CN112730951A - 一种在气体绝缘变电站中测量tev和tgpr的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法。该方法利用屏蔽线将被测点电位引入到继电保护小室内的高压探头上，并采用信号自动采集卡对高压探头上的电压数据进行采集，利用传输线的数学模型对所采集的电压数据进行修正，最终得到精确的测量电压数据。本发明将电位参考点选在继电保护小室内接地引出线处(电位接近于零)，相比通常的TEV测量方法，本发明不仅所用设备简单，而且测量结果更精确。本发明对TEV和TGPR数据进行精确测量，有利于分析GIS变电站二次设备的电磁干扰问题，对于现场及科研人员测量并掌握TEV和TGPR特性具有很大参考价值。

Description

一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法

技术领域

本发明属于高压测量技术研究领域，涉及一种在GIS变电站中简单、精确地测量TEV和TGPR的方法。

背景技术

气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation)因其受环境影响因素小、占用空间小、运行可靠性高、很少维修等优点在近二、三十年中得到了日益广泛的应用。随着运行电压和GIS内气压的提高，因隔离开关、接地开关和断路器的操作而引起的快速暂态过程将会更加明显和严重，并可能对系统引起若干不良影响，尤其是隔离开关切合空载母线时，因其操作的概率和频数比较大，操作周期比较长，造成过电压现象和电磁兼容问题不可避免，越来越引起世人的关注。

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)在开关分闸与合闸操作时，动、静触头间因发生间隙击穿放电和电弧重燃过程将产生陡波前瞬态电磁波，并在套管、GIS外壳连接法兰等处发生电磁泄露。泄露的瞬态电磁波将沿着 GIS外壳与大地之间传播，造成GIS外壳电位的抬升在GIS外壳和零电位的大地之间形成电势差，该电势差称为GIS设备瞬态外壳电压(transient enclosure voltage，TEV)并产生频率高达数十兆赫兹的高频电流通过接地线流入接地网，这些高频电流入地后接地网将呈现明显的高阻抗特性，引起接地网出现暂态地电位升高(Transient ground potential rise，TGPR)现象。现有关于TEV的测量研究结果表明TEV具有如下特征：

(1)幅值绝对值小于35kV；

(2)单脉冲持续时间在400ms以内；

(3)主频不超过60MHz；

随着GIS变电站电压等级提高，总体上呈现：电磁骚扰脉冲幅值更大，骚扰脉冲群持续时间更长、脉冲数量更多，在特高压GIS设备中，TEV与TGPR 具有陡波前(上升时间低至几纳秒)、高幅值(高达数十千伏)、宽频段(宽至数十兆赫兹)等特点,严重危及到GIS设备及运行人员的安全。因此GIS变电站准确测量TEV和TGPR并掌握其特性对于保障GIS变电站运行维护人员和二次设备的安全具有重要的意义。

目前，对于TEV和TGPR的测量尚未形成通用的测量方法及标准。目前只有国标推荐电场探头和电阻性阻抗电压测量装置测量TEV，针对该问题，国内外相关学者对此问题开展了深入的研究，已形成2类较为成熟的测量方法：(1) 利用电场探头；(2)利用电阻抗分压器，这两种测量方法主要存在以下问题：

在使用电场探头测量TEV方面，该方法的测量结果对于变电站电磁干扰分析具有重要的理论意义和实际价值，但是该方法并未直接测得TEV的数值；在使用电阻性阻抗电压测量装置方面，该方法可初步实现对TEV的测量，但是此种测量方法将电位参考点选择到了GIS底座下的接地排，在瞬态过程中接地网电位也会发生抬高，因此这种电位参考点的选择方式有利于研究GIS外壳对人身的接触电压，但是要分析对二次设备的干扰，电位参考点应选择在远离GIS 的电位接近于零点的位置。综上：目前测量TEV的方法只测量了GIS外壳对底座下接地排的电位差，而对GIS外壳及接地网相对于电位接近于零的位置之间的电位差未予以充分研究。GIS开关操作产生的高频入地电流会造成主接地网瞬态地电位升高从而在二次电缆中产生严重的骚扰电压，因此也需要对接地网瞬态地电位升(TGPR)进行准确测量与分析。

因此目前急需一种在GIS变电站中简单、精确地测量TEV和TGPR的方法，以便于对GIS变电站的电磁暂态现象进行研究。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种简单、精确地在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法。本发明的技术方案如下：

