專利名稱：一種vfto測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及VFTO測量領(lǐng)域，特別是涉及一種VFTO測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在GIS(Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣變電站)中，對于隔離開關(guān)、接地開 關(guān)和斷路器的操作而引起的快速暫態(tài)過程(Very Fast Transient)將會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生若 干不良影響，尤其是隔離開關(guān)切合空載母線時，因其操作的概率和頻數(shù)比較大，操作周期比 較長，不可避免地造成VFTO (Very FastTransient Voltage,快速暫態(tài)過電壓)現(xiàn)象。GIS內(nèi) VFTO的等值頻率范圍為幾百kHZ(千赫)到近百MHZ(兆赫)，VFTO的上升時間可短至4 7ns (納秒)，幅值最高可達GIS內(nèi)部原來電壓的2. 7倍。但是對于GIS而言，過高的VFTO 不僅會導(dǎo)致電力系統(tǒng)內(nèi)部的隔離開關(guān)、間隙、支撐件發(fā)生閃絡(luò)，還會危及外部設(shè)備，給電力 系統(tǒng)造成巨大損失，嚴重影響著電力安全。因此準確測量VFTO成為研究和消除其危害的前 提。 現(xiàn)有技術(shù)中，有三種VFTO測量方法預(yù)埋電極法、微積分法以及套管末屏法。通 過對現(xiàn)有技術(shù)的研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，GIS內(nèi)VFTO的等值頻率范圍為幾百kHZ(千赫)到近百 MHZ(兆赫)，而以上三種方法都只適用于某一頻率段的VFTO測量，因此在實際應(yīng)用中都有 不同程度的局限性，無法滿足當(dāng)前的測量需要。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供一種VFTO測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)測量頻帶范
圍更大的VFTO，使得該系統(tǒng)可以更為普遍的適用，滿足當(dāng)前測量需要，技術(shù)方案如下 —種VFTO測量系統(tǒng)，包括電壓傳感裝置、傳輸裝置和測量裝置； 所述電壓傳感裝置通過空間電場耦合分別與待測負載和手窗蓋板形成電容分壓
的高壓臂和低壓臂，感應(yīng)待測負載的電壓； 所述傳輸裝置連接于所述電壓傳感裝置和測量裝置之間，用于將所述電壓傳感裝 置低壓臂上所感應(yīng)的電壓傳輸至所述測量裝置； 其中，所述電壓傳感裝置包括GIS殼體手窗、耦合電極、介質(zhì)薄膜、導(dǎo)出線、匹配 電阻、輸出接口和手窗蓋板； 耦合電極位于GIS殼體手窗內(nèi)部，耦合電極第一側(cè)面面向GIS手窗內(nèi)的導(dǎo)電桿，與 導(dǎo)電桿構(gòu)成高壓臂，耦合電極第二側(cè)面面向GIS手窗開口，與手窗蓋板構(gòu)成低壓臂；
介質(zhì)薄膜緊貼于耦合電極的第二側(cè)面； 手窗蓋板固定于GIS殼體手窗，且在GIS手窗法蘭上的深度可調(diào)，所述手窗蓋板中 間有導(dǎo)出孔； 導(dǎo)出線中間連接有匹配電阻，一端穿過介質(zhì)薄膜連接耦合電極，另一端通過手窗 蓋板上的導(dǎo)出孔，連接到電壓傳感裝置的輸出接口 。
優(yōu)選的，所述電壓傳感裝置還包括密封介質(zhì)板、第一密封墊圈和第二密封墊圈；
4
所述手窗蓋板由第一手窗蓋板和第二手窗蓋板組成，其中，第二手窗蓋板嵌于第 一手窗蓋板中，所述導(dǎo)出孔位于第二手窗蓋板上； 密封介質(zhì)板蓋于所述第二手窗蓋板的導(dǎo)出孔上，所述第一密封墊圈位于第一手窗 蓋板和GIS殼體手窗之間，所述第二密封墊圈位于第一手窗蓋板和密封介質(zhì)板之間。
優(yōu)選的，所述耦合電極的形狀為圓形或橢圓形；所述耦合電極的厚度小于30rnm。
所述耦合電極面上任意兩點之間的最大距離m滿足m<< A 。，其中A 。是測量頻 帶的期望上限對應(yīng)的波長。 所述耦合電極與GIS手窗腔體中軸線的距離大于GIS外殼的內(nèi)半徑。
所述導(dǎo)出線連接在耦合電極上的位置滿足 當(dāng)d滿足d << A 。時，導(dǎo)出線連接在耦合電極上的位置在電極中心；
