CN113189386A - Gis快速暂态过电压光学在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，属于GIS暂态过电压监测领域。本发明针对现有VFTO的在线监测装置需要工作电源，易受GIS现场恶劣电磁环境干扰而造成设备可靠性差的问题。包括：GIS设备外壳上的手孔盖板内侧设置感应电极，外侧对应设置光学电压传感器，光学电压传感器的高压电极连接感应电极，地电极连接手孔盖板；光学电压传感器基于泡克耳斯电光效应感应加载在感应电极与手孔盖板之间的暂态电压；LED光源的载波光信号通过光纤输入至光学电压传感器，光学电压传感器对暂态电压进行电光调制得到调制后光信号，经光纤传送至光电探测器进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路采样解调，得到暂态电压监测采样结果。本发明抗电磁干扰能力强。

Description

GIS快速暂态过电压光学在线监测系统

技术领域

本发明涉及GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，属于GIS暂态过电压监测领域。

背景技术

气体绝缘金属封闭组合电器(Gas Insulated Substation，简称GIS)是由被密封在充满SF6气体的接地金属气体管道中的隔离开关、断路器、母线、避雷器、电流互感器等高压电器组合而成的高压配电装置。当隔离开关与高压配电装置中的母线断开或者闭合时，由于断开闭合的过程中开关闸片触头运动速度较慢，同时开关的灭弧性能较差，故在此过程中开关触头会多次发生重燃，引起快速暂态过电压(Very Fast Transient Over-Voltage，简称VFTO)。这不仅对GIS本身运行的可靠性造成影响，也将对电力系统其他高压设备和临近的二次设备造成干扰或损坏。VFTO己经成为变电站设备产生故障的主要原因之一。因此，对GIS的VFTO进行监测并展开研究，探讨VFTO的特性及其主要影响因素对GIS及其它电力设备的运行可靠性具有重要意义。

目前对GIS快速暂态过电压的研究方法基本类同，包括理论分析、实验室模拟、计算机数值仿真模拟和现场实验测量。其中，最可靠的方法为计算机数值仿真和现场实验测量相结合的方法。实验室模拟方法主要根据过电压的产生机理以及实际的电路情况进行模拟，这种实验方法对过电压的研究做出了巨大的贡献。但是，由于实际电路情况错综复杂，使产生过电压的影响因素有很多，例如可能有几种不同原因产生的过电压同时交织在一起，这会影响实验结果的准确性。因此实验室模拟并不能完全真实的模拟现场的过电压。除了现场实验测量、实验室模拟，还有一种方法是现场在线监测。在线监测采用一些过电压监测系统对过电压进行实时监测。在线监测克服了现场实验测量和实验室模拟的局限性，在系统出现过电压时，可准确地记录下过电压数值，以用于后续的电压分析。

现有在线监测VFTO的方法通常为电容分压器法，如图5所示为现有VFTO实验室测量的系统结构示意图。图5中，在GIS设备外壳的手孔处设置内置电极式传感器，也称为窗口式VFTO测量传感器，该传感器基于电容分压原理，其高压臂电容C1为GIS设备母线与圆盘电极之间的分布电容，圆盘电极与手孔盖板之间的电容构成了电容分压器的低压臂电容C2，两电容之间为绝缘介质。由圆盘电极引出电压信号，电压信号经测量引线传输至示波器。由于示波器需要交流供电电源，而VFTO的暂态过程会产生瞬时扰动和空间复杂的电磁干扰，使瞬间的过电压幅值非常大，影响二次供电系统的稳定性；当电磁暂态过电压沿着导线传入示波器，可能会影响示波器测量精度，并严重损害示波器。为此，测量系统需采用蓄电池和逆变器为示波器供电。在现场操作的时候，空间电磁辐射干扰和传导的电磁干扰对供电设备的影响都很大。为了避免电磁干扰对示波器的影响，精确地测量过电压的波形，需将示波器等测量装置放在不锈钢的屏蔽箱内。而示波器放在屏蔽箱内，在现场实验过程中手动触发示波器变得异常困难。若采用示波器自动触发，则可能因为没有过电压而无法触发。若触发时机不定，可能采集不到完整的VFTO波形。为准确触发，一般采用操作时引发的空间辐射作为触发信号，触发装置通过天线接收到辐射信号后发给单片机，由单片机产生控制信号使示波器可靠并准确地记录电压波形。

综上，现有GIS快速暂态过电压测量装置由于需要工作电源，易受VFTO的暂态过程产生的空间电磁辐射干扰和传导电磁干扰的影响，特别是瞬间的过电压幅值非常大的影响而造成可靠性差，甚至会出现监测装置绝缘击穿的现象。

发明内容

针对现有VFTO的在线监测装置需要工作电源，易受GIS现场恶劣电磁环境干扰而造成设备可靠性差的问题，本发明提供一种GIS快速暂态过电压光学在线监测系统。

本发明的一种GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，包括感应电极、光学电压传感器、LED光源、光电探测器和信号处理电路，

