专利名称：一种标定电压的产生装置和方法
技术领域：
本发明涉及高电压领域，更具体地说，涉及一种标定电压的产生装置和方法。
背景技术：
在高电压研究和应用领域，经常涉及特快速暂态高电压问题，电压幅值可能达到 数百万V，电压上升时间在数ns范围，频率可达数十MHz。准确测量特快速暂态高电压，具 有重要的实际意义。例如，在电力系统的变电站，大量使用金属封闭气体绝缘组合电器(Gaslnsulated Switchgear, GIS)，它的运行中涉及特快速暂态高电压问题。下面借助图1加以说明GIS 母线的三段中心导体IlaUlb和11c，由绝缘子13支撑在金属外壳12内，隔离开关的动触 头14a和14b相对于中心导体Ila和Ilc可以伸出或缩回，完成与中心导体之间的关合或 分断操作。当中心导体Ila与工频电源连接，动触头14b处于断开状态，动触头14a处于操 作过程中时，可能出现这种现象，中心导体Ila与中心导体lib之间的断口出现高电压，导 致所述断口间隙击穿，断口间出现电弧，母线上产生特快速暂态高电压，其电压幅值可能远 远超过设备的额定电压，因此称其为特快速暂态过电压(VFTO)。VFTO对变电站设备的绝缘 构成严重威胁，在研究和解决VFTO问题时，需要对VFTO的波形进行准确测量。常用的对VFTO测量的方法是使用电阻分压器或电容分压器等，以下介绍GIS中 VFTO的电容分压器测量方法。参见图1所示，当测量母线上测量点15位置的VFTO时，由电 容分压器16与测量设备17构成的测量系统。所述的电容分压器16的结构如图2所示，在 对应测量点位置的GIS母线的外壳12上制作一个操作孔21，将一个感应电极22固定在操 作孔21中，感应电极22和GIS外壳12绝缘，感应电极22和高电压母线之间的杂散电容构 成电容分压器16的高压臂，感应电极和GIS母线的外壳12之间的杂散电容构成电容分压 器16的低压臂，低压臂电压由电缆24输入到测量设备17。电容分压器16将特快速暂态高电压转换为一个波形不变、但电压幅值满足示波 器等测量设备17要求的低电压信号。为了保证特快速暂态高电压测量的准确性，要求对所 述测量系统的频率响应特性和分压比进行准确的标定。描述测量系统频率响应特性的一个 典型参数是“方波响应上升时间”，即系统在方波激励下，系统响应由低电平转换到高电平 的时间，所表明的是测量系统对快速变化电压的响应速度和测量能力；分压比是实际特快 速暂态高电压与转换后的低电压的比值；所谓标定就是赋予被标定的测量系统一定的参数 值，在此就是赋予电容分压器测量系统的方波响应上升时间和分压比的值。此由电容分压器16和测量设备17构成的测量系统，其频率响应特性和分压比通过试验进行标定，其过程是在母线测量点位置施加一个已知波形的特快速暂态高电压，将 已知的波形和被标定测量系统测得的波形进行比较，确定被标定电容分压器测量系统的频 率响应特性和分压比。所述的已知波形特快速暂态高电压为标定电压。为了实现准确的标 定，不仅要求标定电压具有足够高的波头上升陡度，即足够短的方波激励的电压上升时间， 还要求具有足够高的电压幅值，使得电容分压器的输出具有足够高的信号幅值和信噪比。
现有技术提供一种标定方法一个高电压陡脉冲发生器，输出已知波形和幅值的标定电压，电压上升时间在ns时间量级；高电压陡脉冲发生器通过过渡连接器与GIS母线 管道相连，输出脉冲作用在GIS的母线上；为了避免脉冲电压在母线两端的反射，保持母线 测量点的电压波形和标定源的电压波形相同，过渡连接器需要做到良好的波阻抗过渡，母 线的末端需要做到良好的阻抗匹配。上述现有技术提供的标定方法中，需要使用高电压陡脉冲发生器，并使用已有的满足测量精度的测量系统预先测量高电压陡脉冲发生器的输出波形，还需要复杂的波阻抗 匹配，结构复杂，测量过程繁琐。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种标定电压的产生装置和方法，以实现利用结构及测量方法简单的装置，完成对测量系统的标定，技术方案如下本发明提供一种标定电压的产生装置包括高压直流电源、放电间隙、高压导体和接地外导体；所述高压导体和接地导体之间高压绝缘；所述的高压直流电源连接在高压导体和接地导体的端部之间，用于为高压导体进行高电压直流充电；放电间隙连接于高压导体和接地导体之间，位于端部；所述放电间隙在高压导体 上的直流电压升高到一定幅值时被击穿。优选地，所述装置还包括连接于所述高压直流电源与高压导体端部之间的充电电 阻。