當(dāng)d不滿足d << A 。時，導(dǎo)出線連接在耦合電極上的位置滿足 1 J"。 ) M/" = O和''=T ; 其中，d是圓形電極的半徑或橢圓形電極的長軸長度，R是電極的半徑，r為引出線
位置與電極中心的距離，J。0是O階貝塞爾函數(shù)，a是O階貝塞爾函數(shù)第l個正零值點。 所述的介質(zhì)薄膜電阻率，不小于10—15Q. cm ; 所述介質(zhì)薄膜的厚度范圍在10 ii m 100 ii m之間； 所述介質(zhì)薄膜在高頻和低頻下的介電常數(shù)值相同或相似，且沒有色散。
所述傳輸裝置為傳輸電纜；所述的傳輸電纜長度1滿足1C,<< C2 ; 其中，C纜為電纜的單位長穩(wěn)態(tài)電容，C2為低壓臂電容。 所述電纜的規(guī)格為國標50歐或國標75歐。 所述測量裝置為示波器。 本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案中，在GIS手窗內(nèi)部設(shè)置了一個耦合電極，通過空間電場 耦合，分別形成了電容分壓的高壓臂電容和低壓臂電容，根據(jù)電容分壓原理，可以通過耦合 電極上感應(yīng)到的電壓計算出待測負載的電壓，并通過對耦合電極形狀、面積、與導(dǎo)電桿距離 的調(diào)整、對介質(zhì)薄膜材質(zhì)、厚度的調(diào)整以及對導(dǎo)出線位置的調(diào)整，擴展測量頻帶帶寬，滿足 當(dāng)前測量需要。


為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。 圖1為本發(fā)明實施例VFTO測量系統(tǒng)的電路示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例在理想情況下實現(xiàn)VFTO測量的電路示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例VFTO測量系統(tǒng)中電壓傳感裝置的示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例VFTO測量系統(tǒng)中電壓傳感裝置的另一種示意圖；
圖5為本發(fā)明實施例實現(xiàn)電壓傳感裝置設(shè)置方法的流程示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例提供一種VFT0測量系統(tǒng)，能夠在更寬的頻帶帶寬下測量VFT0的值。
圖1為VFTO測量系統(tǒng)的電路圖，包括電壓傳感裝置IIO，傳輸裝置120以及測量 裝置130。 其中，傳輸裝置120—端連接電壓傳感裝置110，另一端連接測量裝置130?？梢岳?解的是，在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)的電壓傳感裝置iio不需要與待測負載直接相連，而是通過 空間電場耦合感應(yīng)到待測負載的電壓?；陔娙莘謮涸恚妷簜鞲醒b置IIO中的GIS手 窗內(nèi)，設(shè)置了一個耦合電極，該耦合電極通過空間電場與GIS內(nèi)導(dǎo)電桿構(gòu)成一個分布電容， 該電容相當(dāng)于電容分壓器的高壓臂電容Q ;耦合電極經(jīng)過介質(zhì)薄膜實現(xiàn)與GIS手窗蓋板的 絕緣，構(gòu)成一個電容，該電容相當(dāng)于電容分壓器的低壓臂電容(:2。當(dāng)GIS內(nèi)導(dǎo)電桿上的電壓 為^時，根據(jù)電容分壓原理，耦合電極上會感應(yīng)到一個與仏成特定關(guān)系的電壓仏。通過輸 出接口，將耦合電極上的電壓仏從GIS內(nèi)部傳送到GIS外部，通過傳輸裝置120，送到測量 裝置130上，并由匹配電阻RT實現(xiàn)電壓傳感裝置110以及傳輸裝置120之間頻率的匹配。
如圖1所示，由于高低壓臂電容不可避免的會引入雜散電感和L2，因此，根據(jù)串 聯(lián)電路阻抗分壓原理，仏和U2的關(guān)系如下式所示
. /(^^^+ /o ，
& =_X -__ (i_w2ac2) c, ")
W_ /(丄+風(fēng)+丄+ ,o = c, +c2 — ^c黒"2) 其中，I是電容分壓回路上流經(jīng)Q和C2的電流，"是角頻率。
頻率f和角頻率"的關(guān)系如下式
co = 2 Ji f 由式(1)可知，只有當(dāng)1 >> "2L2C2且>> "^ (LA)時，即w《.
