CN114355045A - 一种高精准度gis回路电阻测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精准度GIS回路电阻测试装置及方法，该装置包括充电回路(1)、电容器(3)、电感(5)、选通开关(6)、第一选通元件(7)、第二选通元件(8)、分流器(9)和信号采样处理模块(10)。该方法基于所述测试装置形成二阶振荡电路，利用波形包络线计算回路电阻。本发明能有效地避免寄生元件对测量过程的影响，极大地提高了测量结果的精准度。

Description

一种高精准度GIS回路电阻测试装置及方法

技术领域

本发明属于GIS状态评估技术领域，具体涉及一种高精准度GIS回路电阻测试装置及方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)采用SF6气体作为灭弧和绝缘介质，将高压带电部分密封于金属罐体中，可靠性高、安全性好、检修周期长，被广泛应用于电力系统中。但是，由于制造不良、安装运输、装配工艺或设备运行过程中机械振动造成的接触不良等缺陷，引起设备非正常发热甚至爆炸，严重威胁了GIS设备的可靠性。

当GIS设备中存在接触不良缺陷时，由于接触电阻增大，GIS整个回路电阻也会异常变化。回路电阻测试作为GIS交接试验的主要项目之一，其目的就是及时发现接触不良的缺陷，避免其导致事故。目前，通常采用直流压降法测量GIS回路电阻，测试电流在100A至设备额定电流选取，该方法要求测试电流很大，否则回路电压极小而造成较大的测量误差，同时要求电压采样有很高的精确度，现场难以保证测量精度，对微小缺陷引起的绝缘电阻变化灵敏度较低。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种高精准度GIS回路电阻测试装置及方法，具有很高的测量精度，能够及时有效地检出接触不良引起的微小缺陷。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种高精准度GIS回路电阻测试装置，包括充电回路、充电开关、电容器、放电开关、电感、选通开关、第一选通元件、第二选通元件、分流器和信号采样处理模块；

所述充电回路经过充电开关与电容器连接，为电容器快速充电；

所述电容器经过放电开关、电感、选通开关、被选通元件和分流器构成RLC二阶振荡电路；被选通元件为第一选通元件、第二选通元件或GIS测试回路中的一个；

所述信号采样处理模块与分流器并联。

本发明进一步的改进在于，充电回路输出为直流电压，幅值在0～3000V范围内能够连续调节。

本发明进一步的改进在于，充电开关和放电开关具有防误操作保护联锁功能，即充电开关和放电开关不能同时闭合，所述充电开关还具有过流保护功能。

本发明进一步的改进在于，电容器为高压脉冲电容器，且电容器能够耐受脉冲电流幅值不小于5kA，电容值为1mF；

电感为空心式电感器，电感值基本不受放电电流的大小、频率影响。

本发明进一步的改进在于，选通开关通过三个开关选通3条支路，所述三个开关分别为第一路开关S31、第二路开关S32和第三路开关S33，第一路开关S31与第一选通元件相连接，第二路开关S32与第二选通元件相连接，第三路开关S33与GIS测试回路相连接；

第一路开关S31、第二路开关S32和第三路开关S33只能同时一路开关；

第一路开关S31、第二路开关S32和第三路开关S33闭合时导通电阻小于10μΩ，相比于待测试的GIS回路电阻可忽略不计。

本发明进一步的改进在于，第一选通元件和第二选通元件为高精度电阻元件、电容或电感阻抗元件或直接短接，其中第一选通元件直接短接，第二选通元件为高精度无感电阻元件，电阻值为100μΩ，额定峰值电流不小于5kA；

分流器为高精度无感电阻元件，其中分流器电阻值为1mΩ，用于测量幅值0～10kA、频率0～1MHz范围内的电流，精度<0.02％。

本发明进一步的改进在于，电容器、电感和分流器的元件参数选取需满足整个电路能够形成RLC二阶振荡电路，满足以下公式：

其中，R₀为分流器电阻值，L为电感的电感值，C为电容器的电容值；其中电容器、电感和分流器的电感值、电容值和电阻值均远大于整个测试回路中的寄生电容、寄生电感和母线导杆电感、导杆和引线电阻，因此，满足所述公式要求即可构成RLC二阶振荡电路。

本发明进一步的改进在于，信号采样处理模块与分流器并联，所述采样模块为差分采样模式，采样频率大于M/s，所述信号处理模块为基于STM32F103C8T6的最小系统模块。

一种采用所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S100：操作确认充电开关、放电开关、选通开关均处于断开状态，信号采样处理模块处于工作状态；

S200：闭合充电开关，充电回路向电容器充电，待电容器电压稳定后，断开充电开关，闭合放电开关；

S300：闭合选通开关的第一路开关S31，第一选通元件接入回路，信号采样处理模块采集分流器两端电压，采样完成后断开支路开关，求解二阶振荡电路的微分方程，获得相应参数，计算公式如下：

其中，L、L_S分别为电感电感值和回路等效电感值；R_c、R_L、R₃₁、R₀分别为电容器寄生电阻、电感寄生电阻、第一选通元件电阻和分流器电阻；C为电容器电容值；u_c为电容器电压；t为时间；u_R0为分流器两端电压；ω为电路振荡频率；δ为振荡衰减因子；

