专利名称：一种vfto的测量方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统过电压保护技术领域，尤其涉及一种VFT0(Very Fast Transient Over-voltage,特快速暂态过电压)的测量方法和系统。
背景技术：
在电力工业中，GIS是指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘金属封闭开关设备”(Gas Insulated Switchgear)简称GIS,它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。GIS的优点在于占地面积小，可靠性高，安全性强，维护工作量很小。GIS隔离开关开合空载短母线时，会产生最高频率可达上百MHz的VFT0，在330kV及以上电压等级的系统中对设备运行造成危害，弓I起短时地电位升高，对邻近的二次设备造成干扰或损坏。VFTO陡度大、频率成分丰富，从工频和准直流分量，到上百MHz。VFTO是一个连续多次击穿过程，总持续时间长达百ms以上，而其中关心的高频击穿过程总持续时间只有ms 级。目前对VFTO测量大多采用电容分压器测量系统，以百MHz高频测量为主，兼顾工频和准直流分量测量。测量系统高采样率单次采样，采样速率达到GS/s，采样时间百ms以上，存储容量百兆以上。测量系统要求频带很宽。电容分压器频带呈现带通特性，为保证高频特性，必须要牺牲一部分低频特性，这会导致低频部分测量波形变形，需要进行复杂的波形还原。高采样率单次采样要求测量系统存储容量很高。因为VFTO过程持续时间很长，高采样率单次采样数据量巨大，但其中关心的高频击穿过程总持续时间并不长，所以很多测量数据没有利用价值，并且，巨大的测量数据量对示波器存储容量、数据传输和处理都带来了很大困难。

发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种特快速暂态过电压VFTO的测量方法，能够将VFTO的高、低频分量分开测量，并将测量结果合成得到全波形的VFT0。一种特快速暂态过电压VFTO的测量方法，包括对所述VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量；对所述VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量；其中，所述VFTO的低频分量中的准直流分量的幅值为GIS隔离开关操作产生VFTO的起始时刻的所述工频分量的幅值；将所述VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO 全波形。根据本发明方法的一个实施例，所述将高频分量和低频分量的测量数据合成得到 VFTO全波形包括从所述工频电压的测量结果中获得击穿时刻，对应击穿点位置，将所述高频分量的测量结果嵌入到所述低频分量的测量结果中，得到所述VFTO全过程的波形。根据本发明方法的一个实施例，所述对所述VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量包括所述VFTO为GIS隔离开关操作产生的特快速暂态过电压，在低采样率条件下进行单次采集数据，完整记录GIS隔离开关分合闸操作全过程的准直流电压和工频电压，通过工频信号单次触发采集数据。根据本发明方法的一个实施例，所述对所述VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量包括在高采样率条件下采集数据，每次触发后采集VFTO中单次击穿过程的高频信号；其中，在GIS隔离开关产生VFTO过程中，隔离开关触头间隙每次击穿都会产生一次高频电流信号，利用此高频电流信号来触发采集高频数据。根据本发明方法的一个实施例，当高频测量点在GIS隔离开关的工频电源侧时， 将所述高频分量的测量结果分别嵌入到工频分量的测量结果对应的击穿点位置，得到电源侧VFTO全过程波形；当高频测量点在GIS隔离开关的短母线源侧时，将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量，其中， 所述准直流分量的电压幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量的电压幅值。本发明的方法将VFTO的高、低频分量分开测量，并将测量结果合成得到全波形的 VFT0,降低了 VFTO测量的难度和对存储结果的存储容量要求，提高了 VFTO测量准确性。本发明要解决的一个技术问题是提供一种特快速暂态过电压VFTO的测量系统， 能够将VFTO的高、低频分量分开测量，并将测量结果合成得到全波形的VFT0。一种特快速暂态过电压VFTO的测量系统，包括高频测量子系统，用于对所述 VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量；低频测量子系统，用于对所述VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量；其中，所述VFTO的低频分量中的准直流分量的幅值为GIS隔离开关操作产生VFTO的起始时刻的所述工频分量的幅值；波形合成装置， 用于将所述VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。根据本发明系统的一个实施例，所述波形合成装置从所述工频电压的测量结果中获得击穿时刻，对应击穿点位置，所述波形合成装置将所述高频分量的测量结果嵌入到所述低频分量的测量结果中，得到所述VFTO全过程的波形。根据本发明系统的一个实施例，所述VFTO为GI S隔离开关操作产生的特快速暂态过电压；所述低频测量子系统在低采样率条件下进行单次采集数据，完整记录GIS隔离开关分合闸操作全过程的准直流电压和工频电压，通过工频信号单次触发采集数据。