-時，有
cl ( 2 ) 此時^是與"無關(guān)的量。 由上述式(1)和式(2)可知，系統(tǒng)的分壓比與角頻率有關(guān)，幅頻特性也不是直線， 高頻輸出會有零點和極點，零點和極點的角頻率值直接影響測量帶寬。零點和極點的角頻 率和頻率值如下式所示零點& = 、|~r ,/ =丄、|^^ (3)
Y Z， C 2 2 7t Y丄2 C
6
極
占
c, +c;
i
1
(4)
其中，根據(jù)實際應(yīng)用情況，式(4)中高壓臂電容Q遠小于低壓臂電容CJ即高壓臂 阻抗遠大于低壓臂阻抗)。 由上式(3)和(4)可知，測量頻率的零點和極點不僅和高壓臂電容以及低壓臂電 容的大小有關(guān)，還和高低壓臂產(chǎn)生的雜散電感b和L2有關(guān)系，當(dāng)高壓臂電容和低壓臂電容 一定的情況下，雜散電感越小，對測量頻率的影響越小，能夠測量的頻帶帶寬也越大；而在 降低雜散電感影響的情況下，調(diào)整高壓臂和低壓臂的電容，也能夠擴展測量的頻帶帶寬。
下面分析不考慮雜散電感和L2的理想情況，此時系統(tǒng)電路示意圖如圖2所示， 根據(jù)串聯(lián)電路阻抗分壓原理，仏和U2的關(guān)系如下式所示
. /丄 丄
仏
一 :
"Ml"
>c2
1
1
C
c,+c，
(5) 由上式(5)可以看出，不考慮雜散電感1^和1^的理想情況下，系統(tǒng)的幅頻特性是
一條與角頻率無關(guān)的直線，此時，分壓比只和高壓臂電容以及低壓臂電容的大小有關(guān)，只要
確定了高壓臂以及低壓臂電容，即確定了分壓比。此時測量的頻帶帶寬沒有限制。 傳輸裝置120為傳輸電纜，用于連接傳感裝置110與檢測裝置130。 其中，傳輸電纜的長度和波阻抗的選擇對所傳輸信號的暫態(tài)特性測量和高頻特性
都有影響。 檢測裝置130可以為示波器，其中，R為示波器的入口電阻，Cp為示波器的入口電 容。假設(shè)Uin為測量系統(tǒng)的待測電壓值，U。ut為示波器實際檢測到的電壓值。根據(jù)-3dB帶 寬定義和電壓傳感裝置低頻分壓關(guān)系得等式 _ X — 1
7
y.wq + >C2 +丄 求解得到低頻截止角頻率為
1
1
i (C,+C》2即低頻截止頻率為y;
1
1
(6) 由上式(6)可以得到，測量系統(tǒng)的低頻頻率測量范圍受到示波器入口電阻和低壓 臂電容C2的影響，而入口電阻是示波器的固有參數(shù)， 一般無法改變，因此可以通過增大低壓 臂電容C2，來降低低頻截止頻率的值，從而實現(xiàn)測量帶寬的增加。 從上述描述中可以得出，在實際中，本發(fā)明所提供的VFTO測量系統(tǒng)本身能夠測量 的頻帶帶寬很大，由于有雜散電感的影響，因此要通過一系列對電壓傳感裝置110，傳輸裝 置120以及測量裝置130的優(yōu)化來進一步擴展頻帶帶寬，使之能夠滿足測量的要求。
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合具體實施方式
對本
發(fā)明作進一步的詳細說明。
實施例一 本發(fā)明所提供的VFTO測量系統(tǒng)中電壓傳感裝置如圖3所示，包括GIS殼體手窗 1、耦合電極2、介質(zhì)薄膜3、導(dǎo)出線4、匹配電阻5、輸出接口 6和手窗蓋板7。
其中，耦合電極2位于GIS殼體手窗1內(nèi)部，耦合電極2第一側(cè)面面向GIS手窗內(nèi) 的導(dǎo)電桿，耦合電極2第二側(cè)面面向GIS手窗開口 (即面向手窗蓋板7的方向)；
介質(zhì)薄膜3緊貼于耦合電極2的第二側(cè)面； 手窗蓋板7固定于GIS殼體手窗l(fā)，且在GIS手窗法蘭上的深度可調(diào)，所述手窗蓋 板7中間有導(dǎo)出孔； 導(dǎo)出線4中間連接有匹配電阻5，所述導(dǎo)出線的一端穿過介質(zhì)薄膜3連接耦合電極
