一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统的制作方法

本发明涉及过电压监测领域，具体涉及一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统。

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在运行时经常会由于雷电或者开关操作而产生雷电侵入波过电压和操作过电压，这两类过电压在电力系统中会对设备运行造成危害，也会对邻近的二次设备造成干扰或损坏，因此有必要对特高压输电系统的电磁暂态与过电压问题展开研究。

目前对于特高压输电系统的电磁暂态与过电压问题的研究主要采用电磁暂态仿真计算的方法，但实际各种过电压的发生符合概率分布的特性，对系统真正的过电压水平需要经过长期的实测数据的积累才能掌握，目前对特高压的暂态过电压的实测数据尚较缺乏。虽然对110kV及以上系统也有部分进行实测的研究，但目前的技术仅解决了高速采样的问题，可以捕获雷电过电压及变化较快的操作过电压。由于采集板卡存储容量的限制，无法覆盖从工频过电压到雷电过电压如此宽范围的高采样速率(＞5Msps)、长记录时间过电压监测的要求。如某监测系统采集卡的高频采样频率f设置为10Msps时，其单次连续采样长度为5ms，低频采样频率f设为100ksps，则其单次连续采样长度为2s，但需要事先预知波形特征的情况下设置，无法自动适应波形的变化。目前针对特高压输电系统，国内外都未见进行长期实测、统计研究，以掌握过电压概率分布特性的报道。另外，对雷电过电压，有可能发生连续多次雷击，目前虽然一些高速采集系统能够实现单次定长度的记录，由于硬件转存处理的速度较慢，不具备连续捕捉的能力，有可 能会捕捉不到后续发生的暂态电压波形。

因此，针对特高压GIS设备研究设计一套兼具测量雷电侵入波和操作过电压的高性能暂态过电压监测装置尤为必要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统，该系统提高了监测系统的抗干扰能力，同时能够有效且准确的监测和记录GIS设备的各种暂态过电压波形，有利于掌握GIS设备暂态过电压波形特征和统计各类过电压水平，为绝缘配合提供了可靠且准确的依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统，所述监测系统包括模拟通道电压均为2000V的隔离电压的主控制模块、若干暂态过电压监测模块及暂态过电压取样单元；

每一个所述暂态过电压取样单元均与一个所述暂态过电压监测模块连接；全部的所述暂态过电压监测模块均连接至所述主控制模块；

所述暂态过电压取样单元安装在特高压GIS本体上。

优选的，所述主控制模块包括光纤交换机和主站控制计算机；

所述主站控制计算机安装有IEC61850客户端监控平台软件；

所述主站计算机通过所述光纤交换机在光纤以太网中与所述暂态过电压监测模块通信；且通信协议符合IEC61850标准；

若干所述暂态过电压监测模块分别用光纤连接至所述光纤交换机。

优选的，所述光纤交换机和主站控制计算机均设置在屏柜内；所述屏柜的外壁上设有容所述光纤通过的通孔。

优选的，所述暂态过电压监测模块包括双控电源、隔离变压器、监测IED和暂态过电压记录装置；

所述双控电源与所述隔离变压器的一侧连接；

所述监测IED和暂态过电压记录装置均与所述隔离变压器的另一侧连接；

所述监测IED与所述暂态过电压记录装置之间采用TCP/IP接口连接；

所述暂态过电压记录装置与所述暂态过电压取样单元用电缆连接。

优选的，所述双控电源、暂态过电压记录装置、监测IED和隔离变压器以从上到下的顺序安装在竖直放置的机柜内；

所述机柜内且靠近其底部处设置有接地铜排；

所述机柜内得的侧壁上设置有端子排。

优选的，所述机柜和所述暂态过电压记录装置的外壁均为不锈钢绝缘外壁；所述隔离变压器的电压为5000至6000V；

所述机柜的顶部设置有风扇；所述机柜内的底部设置有加热器。

优选的，若干所述暂态过电压取样单元分别设置在所述GIS本体外壁上、且靠近其内部的感应电极的位置上。

优选的，所述暂态过电压取样单元包括放大器和与所述放大器的输入端连接且接地的绝缘手孔；

所述绝缘手孔设置在所述GIS本体外壁上、且靠近其内部的感应电极的位置上；

所述放大器的输出端用电缆与所述暂态过电压记录装置连接。

优选的，所述放大器包括隔离电源、设置在电路板上的隔运算放大器芯片及与所述运算放大芯片连接的外围电路；

所述隔离电源的一端与外部电源连接；所述隔离电源的另一端用导线连接至所述电路板；

所述放大器设置在金属屏蔽壳体内。

优选的，所述绝缘手孔包括安装在在所述GIS本体外壁上且靠近其内部的感应电极的位置上的手孔底座、与所述手孔底座配合使用的手孔盖板及夹设在所述手孔底座与手孔盖板之间的绝缘薄膜；

