專利名稱：一種vfto測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及VFTO測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及一種VFTO測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在GIS(Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣變電站)中，對(duì)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(huì)對(duì)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(shí)，因其操作的概率和頻數(shù)比較大，操作周期比 較長(zhǎng)，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M(fèi)HZ(兆赫)，VFTO的上升時(shí)間可短至4 7ns (納秒)，幅值最高可達(dá)GIS內(nèi)部原來(lái)電壓的2. 7倍。但是對(duì)于GIS而言，過高的VFTO 不僅會(huì)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(huì)危及外部設(shè)備，給電力 系統(tǒng)造成巨大損失，嚴(yán)重影響著電力安全。因此準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量方法預(yù)埋電極法、微積分法以及套管末屏法。通 過對(duì)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(cè)量，因此在實(shí)際應(yīng)用中都有 不同程度的局限性，無(wú)法滿足當(dāng)前的測(cè)量需要。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種VFTO測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)量需要，技術(shù)方案如下 —種VFTO測(cè)量系統(tǒng)，包括電壓傳感裝置、傳輸裝置和測(cè)量裝置； 所述電壓傳感裝置通過空間電場(chǎng)耦合分別與待測(cè)負(fù)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(cè)負(fù)載的電壓； 所述傳輸裝置連接于所述電壓傳感裝置和測(cè)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(cè)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(diǎn)之間的最大距離m滿足m<< A 。，其中A 。是測(cè)量頻 帶的期望上限對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 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(shí)，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(shí)，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(zhǎng)軸長(zhǎng)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(gè)正零值點(diǎn)。 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(zhǎng)度1滿足1C,<< C2 ; 其中，C纜為電纜的單位長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)電容，C2為低壓臂電容。 所述電纜的規(guī)格為國(guó)標(biāo)50歐或國(guó)標(biāo)75歐。 所述測(cè)量裝置為示波器。 本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案中，在GIS手窗內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)耦合電極，通過空間電場(chǎng) 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(jì)算出待測(cè)負(fù)載的電壓，并通過對(duì)耦合電極形狀、面積、與導(dǎo)電桿距離 的調(diào)整、對(duì)介質(zhì)薄膜材質(zhì)、厚度的調(diào)整以及對(duì)導(dǎo)出線位置的調(diào)整，擴(kuò)展測(cè)量頻帶帶寬，滿足 當(dāng)前測(cè)量需要。


為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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(shí)施例VFTO測(cè)量系統(tǒng)的電路示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例在理想情況下實(shí)現(xiàn)VFTO測(cè)量的電路示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例VFTO測(cè)量系統(tǒng)中電壓傳感裝置的示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例VFTO測(cè)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(shí)施例實(shí)現(xiàn)電壓傳感裝置設(shè)置方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例提供一種VFT0測(cè)量系統(tǒng)，能夠在更寬的頻帶帶寬下測(cè)量VFT0的值。
圖1為VFTO測(cè)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(cè)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(cè)量裝置130?？梢岳?解的是，在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)的電壓傳感裝置iio不需要與待測(cè)負(fù)載直接相連，而是通過 空間電場(chǎng)耦合感應(yīng)到待測(cè)負(fù)載的電壓?；陔娙莘謮涸?，電壓傳感裝置IIO中的GIS手 窗內(nèi)，設(shè)置了一個(gè)耦合電極，該耦合電極通過空間電場(chǎng)與GIS內(nèi)導(dǎo)電桿構(gòu)成一個(gè)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(shí)現(xiàn)與GIS手窗蓋板的 絕緣，構(gòu)成一個(gè)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(shí)，根據(jù)電容分壓原理，耦合電極上會(huì)感應(yīng)到一個(gè)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(cè)量 裝置130上，并由匹配電阻RT實(shí)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(huì)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(shí)，即w《.