2，另一端通過手窗蓋板7上的導(dǎo)出孔，連接到電壓傳感裝置的輸出接口 6。 所述的匹配電阻5用于抑制高頻振蕩，實現(xiàn)電壓傳感裝置110與傳輸裝置120的
頻率匹配。
實施例二 本發(fā)明所提供的VFT0測量系統(tǒng)中另一種電壓傳感裝置如圖4所示，包括GIS殼 體手窗l(fā)、耦合電極2、介質(zhì)薄膜3、導(dǎo)出線4、匹配電阻5、輸出接口6、第一手窗蓋板7a、第二 手窗蓋板7b、第一密封墊圈8a、第二密封墊圈8b以及密封介質(zhì)板9。 在本實施例中，所述手窗蓋板由第一手窗蓋板7a和第二手窗蓋板7b組成，其中， 第一手窗蓋板7a與GIS殼體手窗1固定，第二手窗蓋板7b嵌于第一手窗蓋板7a中，且導(dǎo) 出孔位于第二手窗蓋板7b上； 密封介質(zhì)板9蓋于所述第二手窗蓋板7b的導(dǎo)出孔上，所述第一密封墊圈8a位于 第一手窗蓋板7a和GIS殼體手窗1之間，所述第二密封墊圈8b位于第一手窗蓋板7a和密 封介質(zhì)板9之間。 耦合電極2位于第二手窗蓋板7b和密封介質(zhì)板9之間，耦合電極2的第一側(cè)面面 向GIS殼體手窗1內(nèi)的導(dǎo)電桿，耦合電極2的第二側(cè)面面向GIS殼體手窗1開口方向；
介質(zhì)薄膜3緊貼于耦合電極2的第二側(cè)面； 導(dǎo)出線4中間連接有匹配電阻5，所述導(dǎo)出線4的一端通過介質(zhì)薄膜3連接耦合電 極2，另一端通過導(dǎo)出孔，連接到電壓傳感裝置的輸出接口 6。 由于GIS運行時管道內(nèi)需要充有一定壓力的六氟化硫(SF6)氣體，并且需要保證 GlS管道的氣密性，所以上述裝置中相較實施例一所述的裝置，增加了第一密封墊圈8a、第 二密封墊圈8b以及密封介質(zhì)板9，以保證GIS管道的氣密性，第二手窗蓋板7b則是保證了 在不影響GIS運行的情況下，即在GIS管道內(nèi)氣壓不變的情況下，方便地安裝與拆除VFT0 測量系統(tǒng)。 上述兩個實施例中，耦合電極2、介質(zhì)薄膜3、導(dǎo)出線4均可調(diào)，其中，通過對所述耦 合電極的面積、與導(dǎo)電桿距離的調(diào)整以及對介質(zhì)薄膜材質(zhì)、厚度的調(diào)整，可以增加測量頻帶 的帶寬；通過對所述耦合電極形狀的調(diào)整可以降低雜散電感的影響從而提高測量頻帶的帶 寬；對導(dǎo)出線位置的調(diào)整可以避免因?qū)︸詈想姌O以及介質(zhì)薄膜的調(diào)整引起的鼓面諧振對測 量頻帶帶寬帶來的影響；通過上述調(diào)整，實現(xiàn)增加測量頻帶的帶寬，以滿足測量的需要。
實施例三 應(yīng)用上述提供的VFTO測量系統(tǒng)，分別對電壓傳感裝置、傳輸裝置以及測量裝置進 行設(shè)置。 需要說明的是，對于電壓傳感裝置、傳輸裝置以及測量裝置的設(shè)置都是根據(jù)實際 情況來進行的，下述調(diào)整只是給出了調(diào)整的一部分優(yōu)選實施例，并不對本發(fā)明的保護范圍 造成限定。
1)對電壓傳感裝置進行設(shè)置包括 通過對所述耦合電極的面積、與導(dǎo)電桿的距離以及介質(zhì)薄膜厚度、材質(zhì)的調(diào)整，增 加測量頻帶的帶寬 調(diào)整耦合電極與導(dǎo)電桿的距離 根據(jù)上述的式(4)極點頻率的計算式可知，高壓臂電容越小越有利于頻率的提
高，由于耦合電極與導(dǎo)電桿之間的距離越小，高壓臂電容越大，因此結(jié)合待測負載所在的
GIS手窗的拔口深度，以不影響GIS安全運行為原則，確定耦合電極與導(dǎo)電桿之間的距離，
