WO2011103775A1 - 一种标定电压的产生装置和方法 - Google Patents

Description

一种标定电压的产生装置和方法 技术领域

本发明涉及高电压领域， 更具体地说， 涉及一种标定电压的 产生装置和方法。 背景技术

在高电压研究和应用领域， 经常涉及特快速暂态高电压问 题， 电压幅值可能达到数百万 V， 电压上升时间在数 ns范围， 频 率可达数十 MHz。 准确测量特快速暂态高电压， 具有重要的实际 意义。

例如， 在电力系统的变电站， 大量使用金属封闭气体绝缘组 合电器 （Gas Insulated Switchgear, GIS ) ， 它的运行中涉及特 快速暂态高电压问题。 下面借助图 1加以说明： GIS母线的三段 中心导体 lla、 lib和 lie, 由绝缘子 13支撑在金属外壳 12内， 隔离开关的动触头 14a和 14b相对于中心导体 11a和 11c可以伸 出或缩回， 完成与中心导体之间的关合或分断操作。 当中心导体 11a与工频电源连接， 动触头 14b处于断开状态， 动触头 14a处 于操作过程中时， 可能出现这种现象， 中心导体 11a与中心导体 lib 之间的断口出现高电压， 导致所述断口间隙击穿， 断口间出 现电弧， 母线上产生特快速暂态高电压， 其电压幅值可能远远超 过设备的额定电压， 因此称其为特快速暂态过电压 （VFTO ) 。 VFTO对变电站设备的绝缘构成严重威胁， 在研究和解决 VFTO 问题时， 需要对 VFTO的波形进行准确测量。

常用的对 VFTO 测量的方法是使用电阻分压器或电容分压 器等， 以下介绍 GIS中 VFTO的电容分压器测量方法。 参见图 1 所示， 当测量母线上测量点 15位置的 VFTO时， 由电容分压器

确认本 16与测量设备 17构成的测量系统。 所述的电容分压器 16的结构 如图 2所示， 在对应测量点位置的 GIS母线的外壳 12上制作一 个操作孔 21， 将一个感应电极 22固定在操作孔 21中， 感应电极 22和 GIS外壳 12绝缘，感应电极 22和高电压母线之间的杂散电 容构成电容分压器 16的高压臂， 感应电极和 GIS母线的外壳 12 之间的杂散电容构成电容分压器 16的低压臂，低压臂电压由电缆 24输入到测量设备 17。

电容分压器 16将特快速暂态高电压转换为一个波形不变、 但电压幅值满足示波器等测量设备 17要求的低电压信号。为了保 证特快速暂态高电压测量的准确性， 要求对所述测量系统的频率 响应特性和分压比进行准确的标定。 描述测量系统频率响应特性 的一个典型参数是 "方波响应上升时间" ， 即系统在方波激励下， 系统响应由低电平转换到高电平的时间， 所表明的是测量系统对 快速变化电压的响应速度和测量能力； 分压比是实际特快速暂态 高电压与转换后的低电压的比值； 所谓标定就是赋予被标定的测 量系统一定的参数值， 在此就是赋予电容分压器测量系统的方波 响应上升时间和分压比的值。

此由电容分压器 16和测量设备 17构成的测量系统，其频率 响应特性和分压比通过试验进行标定， 其过程是： 在母线测量点 位置施加一个已知波形的特快速暂态高电压， 将已知的波形和被 标定测量系统测得的波形进行比较， 确定被标定电容分压器测量 系统的频率响应特性和分压比。 所述的已知波形特快速暂态高电 压为标定电压。 为了实现准确的标定， 不仅要求标定电压具有足 够高的波头上升陡度， 即足够短的方波激励的电压上升时间， 还 要求具有足够高的电压幅值， 使得电容分压器的输出具有足够高 的信号幅值和信噪比。

