源高压端与标准电场平行极板高压极板连接，低压端和标准电场平行极板低压极板接地，所述标准直流电压测量装置两端并联于标准直流电源两端，所述测量装置的电场仪置于标准电场平行极板高、低压极板之间。

上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，所述标准交流电场环境由信号发生器、功率放大器、标准电场平行极板、标准交流电压测量装置构成，所述信号发生器经功率放大器与标准电场平行极板高压极板连接，所述功率放大器另一端和标准电场平行极板低压极板接地，所述标准交流电压测量装置两端并联于功率放大器两端，所述测量装置的电场仪置于标准电场平行极板高、低压极板之间。

上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，只需要在多个电场仪出厂时，按照步骤(1)-步骤(3)，确定了直流电场测量变比系数k_2DC和交流电场测量变比系数k_2AC，再将多个电场仪分别安装到各个换流站现场，利用直流分压器测量得到的高压极线直流电压，便可实现对测量装置的校准，现场校准方法便捷、高效。

本发明进一步基于上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，提供了一种换流站直流场暂态电压非接触式测量方法，将测量装置转换至交流测量模式，利用上述测量装置的现场校准方法得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁及电场仪输入输出比例k₂，根据 U_out(t)＝k₁k₂U(t)，得到换流站直流场暂态电压U(t)，U_out(t)为电场仪的输出电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，结合实验室条件下的标准直流电场环境、标准交流电场环境和现场安装环境，获取高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁及电场仪输入输出比例k₂，完成对测量装置的校准，填补了换流站直流场暂态电压非接触式测量装置现场校准技术的空白；

2、本发明换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，只要将测量装置安装到换流站现场，无需停电，且只需要利用直流分压器测量得到的高压极线直流电压，便可实现对测量装置的现场校准，方法简单、操作方便，适于在本领域内推广使用；

3、本发明换流站直流场暂态电压非接触式测量方法，在测量装置现场校准基础上，实现对换流站直流场暂态电压的测量，从而确保了暂态电压测量准确性，这对于换流站直流场监测具有十分重要的意义。

附图说明

图1为换流站直流场暂态电压非接触式测量基本原理图。

图2为测量装置原理框图。

图3为标准直流电场环境基本原理图。

图4为标准交流电场环境基本原理图。

图5为电场仪频率响应特性曲线示意图。

附图中，1-高压极线，2-直流分压器，3-电场仪，4-直流分压器支柱， 5-标准直流电源，6-标准直流电压测量装置，7-标准电场平行极板，8-信号发生器、9-功率放大器、10-标准交流电压测量装置、11-标准电场平行极板， 12-绝缘子。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

实施例

本实施例针对的研究对象是用于高压换流站直流场暂态电压测量的测量装置，如图2所示，其包括电场仪以及与电场仪依次连接的数据采集系统和数据处理系统。电场仪为由型号为TMZ-002的静态电场仪和与之连接的直流电场转化模块构成，直流电场转化模块设置于电场仪的前端，用于将直流电场转换成交流电场，可以采用类似谢帅等公开的场磨式大气电场仪及其标校系统中的旋转片来实现(场磨式大气电场仪及其标校系统谢帅等浙江气象34卷3期，2012.09.20)，此时直流电场转化模块的频率由旋转片的旋转频率和叶片数确定。该电场仪存在直流测量模式和交流测量模式(即暂态测量模式)。数据采集系统为本领域常用的数据采集设备，数据处理系统为具有数据处理功能的计算机，用于根据电场仪测量得到的输出电压、标准直流电压测量装置、标准交流电压测量装置、现场直流分压器测量得到的电压值结合公式(1)、(2)和公式(3)得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁、电场仪输入输出比例k₂以及换流站直流场高压极线上的暂态电压波形。

上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，如图3 所示，所述标准直流电场环境由标准直流电源5、标准电场平行极板7、标准直流电压测量装置6构成，所述标准直流电源高压端与标准电场平行极板高压极板连接，低压端和标准电场平行极板低压极板接地，所述标准直流电压测量装置两端并联于标准直流电源两端，用于测量标准直流电源输出的电压值，本实施例中采用的标准直流电压测量装置为电阻式分压器，所述测量装置的电场仪3置于标准电场平行极板高、低压极板之间。

上述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，如图4 所示，所述标准交流电场环境由信号发生器8、功率放大器9、标准电场平行极板11、标准交流电压测量装置10构成，所述信号发生器8经功率放大器9与标准电场平行极板高压极板连接，所述功率放大器另一端和标准电场平行极板低压极板接地，所述标准交流电压测量装置两端并联于功率放大器两端，用于测量经功率放大器放大后的电压输出信号，本实施例中采用的标准交流电压测量装置为阻容式分压器，所述测量装置的电场仪3置于标准电场平行极板高、低压极板之间。

本实施例提供的换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，包括以下步骤：

(1)采用扫频仪对电场仪进行带宽测试，获得电场仪在工频测量模式下的频率响应特性曲线，如图5所示，频率响应特性曲线幅值平坦段的下限频率f₀＝25Hz以及与平坦段幅值下降1％的下限频率f_L＝20Hz。

(2)分别构建标准直流电场环境和标准交流电场环境；

(21)在标准直流电场环境下，将电场仪设置为直流测量模式，设置电场仪直流电场转化模块转化频率为f₀；对测量装置进行测试，根据 U_DC1＝k_2DCE_DC1，得到直流电场测量变比系数k_2DC；E_DC1为标准直流电场环境下电场仪处产生的电场强度，本实施例可以根据标准直流电场环境的平板电极间距d_sDC和施加电压U_sDC，根据E_DC1＝U_sDC/d_sDC计算得到；U_DC1为电场仪测量到的与电场强度幅值E_DC1相对应的输出电压值；本实施例得到直流电场测量变比系数k_2DC＝4.44×10^-5；

