一种用于模拟暂态地电位升高的试验系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于模拟暂态地电位升高的试验系统，该试验系统包括：控制器MCP、高压直流电源HVCD、电容器C1、高频电感L1、限流电阻R1、气体开关K1、气体开关K2、限流电阻R2、调波电路LR以及模拟接地平台SGP，模拟接地平台SGP经由高频电感L1接地，高压直流电源HVCD经由限流电阻R1连接电容器C1，气体开关K1可导通电容器C1、调波电路LR和高频电感L1，气体开关K2可导通通电容器C1、调波电路LR、高频电感L1和限流电阻R2；本发明通过不同的接地阻抗变化，并可以通过控制器对不同气体开关导通的控制实现模拟接地网的不同阶段电位升高现象。
【专利说明】
一种用于模拟暂态地电位升高的试验系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种模拟领域，更具体地，涉及一种用于模拟暂态地电位升高的试验系统及方法。
【背景技术】
[0002]雷击、系统故障或开关操作都可以在电网或通信上产生暂态过电压或过电流。这种过电压或过电流是一种能量较大的骚扰，对电子设备存在较大的影响，典型的表现为电子电路的局部电位抬升和参考电位变化。随着智能变电站的发展和大量工程投运，大量传感器及智能设备IED等电子设备布置在户外的一次设备附近，从而雷击及系统故障等引起的暂态地电位造成传感器和电子设备损坏的概率明显增大。
[0003]目前，国内外对变电站暂态地电位升高领域的研究和相关文献较多，主要集中是对冲击电压作用下土壤暂态特性的研究及相关的物理建模和计算方法研究。针对暂态地电位升高的试验方法上主要可分为两类:一种方法是在变电站现场将冲击电流源或冲击电压注入真实的接地网中进行测量，这种方法需要冲击源的电压往往需要达到200kV以上，而且对在运变电站接地网有一定冲击，试验难度大、成本高，目前仅在新建的未投运的变电站进行接地网特性测试时进行少量试验；另一种方法在实验室中模拟暂态地电位升高的方法，通过冲击电流源或冲击电压注入实验室的接地网中，或者采用固定的阻抗模拟接地网阻抗。
[0004]然后现有的实验方法一受到实验室接地网的特性影响较大，存在较大的不确定性;方法二通过固定的阻抗模拟接地网是较为常用的方法，但方法二无法全面模拟接地网阻抗变化等现象。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明提供了一种用于模拟暂态地电位升高的试验系统，该试验系统包括:控制器MCP、高压直流电源HV⑶、电容器Cl、高频电感L1、限流电阻R1、气体开关Kl、气体开关K2、限流电阻R2、调波电路LR以及模拟接地平台SGP，所述模拟接地平台SGP经由所述高频电感LI接地，所述高压直流电源HVCD经由所述限流电阻Rl连接所述电容器Cl和所述气体开关Kl，所述气体开关K2与限流电阻R2串联后同高频电感LI形成并联电路，所述控制器MCP用于控制气体开关Kl和气体开关K2的导通或断开；
[0006]所述控制器MCP控制所述气体开关Kl和气体开关K2均断开，从而使得所述高压直流电源HVCD经所述限流电阻Rl对所述储能电容器Cl进行充电；
[0007]所述控制器MCP在确定所述电容器Cl充电到达设定值后进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路，以模拟所述模拟接地平台SGP产生高频的振荡电位差；
[0008]所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路，以模拟产生接地阻抗；
[0009]所述模拟接地平台SGP进行不同阻抗变化条件下耐受性测量。
[0010]优选地，所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路包括:所述控制器MCP控制所述气体开关Kl导通并且所述气体开关K2断开，从而实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP以及高频电感LI的连通。
[0011]优选地，所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路包括:所述控制器MCP控制气体开关Kl和K2均导通，实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP、高频电感LI以及电阻R2的连通。
[0012]优选地，所述模拟接地平台SGP包括:屏蔽箱、绝缘平台、均压环以及电压测量装置。
[0013]优选地，所述调波电路包括至少两个电感以及至少两个电阻。
[0014]优选地，所述调波电路产生标准波形包括2.6/50118，8/20118，10/350118，10/1000118的电流波，或产生1.2/50us，8/20us的组合波。