一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法，其包括以下步骤：

1)进行高压探头和信号自动采集卡型号的选择，高压探头用于测量点电压的获取。根据TEV的幅值绝对值和主频对高压探头进行选型，已选高压探头的耐受电压值和带宽应分别大于TEV幅值绝对值和主频。信号自动采集卡用于采集高压探头上的电压数据。根据测量点数目和TEV主频对信号自动采集卡进行选型，已选信号自动采集卡的采集通道数和带宽应分别大于测量点数目和TEV主频，且其采样频率要大于8倍TEV主频。将已选好的高压探头和信号自动采集卡置于继电保护小室内以减少电磁骚扰。2)选择合适的电压测点和零电位参考点，零电位参考点选在继电保护小室内的接地引出线处。

3)利用屏蔽线将测量点电位引到继电保护小室内的高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点电位引入到高压探头另一端输入，再将高压探头输出信号接入到信号自动采集卡。

4)从信号自动采集卡中获得已采集的电压数据，根据传输线电报方程数学模型，对电报方程所在时域内进行差分离散，建立对空间的一阶微分方程组，随后采用精细积分法，计算获得传输线瞬态响应。利用传输线瞬态响应公式对所测电压在传输线上产生的高频损耗进行修正，最终得到精确的测量电压值。

进一步的，所述步骤2)选择合适的电压测点和零电位参考点，合适测点的选择要满足以下基本条件：①对测点所在支路上的断路器或隔离开关操作均能得到电压响应；②可以测到最大的电压值，并且可以测到GIS外壳电位升和暂态地电位升；③测量路径包含GIS外壳-电压互感器-汇控柜这一骚扰电压传播路径；④减少电压测点与零电位参考点之间的距离。

进一步的，所述步骤3)中具体包含以下内容：在测量GIS外壳相对于继电保护小室接地点处的电位差TEV时，利用屏蔽线将GIS外壳电位引到继电保护小室内高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点处的电位引到继电保护小室内高压探头另一端输入，再将高压探头输出信号接入信号自动采集卡；在测量某处暂态地电位升高值TGPR时，利用屏蔽线将该处的接地引下线处电位引到继电保护小室内高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点处电位引到继电保护小室内高压探头另一端输入，再将高压探头输出信号接入采集卡。测量时所用的屏蔽线在引至继电保护小室内的路径上需要经绝缘杆架高，并做好屏蔽处理。

进一步的，所述步骤4)中由于GIS开关操作时产生的TEV和TGPR频率较高，会在屏蔽线上产生趋肤效应，导致信号的振幅、相位和导线的长度、直径有关，即产生传输线效应，此时屏蔽线相当于传输线，为便于分析，采纳偏微分双曲型方程组—电报方程作为描述传输线电压与电流关系的数学模型，即：

式中R,L,C,G分别为传输线单位长度的电阻、电感、电容与电导，u(x,t)，i(x,t)分别为传输线上的电压与电流；

对式(1)，(2)在时域内离散得：

式中Δt＝t/M，t为所研究时间区间宽度，M为离散点数；u_k＝u(x,kΔt)；i_k＝i(x,kΔt)，x 表示空间坐标，k＝0,1,2…M；

将式(3)，(4)写为矩阵形式：

X＝(u₁,...,u_M,i₁,...,i_M)^T

引入H、F和X主要为了将电报方程在时域内差分离散所得的一阶微分方程组转化为矩阵形式，X表示传输线上空间位置x处的M个时间离散点时刻的电压、电流变量组成的列向量。u_M表示MΔt时刻传输线上空间位置x处的电压，u₀表示零时刻传输线上空间位置x处的电压，i₀表示零时刻传输线上空间位置x处的电流。

方程(5)的解为：

ε表示积分变量X(0)表示传输线上空间坐标零处各时间离散点时刻的电压、电流量组成的列向量。

令空间步长为Δx，于是：

x_j＝jΔx j＝0,1,2,… (7)

其中exp(HΔx)的计算如下：

利用指数函数的加法定理

exp(H·Δx)＝[exp(H·Δx/m)]^m (8)

一般取m＝2^N，N＝20，因此，对于β＝Δx/m的时间区段进行泰勒展开有

exp(H·β)≈1+H·β+(H·β)²/2+(H·β)³/3！+(H·β)⁴/4！＝1+T_a (9)

式中

T_a＝H·β+(H·β)²/2+(H·β)³/3！+(H·β)⁴/4！ (10)

对式(8)进行分解

这种分解一直进行下去，共n次，又因为

(1+T_a)×(1+T_a)＝1+2T_a+T_a×T_a (12)

