CN106645876A - 一种gis内部高频暂态电压的测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GIS内部高频暂态电压的测量***及方法，包括手孔盖板、聚四氟乙烯绝缘套、聚四氟乙烯绝缘薄膜和中间极板；手孔盖板与中间极板之间设有一层聚四氟乙烯绝缘薄膜，保持手孔盖板与中间极板之间的绝缘；中间极板为平板结构；中间极板通过若干螺钉固定在手孔盖板的内侧面，所述若干螺钉与中间极板之间设有绝缘套绝缘；手孔盖板的外侧面上固定有BNC探头输出座，中间极板中心设有中间极板同轴导体，BNC探头输出座的电极芯与中间极板同轴导体电性连接。本发明安装方便、结构简单与测试安全、精度高。

Description

一种GIS内部高频暂态电压的测量***及方法

技术领域

本发明属于高压测量技术研究领域，特别涉及一种GIS内部高频暂态电压的测量***及方法。

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***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。

GIS中由开关操作引起的电磁暂态现象主要表现为：GIS母线套管上的快速暂态过电压(VFTO)、GIS壳体上的暂态地电位升高(TEV)，以及由于GIS内部产生高频特快速暂态电流(VFTC)，而在GIS周围空间产生暂态电磁场(TEM)和电磁干扰(EMI)，造成对二次设备的无干扰，如图1所示。

其中，快速暂态过电压VFTO和VFTC是GIS中最典型、危害最严重的一种电磁暂态现象。隔离开关在操作过程中，由于其切换速度慢，触头间隙会发生多次重燃，产生极陡的行波并在GIS管线内迅速发生折射、反射和叠加，产生高频振荡的快速暂态过电压即VFTO和VFTC。典型的VFTO和VFTC的波形，如图2和图3所示。

根据电磁场原理，VFTC和VFTO具有一定的相关性，VFTO产生暂态过电压的同时就会产生暂态过电流，根据实验表明，VFTO具有以下特点：

1)波前很陡，上升时间短(3～20ns)，电压上升率高，可达40MV/s；

2)频率高，主要集中在0.5～150MHz范围内，最高可达300MHz；

3)幅值不高，典型值为1.5～2.0p.u.，最高可达2.5p.u.。

VFTO主要作用于GIS内部导体与壳体之间，危及GIS内部设备，尤其是对盆式绝缘子的绝缘危害非常大。当GIS内的VFTO以行波方式沿母线传播时，高频电流的肌肤效应使电流沿母线的外表面及外壳的内表面流动，到达套管后，一部分沿着架空线传播，对与之相连的电气设备(如变压器、架空线路)造成直接的绝缘损坏；另一部分则耦合到壳体与地之间，使GIS壳体上形成暂态地电位升高，即TGPR，幅值范围一般在0.1～0.25p.u.之间。数十到上百千伏的TGPR具有持续时间短、频率高和陡度大的特点，对二次设备构成过电压威胁。

目前，国内外对VFTO特性的研究，可以看出，对VFTO和VFTC特性的研究主要存在如下问题：

(1)现有对快速暂态过电压的研究较多，但对快速暂态过电流特性研究较少，由于在高电位情况下电流测量较困难，且外部对电流干扰较大，屏蔽问题较难解决。

(2)实际运行中的GIS隔离开关速度较低，速度单一，难以改变隔离开关的分合闹速度，研究在多种不同隔离关速度情况下对产生VFTO和VFTC的影响较为困难。对于隔离关分合闸速度对VFTO的影响，隔离开关运动速度越慢，分闸的时候重击穿的次数则越多，那么空载母线上的残余电荷就会越少，下一次合闹过程中所产生的VFTO的幅值也就越低，并没有给出实验数据。重合闹次数越多，残余电荷会越少，没有理论方面的解释。

(3)对隔离开关高频电弧特性的研究不够准确，对一次击穿中弧道电阻的确定缺乏依据，不能确定弧道电阻是回路的电阻值还是一次燃弧的弧阻值。

由于电压可以在GIS外部测试，因此目前对于GIS暂态过电压VFTO的测量方法较多。GIS电流探头是用于测量GIS内部导体暂态电流的传感器。在GIS隔离开关分合过程中，其暂态电流频率特性与快速暂态过电压(VFTO)特性类似，其电流高频部分频率上限达到100MHz，其低频部分在数百kHz。测量高频暂态电流的基本方法是采用罗氏线圈测量。测量较高频率电流的罗氏线圈，其体积尺寸都较小，所以测量电流的导体不能太大，此外还存在测量绝缘问题。因此用罗氏线圈测量电流，需解决和测量导体尺寸配合、测量绝缘问题。根据初步研究分析，采用罗氏线圈测量电流其结构复杂难度较大，解决成本也大。