[0015]优选地，所述储能电容器Cl和所述调波电LR路相互配合以生成参数不同的波形。
[0016]优选地，所述高压直流电源HV⑶输出电压的范围为25kV至30kV。
[0017]优选地，所述高频电感LI采用高频铁氧体绕制，并且所述高频电感LI的电感值取值范围为0.1uH至4uH。
[0018]基于本发明的一种使用试验电路来模拟暂态地电位升高的试验方法，其中试验电路包括:控制器MCP、高压直流电源HV⑶、电容器Cl、高频电感L1、限流电阻Rl、气体开关Kl、气体开关K2、限流电阻R2、调波电路LR以及模拟接地平台SGP，所述模拟接地平台SGP经由所述高频电感LI接地，所述高压直流电源HVCD经由所述限流电阻Rl连接所述电容器Cl和所述气体开关Kl，所述气体开关K2与限流电阻R2串联后同高频电感LI形成并联电路，所述控制器MCP用于控制气体开关Kl和气体开关K2的导通或断开；
[0019]所述方法包括:
[0020]控制所述气体开关Kl和气体开关K2均断开，从而使得所述高压直流电源HV⑶经所述限流电阻Rl对所述储能电容器Cl进行充电；
[0021]在确定所述电容器Cl充电到达设定值后，控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路，以模拟所述模拟接地平台产生高频的振荡电位差；
[0022]控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路，以模拟接地阻抗；
[0023]进行不同阻抗变化条件下耐受性测量。
[0024]优选地，所述进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路包括:控制所述气体开关Kl导通并且所述气体开关K2断开，从而实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP以及高频电感LI的连通。
[0025]优选地，所述进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路包括:控制所述气体开关Kl和K2均导通，实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP、高频电感LI以及电阻R2的连通。
[0026]优选地，所述模拟接地平台SGP包括:屏蔽箱、绝缘平台、均压环以及电压测量装置。
[0027]优选地，所述调波电路包括至少两个电感以及至少两个电阻。
[0028]优选地，所述调波电路产生标准波形包括2.6/50心，8/20118，10/350118，10/1000118的电流波，或产生1.2/50US，8/20US的组合波。
[0029]优选地，所述储能电容器Cl和所述调波电路LR相互配合以生成参数不同的波形。
[0030]优选地，所述高压直流电源HV⑶输出电压的范围为25kV至30kV。
[0031]优选地，所述高频电感LI采用高频铁氧体绕制，并且所述高频电感LI的电感值取值范围为0.1uH至4uH。本发明通过不同的接地阻抗变化，可以通过控制器对不同气体开关导通的控制实现模拟接地网的不同阶段电位升高现象。
【附图说明】
[0032]通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
[0033]图1为模拟暂态地电位升高的试验系统结构图；
[0034]图2为模拟接地平台结构图；
[0035]图3为控制器的控制时序及地电位升高典型波形图；
[0036]图4为模拟暂态地电位升高的试验方法流程图；
【具体实施方式】
[0037]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。
[0038]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。
[0039]图1为根据本发明实施方式的模拟暂态地电位升高的试验系统示意图。如图1所示，控制器MCP控制高压直流电源HVDC经限流电阻Rl对储能电容器Cl进行充电。为满足本发明实施例的需求，本发明对高压直流电源HVDC的输出能力进行合理选择。直流电源HVDC如果输出电压太高，比如高于30kV，电源体积庞大，系统绝缘成本增加。本发明实施例选择直流电源HVDC输出能力在25kV-30kV，在本发明实施例的模拟暂态地电位升高的试验系统中，可以产生地电位升高10kV-15kV，本模拟暂态地电位升高的试验系统实现紧凑化布置。