根据本发明系统的一个实施例，所述高频测量子系统在高采样率条件下采集数据，每次触发后采集VFTO中单次击穿过程的高频信号；其中，在GIS隔离开关产生VFTO过程中，隔离开关触头间隙每次击穿都会产生一次高频电流信号，所述高频测量子系统利用此高频电流信号进行触发采集高频数据。根据本发明系统的一个实施例，当高频测量点在GIS隔离开关的工频电源侧时， 所述波形合成装置将所述高频分量的测量结果分别嵌入到工频分量的测量结果对应击穿点位置，得到电源侧VFTO全过程波形；当高频测量点在GIS隔离开关的短母线源侧时，所述波形合成装置将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量，其中，所述准直流分量的电压幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量的电压幅值。本发明的系统将VFTO的高、低频分量分开测量，并将测量结果合成得到全波形的 VFT0,降低了 VFTO测量的难度和对存储结果的存储容量要求，提高了 VFTO测量准确性。


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一简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为根据本发明的VFTO的测量方法的一个实施例的流程图；图2为根据本发明的VFTO的测量系统的一个实施例的示意图；图3为根据本发明的VFTO的测量系统实施部署的一个实施例的示意4A为根据本发明一个实施例的工频测量结果图；图4B-4D为根据本发明一个实施例的电源侧高频测量结果图；图4E-4G为根据本发明一个实施例的负载侧高频测量结果图；图5A为根据本发明一个实施例的电源侧合成的VFTO结果图；图5B为根据本发明一个实施例的第一次击穿放大图；图5C为根据本发明一个实施例的负载侧合成的VFTO结果图；图为根据本发明一个实施例的第一次击穿放大图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。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做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。下面结合各个图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。图I为根据本发明的VFTO的测量方法的一个实施例的流程图。GIS中隔离开关切合空载短母线时，开关触头间隙会发生多次重复击穿，产生特快速瞬态过电压VFTO。VFTO 为连续多次击穿过程，波形包含瞬态高频、工频和残余电荷电压(准直流)分量，且重复击穿过程持续时间长，因此要揭示VFTO波形特征及其参量，就需要全过程测量，准确记录 VFTO的全过程波形。高频瞬态波在GIS腔体中传播时，由于衰减和折反射，在空间不同位置 VFTO瞬态波形具有较大的差异。如图I所示步骤102，对VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量。步骤103 J^VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量；其中， VFTO的低频分量中的准直流分量的幅值为GIS隔离开关操作产生VFTO的起始时刻的工频分量的幅值。步骤104，将VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。根据本发明的一个实施例，从工频电压的测量结果中获得击穿时刻，对应击穿点位置，将高频分量的测量结果嵌入到低频分量的测量结果中，得到VFTO全过程的波形。根据本发明的一个实施例，VFTO为GIS隔离开关操作产生的特快速暂态过电压， 在低采样率条件下进行单次采集数据，完整记录GIS隔离开关分合闸操作全过程的准直流电压和工频电压，通过工频信号单次触发采集数据。在高采样率条件下采集数据，每次触发后采集VFTO中单次击穿过程的高频信号；其中，在GIS隔离开关产生VFTO过程中，隔离开关触头间隙每次击穿都会产生一次高频电流信号，利用此高频电流信号来触发采集高频数据。根据本发明的一个实施例，当高频测量点在GIS隔离开关的工频电源侧时，将高频分量的测量结果分别嵌入到工频分量的测量结果对应的击穿点位置，得到电源侧VFTO 全过程波形；当高频测量点在GIS隔离开关的短母线源侧时，将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量，其中，准直流分量的电压幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量的电压幅值。本发明将VFTO的高、低频分量分开测量，并将测量结果合成得到全波形的VFT0， 降低了 VFTO测量的难度和对存储结果的存储容量要求，提高了 VFTO测量准确性。图2为根据本发明的VFTO的测量系统的一个实施例的流程图；如图2所示，VFTO 的测量系统2包括高频测量子系统21、低频测量子系统22和波形合成装置23。高频测量子系统21对VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量；低频测量子系统22对VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量；其中，VFTO的低频分量中的准直流分量的幅值为GIS隔离开关操作产生VFTO的起始时刻的工频分量的幅值；波形合成装置23 将VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。