S400：分别闭合选通开关的第二路开关S32和第三路开关S33，重复S200和S300，分别将第一选通元件和GIS测试回路接入放电回路，获得相应参数；

S500：计算GIS测试回路电阻，公式如下：

R_x＝2δ₃L′-R′

其中，L′为电感电感值和回路等效电感值之和，L′＝L+L_s；R′为电容器寄生电阻、电感寄生电阻和分流器电阻之和，R′＝R_c+R_L+R₀；R_x为GIS测试回路电阻；δ₁、δ₂、δ₃分别为闭合S31、S32和S33支路开关得到的振荡衰减因子。

本发明进一步的改进在于，所述S200、S300、S400和S500中的振荡衰减因子是通过拟合分流器两端电压波形的振荡衰减包络线得到的，且拟合函数的形式为y＝Ae^-αt+C。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明基于所述测试装置形成二阶振荡电路，利用波形包络线计算GIS回路电阻，大大降低了测试电流幅值大、采样精度要求高等技术难点。

2、本发明利用选通开关，分别构成3中不同条件下的二阶振荡电路，充分消除了回路寄生元件对测量结果的影响，有效地提高了GIS回路电阻测量的精确度。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种高精度GIS回路电阻测试装置电路原理。

图2本发明另一个实施例提供的一种高精度GIS回路电阻测试方法的等效电路图。

图3为本发明实施例提供的李萨如图形特征参数的定义方法图。

图4为本发明实施例提供的PT匝间短路时李萨如图形的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

一个实施例中，如图1所示，本发明提供的一种高精度GIS回路电阻测试装置，包括充电回路1、充电开关2、电容器3、放电开关4、电感5、选通开关6、第一选通元件7、第二选通元件8、分流器9和信号采样处理模块10。所述充电回路1经过充电开关2与电容器3连接，为电容器快速充电；所述电容器3经过放电开关4、电感5、选通开关6、被选通元件和分流器9构成RLC二阶振荡电路；所述被选通元件为第一选通元件7、第二选通元件8或GIS测试回路中的一个；所述信号采样处理模块10与分流器9并联。

另一个实施例中，如图2所示，本发明提供的一种高精度GIS回路电阻测试方法，包括以下步骤：

S100：操作确认充电开关2、放电开关4、选通开关6均处于断开状态，信号采样处理模块处于工作状态；

S200：闭合充电开关2，充电回路1向电容器3充电，待电容器电压稳定后，断开充电开关2，闭合放电开关4；

S300：闭合选通开关6的第一路开关S31，第一选通元件7接入回路，信号采样处理模块采集分流器两端电压，采样完成后断开支路开关，求解二阶振荡电路的微分方程，获得相应参数，计算公式如下：

其中，L、L_S分别为电感5电感值和回路等效电感值；R_c、R_L、R₃₁、R₀分别为电容器3寄生电阻、电感5寄生电阻、第一选通元件7电阻和分流器9电阻；C为电容器3电容值；u_c为电容器电压；t为时间；u_R0为分流器两端电压；ω为电路振荡频率；δ为振荡衰减因子。

S400：分别闭合选通开关6的第二路开关S32和第三路开关S33，重复S200和S300，分别将第一选通元件8和GIS测试回路接入放电回路，获得相应参数；

S500：计算GIS测试回路电阻，公式如下：

R_x＝2δ₃L′-R′

其中，L′为电感5电感值和回路等效电感值之和，L′＝L+L_s；R′为电容器3寄生电阻、电感5寄生电阻和分流器9电阻之和，R′＝R_c+R_L+R₀；R_x为GIS测试回路电阻；δ₁、δ₂、δ₃分别为闭合S31、S32和S33支路开关得到的振荡衰减因子。

另一个实施例中，取电容器3电容值C＝1mF，电感5电感值为L＝1mH，第一选通元件7直接短接，电阻为R₃₁＝0，第二选通元件8电阻为R₃₂＝1mΩ，分流器9电阻为R₀＝1mΩ，回路寄生电阻之和为R_C+R_L＝5mΩ，回路等效电感Ls＝50μH，待测GIS回路电阻R_x＝500μΩ。仿真计算了测量结果，如图3所示，图3(a)为闭合S31后采样得到的分流器两端电压波形；图3(b)为闭合S32后采样得到的分流器两端电压波形；图3(c)为闭合S33后采样得到的分流器两端电压波形。

在本实施例中，分别拟合图3(a)、3(b)和3(c)中波形的上包络线，得到包络线的解析式如下：

(a)u＝0.9759e^-2.8571t；

(b)u＝0.9759e^-4.2863t；

(c)u＝0.9759e^-3.0950t。

进一步地，得到了振荡衰减因子δ₁＝2.8571、δ₂＝4.2863、δ₃＝3.0950，根据所述S500中的计算公式得：R_x测量值为499.2μΩ。

值得说明的是，测量回路的寄生元件、回路电感及电容器、电感铭牌值不精度均不会影响本发明的测量结果，实际上，测量结果的精确度只与采样精度及非线性拟合获得的包络线解析表达式有关。考虑到通过调节分流器大小、电容器的充电电压等条件使两端电压信号可达1V左右，包络线的物理衰减过程及数学规律明确，这些造成的测量误差较小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不能因此而理解为对本发明范围的限制，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，包括充电回路(1)、充电开关(2)、电容器(3)、放电开关(4)、电感(5)、选通开关(6)、第一选通元件(7)、第二选通元件(8)、分流器(9)和信号采样处理模块(10)；