[0040]优选地，如图1所示，控制器MCP控制储能电容器Cl充电至设定值，设定to时刻基准时刻(时序在图3中进行详细介绍)并在to时刻向气体开关Kl发出触发脉冲，从基准时刻to起经过At1延时，在t时刻气体开关Kl完全导通，在冲击电流上升沿作用下，模拟接地平台SGP与大地产生了高频的振荡电位差。由于模拟接地平台SGP与接地网之间电位差幅值较高，为气体开关K2的导通创造了条件。从基准时刻to起经过At2延时，控制器MCP向气体开关K2发出触发脉冲，从Δ t2结束时刻起经Δ t3延时，气体开关在t2时刻完全导通。^至〖2为高频电位升高的阶段。
[0041 ]优选地，在气体开关Kl完全导通时(气体开关K2为开合状态)，储能电容器Cl中电流经过调波电路LR，与连接的高频电感LI连通，在冲击电流上升沿作用下，模拟接地平台SGP与大地产生高频的振荡电位差。
[0042]优选地，储能电容器Cl中电流经过调波电路LR的参数配合能配合完成不同冲击波形下暂态地电位的模拟试验，参考实际雷电形成的常见波形，通过设置储能电容器Cl和调波电路LR的参数，调波电路可以产生标准波形包括2.6/50us，8/20us，10/350us，10/1000us的电流波;或1.2/50us，8/20us的组合波。优选地，调波电路LR可以有2个或2个以上电感，或有2个或2个以上电阻，相互连接而成。在完成调波电路LR的配置后，可以通过控制器MCP选择实验需要的波形。
[0043]优选地，在气体开关K2完全导通时(气体开关Kl仍然保持导通状态)，储能电容器Cl中电流经过调波电路LR，与连接的高压电阻R2连通。气体开关K2导通后，电弧模拟接地土壤中火花放电现象，实现模拟接地阻抗。同时，振荡电路减弱，波形变缓。电容器Cl与高频电感LI形成的放电回路，逐步转向电容器CI与电阻R2形成的放电回路。放电回路中从连通高频电感LI到与电阻R2连通，振荡电路更容易趋于稳定。
[0044]优选地，模拟接地平台SGP经过高频电感LI接地。优选地，高频电感LI采用高频铁氧体绕制而成，并且高频电感LI电感值在0.1uH至4uH之间选取。此外，所属领域技术人员应当了解的是高频电感LI并不限于高频铁氧体绕制。不同电感取值取决于波形特征要求。本发明实施例中电感在中低频信号IkHz以下，主要表现为电阻分量，本发明实施例将该阻值控制在0.2欧姆以下。在I kHz至I OMHz高频信号下，该电感表现出较好的电感特性，能够模拟接地网的阻抗中电感分量。模拟接地平台SGP包括屏蔽箱、绝缘平台、均压环及高压测量装置，屏蔽箱用于模拟电子设备外壳或者传感器安装支架，同时实施对被试电子设备或传感器的水平和垂直耦合，绝缘平台用于模拟变压器或开关设备外壳，电压测量装置用于测量电位升高后电子设备或传感器的电压值，以判断电位升高对于电子设备或传感器的影响程度。本模拟暂态地电位升高的试验系统完成了一次模拟地电位升高的全过程。
[0045]图2为模拟接地平台SGP结构示意图。优选地，模拟接地平台SGP经过高频电感LI接地。模拟接地平台SGP包括屏蔽箱、绝缘平台、均压环及高压测量装置，屏蔽箱用于模拟电子设备外壳或者传感器安装支架，同时实施对被试电子设备或传感器的水平和垂直耦合，绝缘平台用于模拟变压器或开关设备外壳，电压测量装置用于测量电位升高后电子设备或传感器的电压值，以判断电位升高对于电子设备或传感器的影响程度。
[0046]图3为控制器的控制时序及地电位升高典型波形图。优选地，如图3所示，在控制器MCP控制储能电容器Cl充电至设定值后，设定to时刻基准时刻并在to时刻向气体开关Kl发出触发脉冲，从基准时刻to起经过At1延时，在^时刻气体开关Kl完全导通，在冲击电流上升沿作用下，模拟接地平台SGP与大地产生了高频的振荡电位差。由于模拟接地平台SGP与接地网之间电位差幅值较高，为气体开关K2的导通创造了条件。从基准时刻to起经过八^延时，控制器MCP向气体开关K2发出触发脉冲，从△ t2结束时刻起经△ t3延时，气体开关在^时亥Ij完全导通。^至^为高频电位升高的阶段。从基准时刻to起至t2时刻，为可以控制的时间段值。△ ti的时间值由空气开关Kl需要的触发时间决定，为不可控制的时间段值；Δ t3的时间值由空气开关K2需要的触发时间决定，为不可控制的时间段值；A t2的时间段值由波形电路的特征来决定，为可控制的时间段值。
[0047]图4为模拟暂态地电位升高的试验方法流程图。优选地，步骤401控制器MCP控制所述高压直流电源HVCD经所述限流电阻Rl对所述储能电容器Cl进行充电(图1中进行详细介绍)。控制器MCP控制高压直流电源HVDC经限流电阻Rl对储能电容器Cl进行充电。为满足本发明实施例的需求，本发明对高压直流电源HVDC的输出能力进行合理选择。直流电源HVDC如果输出电压太高，比如高于30kV，电源体积庞大，系统绝缘成本增加。本发明实施例选择直流电源HVDC输出能力在2 5kV-30kV，在本发明实施例的模拟暂态地电位升高的试验系统中，可以产生地电位升高10kV-15kV，本模拟暂态地电位升高的试验系统实现紧凑化布置。
[0048]优选地，步骤402判断电容器CI充电是否到达了设定值，当控制器MCP判断电容器Cl充电达到设定值时，则进行步骤403.