-時(shí)，有
cl ( 2 ) 此時(shí)^是與"無(wú)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(huì)有零點(diǎn)和極點(diǎn)，零點(diǎn)和極點(diǎn)的角頻率值直接影響測(cè)量帶寬。零點(diǎn)和極點(diǎn)的角頻 率和頻率值如下式所示零點(diǎn)& = 、|~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(shí)際應(yīng)用情況，式(4)中高壓臂電容Q遠(yuǎn)小于低壓臂電容CJ即高壓臂 阻抗遠(yuǎn)大于低壓臂阻抗)。 由上式(3)和(4)可知，測(cè)量頻率的零點(diǎn)和極點(diǎn)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(duì)測(cè)量頻率的影響越小，能夠測(cè)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(kuò)展測(cè)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(shí)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(wú)關(guān)的直線，此時(shí)，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(shí)測(cè)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(cè)裝置130。 其中，傳輸電纜的長(zhǎng)度和波阻抗的選擇對(duì)所傳輸信號(hào)的暫態(tài)特性測(cè)量和高頻特性
都有影響。 檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的待測(cè)電壓值，U。ut為示波器實(shí)際檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的低頻頻率測(cè)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(wú)法改變，因此可以通過增大低壓 臂電容C2，來(lái)降低低頻截止頻率的值，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量帶寬的增加。 從上述描述中可以得出，在實(shí)際中，本發(fā)明所提供的VFTO測(cè)量系統(tǒng)本身能夠測(cè)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(duì)電壓傳感裝置110，傳輸裝 置120以及測(cè)量裝置130的優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展頻帶帶寬，使之能夠滿足測(cè)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(shí)施方式
對(duì)本
發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例一 本發(fā)明所提供的VFTO測(cè)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(shí)現(xiàn)電壓傳感裝置110與傳輸裝置120的
頻率匹配。
實(shí)施例二 本發(fā)明所提供的VFT0測(cè)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(shí)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(yùn)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(cè)量系統(tǒng)。 上述兩個(gè)實(shí)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(duì)所述耦 合電極的面積、與導(dǎo)電桿距離的調(diào)整以及對(duì)介質(zhì)薄膜材質(zhì)、厚度的調(diào)整，可以增加測(cè)量頻帶 的帶寬；通過對(duì)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(cè)量頻帶的帶 寬；對(duì)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(duì)測(cè) 量頻帶帶寬帶來(lái)的影響；通過上述調(diào)整，實(shí)現(xiàn)增加測(cè)量頻帶的帶寬，以滿足測(cè)量的需要。
實(shí)施例三 應(yīng)用上述提供的VFTO測(cè)量系統(tǒng)，分別對(duì)電壓傳感裝置、傳輸裝置以及測(cè)量裝置進(jìn) 行設(shè)置。 需要說(shuō)明的是，對(duì)于電壓傳感裝置、傳輸裝置以及測(cè)量裝置的設(shè)置都是根據(jù)實(shí)際 情況來(lái)進(jìn)行的，下述調(diào)整只是給出了調(diào)整的一部分優(yōu)選實(shí)施例，并不對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍 造成限定。
1)對(duì)電壓傳感裝置進(jìn)行設(shè)置包括 通過對(duì)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(cè)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(diǎn)頻率的計(jì)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(cè)負(fù)載所在的
GIS手窗的拔口深度，以不影響GIS安全運(yùn)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(lái)說(shuō)，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(jì)特殊的手窗蓋板，等效地加長(zhǎng)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(diǎn)之間的最大距離m應(yīng)滿 足!11<< A。，其中、是測(cè)量頻帶的期望上限對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；同時(shí)，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(shí)圓形電極的直徑或橢圓 形電極的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度d(相當(dāng)于電極面上任意兩點(diǎn)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(shí)會(huì)使
得低壓臂電容增加，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)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(dá)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(huì)使得低壓臂電容在不同頻率下有顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致分壓比
在不同頻率上產(chǎn)生波動(dòng)，最終影響測(cè)量帶寬。 根據(jù)上述需求，在實(shí)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(duì)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(cè)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(shí)，即耦合電極的厚度過大時(shí)，相當(dāng)于在電容之間串聯(lián)了一個(gè)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(shí)高壓臂和低壓臂電容之間的等效電感較小，考慮
實(shí)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(duì)耦合電極與介質(zhì)薄膜的各項(xiàng)調(diào)整，可能會(huì)產(chǎn)生鼓面諧振從而影 響測(cè)量頻帶的帶寬，因此，需要通過對(duì)導(dǎo)出線在耦合電極上位置的調(diào)整來(lái)避免鼓面諧振帶 來(lái)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(zhǎng)軸)d滿足d <<入。 時(shí)，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(shí)，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(gè)正零值點(diǎn)。例如當(dāng)測(cè)量頻帶到GHz，電極的直徑為20cm 時(shí)，電極的引出線位置距離電極中心應(yīng)為6. 3cm。
2)對(duì)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(guó)標(biāo)50歐和75歐電纜為主，50歐電纜有利于提高測(cè)量裝置入 口頻帶帶寬；75歐電纜有利于避免由電纜長(zhǎng)度引起的暫態(tài)過程。