GIS设备外壳上绝缘手孔对应的手孔盖板内侧表面上设置感应电极，手孔盖板的外侧对应设置光学电压传感器，光学电压传感器的高压电极连接感应电极，光学电压传感器的地电极连接手孔盖板；光学电压传感器基于泡克耳斯电光效应感应加载在感应电极与手孔盖板之间的暂态电压；

LED光源的载波光信号通过光纤输入至光学电压传感器，光学电压传感器对所述暂态电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤传送至光电探测器进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路采样解调，解调后的结果作为暂态电压监测采样结果。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，还包括监测平台，所述监测平台用于对暂态电压监测采样结果进行分析处理，得到监测结果，并对监测结果进行显示和存储。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，所述光学电压传感器包括一号准直器、起偏器、λ/4波片、BGO晶体、检偏器和二号准直器，

LED光源的载波光信号通过光纤输入一号准直器准直后，经起偏器变成线偏振光，再经λ/4波片变成圆偏振光，圆偏振光通过BGO晶体时，在暂态电压的作用下发生双折射变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器检偏后变成强度与暂态电压成正比的线偏振光，再经二号准直器汇聚后得到所述调制后光信号；

所述BGO晶体两侧镀金属电极，分别作为光学电压传感器的高压电极和地电极，暂态电压加载在高压电极和地电极之间。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，所述光学电压传感器配置密封壳，密封壳安装在手孔盖板上。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，LED光源、光电探测器和信号处理电路和监测平台构成信号采集与监测装置，置于GIS变电站户内控制室；光学电压传感器置于GIS变电站户外现场。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，感应电极与手孔盖板之间设置绝缘薄膜。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，GIS设备的高压母线导体与感应电极之间形成高压分压臂C1，感应电极与手孔盖板之间形成低压分压臂C2，手孔盖板与变电站地电网连接，形成电容分压器；

光学电压传感器基于泡克耳斯效应感应低压分压臂C2两端电压；监测平台根据电容分压器的分压比，计算获得暂态电压的监测结果。

根据本发明的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，所述GIS设备外壳上设置多个绝缘手孔作为分布式监测点；每个绝缘手孔对应设置一个光学电压传感器；每个光学电压传感器对应配置一个LED光源和一个光电探测器。

本发明的有益效果：本发明基于泡克耳斯效应电光调制原理实现，采用无源光学电压传感器实现GIS快速暂态过电压的在线监测。监测现场不需要提供工作电源，光学电压传感器完全由光学绝缘材料组成，具备完全的电气隔离，解决了现有有源测量方法易受GIS现场恶劣电磁环境干扰的问题，具有稳定性好、可靠性高、安全性好和抗电磁干扰能力强等特点。

附图说明

图1是本发明所述GIS快速暂态过电压光学在线监测系统的整体结构示意图；图中n为正整数，表示光电探测器的个数；

图2是光学电压传感器的内部结构示意图；

图3是光学电压传感器的电极接线示意图；

图4是本发明基于电容分压原理的暂态电压测量方法示意图；

图5是现有VFTO实验室测量的系统结构示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，包括感应电极1、光学电压传感器2、LED光源3、光电探测器4和信号处理电路5，

GIS设备外壳上绝缘手孔6对应的手孔盖板7内侧表面上设置感应电极1，手孔盖板7的外侧对应设置光学电压传感器2，光学电压传感器2的高压电极通过电缆连接感应电极1，光学电压传感器2的地电极通过电缆连接手孔盖板7；光学电压传感器2基于泡克耳斯电光效应感应加载在感应电极1与手孔盖板7之间的暂态电压；

LED光源3的载波光信号通过光纤输入至光学电压传感器2，光学电压传感器2对所述暂态电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤传送至光电探测器4进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路5采样解调，解调后的结果作为暂态电压监测采样结果。暂态电压监测采样结果经分析处理后，得到暂态电压的监测结果。

进一步，结合图1所示，所述监测系统还包括监测平台8，所述监测平台8用于通过主机系统对暂态电压监测采样结果进行分析处理，得到监测结果，并对监测结果进行显示和存储。

再进一步，结合图2和图3所示，所述光学电压传感器2包括一号准直器2-1、起偏器2-2、λ/4波片2-3、BGO晶体2-4、检偏器2-5和二号准直器2-6，

LED光源3的载波光信号通过光纤输入一号准直器2-1准直后，经起偏器2-2变成线偏振光，再经λ/4波片2-3变成圆偏振光，圆偏振光通过BGO晶体2-4时，在暂态电压的作用下发生双折射变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器2-5检偏后变成强度与暂态电压成正比的线偏振光，再经二号准直器2-6汇聚后得到所述调制后光信号；

所述BGO晶体2-4两侧镀金属电极，分别作为光学电压传感器2的高压电极2-7和地电极2-8，暂态电压U加载在高压电极2-7和地电极2-8之间。

再进一步，结合图1所示，所述光学电压传感器2配置密封壳9，密封壳9安装在手孔盖板7上。

由于光学电压传感器2是无源传感器，不需要供电电源，抗电磁干扰能力强，其密封壳9可以是金属材质，也可以是非金属材质。密封壳9安装在手孔盖板7上，使光学电压传感器2安装在靠近感应电极1的位置，可以缩短光学电压传感器2与感应电极1和手孔盖板7之间引线电缆的长度，减小附加测量误差。