[0049]优选地，步骤403为控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路，以模拟所述模拟接地平台产生高频的振荡电位差(图1中进行详细介绍)。优选地，控制器MCP控制储能电容器Cl充电至设定值，设定to时刻基准时刻(时序在图3中进行详细介绍)并在to时刻向气体开关Kl发出触发脉冲，从基准时刻to起经过At1延时，在^时刻气体开关Kl完全导通，在冲击电流上升沿作用下，模拟接地平台SGP与大地产生了高频的振荡电位差。由于模拟接地平台SGP与接地网之间电位差幅值较高，为气体开关K2的导通创造了条件。从基准时刻to起经过Δ t2延时，控制器MCP向气体开关K2发出触发脉冲，从Δ ^结束时刻起经At3延时，气体开关在t2时刻完全导通J1St2为高频电位升高的阶段。
[0050]优选地，在气体开关Kl完全导通时(气体开关K2为开合状态)，储能电容器Cl中电流经过调波电路LR，与连接的高频电感LI连通，在冲击电流上升沿作用下，模拟接地平台SGP与大地产生高频的振荡电位差。
[0051]优选地，步骤404所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路，以模拟接地阻抗。优选地，在气体开关K2完全导通时(气体开关Kl仍然保持导通状态)，储能电容器Cl中电流经过调波电路LR，与连接的高压电阻R2连通。气体开关K2导通后，电弧模拟接地土壤中火花放电现象，实现模拟接地阻抗。同时，振荡电路减弱，波形变缓。电容器Cl与高频电感LI形成的放电回路，逐步转向电容器CI与电阻R2形成的放电回路。放电回路中从连通高频电感LI到与电阻R2连通，振荡电路更容易趋于稳定。
[0052]优选地，模拟接地平台SGP经过高频电感LI接地。高频电感LI采用高频铁氧体绕制而成，高频电感LI电感值在0.1uH至4uH之间选取。不同电感取值取决于波形特征要求。本发明实施例中电感在中低频信号IkHz以下，主要表现为电阻分量，本发明实施例将该阻值控制在0.2欧姆以下。在I kHz至I OMHz高频信号下，该电感表现出较好的电感特性，能够模拟接地网的阻抗中电感分量。
[0053]优选地，步骤405，模拟接地平台SGP包括屏蔽箱、绝缘平台、均压环及高压测量装置，屏蔽箱用于模拟电子设备外壳或者传感器安装支架，同时实施对被试电子设备或传感器的水平和垂直耦合，绝缘平台用于模拟变压器或开关设备外壳，电压测量装置用于测量电位升高后电子设备或传感器的电压值，以判断电位升高对于电子设备或传感器的影响程度。本模拟暂态地电位升高的试验方法完成了一次模拟地电位升高的全过程。
[0054]已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0055]通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
【主权项】
1.一种用于模拟暂态地电位升高的试验系统，该试验系统包括:控制器MCP、高压直流电源HVCD、电容器Cl、高频电感L1、限流电阻Rl、气体开关Kl、气体开关K2、限流电阻R2、调波电路LR以及模拟接地平台SGP，所述模拟接地平台SGP经由所述高频电感LI接地，所述高压直流电源HVCD经由所述限流电阻Rl连接所述电容器Cl和所述气体开关K1，所述气体开关K2与限流电阻R2串联后同高频电感LI形成并联电路，所述控制器MCP用于控制气体开关Kl和气体开关K2的导通或断开； 所述控制器MCP控制所述气体开关Kl和气体开关K2均断开，从而使得所述高压直流电源HVCD经所述限流电阻Rl对所述储能电容器Cl进行充电； 所述控制器MCP在确定所述电容器Cl充电到达设定值后进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路，以模拟所述模拟接地平台SGP产生高频的振荡电位差；所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路，以模拟产生接地阻抗； 所述模拟接地平台SGP进行不同阻抗变化条件下耐受性测量。2.根据权利要求1所述的试验系统，所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路包括:所述控制器MCP控制所述气体开关Kl导通并且所述气体开关K2断开，从而实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP以及高频电感LI的连通。