根据本发明的一个实施例，波形合成装置23从工频电压的测量结果中获得击穿时刻，对应击穿点位置，波形合成装置23将高频分量的测量结果嵌入到低频分量的测量结果中，得到VFTO全过程的波形。VFTO为GIS隔离开关操作产生的特快速暂态过电压。低频测量子系统22在低采样率条件下进行单次采集数据，完整记录GIS隔离开关分合闸操作全过程的准直流电压和工频电压，通过工频信号单次触发采集数据。高频测量子系统23在高采样率条件下采集数据，每次触发后采集VFTO中单次击穿过程的高频信号；其中，在GIS 隔离开关产生VFTO过程中，隔离开关触头间隙每次击穿都会产生一次高频电流信号，高频测量子系统21利用此高频电流信号进行触发采集高频数据。根据本发明的一个实施例，当高频测量点在GIS隔离开关的工频电源侧时，波形合成装置23将高频分量的测量结果分别嵌入到工频分量的测量结果对应击穿点位置，得到电源侧VFTO全过程波形；当高频测量点在GIS隔离开关的短母线源侧时，波形合成装置 23将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量，其中，准直流分量的电压幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量的电压幅值。图3为根据本发明的VFTO的测量系统实施部署的一个实施例的示意图。如图所示系统中有试验变压器(150KV/15LVA)31、保护电阻32，套管33、电流探头37和GIS开关 36。进行VFTO测量的系统由高频测量子系统和工频测量子系统(低频测量子系统)两部分组成。高频测量子系统包括手孔式传感器38 (图中标识了手孔式传感器38安装的位置)， 高频截止频率很高，能满足VFTO的高频测量要求。手孔式传感器38基于电容分压的原理， 安装在GIS的手孔位置。手孔式传感器38利用传感器内极板和隔离开关导杆构成的高压臂电容C3，利用传感器的内极板和手孔盖板专门制作低压臂电容C4。高频测量子系统要求高分辨率多次采样，所以示波器39应具有多次触发和历史存储功能。工频测量子系统包括常规电容分压器34(图中标识了常规电容分压器34安装的位置)，测量性能要求很低，容易满足。电容分压器34利用耦合电容构成高压臂电容C1，利用集中电容C2构成低压臂电容，经过示波器35探头，就可以构成工频测量回路。工频测量子系统进行低分辨率单次采样，常规示波器35能满足要求。对于高频测量子系统，搭建GIS隔离开关VFTO试验回路时，先对试验回路进行仿真研究，根据仿真结果，初步确定试验回路产生VFTO的幅值和主要频率，据此确定测量系统技术性能和测量设置等。设计和制作高频测量子系统，需要对传感器高压电容模拟仿真， 据此确定传感器的分压比；对传感器手孔位置电场进行仿真，研究手孔结构对GIS内部电场的影响，据此确定合理的手孔尺寸；传感器制作，设计制作低压臂电容，并考虑机械强度和气密性的问题。对测量系统进行温度、湿度特性和绝缘试验；通过低压扫频和方波响应试验确定测量系统的带宽；分别在工频、雷电条件下标定测量系统的工频、雷电分压比。对于工频测量子系统(低频测量子系统)的高压臂采用耦合电容，不需要另行设计，低压臂采用集中电容，需要专门设计，解决电容稳定性和耐压等问题。分压器的分压比 1000，当变压器高压侧电压为150kV时，分压器输出电压为150V，不能直接接示波器。因此， 在分压器的输出端和示波器的输入端之间接一个示波器探头对信号进行进一步的衰减。采用标准工频分压器对该测量系统进行了标定试验。图4A为根据本发明一个实施例的工频测量结果图。将传感器安装到测量点，确定测量系统接线正确，完成调试后开始进行测试试验。工频测量子系统采用单次触发，触发信号就用电压信号本身。图中的横坐标为时间，纵坐标为电压。高频测量子系统采用多次触发，触发信号为试验回路中流过的电流信号。试验开始之前需要调整好工频测量子系统和高频测量子系统的带宽、采样频率、触发延时和记录时间等。图4B-4D为与图4A同一过程的电源侧高频测量结果图。图4E-4G为与图4A同一过程的负载侧高频测量结果图。以整个试验过程3次击穿为例进行说明。工频测量子系统采用IMS/s的低采样率，记录时间 40ms。高频测量子系统采用I. 25GS/s的高采样率，采样时间每次击穿5 μ S，总共15 μ S。采用高频和工频分量分开测量的方法，需要记录5. 88 X IO4个采样点。而如果整个过程都采用1.25GS/S的采样率，则需要记录5Χ107个采样点，几乎是分开测量结果的1000倍。图5Α为根据本发明一个实施例的电源侧合成的VFTO结果图。从工频测量结果得到击穿时刻，如果高频测量点在工频电源侧，将高频测量结果分别嵌入到工频测量结果对应击穿点位置，就可以得到电源侧VFTO全过程波形。如果高频测量点在短母线源侧，将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量，直流分量幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量幅值。由上方法，得到如图5Α 电源侧的VFTO全过程合成的结果图，图5Β为如图5Α电源侧的VFTO全过程合成的结果图中的第一次击穿放大图。图5C为根据本发明一个实施例的负载侧的VFTO全过程合成的结果图，图为如图5C负载侧的VFTO全过程合成的结果图中的第一次击穿放大图。本发明的方法将VFTO的高、低频分量分开测量，并将测量结果合成得到全波形的 VFT0,降低了 VFTO测量的难度和对存储结果的存储容量要求，提高了 VFTO测量准确性。高频分量采用高频测量子系统测量，工频分量采用工频测量子系统(低频测量子系统)测量， 准直流分量为起始时刻工频分量幅值，对测量系统的频带要求大大降低，实现难度降低，测量准确性提高。高频测量子系统采用高分辨率连续多次采样测量，采样总时长约为ms级， 工频测量子系统(低频测量子系统)采用低分辨率单次采样测量，采样总时长按照百ms 级，测量数据量和示波器存储容量大大降低。然后将低频和高频分量的测量数据合成得到VFTO全波形，由于高频和低频分量测量准确，所以波形合成非常简单。可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