所述充电回路(1)经过充电开关(2)与电容器(3)连接，为电容器快速充电；

所述电容器(3)经过放电开关(4)、电感(5)、选通开关(6)、被选通元件和分流器(9)构成RLC二阶振荡电路；被选通元件为第一选通元件(7)、第二选通元件(8)或GIS测试回路中的一个；

所述信号采样处理模块(10)与分流器(9)并联。

2.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，充电回路(1)输出为直流电压，幅值在0～3000V范围内能够连续调节。

3.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，充电开关(2)和放电开关(4)具有防误操作保护联锁功能，即充电开关(2)和放电开关(4)不能同时闭合，所述充电开关(2)还具有过流保护功能。

4.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，电容器(3)为高压脉冲电容器，且电容器能够耐受脉冲电流幅值不小于5kA，电容值为1mF；

电感(5)为空心式电感器，电感值基本不受放电电流的大小、频率影响。

5.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，选通开关(6)通过三个开关选通3条支路，所述三个开关分别为第一路开关S31、第二路开关S32和第三路开关S33，第一路开关S31与第一选通元件(7)相连接，第二路开关S32与第二选通元件(8)相连接，第三路开关S33与GIS测试回路相连接；

第一路开关S31、第二路开关S32和第三路开关S33只能同时一路开关；

第一路开关S31、第二路开关S32和第三路开关S33闭合时导通电阻小于10μΩ，相比于待测试的GIS回路电阻可忽略不计。

6.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，第一选通元件(7)和第二选通元件(8)为高精度电阻元件、电容或电感阻抗元件或直接短接，其中第一选通元件(7)直接短接，第二选通元件(8)为高精度无感电阻元件，电阻值为100μΩ，额定峰值电流不小于5kA；

分流器(9)为高精度无感电阻元件，其中分流器(9)电阻值为1mΩ，用于测量幅值0～10kA、频率0～1MHz范围内的电流，精度<0.02％。

7.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，电容器(3)、电感(5)和分流器(9)的元件参数选取需满足整个电路能够形成RLC二阶振荡电路，满足以下公式：

其中，R₀为分流器(9)电阻值，L为电感(5)的电感值，C为电容器(3)的电容值；其中电容器(3)、电感(5)和分流器(9)的电感值、电容值和电阻值均远大于整个测试回路中的寄生电容、寄生电感和母线导杆电感、导杆和引线电阻，因此，满足所述公式要求即可构成RLC二阶振荡电路。

8.根据权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置，其特征在于，信号采样处理模块(10)与分流器(9)并联，所述采样模块为差分采样模式，采样频率大于M/s，所述信号处理模块为基于STM32F103C8T6的最小系统模块。

9.一种采用权利要求1所述的一种高精准度GIS回路电阻测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：操作确认充电开关(2)、放电开关(4)、选通开关(6)均处于断开状态，信号采样处理模块处于工作状态；

S200：闭合充电开关(2)，充电回路(1)向电容器(3)充电，待电容器电压稳定后，断开充电开关(2)，闭合放电开关(4)；

S300：闭合选通开关(6)的第一路开关S31，第一选通元件(7)接入回路，信号采样处理模块采集分流器两端电压，采样完成后断开支路开关，求解二阶振荡电路的微分方程，获得相应参数，计算公式如下：

其中，L、L_S分别为电感(5)电感值和回路等效电感值；R_c、R_L、R₃₁、R₀分别为电容器(3)寄生电阻、电感(5)寄生电阻、第一选通元件(7)电阻和分流器(9)电阻；C为电容器(3)电容值；u_c为电容器电压；t为时间；u_R0为分流器两端电压；ω为电路振荡频率；δ为振荡衰减因子；

S400：分别闭合选通开关(6)的第二路开关S32和第三路开关S33，重复S200和S300，分别将第一选通元件(8)和GIS测试回路接入放电回路，获得相应参数；

S500：计算GIS测试回路电阻，公式如下：

R_x＝2δ₃L′-R′

其中，L′为电感(5)电感值和回路等效电感值之和，L′＝L+L_s；R′为电容器(3)寄生电阻、电感(5)寄生电阻和分流器(9)电阻之和，R′＝R_c+R_L+R₀；R_x为GIS测试回路电阻；δ₁、δ₂、δ₃分别为闭合S31、S32和S33支路开关得到的振荡衰减因子。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，所述S200、S300、S400和S500中的振荡衰减因子是通过拟合分流器两端电压波形的振荡衰减包络线得到的，且拟合函数的形式为y＝Ae^-αt+C。

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