耦合電極到導(dǎo)電桿之間的距離應(yīng)適當(dāng)大，以減小高壓臂電容。 一般來說，電極與GIS腔體中
軸線的距離大于GIS外殼的內(nèi)半徑；當(dāng)該距離大于GIS手窗蓋板到腔體中軸線的距離，可以
設(shè)計特殊的手窗蓋板，等效地加長手窗拔口深度。 調(diào)整耦合電極的面積 耦合電極的面積越大，高壓臂電容和低壓臂電容越大，因此根據(jù)高壓臂電容和低 壓臂電容的要求，調(diào)整電極的面積。優(yōu)選情況下，電極面上任意兩點之間的最大距離m應(yīng)滿 足!11<< A。，其中、是測量頻帶的期望上限對應(yīng)的波長；同時，在既定最大距離的m下， 需要較大的電極面積，因此電極的形狀以圓形或橢圓形為宜，此時圓形電極的直徑或橢圓 形電極的長軸長度d(相當(dāng)于電極面上任意兩點之間的最大距離m)應(yīng)滿足(1<< A。。 一 般情況下，d不大于30厘米。
調(diào)整介質(zhì)薄膜的厚度 介質(zhì)薄膜的厚度影響低壓臂電容的值和系統(tǒng)的分壓比，當(dāng)薄膜厚度增大時會使
得低壓臂電容增加，根據(jù)測量系統(tǒng)對低壓臂電容的要求，調(diào)整介質(zhì)薄膜的厚度，一般在
10um 100um之間； 選擇介質(zhì)薄膜的材質(zhì) 選擇介質(zhì)薄膜要考慮介質(zhì)材料的介電常數(shù)值、電阻率和頻率特性， 介電常數(shù)值主要影響的是低壓臂的電容值，因此在確定了低壓臂電容后，要通過
調(diào)整薄膜的選材使得低壓臂電容達到所確定的值； 此外，介質(zhì)材料應(yīng)具有較高的電阻率，一般應(yīng)不小于10—15Q. cm ; 介質(zhì)薄膜還應(yīng)具有良好的頻率特性，即高頻和低頻的情況下均有相同或相似的介
電常數(shù)，且不能有色散，否則會使得低壓臂電容在不同頻率下有顯著變化，進而導(dǎo)致分壓比
在不同頻率上產(chǎn)生波動，最終影響測量帶寬。 根據(jù)上述需求，在實際應(yīng)用中，可以選取括聚酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙 烯等作為介質(zhì)薄膜的材質(zhì)。 通過對所述耦合電極厚度的調(diào)整，降低雜散電感的影響從而提高測量頻帶的帶 寬
9
耦合電極一般由導(dǎo)電性能良好的金屬制成，耦合電極要和導(dǎo)電桿構(gòu)成高壓臂電
容，又要和手窗蓋板構(gòu)成低壓臂電容，在高低壓臂電容的軸向上，當(dāng)耦合電極的尺度過大 時，即耦合電極的厚度過大時，相當(dāng)于在電容之間串聯(lián)了一個電感，因此要盡量減小耦合電 極的厚度，以金屬箔或薄金屬板為宜，此時高壓臂和低壓臂電容之間的等效電感較小，考慮
實際情況，耦合電極的厚度應(yīng)該小于30毫米。 另外，由于上述對耦合電極與介質(zhì)薄膜的各項調(diào)整，可能會產(chǎn)生鼓面諧振從而影 響測量頻帶的帶寬，因此，需要通過對導(dǎo)出線在耦合電極上位置的調(diào)整來避免鼓面諧振帶 來的影響，當(dāng)電極的的形狀為圓形或橢圓形，且直徑(或橢圓形的長軸)d滿足d <<入。 時，導(dǎo)出線在耦合電極上的位置在電極中心，當(dāng)d不滿足d << A 。時，引出線在電極上的
位置由下式確定
<formula>formula see original document page 10</formula>
<formula>formula see original document page 10</formula> 其中，R是電極的半徑，r為引出線位置距離電極中心的距離，J。()是O階貝塞爾 函數(shù)，a是O階貝塞爾函數(shù)第l個正零值點。例如當(dāng)測量頻帶到GHz，電極的直徑為20cm 時，電極的引出線位置距離電極中心應(yīng)為6. 3cm。