权利要求
1.一种特快速暂态过电压VFTO的测量方法，其特征在于，包括对所述VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量；对所述VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量；其中，所述VFTO的低频分量中的准直流分量的幅值为GIS隔离开关操作产生VFTO的起始时刻的所述工频分量的幅值；将所述VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述将所述VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形包括从所述工频分量的测量结果中获得击穿时刻，对应击穿点位置，将所述高频分量的测量结果嵌入到所述低频分量的测量结果中，得到所述VFTO全过程的波形。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量包括 所述VFTO为GIS隔离开关操作产生的特快速暂态过电压；在低采样率条件下进行单次采集数据，完整记录GIS隔离开关分合闸操作全过程的准直流电压和工频电压，通过工频信号单次触发采集数据。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量包括在高采样率条件下采集数据，每次触发后采集VFTO中单次击穿过程的高频信号；其中，在GIS隔离开关产生VFTO过程中，隔离开关触头间隙每次击穿都会产生一次高频电流信号，利用所述高频电流信号触发采集高频数据。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括当高频测量点在GIS隔离开关的工频电源侧时，将所述高频分量的测量结果分别嵌入到所述工频分量的测量结果对应的击穿点位置，得到电源侧VFTO全过程波形；当高频测量点在GIS隔离开关的短母线源侧时，将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量；其中，所述准直流分量的电压幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量的电压幅值。
6.一种特快速暂态过电压VFTO的测量系统，包括高频测量子系统，用于对所述VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量；低频测量子系统，用于对所述VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量；其中，所述VFTO的低频分量中的准直流分量的幅值为GIS隔离开关操作产生VFTO的起始时刻的所述工频分量的幅值；波形合成装置，用于将所述VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述波形合成装置从所述工频电压的测量结果中获得击穿时刻，对应击穿点位置，所述波形合成装置将所述高频分量的测量结果嵌入到所述低频分量的测量结果中，得到所述 VFTO全过程的波形。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述VFTO为GIS隔离开关操作产生的特快速暂态过电压；所述低频测量子系统在低采样率条件下进行单次采集数据，完整记录GIS隔离开关分合闸操作全过程的准直流电压和工频电压，通过工频信号单次触发采集数据。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述高频测量子系统在高采样率条件下采集数据，每次触发后采集VFTO中单次击穿过程的高频信号；其中，在GIS隔离开关产生VFTO过程中，隔离开关触头间隙每次击穿都会产生一次高频电流信号，所述高频测量子系统利用所述高频电流信号进行触发采集高频数据。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于当高频测量点在GIS隔离开关的工频电源侧时，所述波形合成装置将所述高频分量的测量结果分别嵌入到工频分量的测量结果对应击穿点位置，得到电源侧VFTO全过程波形； 当高频测量点在GIS隔离开关的短母线源侧时，所述波形合成装置将电源侧VFTO全过程波形中的工频分量替换成准直流分量，将两次击穿间的工频波形替换成准直流分量，其中，所述准直流分量的电压幅值等于前次击穿结束时刻的工频分量的电压幅值。
全文摘要
本发明公开了一种VFTO的测量方法和系统，涉及电力系统过电压保护技术领域，对VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量，对VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量，将VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。本发明公开的VFTO的测量方法和系统，将VFTO的高、低频分量分开测量，将测量结果合成得到全波形的VFTO，降低了VFTO测量的难度和存储测量结果的存储容量要求，提高了VFTO测量的准确性。
文档编号G01R19/00GK102608388SQ201210064208
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者刘北阳, 李志兵, 李成榕, 欧阳卓, 段韶峰, 王浩, 詹花茂, 赵承楠, 郑记玲, 陈海波, 陈维江, 颜湘莲 申请人:中国电力科学研究院, 华北电力大学, 国家电网公司