一种适用于测量断口击穿电压的方法及系统与流程

1.本发明涉及暂态过电压测量技术领域，并且更具体地，涉及一种适用于测量断口击穿电压的方法及系统。


背景技术：

2.sf6气体绝缘变电站隔离开关动作引起的特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage，vfto)可能造成gis(gas insulated switchgear,gis)设备、电力变压器以及保护控制等设备的故障，已经引起了电力运行部门、设备制造商和科研学者等的高度关注。近年来，随着越来越多的就地化智能设备推广应用在智能变电站，由vfto引起的电磁干扰问题尤其突出。
3.对复杂的gis现场环境而言，试验研究是直接分析vfto引起的电磁干扰问题的一种非常重要的手段，而准确的测量方法及仪器设备是试验研究的先觉条件。目前，现有vfto测量方法主要有电容分压传感器、套管末屏法和电场探头法3种。其中，电容分压传感器包括手孔式和预埋环2种，均需在gis设备上安装专门的传感器，常用于实验室试验研究，测量精度高；套管末屏法本质上也属于电容分压原理，常用于gis现场测量，但存在测量精度不高，难以标定、不便于移动等问题，且构造的传感器只能测量该回路的vfto等相关参数，不利于推广应用至其它回路；电场探头法通过测量瞬态电场来反演计算vfto，该传感器理论上可以实现从直流到ghz频率的信号测量，但存在系统稳定性和现场标定等问题，暂时还不能较好的在工程实际中应用。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出了一种适用于测量断口击穿电压的方法，包括：
5.通过移动式电容分压器，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的击穿电压的稳态和暂态电压波形；
6.确定稳态和暂态电压波形的初始相位及每次击穿下的绝对时刻；
7.根据初始相位及每次击穿下的绝对时刻，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压。
8.可选的，移动式电容分压器，包括：e极板、f极板、0型导电橡胶、绝缘薄膜和精密仪器；
9.所述e板极为圆柱屏蔽箱体，内部中空，在强暂态电磁环境下仍可保证其内部具有良好的电磁环境，用于放置精密仪器，连接f极板处下凹放置f极板，所述下凹向外延伸，放置0型导电橡胶；
10.所述f极板与e极板间放置绝缘薄膜；
11.所述精密仪器用于捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形。
12.可选的，圆柱屏蔽箱体的棱角处进行了圆弧光滑过渡处理。
13.可选的，通过移动式电容分压器，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形，具体为：
14.将移动式电容分压器放置在gis变电站待测试验回路架空线处下方，e板极与就近接地点进行可靠连接，f极板与架空线形成电容c5，e极板与f极板形成电容c6，c5与c6组成一个电容分压器，其中c6》》c5，所述电容分压器通过精密仪器捕捉开关操作过程中架空线处的击穿电压稳态和暂态电压波形。
15.可选的，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压的计算公式如下：
[0016][0017]
其中，u
gn
为第n次的断口击穿电压，a0为电源电压幅值，w为工频角频率，t为每次击穿下的绝对时刻，n为击穿次数，为电源初始相位。
[0018]
本发明还提出了一种适用于测量断口击穿电压的系统，包括：
[0019]
采集单元，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的击穿电压的稳态和暂态电压波形；所述采集单元通过移动式电容分压器捕捉稳态和暂态电压波形；
[0020]
第一计算单元，确定稳态和暂态电压波形的初始相位及每次击穿下的绝对时刻；
[0021]
第二计算单元，根据初始相位及每次击穿下的绝对时刻，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压。
[0022]
可选的，移动式电容分压器，包括：e极板、f极板、0型导电橡胶、绝缘薄膜和精密仪器；
[0023]
所述e板极为圆柱屏蔽箱体，内部中空，在强暂态电磁环境下仍可保证其内部具有良好的电磁环境，用于放置精密仪器，连接f极板处下凹放置f极板，所述下凹向外延伸，放置0型导电橡胶；
[0024]
所述f极板与e极板间放置绝缘薄膜；
[0025]
所述精密仪器用于捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形。
[0026]
可选的，圆柱屏蔽箱体的棱角处进行了圆弧光滑过渡处理。
[0027]
可选的，通过移动式电容分压器，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形，具体为：
[0028]