因此，(11)式相当于以下语句

for(iter＝0；iter<N；iter++)

T_a＝2T_a+T_a×T_a (13)

当循环结束后再

T＝1+T_a (14)

以上循环计算流程可用图4表示。

(10)、(13)、(14)便是exp(HΔx)的精细计算公式，可以看出，按(13)式进行递推计算，排除了1参与加法运算；

根据式(7)可知，只要已知传输线上某个点在某个时间段上的电压电流，即可求得传输线上任何一点的在该时间段的电压与电流，计算采用递推方式，通过从信号自动采集卡中获得已采集的电压数据，根据上述公式(7)对所测电压数据进行修正，最终得到精确的测量电压值。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新主要是提出了一种更为简单、精确地测量气体绝缘变电站中TEV 和TGPR的方法。通常的测量方法采用较为复杂的电阻抗分压器装置，而本发明方法采用高压探头和信号自动采集卡这类简单的设备，不仅操作简单而且更为经济；通常的TEV测量方法将电位参考点选在GIS底座下的接地排处，由于在瞬态过程中接地网电位会出现暂态升高(即出现TGPR现象)，因此会造成所测 TEV值出现误差，而本发明将电位参考点选在继电保护小室内接地引出线处(电位接近于零且恒定不变)且创新性地根据传输线的数学模型对所测电压在传输线上产生的高频损耗进行修正，最终得到精确的测量电压数据。本发明对TEV和 TGPR数据进行精确测量，有利于分析GIS变电站二次设备的电磁干扰问题，对于现场及科研人员测量并掌握TEV和TGPR特性具有很大参考价值。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例GIS变电站TEV、TGPR测量总体接线图；

图2为TEV、TGPR测量现场具体接线图；

图3为GIS变电站隔离开关单次闭合套管测点电压波形；

图4为循环计算流程图；

图5是对TEV和TGPR数据测量设备图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明首先根据TEV和TGPR的特点进行高压探头和信号自动采集卡的选型，并选择合适的测点。在选择测点时，需满足以下基本条件：

(1)对该支路上的断路器或隔离开关操作均能得到电压响应。

(2)可以测到最大的电压值，并且可以测到GIS外壳电位升和暂态地电位升。

(3)测量路径包含GIS外壳-电压互感器-汇控柜这一骚扰电压传播路径。

(4)减少电压测点与零电位参考点之间的距离。

完成以上设备选型和测点选择后，将高压探头和信号自动采集卡置于继电保护小室内以减少电磁骚扰，并将继电保护小室内接地点作为零电位参考点。在测量GIS外壳相对于继电保护小室内接地点的电位差时，利用绝缘线将GIS 外壳电位引到继电保护小室内高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点的电位引到高压探头另一端输入，再将探头输出信号接入采集卡，至此便得到GIS外壳电位与继电保护小室内参考零电位之间的电位差。在测量某处瞬态地电位升高时，其基本原理同上，只是测点接到该处的接地引下线下端。测量时所用的绝缘线在引至继电保护小室内的路径上需要经绝缘杆架高，并做好屏蔽处理以减少大地对测量精确性的影响。总体测量方案如图1所示。

以某GIS变电站的出线套管测点为例，其安放高压探头2个，分别测量：套管-继电保护小室；套管接地引下线-继电保护小室的电压，现场布置如图2所示。对该GIS变电站隔离开关进行单次闭合操作，从信号自动采集卡获取电压信号。以套管测点为例，所测电压波形如图3所示。

最后根据传输线数学模型对所测电压数据进行修正，最终得到精确的测量电压值。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)进行高压探头和信号自动采集卡型号的选择，高压探头用于测量点电压的获取。根据TEV的幅值绝对值和主频对高压探头进行选型，已选高压探头的耐受电压值和带宽应分别大于TEV幅值绝对值和主频，信号自动采集卡用于采集高压探头上的电压数据，根据测量点数目和TEV主频对信号自动采集卡进行选型，已选信号自动采集卡的采集通道数和带宽应分别大于测量点数目和TEV主频，且其采样频率要大于8倍TEV主频。将已选好的高压探头和信号自动采集卡置于继电保护小室内以减少电磁骚扰；