优选地，所述高压直流电源与所述放电间隙连接于高压导体的相同端部。优选地，所述高压直流电源与所述放电间隙分别连接于高压导体的不同端部。优选地，所述高压导体为气体绝缘组合电器GIS母线的中心导体。优选地，所述接地导体为气体绝缘组合电器GIS母线的接地金属外壳。应用上述标定电压的产生装置，本发明还提供一种标定电压的产生方法，包括充电步骤启动所述高电压直流电源，为高压导体进行高电压直流充电；击穿步骤所述高压导体上的充电电压升高到一定幅值，导致所述与高压导体端部相连接的 放电间隙击穿；放电间隙击穿后，在高压导体上产生特快速暂态高电压；所述高压导体上 各位置处的特快速暂态高电压的波形可理论获得，即标定电压。对测量系统的标定方法包括测量所述放电间隙相连接的高压导体的电压，记录放电间隙击穿时刻的电压；在 所述高压导体上选择一测量点，所述测量点选择在高压导体上与所述放电间隙相反的端部 位置，此位置的特快速暂态高电压的理论波形是方波，幅值是放电间隙击穿电压的2倍；由 待标定的测量系统测得该测量点的电压波形，记录所述电压波形首次出现的第一个方波的 波头上升时间和该方波的电压幅值；根据所述测量结果对测量系统进行标定，包括对所述测量系统的频率响应特性进行标定，和对所述测量系统的分压比的标定； 对所述测量系统的频率响应特性的标定所述记录的第一个方波的波头上升时间 标定为测量系统至少达到的方波响应上升时间；对所述测量系统的分压比的标定所述记录的放电间隙击穿时刻电压的2倍，即 为标定方波电压的幅值，此标定方波电压的幅值与所述记录的第一个方波的幅值的比值， 标定为测量系统的分压比。优选地，所述测量点选择在高压导体上任意一点，所述测量点的特快速暂态高电 压的波形可通过理论获得。通过上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明通过在一段高电压绝缘的高压 导体和接地导体之间施加高电压，高压导体一端开路，另一端通过放电间隙与接地导体连 接，高电压使放电间隙击穿，在高压导体上产生通过理论计算可获知的特快速暂态高电压， 即标定电压，用于标定特快速暂态高电压测量系统。本发明避免使用高电压陡脉冲发生器 及已有的满足测量精度的测量系统来预先测量高电压陡脉冲发生器的输出波形，还避免了 复杂的波阻抗匹配，达到了简化结构和标定方法的目的。
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的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。图1为金属封闭气体绝缘组合电器的母线结构示意图；图2为电容分压器的结构示意图；图3为本发明实施例一的用于标定电容分压器测量系统的标定电压的产生装置 的结构示意图；图4为本发明实施例一的电容分压器测量系统测得的波形图；图5为本发明实施例二的用于标定电容分压器测量系统的标定电压的产生装置 的结构示意图。
具体实施例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 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。现有的用于标定测量系统的方法，需要使用高电压陡脉冲发生器，并对陡脉冲发 生器输出波形进行测量，还需要进行复杂的波阻抗匹配，结构复杂，测量方法繁琐。为解决上述问题，本发明提供一种标定电压的产生装置，包括高压直流电源、放电 间隙、高压导体和接地导体。还提供了一种标定电压的产生方法通过在一段高电压绝缘的 高压导体和接地导体之间施加高电压，高压导体一端开路，另一端通过放电间隙与接地导 体连接，高电压使放电间隙击穿，在高压导体上产生通过理论计算可获知的特快速暂态高电压，即标定电压，用于标定测量系统，达到简化结构和标定方法的目的。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合具体实施方式