将移动式电容分压器放置在gis变电站待测试验回路架空线处下方，e板极与就近接地点进行可靠连接，f极板与架空线形成电容c5，e极板与f极板形成电容c6，c5与c6组成一个电容分压器，其中c6》》c5，所述电容分压器通过精密仪器捕捉开关操作过程中架空线处的击穿电压稳态和暂态电压波形。
[0029]
可选的，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压的计算公式如下：
[0030][0031]
其中，u
gn
为第n次的断口击穿电压，a0为电源电压幅值，w为工频角频率，t为每次击穿下的绝对时刻，n为击穿次数，为电源初始相位。
[0032]
本发明可较为方便的移动至不同待测回路电源侧架空线下方，且未对gis试验回路产生额外的设备接入，扩展了断口击穿电压测量方法在gis变电站现场应用的可行性，具有较好的普适性及应用前景。
附图说明
[0033]
图1为本发明方法的流程图；
[0034]
图2为本发明方法中移动式电容分压器的结构图；
[0035]
图3为本发明方法实测波形图；
[0036]
图4为本发明方法中gis中隔离开关的电气接线图；
[0037]
图5为本发明方法中相邻击穿时间轴上位置关系示意图；
[0038]
图6为本发明系统的结构图。
具体实施方式
[0039]
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0040]
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0041]
本发明提出了一种适用于测量断口击穿电压的方法，如图1所示，包括：
[0042]
通过移动式电容分压器，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的击穿电压的稳态和暂态电压波形；
[0043]
确定稳态和暂态电压波形的初始相位及每次击穿下的绝对时刻；
[0044]
根据初始相位及每次击穿下的绝对时刻，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压。
[0045]
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：
[0046]
可移动式电容分压器，其结构原理，如图2所示。
[0047]
其中，f极板为圆形平板且装配好的电压探头放置于f极板的背面，e极板为屏蔽箱体。
[0048]
其中，屏蔽箱为全屏蔽圆柱体，内部为空腔，用于放置前置机内各种模块的低电压电子装置，即精密设备，在复杂的电磁环境中，为保证各电子产品的可靠性与稳定性，其关键在于屏蔽箱体的抗强电磁屏蔽性能。由于f极板与e极板将构成电容分压器的低压臂电容，其与屏蔽机箱难以形成一个完整的金属屏蔽体，因此，为保证整个可移动式电容分压器装置的屏蔽效能，f极板与e极板连接处的缝隙处理尤为关键。本发明要做了如下处理：
[0049]
(1)在f极板与屏蔽机箱连接处设计下凹并延伸，以增加泄漏电磁波进入的路径，降低进入屏蔽罐内电磁波的强度；
[0050]
(2)在电压探头与罐体屏蔽结合面，加工了一个“o”凹槽并放置一个“o”型导电橡
胶；
[0051]
(3)对整个屏蔽箱体棱角处都进行了圆弧光滑过渡处理，以防止电晕产生。
[0052]
gis变电站现场试验测量时，将屏蔽机箱移动至待测试验回路电源侧架空线下方，屏蔽箱外壳与就近接地点可靠连接，屏蔽机箱f极板与架空线形成电容c5，e、f极板形成电容c6，c5与c6组成一个电容分压器，其中c6》》c5。示波器、光电转换元器件、锂电池等易受强电磁干扰的精密设备放入屏蔽机箱内部即可在强暂态环境下捕捉开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形。
[0053]
实测波形如图3所示。左侧矩形部分为第一次暂态电压波形触发前时间段，该波形为稳态正弦电压波形，实测数据在matlab中应用cftool工具可拟合获得方程y＝1.641sin(0.3139x 1.255)，即可确定该次测量波形的初始相位为1.255rad；右侧矩形部分包含多次暂态电压波形，分解出单个微脉冲暂态电压波形后，以微脉冲暂态电压波形极值时刻近似代表每次击穿下的绝对时刻tn。
[0054]
下面介绍断口击穿电压获取方式的原理分析；
[0055]
在gis变电站中，倒闸操作时断路器至隔离开关段短母线处于悬空状态。因此，隔离开关操作的实质是对隔离开关至断路器之间的短母线进行分合闸操作，其接线方式如图4所示。
[0056]
(1)电源侧电压
[0057]
电源侧工频电源us为
[0058][0059]
式中：a0表示电源电压幅值，w表示工频角频率，t表示时间，表示电源初始相位。
[0060]
(2)负载侧电压
[0061]
在开断状态下，负载侧短母线的悬浮电位电压包含两个分量：一、隔离开关动静触头分离时负载侧短母线保留的残留电荷电压分量uq；二、工频感应电压分量uc，其由ds3断口电容c3和空载短母线对地电容c4分压决定。
[0062]
从而短母线残余电压u
l
可表示为
[0063]ul
＝uq ucꢀꢀꢀ
(4-6)
[0064]