因此，目前对GIS内部VFTC的测量是一个行业难题，急需一种结构简单、测试安全，且精度高的测量***及方法，对GIS的电磁暂态现象进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GIS内部高频暂态电压的测量***及方法，以解决上述技术问题。本发明方法是一种电流测量范围为50kV～500kV，测量带宽为50Hz～100MHz(-3db)，测量误差≤3％，电压测量响应时间≤2ns的GIS内部高频暂态电流的测量方法，安装方便、结构简单与测试安全、精度高为一体的用于GIS内部特快速暂态电流VFTO测量的方法，为GIS内部高频暂态电压的测量提供一种简单、高效的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种GIS内部高频暂态电压的测量***，包括手孔盖板、聚四氟乙烯绝缘套、聚四氟乙烯绝缘薄膜和中间极板；手孔盖板与中间极板之间设有一层聚四氟乙烯绝缘薄膜，保持手孔盖板与中间极板之间的绝缘；中间极板为平板结构；中间极板通过若干螺钉固定在手孔盖板的内侧面，所述若干螺钉与中间极板之间设有绝缘套绝缘；手孔盖板的外侧面上固定有BNC探头输出座，中间极板中心设有中间极板同轴导体，BNC探头输出座的电极芯与中间极板同轴导体电性连接。

进一步的，BNC探头输出座通过螺纹紧固于手孔盖板上。

进一步的，还包括电压探头输出端密封罩，电压探头输出端密封罩通过钢制紧固螺丝固定在手孔盖板外表面上，并罩住BNC探头输出座；电压探头输出端密封罩和手孔盖板之间通过密封圈密封。

进一步的，所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装于GIS设备的手孔中，中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间，高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器。

一种GIS内部高频暂态电压的测量方法，其特征在于，基于一种GIS内部高频暂态电压的测量***，包括以下步骤：

1)将一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装在待测GIS设备上之前，对所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***进行试验标定，确定其分压比；

2)将所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装在待测GIS设备手孔位置，中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间；

3)高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器；测量时，临时拆除电压探头输出端密封罩，测量BNC探头输出座外壳与电极芯之间的电压，即中间极板与手孔盖板之间的电压，根据步骤1)确定过的分压比，通过计算得到高压导体的对地电压。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：本发明通过在GIS设备的手孔盖板中设置一块中间极板，中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间，高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器，当分压比确定后，测量电容C2两端的电压，通过计算即可得到高压导体的对地电压。本发明安装方便、结构简单与测试安全、精度高。

本发明电流测量范围为50kV～500kV，测量带宽为50Hz～100MHz(-3db)，测量误差≤3％，电压测量响应时间≤2ns。本发明为一种用于GIS内部特快速暂态电流VFTO测量的方法，为GIS内部高频暂态电压的测量提供一种简单、高效的方法。

本发明对GIS设备内部的电磁暂态现象进行研究，进而通过标准试验，对GIS设备的性能进行评价，另外也可应用于对变电站中暂态电磁环境的研究，提高上述技术应用的精度和准确度。

附图说明

图1为GIS中的电磁暂态现象示意图；

图2为GIS内部典型VFTO波形；其中图2(a)为隔离开关合闸时电压波形；图2(b)为隔离开关分闸时的波形；

图3为GIS内部典型VFTC波形；其中图3(a)为隔离开关合闸时暂态电流波形；图3(b)为隔离开关合闸时暂态电流波形；

图4为GIS电压探头原理图；

图5为GIS电压探头结构图。

图中，1、手孔盖板；2、电压探头输出端密封罩；3、聚四氟乙烯绝缘套；4、聚四氟乙烯绝缘薄膜；5、中间极板；11、钢制紧固螺丝；12、密封圈；13、BNC探头输出座；14、中间极板同轴导体；15绝缘套。

具体实施方式

请参阅图4所示，本发明设计出一个在GIS手孔盖板位置安装电压探头。

图4中中间极板和手孔盖板为一对铝制金属极板。手孔盖板为GIS罐体手孔盖板，通过螺丝紧固于GIS壳体上，电位为地电位，可根据不同电压等级GIS尺寸，制作不同大小手孔盖板配套安装。中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间，因此，高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器，当分压比确定后，测量电容C2两端的电压，通过计算即可得到高压导体的对地电压。实际测量是在短时间内同时测量稳态和暂态电压量，以已知稳态电压幅值比对暂态电压幅值，即可得到电压暂态量。