3.根据权利要求1所述的试验系统，所述控制器MCP进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路包括:所述控制器MCP控制气体开关Kl和K2均导通，实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP、高频电感LI以及电阻R2的连通。4.根据权利要求1所述的试验系统，所述模拟接地平台SGP包括:屏蔽箱、绝缘平台、均压环以及电压测量装置。5.根据权利要求1所述的试验系统，所述调波电路包括至少两个电感以及至少两个电阻。6.根据权利要求1所述的试验系统，所述调波电路产生标准波形包括2.6/50us，8/20us，10/350us，10/1000us的电流波，-或产生1.2/50us，8/20us的组合波。7.根据权利要求1所述的试验系统，所述储能电容器Cl和所述调波电LR路相互配合以生成参数不同的波形。8.根据权利要求1所述的试验系统，所述高压直流电源HVCD输出电压的范围为25kV至30kVo9.根据权利要求1所述的试验系统，所述高频电感LI采用高频铁氧体绕制，并且所述高频电感LI的电感值取值范围为0.1uH至4uH。10.—种使用试验电路来模拟暂态地电位升高的试验方法，其中试验电路包括: 控制器MCP、高压直流电源HV⑶、电容器Cl、高频电感L1、限流电阻Rl、气体开关Kl、气体开关K2、限流电阻R2、调波电路LR以及模拟接地平台SGP，所述模拟接地平台SGP经由所述高频电感LI接地，所述高压直流电源HVCD经由所述限流电阻Rl连接所述电容器Cl和所述气体开关Kl，所述气体开关K2与限流电阻R2串联后同高频电感LI形成并联电路，所述控制器MCP用于控制气体开关Kl和气体开关K2的导通或断开； 所述方法包括: 控制所述气体开关Kl和气体开关K2均断开，从而使得所述高压直流电源HVCD经所述限流电阻Rl对所述储能电容器Cl进行充电； 在确定所述电容器Cl充电到达设定值后，控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路，以模拟所述模拟接地平台产生高频的振荡电位差； 控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路，以模拟接地阻抗； 进行不同阻抗变化条件下耐受性测量。11.根据权利要求10所述的试验方法，所述进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述高频电感LI建立回路包括:控制所述气体开关Kl导通并且所述气体开关K2断开，从而实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP以及高频电感LI的连通。12.根据权利要求10所述的试验方法，所述进行电路控制以使得所述调波电路LR与所述限流电阻R2建立回路包括:控制所述气体开关Kl和K2均导通，实现电容器Cl、调波电路LR、模拟接地平台SGP、高频电感LI以及电阻R2的连通。13.根据权利要求10所述的试验方法，所述模拟接地平台SGP包括:屏蔽箱、绝缘平台、均压环以及电压测量装置。14.根据权利要求10所述的试验方法，所述调波电路包括至少两个电感以及至少两个电阻。15.根据权利要求10所述的试验方法，所述调波电路产生标准波形包括2.6/50us，8/20us，10/350us，10/1000us的电流波，或产生1.2/50us，8/20us的组合波。16.根据权利要求10所述的试验方法，所述储能电容器Cl和所述调波电路LR相互配合以生成参数不同的波形。17.根据权利要求10所述的试验方法，所述高压直流电源HVCD输出电压的范围为25kV至30kV。18.根据权利要求10所述的试验方法，所述高频电感LI采用高频铁氧体绕制，并且所述高频电感LI的电感值取值范围为0.1uH至4uH。
【文档编号】G01R31/00GK106019005SQ201610327363
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】李志远, 刘之方, 李龙龙, 肖燕, 刘有为, 党冬, 李会兵
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网河南省电力公司电力科学研究院