需要补充说明的是，在隔离开关操作过程中，断口间隙会发生多次击穿，每次击穿均会产生电弧，并伴随形成一次高频暂态振荡过程。当电弧熄灭后，高频暂态过程结束，断口两端等电位，此时负载侧短母线处于悬浮电位，其残留电荷电压大小等于熄弧瞬间电源侧工频电源电压值。由于gis内绝缘子或短母线泄漏电阻大，短母线残余电荷衰减较慢，通常至少需要数小时[104]，因此在开关操作过程中可将残余电荷电压视为直流分量。另外，由于空载短母线的对地电容值c4要远远大于隔离开关断口电容c3，从而短母线c4上感应电压uc的瞬时值很小，一般可忽略不计。
[0065]
从而公式(4-6)可简化为
[0066]ul
≈uqꢀꢀꢀ
(4-7)
[0067]
ds3动作过程中第n次和第n 1次击穿高频暂态在时间轴上位置关系如图5所示，图5中有三个时间概念：击穿时刻σn和σ
n 1
，高频暂态持续时间τn和τ
n 1
，相邻击穿时间间隔tn。高频暂态持续时间为微秒级，而相邻击穿时间间隔一般为毫秒级，因此相邻两次击穿之间并无重叠。但第n次击穿短母线残留电荷电压决定了第n 1次击穿的负载侧短母线残留电荷
电压的大小，第n次击穿短母线残留电荷电压u
qn
可由式(4-8)求得。
[0068][0069]
由于高频暂态持续时间τn一般为微秒级，远小于工频电源电压周期时间，即τn＝20ms，因此式(4-8)的值可用σn≤tn≤σn τn时间段中的任一时刻的工频电压值近似表示。
[0070][0071]
(3)断口击穿电压
[0072]
隔离开关ds3触头间隙击穿电压为动、静触头间电压之差，即为工频电源电压us与短母线残余电压u
l
之差，击穿电压ug可表示为
[0073]
ug＝u
s-u
l
ꢀꢀꢀ
(4-10)
[0074]
将式(4-5)、(4-6)、(4-7)和(4-9)依次代入式(4-10)中，整理可得第n次击穿电压为:
[0075][0076]
从式(4-11)可以看出，只要获取隔离开关操作过程中每次击穿下的绝对时刻tn和初始相位即可计算击穿电压。
[0077]
本发明还提出了一种适用于测量断口击穿电压的系统200，如图6所示，包括：
[0078]
采集单元201，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的击穿电压的稳态和暂态电压波形；所述采集单元通过移动式电容分压器捕捉稳态和暂态电压波形；
[0079]
第一计算单元202，确定稳态和暂态电压波形的初始相位及每次击穿下的绝对时刻；
[0080]
第二计算单元203，根据初始相位及每次击穿下的绝对时刻，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压。
[0081]
其中，移动式电容分压器，包括：e极板、f极板、0型导电橡胶、绝缘薄膜和精密仪器；
[0082]
所述e极板为圆柱屏蔽箱体，内部中空，在强暂态电磁环境下仍可保证其内部具有良好的电磁环境，用于放置精密仪器，连接f极板处下凹放置f极板，所述下凹向外延伸，放置0型导电橡胶；
[0083]
所述f极板与e极板间放置绝缘薄膜；
[0084]
所述精密仪器用于捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形。
[0085]
其中，圆柱屏蔽箱体的棱角处进行了圆弧光滑过渡处理。
[0086]
其中，通过移动式电容分压器，捕捉gis变电站待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的稳态和暂态电压波形，具体为：
[0087]
将移动式电容分压器放置在gis变电站待测试验回路架空线处下方，e板极与就近接地点进行可靠连接，f极板与架空线形成电容c5，e极板与f极板形成电容c6，c5与c6组成一个电容分压器，其中c6》》c5，所述电容分压器通过精密仪器捕捉开关操作过程中架空线处的击穿电压稳态和暂态电压波形。
[0088]
其中，确定待测试验回路的电源开关操作过程中架空线处的断口击穿电压的计算
公式如下：
[0089][0090]
其中，u
gn
为第n次的断口击穿电压，a0为电源电压幅值，w为工频角频率，t为每次击穿下的绝对时刻，n为击穿次数，为电源初始相位。
[0091]
本发明可较为方便的移动至不同待测回路电源侧架空线下方，且未对gis试验回路产生额外的设备接入，扩展了断口击穿电压测量方法在gis变电站现场应用的可行性，具有较好的普适性及应用前景。
[0092]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0093]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0094]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0095]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0096]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0097]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。