请参阅图5所示，本发明一种GIS内部高频暂态电压的测量***，包括手孔盖板1、电压探头输出端密封罩2、聚四氟乙烯绝缘套3、聚四氟乙烯绝缘薄膜4和中间极板5。

手孔盖板1与中间极板5之间设有一层聚四氟乙烯绝缘薄膜，保持手孔盖板1与中间极板5之间的绝缘。中间极板5为平板结构；探头输出特性为高阻，与测量仪器连接宜采用10:1或100:1高阻标准测量表笔探头连接，表笔探头输入阻抗为10MΩ或100MΩ。探头输出采用同轴传输***，使探头具有较好的传输性能。为保证探头的密封性能，探头结构采用双密封结构，即图5中3处同轴灌胶密封和密封圈12，最大限度保证探头的密封性能。中间极板5和手孔盖板1之间的固定螺丝与中间极板之间通过图5中紧固螺丝与中间极板之间的绝缘套15进行绝缘。BNC探头输出座13外壳通过螺纹紧固于手孔盖板1上，其中电极芯与中间极板同轴导体14焊接在一起。

电压探头输出端密封罩2通过钢制紧固螺丝11固定在手孔盖板1外表面上；电压探头输出端密封罩2和手孔盖板1之间通过密封圈12密封。中间极板5的四周通过多个螺钉固定在手孔盖板1的内表面上，该等紧固螺丝与中间极板之间设有绝缘套15，手孔盖板1与中间极板5有一层聚四氟乙烯绝缘薄膜。中间极板5的中心设有中间极板同轴导体14，手孔盖板1的中心设有BNC探头输出座13，中间极板同轴导体14与BNC探头输出座13的电极芯连接。

根据不同电压等级GIS设备手孔位置和盖板大小，加工装配电压探头，这两个探头除盖板尺寸有差异外，其它部分完全相同。每个做好的探头在安装前要通过试验标定其分压比。

本发明一种GIS内部高频暂态电压的测量方法，包括以下步骤：

1)将一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装在待测GIS设备上之前，对所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***进行试验标定，确定其分压比；

2)将所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装在待测GIS设备手孔位置，中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间；

3)高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器；测量时，临时拆除电压探头输出端密封罩2，测量BNC探头输出座13外壳与电极芯之间的电压，即中间极板与手孔盖板之间的电压，根据步骤1)确定过的分压比，通过计算得到高压导体的对地电压。

步骤3)中实际测量是在短时间内同时测量稳态和暂态电压量，以已知稳态电压幅值比对暂态电压幅值，即可得到电压暂态量。

Claims (5)

1.一种GIS内部高频暂态电压的测量***，其特征在于，包括手孔盖板(1)、聚四氟乙烯绝缘套(3)、聚四氟乙烯绝缘薄膜(4)和中间极板(5)；

手孔盖板与中间极板之间设有一层聚四氟乙烯绝缘薄膜，保持手孔盖板与中间极板之间的绝缘；

中间极板为平板结构；中间极板通过若干螺钉固定在手孔盖板的内侧面，所述若干螺钉与中间极板之间设有绝缘套绝缘；

手孔盖板的外侧面上固定有BNC探头输出座(13)，中间极板中心设有中间极板同轴导体(14)，BNC探头输出座的电极芯与中间极板同轴导体电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电压的测量***，其特征在于，BNC探头输出座(13)通过螺纹紧固于手孔盖板上。

3.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电压的测量***，其特征在于，还包括电压探头输出端密封罩(2)，电压探头输出端密封罩通过钢制紧固螺丝固定在手孔盖板外表面上，并罩住BNC探头输出座(13)；电压探头输出端密封罩和手孔盖板之间通过密封圈密封。

4.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电压的测量***，其特征在于，所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装于GIS设备的手孔中，中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间，高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器。

5.一种GIS内部高频暂态电压的测量方法，其特征在于，基于权利要求1至4中任一项所述的一种GIS内部高频暂态电压的测量***，包括以下步骤：

1)将一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装在待测GIS设备上之前，对所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***进行试验标定，确定其分压比；

2)将所述一种GIS内部高频暂态电压的测量***安装在待测GIS设备手孔位置，中间极板置于GIS中高压导体与手孔盖板之间；

3)高压导体与中间极板之间形成电容C1，中间极板与手孔盖板之间形成电容C2，C1与C2组成一个电容分压器；测量时，临时拆除电压探头输出端密封罩，测量BNC探头输出座外壳与电极芯之间的电压，即中间极板与手孔盖板之间的电压，根据步骤1)确定过的分压比，通过计算得到高压导体的对地电压。