现有技术提供一种标定方法： 一个高电压陡脉沖发生器， 输 出已知波形和幅值的标定电压， 电压上升时间在 ns时间量级； 高 电压陡脉冲发生器通过过渡连接器与 GIS母线管道相连， 输出脉 冲作用在 GIS的母线上； 为了避免脉冲电压在母线两端的反射， 保持母线测量点的电压波形和标定源的电压波形相同， 过渡连接 器需要做到良好的波阻抗过渡， 母线的末端需要做到良好的阻抗 匹配。

上述现有技术提供的标定方法中，需要使用高电压陡脉沖发 生器， 并使用已有的满足测量精度的测量系统预先测量高电压陡 脉沖发生器的输出波形， 还需要复杂的波阻抗匹配， 结构复杂， 测量过程繁瑣。 发明内容

有鉴于此， 本发明提供一种标定电压的产生装置和方法， 以 实现利用结构及测量方法简单的装置， 完成对测量系统的标定， 技术方案如下：

本发明提供一种标定电压的产生装置包括： 高压直流电源、 放电间隙、 高压导体和接地外导体；

所述高压导体和接地导体之间高压绝缘；

所述的高压直流电源连接在高压导体和接地导体的端部之 间， 用于为高压导体进行高电压直流充电；

放电间隙连接于高压导体和接地导体之间， 位于端部； 所述 放电间隙在高压导体上的直流电压升高到一定幅值时被击穿。

优选地，所述装置还包括连接于所述高压直流电源与高压导 体端部之间的充电电阻。

优选地，所述高压直流电源与所述放电间隙连接于高压导体 的相同端部。

优选地，所述高压直流电源与所述放电间隙分别连接于高压 导体的不同端部。

优选地，所述高压导体为气体绝缘组合电器 GIS母线的中心 导体。

优选地，所述接地导体为气体绝缘组合电器 GIS母线的接地 金属外壳。

应用上述标定电压的产生装置，本发明还提供一种标定电压 的产生方法， 包括：

充电步骤：

启动所述高电压直流电源， 为高压导体进行高电压直流充 电；

击穿步骤：

所述高压导体上的充电电压升高到一定幅值，导致所述与高 压导体端部相连接的放电间隙击穿； 放电间隙击穿后， 在高压导 体上产生特快速暂态高电压; 所述高压导体上各位置处的特快速 暂态高电压的波形可理论获得， 即标定电压。

对测量系统的标定方法包括：

测量所述放电间隙相连接的高压导体的电压，记录放电间隙 击穿时刻的电压； 在所述高压导体上选择一测量点， 所述测量点 选择在高压导体上与所述放电间隙相反的端部位置， 此位置的特 快速暂态高电压的理论波形是方波， 幅值是放电间隙击穿电压的

2 倍； 由待标定的测量系统测得该测量点的电压波形， 记录所述 电压波形首次出现的第一个方波的波头上升时间和该方波的电压 幅值;

根据所述测量结果对测量系统进行标定， 包括对所述测量系 统的频率响应特性进行标定，和对所述测量系统的分压比的标定； 对所述测量系统的频率响应特性的标定： 所述记录的第一个 方波的波头上升时间标定为测量系统至少达到的方波响应上升时 间；

对所述测量系统的分压比的标定： 所述记录的放电间隙击穿 时刻电压的 2倍， 即为标定方波电压的幅值， 此标定方波电压的 幅值与所述记录的第一个方波的幅值的比值， 标定为测量系统的 分压比。

优选地， 所述测量点选择在高压导体上任意一点， 所述测量 点的特快速暂态高电压的波形可通过理论获得。

通过上述技术方案可知， 与现有技术相比， 本发明通过在一 段高电压绝缘的高压导体和接地导体之间施加高电压， 高压导体 一端开路， 另一端通过放电间隙与接地导体连接， 高电压使放电 间隙击穿， 在高压导体上产生通过理论计算可获知的特快速暂态 高电压， 即标定电压， 用于标定特快速暂态高电压测量系统。 本 发明避免使用高电压陡脉冲发生器及已有的满足测量精度的测量 系统来预先测量高电压陡脉冲发生器的输出波形， 还避免了复杂 的波阻抗匹配， 达到了筒化结构和标定方法的目的。 附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单地介 绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1为金属封闭气体绝缘组合电器的母线结构示意图； 图 2为电容分压器的结构示意图；