2)對傳輸裝置的設(shè)置包括
選擇合適規(guī)格的傳輸電纜。 其中，電纜的規(guī)格以國標50歐和75歐電纜為主，50歐電纜有利于提高測量裝置入 口頻帶帶寬；75歐電纜有利于避免由電纜長度引起的暫態(tài)過程。
選擇合適的傳輸電纜長度。 其中，電纜的長度和波阻抗的選擇對信號的暫態(tài)特性的測量和高頻特性都有影 響。電纜的長度過長，會使得系統(tǒng)的高頻特性發(fā)生變化，因此電纜的長度應(yīng)該滿足以下關(guān)系 式 1C,< < C2，這里1是電纜的長度，C纟，是電纜的單位長穩(wěn)態(tài)電容，C2是低壓臂電容。
3)對測量裝置的設(shè)置包括 結(jié)合測量系統(tǒng)其他部分的頻帶帶寬，仿真校驗并選取示波器入口的電容參數(shù)。
其中，由于示波器的輸入阻抗并非為無窮大阻抗，高頻時由于有示波器入口電容 的存在，示波器輸入電壓會下降，即高頻頻帶會受到限制，但這種影響并非總能顯現(xiàn)，而入 口電容小的示波器成本相對要高，因此需要結(jié)合系統(tǒng)的實際測量需求，仿真校驗并選取示 波器入口電容的參數(shù)。例如，示波器入口電容的兩個典型值是13pF和25pF，根據(jù)實際測量 需求，當(dāng)系統(tǒng)的測量頻帶在lOOMHz以內(nèi)時，25pF的入口電容基本可以接受；當(dāng)系統(tǒng)測量頻 帶超過lOOMHz時，則應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用入口電容為13pF的示波器。
綜上所述，如圖5，對VFT0測量系統(tǒng)的設(shè)置步驟為
步驟2101 :確定VFTO測量系統(tǒng)的分壓比。 其中，根據(jù)待測負載的VFTO估計值或仿真值，以及測量設(shè)備的電壓測量范圍，確 定整個測量系統(tǒng)的分壓比，例如特高壓1100kV的GIS中的VFTO仿真值是2700kV(3倍的工頻電壓峰值)，規(guī)定k為仏和U2的比值，如果使用的示波器電壓測量范圍交流峰值為40V， 2700kV/40V = 6. 75萬，考慮到其中電器元件的影響，適當(dāng)?shù)膶設(shè)置為10萬，否則分壓信 號將會有超過示波器量程的危險。但是考慮到輸出信號應(yīng)具有足夠的信噪比，工頻輸出信 號最好不小于IV， k不宜超過100萬。
步驟2102 :確定低壓臂電容的范圍。 根據(jù)測量系統(tǒng)對低頻帶寬的要求，粗略確定低壓臂電容的最小值C2—m旭，例如如 果測量系統(tǒng)的低頻頻帶達到工頻50Hz，示波器入口電阻為1MQ，則根據(jù)式(6): C2—mml =:r^~ = 3"F ，即低壓臂電容最小為3nF ; 根據(jù)測量要求，確定測量傳輸電纜的類型和長度。然后由1C,<< G，確定一個新 的低壓臂電容最小限度值C^min2。由于測量裝置入口電阻的影響，這里(Vmin2的值可以適當(dāng) 的人為放大。例如電纜選用2m的50歐電纜時，1C纜為0. 2nF， C2—min2可以用2nF。
由C2 > C2—minl且C2 >> C2—min2確定一個總體的低壓臂電容的最小限定值C2—min。
步驟2103 :確定耦合電極的面積、形狀雛形以及導(dǎo)出線在電極上的位置。 其中，根據(jù)平行板電容計算公式C二了，確定滿足C^min值所需要的最小電極面
積，其中，S為電容面積，d為構(gòu)成電容的兩板之間的距離，e為介電常數(shù)；