所述手孔盖板的中心处设有容电缆穿过的通孔；

所述放大器的输入端用电缆经所述通孔与所述手孔底座连接。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了本发明提供一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统，监测系统包括主控制模块、若干暂态过电压监测模块及暂态过电压取样单元；每一个暂态过电压取样单元均与一个暂态过电压监测模块连接；全部的暂态过电压监测模块均连接至主控制模块；暂态过电压取样单元安装在特高压GIS本体上。本发明提出的监测系统，提高了监测系统的抗干扰能力，同时能够有效且准确的监测和记录GIS设备的各种暂态过电压波形，有利于掌握GIS设备暂态过电压波形特征和统计各类过电压水平，为绝缘配合提供了可靠且准确的依据。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提高了监测系统的抗干扰能力，同时能够有效且准确的监测和记录GIS设备的各种暂态过电压波形，有利于掌握GIS设备暂态过电压波形特征和统计各类过电压水平，为绝缘配合提供了可靠且准确的依据。

2、本发明有效且可靠的读取或设置暂态电压监测装置的参数、接收暂态电压监测装置监测记录的暂态电压数据以及浏览暂态电压数据。

3、本发明提高了放大器的抗干扰性能。所使用的高速、宽频运算放大器，保证放大电路具有足够的带宽和较快的速度，具有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，能够实现与前端传感器及后端暂态过电压监测装置的阻抗匹配。运算放大器和隔离电源都封装在金属屏蔽外壳当中，这样不仅提高放大器的抗干扰能力，也减小了高频情况下杂散参数对测量结果的影响。

4、本发明所提供的技术方案，在GIS设备上设置手窗，手窗式传感器安装在手窗上。手窗式电容分压的优点在于，电容分压电路具有较小的寄生电感，传感器本身高频特性较好，可以达到1GHz。

5、本发明所提供的技术方案，户外柜的结构设计能够对柜内温度、湿度进行调节，使最低温度保持在-25℃以上，最高温度不超过55℃，柜内无凝露和结冰，为监测装置提供适宜的运行环境。

6、本发明所提供的双控电源供电，正常工作时有交流220V电源供电，当变电站有故障发生交流电源断开时，立即切换到UPS供电，实现了即使在变电站故障时，也不会漏记GIS的暂态过电压。

7、本发明所提供的超级隔离变压器的隔离电压5000V，除了有一般的隔离功能外，还同时兼有抗共模和差模干扰的能力，有效避免特高压变电站地电位抬升对供电电源的影响。采用超级隔离变压器，能够较好的抑制来自电源的干扰。

8、本发明所提供的技术方案，暂态过电压监测要求测试系统具有良好的频率响应特性和高采样速率，并能够长时间记录整个过程。暂态过电压记录装置采用暂态电压波形采样速率自适应实时压缩技术，自动根据信号的频率调整存储数据的采样速率，既能准确捕捉快速波形，又能大大降低存储波形占用的空间；采样电压突变事件启动技术，将过电压完成过程分割为多个片段存储，减少不必要区段的存储，同时可以快速找到发生过电压的位置。

9、本发明所提供的暂态过电压监测系统的隔离电压避免通道之间互相干扰。系统采用超级隔离变压器供电，除了有一般的隔离功能外，还同时兼有抗共模和差模干扰的能力，有效避免特高压变电站地电位抬升对供电电源的影响，并能够较好的抑制来自电源的干扰。暂态过电压监测系统模拟电路和数字电路之间的供电采用隔离电源为限制空间电磁波直接进入监测装置内部形成的电磁干扰，过电压信号采集板的模拟电路部分安装了屏蔽壳，暂态过电压记录装置采用不锈钢屏蔽机箱，户外柜采用不锈钢柜体，内部安装接地排，信号电缆采用带屏蔽同轴电缆，通信线采用光电隔离，都极大提高了本发明的隔离功能和抗干扰能力。

10、本发明所提供的技术方案，暂态过电压监测IED与暂态过电压记录装置之间采用TCP/IP接口，实时接收暂态过电压记录装置采集到的暂态过电压波形。监测IED与主站计算机之间采用光纤以太网，通信协议符合IEC61850标准，将采集到的数据以IEC61850标准接口的形式提供给上级IEC61850客户端监控平台软件，实现了对暂态过电压记录装置的通讯标准化。