图 3为本发明实施例一的用于标定电容分压器测量系统的标 定电压的产生装置的结构示意图；

图 4 为本发明实施例一的电容分压器测量系统测得的波形 图 5为本发明实施例二的用于标定电容分压器测量系统的标 定电压的产生装置的结构示意图。 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前提下所获得的 所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

现有的用于标定测量系统的方法， 需要使用高电压陡脉冲发 生器， 并对陡脉冲发生器输出波形进行测量， 还需要进行复杂的 波阻抗匹配， 结构复杂， 测量方法繁瑣。

为解决上述问题， 本发明提供一种标定电压的产生装置， 包 括高压直流电源、 放电间隙、 高压导体和接地导体。 还提供了一 种标定电压的产生方法： 通过在一段高电压绝缘的高压导体和接 地导体之间施加高电压， 高压导体一端开路， 另一端通过放电间 隙与接地导体连接， 高电压使放电间隙击穿， 在高压导体上产生 通过理论计算可获知的特快速暂态高电压， 即标定电压， 用于标 定测量系统， 达到简化结构和标定方法的目的。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结 合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

参见图 3所示，本发明提供的一种标定电压的产生装置包括： 高压直流电源 31、 充电电阻 32、 放电间隙 33、 中心导体 34和接 地金属外壳 35。

在本实施例中， 中心导体 34为高压导体， 接地金属外壳 35 为接地导体。

高压直流电源 31通过充电电阻 32与 G1S母线的中心导体 34的一端 36相连， 放电间隙 33连接于中心导体 34的一端 36和 接地外壳 35之间， 待标定的电容分压器测量系统 38位于中心导 体另一端， 对中心导体上的测量点 37进行测量。

其中， 高压直流电源 31输出电压可以为 0~10万伏， 中心导 体 34的典型长度为 1500mm， 放电间隙 33为充以高绝缘强度的 SF6气体的放电间隙。

应用上述提供的标定电压装置， 对电容分压器测量系统 38 进行标定，本发明所提供的标定电压的产生方法及标定方法如下： 首先， 进行充电过程， 即：

启动高压直流电源 31， 产生高电压直流电， 经过充电电阻 32, 对中心导体 34进行充电。

同时， 待标定的电容分压器测量系统 38对中心导体上测量 点 37进行测量， 测得的波形在测量系统 38中的示波器上显示， 参见图 4， 在该波形上的 A点之前的接近直线的波形， 即为充电 过程显示的波形， 因为在充电过程中， 中心导体 34上通过的为直 流电， 即使电压随充电时间的增加而升高， 但是由于充电时间极 短， 所以在示波器上并未显示其电压升高过程， 又因为中心导体 或者示波器受其它电信号的干扰， 所以在示波器上显示为一条接 近于直线的波形。

然后， 进行击穿过程：

即随着充电时间的增加， 中心导体 34上的充电电压随之升 高， 因为放电间隙 34的一端与中心导体相连接， 另一端通过金属 外壳 35接地，所以当中心导体 34的充电电压升高到一定幅值时， 放电间隙 33两端出现高压电， 导致放电间隙 33击穿。 放电间隙 33击穿后，中心导体一端 36通过放电间隙 33对接地金属外壳 35 短路， 中心导体另一端开路。

同时， 用电压测量仪器测量中心导体一端 36的电压， 电压 测量仪器在充电过程中电压值升高，在放电间隙 33击穿时， 由于 中心导体一端 ₃₆接地，所以电压值极短时间内升高到一定数值后 又迅速变为零， 记录电压测量仪器达到的最大值为 7kV, 即放电 间隙击穿 33时刻击穿电压为 7kV; 放电间隙 33击穿后， 被标定 的电容分压器测量系统 38对中心导体另一端测量点 37测得的波 形， 在图 4中的显示为 A点之后的波形。 下面对该段波形的形成 原理进行说明：