(22)在标准交流电场环境下，将电场仪设置为交流测量模式，设置标准交流电场的频率(本实施例中即设置信号发生器产生的信号频率)为f₀；对测量装置进行测试，根据U_AC1＝k_2ACE_AC1，得到交流电场测量变比系数k- _2AC，并将该交流电场测量变比系数k_2AC作为电场仪输入输出比例系数k₂，即k₂＝k_2AC；E_AC1为标准交流电场环境下电场仪处产生的电场强度幅值，本实施例可以根据标准交流电场环境的平板电极间距d_sAC和施加电压峰值 U_sAC，根据E_AC1＝U_sAC/d_sAC计算得到；U_AC1为电场仪测量到的与电场强度幅值E_AC1相对应的输出电压值；本实施例得到交流电场测量变比系数 k_2AC＝4.75×10^-5，

(3)如图1所示，将测量装置安装到换流站高压极线1下方、临近绝缘子12地电位端水平高度以下的位置，将电场仪3设置为直流测量模式，设置电场仪直流电场转化模块转化频率为f₀；此时，电场仪的输出电压为 U_DC2＝0.80V，结合直流电场测量变比系数k_2DC，根据U_DC2＝k_2DCE_DC2，得到换流站直流场在电场仪处产生的电场强度E_DC2＝18.12kV/m。

(4)结合步骤(3)得到的电场仪处的电场强度E_DC2及换流站设置的直流分压器2测量得到的高压极线直流电压U_DC3＝500kV，根据E_DC2＝k₁U_DC3，得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁＝3.62×10^-2，完成对测量装置的校准。

完成对电场仪的校准后，将电场仪设置为交流测量模式，利用上述测量装置的现场校准方法得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁及电场仪输入输出比例k₂，根据U_out(t)＝k₁k₂U(t)，便可得到换流站直流场暂态电压U(t)，U_out(t)为电场仪的输出电压。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，所述用于换流站直流场暂态电压非接触测量的测量装置包括电场仪以及与电场仪依次连接的数据采集系统和数据处理系统；所述电场仪测量模式包括直流测量模式和交流测量模式，其特征在于该测量装置的现场校准方法包括以下步骤：

(1)对电场仪进行带宽测试，获得电场仪的频率响应特性曲线，取频率响应特性曲线幅值平坦段的下限频率f₀，以及与平坦段频率幅值相差±3％以内的下限频率f_L；

(2)分别构建标准直流电场环境和标准交流电场环境；

(21)在标准直流电场环境下，将电场仪设置为直流测量模式，设置电场仪直流电场转化模块转化频率为f₀和f_L之间的任意频率；对测量装置进行测试，根据U_DC1＝k_2DCE_DC1，得到直流电场测量变比系数k_2DC，E_DC1为标准直流电场环境下电场仪处产生的电场强度幅值，U_DC1为电场仪测量到的与电场强度幅值E_DC1相对应的输出电压值；

(22)在标准交流电场环境下，将电场仪设置为交流测量模式，设置标准交流电场的频率为为f₀和f_L之间的任意频率；对测量装置进行测试，根据U_AC1＝k_2ACE_AC1，得到交流电场测量变比系数k_2AC，E_AC1为标准交流电场环境下电场仪处产生的电场强度幅值，U_AC1为电场仪测量到的与电场强度幅值E_AC1相对应的输出电压值；并将该交流电场测量变比系数k_2AC作为电场仪输入输出比例系数k₂，即k₂＝k_2AC；

(3)将测量装置安装到换流站高压极线下方、临近绝缘子地电位端水平高度以下的位置，将电场仪设置为直流测量模式，设置电场仪直流电场转化模块转化频率为f₀和f_L之间的任意频率；此时，电场仪的输出电压为U_DC2，结合直流电场测量变比系数k_2DC，根据U_DC2＝k_2DCE_DC2，得到换流站直流场在电场仪处产生的电场强度E_DC2；

(4)结合步骤(3)得到的电场仪处的电场强度E_DC2及换流站设置的直流分压器测量得到的高压极线直流电压U_DC3，根据E_DC2＝k₁U_DC3，得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁，完成对测量装置的校准。

2.根据权利要求1所述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，其特征在于所述标准直流电场环境由标准直流电源、标准电场平行极板、标准直流电压测量装置构成，所述标准直流电源高压端与标准电场平行极板高压极板连接，低压端和标准电场平行极板低压极板接地，所述标准直流电压测量装置两端并联于标准直流电源两端，所述测量装置的电场仪置于标准电场平行极板高、低压极板之间。

3.根据权利要求1所述换流站直流场暂态电压非接触式测量装置的现场校准方法，其特征在于所述标准交流电场环境由信号发生器、功率放大器、标准电场平行极板、标准交流电压测量装置构成，所述信号发生器经功率放大器与标准电场平行极板高压极板连接，所述功率放大器另一端和标准电场平行极板低压极板接地，所述标准交流电压测量装置两端并联于功率放大器两端，所述测量装置的电场仪置于标准电场平行极板高、低压极板之间。

4.一种换流站直流场暂态电压非接触式测量方法，其特征在于：将测量装置转换至交流测量模式，利用上述测量装置的现场校准方法得到高压极线电压在电场仪处产生电场的比例系数k₁及电场仪输入输出比例k₂，根据U_out(t)＝k₁k₂U(t)，得到换流站直流场暂态电压U(t)，U_out(t)为电场仪的输出电压。