再进一步，LED光源3、光电探测器4和信号处理电路5和监测平台8构成信号采集与监测装置，置于GIS变电站户内控制室；光学电压传感器2置于GIS变电站户外现场。信号采集与监测装置与光学电压传感器2之间通过光纤连接。

再进一步，结合图1所示，感应电极1与手孔盖板7之间设置绝缘薄膜10。感应电极1的面积，以及感应电极1与手孔盖板7之间的距离，也就是绝缘薄膜10的厚度可以根据电容分压器分压比的要求确定。

再进一步，结合图4所示，GIS设备的高压母线导体11与感应电极1之间形成高压分压臂C1，感应电极1与手孔盖板7之间形成低压分压臂C2，手孔盖板7与变电站地电网连接，形成电容分压器；

光学电压传感器2基于泡克耳斯效应感应低压分压臂C2两端电压；监测平台8根据电容分压器的分压比，计算获得暂态电压的监测结果。由于光学电压传感器2能承受几千伏的电压，低压分压臂C2的容值可以设置的较小，有利于提高分压器的分压比精度。

再进一步，结合图1所示，所述GIS设备外壳上设置多个绝缘手孔6作为分布式监测点；每个绝缘手孔6对应设置一个光学电压传感器2；每个光学电压传感器2对应配置一个LED光源3和一个光电探测器4，所有光电探测器4转换后的电信号传递至信号处理电路5。

根据现场使用需求，可以在GIS设备外壳上设置n个监测点，安装n个光学电压传感器2，对应配置n个LED光源3和n个光电探测器4，实现对GIS快速暂态过电压分布式监测。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (8)

1.一种GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于包括感应电极(1)、光学电压传感器(2)、LED光源(3)、光电探测器(4)和信号处理电路(5)，

GIS设备外壳上绝缘手孔(6)对应的手孔盖板(7)内侧表面上设置感应电极(1)，手孔盖板(7)的外侧对应设置光学电压传感器(2)，光学电压传感器(2)的高压电极连接感应电极(1)，光学电压传感器(2)的地电极连接手孔盖板(7)；光学电压传感器(2)基于泡克耳斯电光效应感应加载在感应电极(1)与手孔盖板(7)之间的暂态电压；

LED光源(3)的载波光信号通过光纤输入至光学电压传感器(2)，光学电压传感器(2)对所述暂态电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤传送至光电探测器(4)进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路(5)采样解调，解调后的结果作为暂态电压监测采样结果。

2.根据权利要求1所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于还包括监测平台(8)，所述监测平台(8)用于对暂态电压监测采样结果进行分析处理，得到监测结果，并对监测结果进行显示和存储。

3.根据权利要求1或2所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于所述光学电压传感器(2)包括一号准直器(2-1)、起偏器(2-2)、λ/4波片(2-3)、BGO晶体(2-4)、检偏器(2-5)和二号准直器(2-6)，

LED光源(3)的载波光信号通过光纤输入一号准直器(2-1)准直后，经起偏器(2-2)变成线偏振光，再经λ/4波片(2-3)变成圆偏振光，圆偏振光通过BGO晶体(2-4)时，在暂态电压的作用下发生双折射变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器(2-5)检偏后变成强度与暂态电压成正比的线偏振光，再经二号准直器(2-6)汇聚后得到所述调制后光信号；

所述BGO晶体(2-4)两侧镀金属电极，分别作为光学电压传感器(2)的高压电极(2-7)和地电极(2-8)，暂态电压加载在高压电极(2-7)和地电极(2-8)之间。

4.根据权利要求3所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于，所述光学电压传感器(2)配置密封壳(9)，密封壳(9)安装在手孔盖板(7)上。

5.根据权利要求4所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于，LED光源(3)、光电探测器(4)和信号处理电路(5)和监测平台(8)构成信号采集与监测装置，置于GIS变电站户内控制室；光学电压传感器(2)置于GIS变电站户外现场。

6.根据权利要求5所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于，感应电极(1)与手孔盖板(7)之间设置绝缘薄膜(10)。

7.根据权利要求6所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于，

GIS设备的高压母线导体(11)与感应电极(1)之间形成高压分压臂C1，感应电极(1)与手孔盖板(7)之间形成低压分压臂C2，手孔盖板(7)与变电站地电网连接，形成电容分压器；

光学电压传感器(2)基于泡克耳斯效应感应低压分压臂C2两端电压；监测平台(8)根据电容分压器的分压比，计算获得暂态电压的监测结果。

8.根据权利要求7所述的GIS快速暂态过电压光学在线监测系统，其特征在于，

所述GIS设备外壳上设置多个绝缘手孔(6)作为分布式监测点；每个绝缘手孔(6)对应设置一个光学电压传感器(2)；每个光学电压传感器(2)对应配置一个LED光源(3)和一个光电探测器(4)。

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