選擇合適的傳輸電纜長(zhǎng)度。 其中，電纜的長(zhǎng)度和波阻抗的選擇對(duì)信號(hào)的暫態(tài)特性的測(cè)量和高頻特性都有影 響。電纜的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，會(huì)使得系統(tǒng)的高頻特性發(fā)生變化，因此電纜的長(zhǎng)度應(yīng)該滿足以下關(guān)系 式 1C,< < C2，這里1是電纜的長(zhǎng)度，C纟，是電纜的單位長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)電容，C2是低壓臂電容。
3)對(duì)測(cè)量裝置的設(shè)置包括 結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)其他部分的頻帶帶寬，仿真校驗(yàn)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(wú)窮大阻抗，高頻時(shí)由于有示波器入口電容 的存在，示波器輸入電壓會(huì)下降，即高頻頻帶會(huì)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(duì)要高，因此需要結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量需求，仿真校驗(yàn)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(gè)典型值是13pF和25pF，根據(jù)實(shí)際測(cè)量 需求，當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量頻帶在lOOMHz以內(nèi)時(shí)，25pF的入口電容基本可以接受；當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量頻 帶超過lOOMHz時(shí)，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(duì)VFT0測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)置步驟為
步驟2101 :確定VFTO測(cè)量系統(tǒng)的分壓比。 其中，根據(jù)待測(cè)負(fù)載的VFTO估計(jì)值或仿真值，以及測(cè)量設(shè)備的電壓測(cè)量范圍，確 定整個(gè)測(cè)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(cè)量范圍交流峰值為40V， 2700kV/40V = 6. 75萬(wàn)，考慮到其中電器元件的影響，適當(dāng)?shù)膶設(shè)置為10萬(wàn)，否則分壓信 號(hào)將會(huì)有超過示波器量程的危險(xiǎn)。但是考慮到輸出信號(hào)應(yīng)具有足夠的信噪比，工頻輸出信 號(hào)最好不小于IV， k不宜超過100萬(wàn)。
步驟2102 :確定低壓臂電容的范圍。 根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)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(cè)量系統(tǒng)的低頻頻帶達(dá)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(cè)量要求，確定測(cè)量傳輸電纜的類型和長(zhǎng)度。然后由1C,<< G，確定一個(gè)新 的低壓臂電容最小限度值C^min2。由于測(cè)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(shí)，1C纜為0. 2nF， C2—min2可以用2nF。
由C2 > C2—minl且C2 >> C2—min2確定一個(gè)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(jì)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(yuǎn)未達(dá)到測(cè)量頻帶上限頻率的波長(zhǎng)A量級(jí)，則 應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)大電極面積；因?yàn)殡姌O面積變大后，C2更大，測(cè)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(wú)限的放大G。另外，電極直徑遠(yuǎn)未達(dá)到A量級(jí)時(shí)，電極引出線 位置在電極中心即可；如果電極直徑已經(jīng)達(dá)到測(cè)量波長(zhǎng)A量級(jí)，測(cè)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(jì)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(jìn)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(jì)優(yōu)
化電極局部形狀，并保證耦合電極不對(duì)GIS安全運(yùn)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(cè)量點(diǎn)手窗的拔口深度，選擇合適的電極安裝位置，計(jì)算不同位置時(shí)，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(jì)。如果重新設(shè)計(jì)仍不能解決問題，則可以考慮設(shè)計(jì)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(yàn)VFTO測(cè)量裝置的性能。 對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)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(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)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(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被 限制于本文所示的實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范 圍。
權(quán)利要求
一種VFTO測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括電壓傳感裝置、傳輸裝置和測(cè)量裝置；所述電壓傳感裝置通過空間電場(chǎng)耦合分別與待測(cè)負(fù)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(cè)負(fù)載的電壓；所述傳輸裝置連接于所述電壓傳感裝置和測(cè)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(cè)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(diǎn)之間的最大距 離m滿足m〈〈 A。，其中、是測(cè)量頻帶的期望上限對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
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(shí)，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(shí)，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(zhǎng)軸長(zhǎng)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(gè)正零值點(diǎn)。
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(zhǎng)度1滿足化纜<< C2 ;其中，C,為電纜的單位長(zhǎng)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(guó)標(biāo)50歐或國(guó)標(biāo)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(cè)量裝置為示波器。
全文摘要
本申請(qǐng)公開了一種VFTO測(cè)量系統(tǒng)，包括電壓傳感裝置、傳輸裝置和測(cè)量裝置；所述電壓傳感裝置通過空間電場(chǎng)耦合分別與待測(cè)負(fù)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(cè)負(fù)載的電壓；所述傳輸裝置連接于所述電壓傳感裝置和測(cè)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(cè)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(duì)耦合電極形狀、面積、與導(dǎo)電桿距離的調(diào)整、對(duì)介質(zhì)薄膜材質(zhì)、厚度的調(diào)整以及對(duì)導(dǎo)出線位置的調(diào)整，能夠擴(kuò)展測(cè)量頻帶帶寬，滿足當(dāng)前VFTO測(cè)量需要。
文檔編號(hào)G01R19/30GK101788603SQ201010119129
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)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(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué);國(guó)家電網(wǎng)公司