初步確定耦合電極的面積后，結(jié)合GIS手孔處的基本結(jié)構(gòu)，確定電極是圓形的金 屬箔或板，電極的直徑不能超過手孔法蘭的內(nèi)徑，如果電極直徑超出范圍，應(yīng)更換介電常數(shù) 更大，厚度更薄的介質(zhì)材料；如果電極直徑遠未達到測量頻帶上限頻率的波長A量級，則 應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)大電極面積；因為電極面積變大后，C2更大，測量系統(tǒng)就具有更好的低頻響應(yīng) 能力。例如，將C2從3nF增大到6nF，則50Hz的響應(yīng)誤差將從_3dB減小到-ldB。但必須 注意，考慮到式(3)，不能無限的放大G。另外，電極直徑遠未達到A量級時，電極引出線 位置在電極中心即可；如果電極直徑已經(jīng)達到測量波長A量級，測量應(yīng)考慮將電極引出線 的位置調(diào)整到合適值，具體的確定根據(jù)前文所示式(7)和式(8)所述計算公式。
步驟2104 :優(yōu)化耦合電極的形狀。 根據(jù)電極的形狀雛形，進一步調(diào)整GIS內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元分析軟件，設(shè)計優(yōu)
化電極局部形狀，并保證耦合電極不對GIS安全運行產(chǎn)出影響。 步驟2105 :確定耦合電極在GIS手窗中的位置，確定高壓臂電容。 其中，根據(jù)低壓臂電容的范圍和電容分壓比，由^=+(:2粗略確定高壓臂的期望
值C卜q，結(jié)合測量點手窗的拔口深度，選擇合適的電極安裝位置，計算不同位置時，耦合電極
和導(dǎo)電桿構(gòu)成的高壓臂電容c卜j。 根據(jù)C卜,和(Vj的匹配情況，選定合適的電極安裝位置(主要指到導(dǎo)桿的不同距 離)。如果需要的Q很小，以致需要安裝的位置超出到GIS手窗法蘭以外，則首先應(yīng)考慮減 小低壓臂電容G，重新設(shè)計。如果重新設(shè)計仍不能解決問題，則可以考慮設(shè)計特殊的手窗蓋 板，等效地增加手窗的拔口深度。 步驟2106 :裝配并校驗VFTO測量裝置的性能。 對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理 可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被 限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范 圍。
權(quán)利要求
一種VFTO測量系統(tǒng)，其特征在于，包括電壓傳感裝置、傳輸裝置和測量裝置；所述電壓傳感裝置通過空間電場耦合分別與待測負載和手窗蓋板形成電容分壓的高壓臂和低壓臂，感應(yīng)到待測負載的電壓；所述傳輸裝置連接于所述電壓傳感裝置和測量裝置之間，用于將所述電壓傳感裝置低壓臂上所感應(yīng)的電壓傳輸至所述測量裝置；其中，所述電壓傳感裝置包括GIS殼體手窗、耦合電極、介質(zhì)薄膜、導(dǎo)出線、匹配電阻、輸出接口和手窗蓋板；耦合電極位于GIS殼體手窗內(nèi)部，耦合電極第一側(cè)面面向GIS手窗內(nèi)的導(dǎo)電桿，與導(dǎo)電桿構(gòu)成高壓臂，耦合電極第二側(cè)面面向GIS手窗開口，與手窗蓋板構(gòu)成低壓臂；介質(zhì)薄膜緊貼于耦合電極的第二側(cè)面；手窗蓋板固定于GIS殼體手窗，且在GIS手窗法蘭上的深度可調(diào)，所述手窗蓋板中間有導(dǎo)出孔；導(dǎo)出線中間連接有匹配電阻，所述導(dǎo)出線的一端穿過介質(zhì)薄膜連接耦合電極，另一端通過手窗蓋板上的導(dǎo)出孔，連接到電壓傳感裝置的輸出接口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓傳感裝置還包括密封介質(zhì)板、 