在放电间隙 33击穿时刻， 中心导体 34—端 36通过放电间 隙 33和金属外壳 35接地短路，在接地前一时刻中心导体 34上有 7kV的电压， 由于中心导体一端 36接地短路， 电压迅速降为零， 而中心导体另一端开路，所以在中心导体 34上就会形成行波的来 回反射，在中心导体一端 36产生行波负的全反射，在中心导体另 一端形成行波正的全反射， 在理想情况下， 即中心导体的波阻抗 均匀， 中心导体无阻抗放电间隙击穿具有理想开关特性， 则在中 心导体另一端产生的电压为周期方波。 而实际中无法做到理想的 情况， 中心导体上会存在损耗， 行波的来回反射存在衰减， 放电 间隙 33的击穿也有一个时间过程，所以使得方波的波头具有一定 的上升时间， 尽管如此， 由于中心导体 34的波阻抗足够均 ， 放 电间隙 33性能足够高， 所以放电间隙 33击穿所产生的电压波行 第一个方波仍十分接近理论方波波形， 第一个方波后续的波形由 于损耗和衰减， 波形产生影响。

最后， 进行标定过程：

电容分压器测量系统 38的频率响应特性的标定： 据图 4的 波形图， 记录第一个方波的上升时间， 即第一个方波的 B点所对 应的横坐标与 A点所对应的横坐标之差， 据图形计算可得第一方 波的上升时间为 6ns。 因此， 该测量系统至少达到的方波响应上 升时间标定为 6ns。

电容分压器测量系统 38的分压比的标定： 由于行波在此中 心导体开路端产生正的全反射， 反射之后两个行波的电压幅值在 此叠加， 所以在中心导体开路端所产生的特快速暂态高电压为记 录的放电间隙击穿电压 7kV的 2倍， 即为 14kV。 据图 4的波形 图， 记录第一方波的电压幅值， 即第一个方波的 B点所对应的纵 坐标与 A点所对应的纵坐标的绝对值之差， 计算可得第一个方波 的电压幅值为 63mV。

分压比为中心导体右端所产生的特快速暂态高电压与第一 个 方 波 的 电 幅 值 的 比 值 ， 即 分 压 比 =14kV/63mV=14000V/0.063V=222222.22_o 因此， 该测量系统的分 压比标定为 222222.22。

需要说明是，在本发明实施例中所涉及的具体数值仅用于示 意性说明， 不应理解为对本发明技术方案的限定。 实施例二：

参见图 5所示，本发明提供的另一种标定电压的产生装置包 括： 高压直流电源 51、 充电电阻 52、 放电间隙 53、 中心导体 54 和接地金属外壳 55。

在本实施例中， 中心导体 54为高压导体， 接地金属外壳 55 为接地导体。

其中，高压直流电源 51通过充电电阻 52与 GIS母线的中心 导体 54的一端 56相连， 放电间隙 53连接于中心导体 54的另一 端 57和接地外壳 55之间，待标定的电容分压器测量系统 58位于 中心导体一端 56， 对中心导体一端 56上的测量点进行测量。

本实施例与实施例一的区别在于： 实施例一将放电间隙和高 压直流电源连接于中心导体的相同端部， 本实施例将放电间隙和 高压直流电源连接于中心导体的不同端部。 实施例一与实施例二 所提供的装置所起到的应用效果是一样的。

应用本实施例提供的标定电压的产生装置，对电容分压器测 量系统 58进行标定。本实施例的标定电压的产生方法和标定方法 与实施例一类似， 在这里就不再详细论述。 关键点在于： 与放电 间隙 53相连接的中心导体端部 57， 在放电间隙 53击穿后通过接 地金属外壳 55短路；通过充电电阻 52与高压直流电源 51相连接 的中心导体 54的端部 56, 由于充电电阻 52的阻值远远大于中心 导体 54的波阻抗， 在放电间隙击穿后， 中心导体 54的端部 56 开路。