11、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统的结构示意图；

图2是本发明的监测系统中的主控制模块的结构示意图；

图3是本发明的监测系统中的暂态过电压监测模块的结构正面示意图；

图4是本发明的监测系统中的暂态过电压监测模块的结构背面示意图；

图5是本发明的监测系统中暂态过电压取样单元的结构示意图。

其中，1-特高压GIS本体、2-光纤交换机、3-主站控制计算机、4-光纤、5-屏柜、6-双控电源、7-隔离变压器、8-监测IED、9-暂态过电压记录装置、10-电缆、11-机柜、12-接地铜排、13-端子排、14-风扇、15-加热器、16-感应电极、17-放大器、18-绝缘手孔、19-手孔底座、20-手孔盖板、21-绝缘薄膜。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明提供一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统；包括模拟通道电压均为2000V的隔离电压的主控制模块、若干暂态过电压监测模块及暂态过电压取样单元；

每一个暂态过电压取样单元均与一个暂态过电压监测模块连接；全部的暂态过电压监测模块均连接至主控制模块；

暂态过电压取样单元安装在特高压GIS本体1上。

如图2所示，主控制模块包括光纤交换机2和主站控制计算机3；

主站控制计算机3安装有IEC61850客户端监控平台软件；

主站计算机通过光纤交换机2在光纤4以太网中与暂态过电压监测模块通信；且通信协议符合IEC61850标准；

若干暂态过电压监测模块分别用光纤4连接至光纤交换机2。

光纤交换机2和主站控制计算机3均设置在屏柜5内；屏柜5的外壁上设有容光纤4通过的通孔。

如图3和4所示，暂态过电压监测模块包括双控电源6、隔离变压器7、监测IED8和暂态过电压记录装置9；

双控电源6与隔离变压器7的一侧连接；

监测IED8和暂态过电压记录装置9均与隔离变压器7的另一侧连接；

监测IED8与暂态过电压记录装置9之间采用TCP/IP接口连接；

暂态过电压记录装置9与暂态过电压取样单元用电缆10连接。

双控电源6、暂态过电压记录装置9、监测IED8和隔离变压器7以从上到下的顺序安装在竖直放置的机柜11内；

机柜11内且靠近其底部处设置有接地铜排12；

机柜11内得的侧壁上设置有端子排13。

机柜11和暂态过电压记录装置9的外壁均为不锈钢绝缘外壁；隔离变压器7的电压为5000至6000V；

机柜11的顶部设置有风扇14；机柜11内的底部设置有加热器15。

如图5所示，若干暂态过电压取样单元分别设置在GIS本体1外壁上、且靠近其内 部的感应电极16的位置上。

暂态过电压取样单元包括放大器17和与放大器17的输入端连接且接地的绝缘手孔18；

绝缘手孔18设置在GIS本体1外壁上、且靠近其内部的感应电极16的位置上；

放大器17的输出端用电缆10与暂态过电压记录装置9连接。

放大器17包括隔离电源、设置在电路板上的隔运算放大器17芯片及与运算放大芯片连接的外围电路；

隔离电源的一端与外部电源连接；隔离电源的另一端用导线连接至电路板；

放大器17设置在金属屏蔽壳体内。

绝缘手孔18包括安装在在GIS本体1外壁上且靠近其内部的感应电极16的位置上的手孔底座19、与手孔底座19配合使用的手孔盖板20及夹设在手孔底座19与手孔盖板20之间的绝缘薄膜21；

手孔盖板20的中心处设有容电缆10穿过的通孔；

放大器17的输入端用电缆10经通孔与手孔底座19连接。

本发明提供一种特高压GIS用分布式暂态过电压监测系统的应用例，包括暂态过电压信号取样装置、暂态过电压监测装置、主站系统以及信号电缆、通讯电缆。每个特高压GIS变电站，包含一套主站系统、若干暂态过电压信号取样装置及暂态过电压监测装置，系统采用分布式设计，暂态过电压信号取样装置和暂态过电压监测装置都安装在被测点处，每个监测点安装1套，通过光纤以太网与主站计算机相连。

(1)暂态过电压信号取样装置

暂态过电压信号取样装置包括手窗式传感器和放大器。手窗式传感器包括感应电极、手窗盖板及感应电极和手窗盖板间的聚合物。在GIS设备上设置手窗，手窗式传感器安装在手窗上。GIS母线导体和感应电极间的分布电容构成电容分压器的高压臂电容C1，感应电极和手窗盖板间以聚合物进行绝缘，构成集中电容，作为低压臂电容C2，手 窗盖板接地，以此形成电容分压。手窗式电容分压的优点在于，电容分压电路具有较小的寄生电感，传感器本身高频特性较好，可以达到1GHz。

放大器包括隔离电源、运算放大器芯片及其外围电路、金属屏蔽外壳。隔离电源的隔离电压为6000V，为放大电路供电，提高放大器的抗干扰性能。由于GIS设备的暂态过电压信号涵盖了从几十赫兹到上百兆赫兹的信号，因此选择了高速、宽频运算放大器，保证放大电路具有足够的带宽和较快的速度。放大器具有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，能够实现与前端传感器及后端暂态过电压监测装置的阻抗匹配。运算放大器和隔离电源都封装在金属屏蔽外壳当中，这样不仅提高放大器的抗干扰能力，也减小了高频情况下杂散参数对测量结果的影响。