第一密封墊圈和第二密封墊圈；所述手窗蓋板由第一手窗蓋板和第二手窗蓋板組成，其中，第二手窗蓋板嵌于第一手 窗蓋板中，所述導(dǎo)出孔位于第二手窗蓋板上；密封介質(zhì)板蓋于所述第二手窗蓋板的導(dǎo)出孔上，所述第一密封墊圈位于第一手窗蓋板 和GIS殼體手窗之間，所述第二密封墊圈位于第一手窗蓋板和密封介質(zhì)板之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合電極的形狀為圓形或橢圓 形；所述耦合電極的厚度小于30mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合電極面上任意兩點之間的最大距 離m滿足m〈〈 A。，其中、是測量頻帶的期望上限對應(yīng)的波長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合電極與GIS手窗腔體中軸線 的距離大于GIS外殼的內(nèi)半徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)出線連接在耦合電極上的位置滿足當(dāng)(1滿足(1<<入。時，導(dǎo)出線連接在耦合電極上的位置在電極中心； 當(dāng)d不滿足d << A 。時，導(dǎo)出線連接在耦合電極上的位置滿足工j。(^)'擊二o禾口r其中，d是圓形電極的半徑或橢圓形電極的長軸長度，R是電極的半徑，r為引出線位置 與電極中心的距離，J。0是O階貝塞爾函數(shù)，a是O階貝塞爾函數(shù)第l個正零值點。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的介質(zhì)薄膜電阻率，不小于 10—15Q. cm ;所述介質(zhì)薄膜的厚度范圍在10 ii m 100 ii m之間； 所述介質(zhì)薄膜在高頻和低頻下的介電常數(shù)值相同或相似，且沒有色散。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳輸裝置為傳輸電纜；所述的傳輸電纜長度1滿足化纜<< C2 ;其中，C,為電纜的單位長穩(wěn)態(tài)電容，C2為低壓臂電容。
9. 跟據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電纜的規(guī)格為國標50歐或國標75歐。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測量裝置為示波器。
全文摘要
本申請公開了一種VFTO測量系統(tǒng)，包括電壓傳感裝置、傳輸裝置和測量裝置；所述電壓傳感裝置通過空間電場耦合分別與待測負載和手窗蓋板形成電容分壓的高壓臂和低壓臂，感應(yīng)到待測負載的電壓；所述傳輸裝置連接于所述電壓傳感裝置和測量裝置之間，用于將所述電壓傳感裝置低壓臂上所感應(yīng)的電壓傳輸至所述測量裝置；其中，所述電壓傳感裝置包括GIS殼體手窗、耦合電極、介質(zhì)薄膜、導(dǎo)出線、匹配電阻、輸出接口和手窗蓋板。通過對耦合電極形狀、面積、與導(dǎo)電桿距離的調(diào)整、對介質(zhì)薄膜材質(zhì)、厚度的調(diào)整以及對導(dǎo)出線位置的調(diào)整，能夠擴展測量頻帶帶寬，滿足當(dāng)前VFTO測量需要。
文檔編號G01R19/30GK101788603SQ201010119129
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者吳昊, 孫崗, 張博, 徐海瑞, 李成榕, 陳國強 申請人:華北電力大學(xué);國家電網(wǎng)公司