需要说明的是，在上述实施例中待标定的测量系统所选测量 点位于中心导体的端部， 所述端部为与所述放电间隙不相连接的 中心导体端部。 所述测量点可以选择在中心导体上的其他位置， 所述测量点的特快速暂态高电压的波形可通过理论获得。

还有， 需要说明的是， 在上述实施例中的高压导体和接地导 体为同轴结构的两个导体， 所述高压导体和接地导体还可以是平 行平板的两个导体， 或其他形状的行波线结构。

另外， 需要说明的是， 上述是实例中测量系统是电容分压器 测量系统， 该测量系统可以是用于测量特快速暂态高电压的其他 测量系统。

上述实施例，通过在中心导体和接地金属外壳之间施加高电 压， 使中心导体一端开路， 另一端通过击穿放电间隙与接地金属 外壳连接而短路， 在中心导体上产生通过理论计算可获知的特快 速暂态高电压， 即标定电压， 用于标定电容分压器测量系统， 达 到筒化结构和标定方法的目的。

在上述实施例中， 对各个实施例的描述都各有侧重， 某个实 施例中没有详述的部分， 可以参见其他实施例的相关描述。 对所 公开的实施例的上述说明， 使本领域专业技术人员能够实现或使 用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来 说将是显而易见的， 本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发 明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。 因此， 本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公 开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

权 利 要 求

1. 一种标定电压的产生装置， 其特征在于， 包括： 高压直 流电源、 放电间隙、 高压导体和接地导体；

所述高压导体和接地导体之间高压绝缘；

其中， 高压直流电源连接在高压导体和接地导体的端部之 间； 所述高压直流电源用于为高压导体和接地导体之间进行高电 压直流充电；

放电间隙连接于高压导体和接地导体的端部之间； 所述放电 间隙在高压导体和接地导体之间的电压升高到一定幅值时被击 穿。

2. 如权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 还包括连接于 所述高压直流电源与高压导体端部之间的充电电阻。

3. 如权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述高压直流 电源与所述放电间隙连接于高压导体的相同端部。

4. 如权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述高压直流 电源与所述放电间隙分别连接于高压导体的不同端部。

5. 如权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述高压导体 为气体绝缘组合电器 GIS母线的中心导体。

6. 如权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述接地导体 为气体绝缘组合电器 GIS母线的接地金属外壳。

7. 一种标定电压的产生方法， 其特征在于， 应用如权利要 求 1所述的装置， 所述产生方法包括：

充电步骤：

启动所述高电压直流电源， 为高压导体和接地导体之间进行 直流充电；

击穿步骤： 所述高压导体和接地导体之间的充电电压升高到一定幅值， 导致所述与高压导体端部相连接的放电间隙击穿； 放电间隙击穿 后， 在高压导体上产生特快速暂态高电压， 即标定电压。

8. 如权利要求 7所述的方法， 其特征在于， 产生标定电压 之后， 对测量系统的标定方法包括：

测量所述放电间隙相连接的高压导体的电压， 记录放电间隙 击穿时刻的电压；在所述高压导体上选择一测量点， 所述测量点 选择在高压导体上与所述放电间隙相反的端部位置， 此位置的特 快速暂态高电压的理论波形是方波， 幅值是放电间隙击穿电压的 2 倍， 由待标定的测量系统测得该测量点的电压波形， 记录所述 电压波形首次出现的第一个方波的波头上升时间和该方波的电压 幅值；

根据测量结果， 对测量系统进行标定。

9. 如权利要求 8所述的方法， 其特征在于， 所述根据测量 结果， 对测量系统进行标定包括：

对所述测量系统的频率响应特性进行标定， 和对所述测量系 统的分压比的标定；

对所述测量系统的频率响应特性的标定为： 将所述记录的第 一个方波的波头上升时间标定为测量系统至少达到的方波响应上 升时间；

对所述测量系统的分压比的标定为： 所述记录的放电间隙击 穿时刻电压的 2倍， 即为标定方波电压的幅值， 将此标定电压方 波电压幅值与所述记录的第一个方波的幅值的比值， 标定为测量 系统的分压比。