2)选择合适的电压测点和零电位参考点，零电位参考点选在继电保护小室内的接地引出线处。

3)利用屏蔽线将测量点电位引到继电保护小室内的高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点电位引入到高压探头另一端输入，再将高压探头输出信号接入到信号自动采集卡。4)从信号自动采集卡中获得已采集的电压数据，根据传输线电报方程数学模型，对电报方程所在时域内进行差分离散，建立对空间的一阶微分方程组，随后采用精细积分法，计算获得传输线瞬态响应，利用传输线瞬态响应公式对所测电压在传输线上产生的高频损耗进行修正，最终得到精确的测量电压值。

2.根据权利要求1所述的一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法，其特征在于，所述步骤2)选择合适的电压测点和零电位参考点，合适测点的选择要满足以下基本条件：①对测点所在支路上的断路器或隔离开关操作均能得到电压响应；②可以测到最大的电压值，并且可以测到GIS外壳电位升和暂态地电位升；③测量路径包含GIS外壳-电压互感器-汇控柜这一骚扰电压传播路径；④减少电压测点与零电位参考点之间的距离。

3.根据权利要求2所述的一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法，其特征在于，所述步骤3)中具体包含以下内容：在测量GIS外壳相对于继电保护小室接地点处的电位差TEV时，利用屏蔽线将GIS外壳电位引到继电保护小室内高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点的电位引到继电保护小室内高压探头另一端输入，再将高压探头输出信号接入信号自动采集卡；在测量某处暂态地电位升高值TGPR时，利用屏蔽线将该处的接地引下线处电位引到继电保护小室内高压探头一端输入，利用接地线将继电保护小室内接地点处电位引到高压探头另一端输入，再将高压探头输出信号接入采集卡。测量时所用的屏蔽线在引至继电保护小室内的路径上需要经绝缘杆架高，并做好屏蔽处理。

4.根据权利要求3所述的一种在气体绝缘变电站中测量TEV和TGPR的方法，其特征在于，所述步骤4)中由于GIS开关操作时产生的TEV和TGPR频率较高，会在屏蔽线上产生趋肤效应，导致信号的振幅、相位和导线的长度、直径有关，即产生传输线效应，此时屏蔽线相当于传输线，为便于分析，采纳偏微分双曲型方程组—电报方程作为描述传输线电压与电流关系的数学模型，即：

式中R,L,C,G分别为传输线单位长度的电阻、电感、电容与电导，u(x,t)，i(x,t)分别为传输线上的电压与电流；

对式(1)，(2)在时域内离散得：

式中Δt＝t/M，t为所研究时间区间宽度，M为离散点数；u_k＝u(x,kΔt)；i_k＝i(x,kΔt)，x表示空间坐标，k＝0,1,2…M；

将式(3)，(4)写为矩阵形式：

X＝(u₁,...,u_M,i₁,...,i_M)^T

引入H、F和X主要为了将电报方程在时域内差分离散所得的一阶微分方程组转化为矩阵形式，X表示传输线上空间位置x处的M个时间离散点时刻的电压、电流变量组成的列向量。u_M表示MΔt时刻传输线上空间位置x处的电压，u₀表示零时刻传输线上空间位置x处的电压，i₀表示零时刻传输线上空间位置x处的电流；

方程(5)的解为：

ε表示积分变量X(0)表示传输线上空间坐标零处各时间离散点时刻的电压、电流变量组成的列向量；

令空间步长为Δx，于是：

其中exp(HΔx)的计算如下：

利用指数函数的加法定理

exp(H·Δx)＝[exp(H·Δx/m)]^m (8)

一般取m＝2^N，N＝20，因此，对于β＝Δx/m的时间区段进行泰勒展开有

exp(H·β)≈1+H·β+(H·β)²/2+(H·β)³/3！+(H·β)⁴/4！＝1+T_a (9)

式中

T_a＝H·β+(H·β)²/2+(H·β)³/3！+(H·β)⁴/4！ (10)

对式(8)进行分解

这种分解一直进行下去，共n次，又因为(1+T_a)×(1+T_a)＝1+2T_a+T_a×T_a (12)

因此，(11)式相当于以下语句

for(iter＝0；iter<N；iter++)

T_a＝2T_a+T_a×T_a (13)

当循环结束后再

T＝1+T_a (14)

(10)、(13)、(14)便是exp(HΔx)的精细计算公式，可以看出，按(13)式进行递推计算，排除了1参与加法运算；

根据式(7)可知，只要已知传输线上某个点在某个时间段上的电压电流，即可求得传输线上任何一点的在该时间段的电压与电流，计算采用递推方式，通过从信号自动采集卡中获得已采集的电压数据，根据上述公式(7)对所测电压数据进行修正，最终得到精确的测量电压值。

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