(2)户外分布式暂态过电压监测装置

户外分布式暂态过电压监测装置实时监测被测点的电压变化情况，当有过电压发生时，启动波形记录，并将波形数据上传给主站计算机，采用分布式设计，就近安装在被测点附近，通过光纤以太网与主站计算机相连。暂态过电压监测装置包括户外柜、双控电源、隔离变压器、暂态过电压记录装置、监测IED。双控电源、隔离变压器、暂态过电压记录装置、监测IED安装于户外柜内。

1)户外柜：户外柜采用分布式安装，每个监测点安装一台，采用不锈钢双层隔热结构，配置温湿度控制器，柜体上方安装风扇，下方安装加热器，能够对柜内温度、湿度进行调节，使最低温度保持在-25℃以上，最高温度不超过55℃，柜内无凝露和结冰，为监测装置提供适宜的运行环境。柜内设专用接地铜排，柜内的所有装置通过铜线与接地铜排连接。

2)双控电源：柜内采用双控电源供电，一路接变电站交流220V电源，另一路接变电站内UPS。正常工作时有交流220V电源供电，当变电站有故障发生交流电源断开时，立即切换到UPS供电，这样在变电站故障时，不会漏记GIS的暂态过电压。

3)隔离变压器：双控电源的输出与隔离变压器连接，隔离变压器为柜内装置提供电源。隔离变压器采用超级隔离变压器，超级隔离变压器的隔离电压5000V，除了有一般的隔离功能外，还同时兼有抗共模和差模干扰的能力，有效避免特高压变电站地电位抬升对供电电源的影响。采用超级隔离变压器，能够较好的抑制来自电源的干扰。

4)暂态过电压记录装置。暂态过电压监测要求测试系统具有良好的频率响应特性和高采样速率，并能够长时间记录整个过程。暂态过电压记录装置采用暂态电压波形采样速率自适应实时压缩技术，自动根据信号的频率调整存储数据的采样速率，既能准确捕捉快速波形，又能大大降低存储波形占用的空间；采样电压突变事件启动技术，将过电压完成过程分割为多个片段存储，减少不必要区段的存储，同时可以快速找到发生过电压的位置。以上算法采用DSP+FPGA的硬件实现。装置有3个独立的相互隔离的采样通道模块和一个传输模块组成，这样的设计在保证通道之间相互隔离的前提下提高了装置单次的采样效率，使得对于多通道间信号对比的目标得以实现。传输模块配有USB和TCP/IP两种通信接口，USB接口供调试使用，TCP/IP接口供在线监测使用。

5)暂态过电压监测IED.监测IED与暂态过电压记录装置之间采用TCP/IP接口，实时接收暂态过电压记录装置采集到的暂态过电压波形。监测IED与主站计算机之间采用光纤以太网，通信协议符合IEC61850标准，将采集到的数据以IEC61850标准接口的形式提供给上级IEC61850客户端监控平台软件，以实现对暂态过电压记录装置的通讯标准化。

(3).主站系统

主站系统包括：一台屏柜、一台光纤交换机、一台工控机以及安装在工控机上的软件系统。光纤交换机和工控机安装在屏柜上。工控机上安装有IEC61850客户端监控平台软件，通过IEC61850标准接口与暂态过电压监测装置通信，用于读取或设置暂态电压监测装置的参数、接收暂态电压监测装置监测记录的暂态电压数据以及浏览暂态电压数据。

(4).抗干扰设计

变电站暂态过电压过程通常伴随着强烈的电磁骚扰，需考虑测量设备的抗干扰能力，并防止其对变电站其他设备的二次骚扰问题。特高压变电站正常运行时的环境电磁干扰也不容忽视，因此，暂态过电压监测系统必须采取一定的抗干扰措施。

1)通道隔离

暂态过电压监测系统各模拟通道之间相互隔离，隔离电压2000V，避免通道之间互相干扰。

2)电源隔离

系统采用超级隔离变压器供电，隔离电压5000V，除了有一般的隔离功能外，还同时兼有抗共模和差模干扰的能力，有效避免特高压变电站地电位抬升对供电电源的影响。采用超级隔离变压器，能够较好的抑制来自电源的干扰。暂态过电压监测系统模拟电路和数字电路之间的供电采用隔离电源，隔离电压6000V.

3)屏蔽和接地

为限制空间电磁波直接进入监测装置内部形成的电磁干扰，过电压信号采集板的模拟电路部分安装了屏蔽壳，暂态过电压记录装置采用19英寸不锈钢屏蔽机箱，户外柜采用不锈钢柜体，内部安装接地排，信号电缆采用带屏蔽同轴电缆，通信线采用光电隔离。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。