对本 发明作进一步的详细说明。实施例一参见图3所示，本发明提供的一种标定电压的产生装置包括高压直流电源31、充电电阻32、放电间隙33、中心导体34和接地金属外壳35。在本实施例中，中心导体34为高压导体，接地金属外壳35为接地导体。高压直流电源31通过充电电阻32与GIS母线的中心导体34的一端36相连，放 电间隙33连接于中心导体34的一端36和接地外壳35之间，待标定的电容分压器测量系 统38位于中心导体另一端，对中心导体上的测量点37进行测量。其中，高压直流电源31输出电压可以为0 10万伏，中心导体34的典型长度为 1500mm，放电间隙33为充以高绝缘强度的SF6气体的放电间隙应用上述提供的标定电压装置，对电容分压器测量系统38进行标定，本发明所提 供的标定电压的产生方法及标定方法如下首先，进行充电过程，即启动高压直流电源31，产生高电压直流电，经过充电电阻32，对中心导体34进行 充电。同时，待标定的电容分压器测量系统38对中心导体上测量点37进行测量，测得的 波形在测量系统38中的示波器上显示，参见图4，在该波形上的A点之前的接近直线的波 形，即为充电过程显示的波形，因为在充电过程中，中心导体34上通过的为直流电，即使电 压随充电时间的增加而升高，但是由于充电时间极短，所以在示波器上并未显示其电压升 高过程，又因为中心导体或者示波器受其它电信号的干扰，所以在示波器上显示为一条接 近于直线的波形。然后，进行击穿过程即随着充电时间的增加，中心导体34上的充电电压随之升高，因为放电间隙34的 一端与中心导体相连接，另一端通过金属外壳35接地，所以当中心导体34的充电电压升高 到一定幅值时，放电间隙33两端出现高压电，导致放电间隙33击穿。放电间隙33击穿后， 中心导体一端36通过放电间隙33对接地金属外壳35短路，中心导体另一端开路。同时，用电压测量仪器测量中心导体一端36的电压，电压测量仪器在充电过程中 电压值升高，在放电间隙33击穿时，由于中心导体一端36接地，所以电压值极短时间内升 高到一定数值后又迅速变为零，记录电压测量仪器达到的最大值为7kV，即放电间隙击穿 33时刻击穿电压为7kV ；放电间隙33击穿后，被标定的电容分压器测量系统38对中心导体 另一端测量点37测得的波形，在图4中的显示为A点之后的波形。下面对该段波形的形成 原理进行说明在放电间隙33击穿时刻，中心导体34 —端36通过放电间隙33和金属外壳35接 地短路，在接地前一时刻中心导体34上有7kV的电压，由于中心导体一端36接地短路，电 压迅速降为零，而中心导体另一端开路，所以在中心导体34上就会形成行波的来回反射， 在中心导体一端36产生行波负的全反射，在中心导体另一端形成行波正的全反射，在理想 情况下，即中心导体的波阻抗均勻，中心导体无阻抗放电间隙击穿具有理想开关特性，则在中心导体另一端产生的电压为周期方波。而实际中无法做到理想的情况，中心导体上会存在损耗，行波的来回反射存在衰减，放电间隙33的击穿也有一个时间过程，所以使得方波 的波头具有一定的上升时间，尽管如此，由于中心导体34的波阻抗足够均勻，放电间隙33 性能足够高，所以放电间隙33击穿所产生的电压波行第一个方波仍十分接近理论方波波 形，第一个方波后续的波形由于损耗和衰减，波形产生影响。最后，进行标定过程电容分压器测量系统38的频率响应特性的标定据图4的波形图，记录第一个方波的上升时间，即第一个方波的B点所对应的横坐标与A点所对应的横坐标之差，据图形计 算可得第一方波的上升时间为6ns。因此，该测量系统至少达到的方波响应上升时间标定为 6ns ο电容分压器测量系统38的分压比的标定由于行波在此中心导体开路端产生正的全反射，反射之后两个行波的电压幅值在此叠加，所以在中心导体开路端所产生的特快 速暂态高电压为记录的放电间隙击穿电压7kV的2倍，即为14kV。据图4的波形图，记录第 一方波的电压幅值，即第一个方波的B点所对应的纵坐标与A点所对应的纵坐标的绝对值 之差，计算可得第一个方波的电压幅值为63mV。分压比为中心导体右端所产生的特快速暂态高电压与第一个方波的电压幅值的比值，即分压比=14kV/63mV = 14000V/0. 063V = 222222. 22。因此，该测量系统的分压比 标定为 222222. 22。需要说明是，在本发明实施例中所涉及的具体数值仅用于示意性说明，不应理解 为对本发明技术方案的限定。实施例二 参见图5所示，本发明提供的另一种标定电压的产生装置包括高压直流电源51、 充电电阻52、放电间隙53、中心导体54和接地金属外壳55。在本实施例中，中心导体54为高压导体，接地金属外壳55为接地导体。其中，高压直流电源51通过充电电阻52与GIS母线的中心导体54的一端56相 连，放电间隙53连接于中心导体54的另一端57和接地外壳55之间，待标定的电容分压器 测量系统58位于中心导体一端56，对中心导体一端56上的测量点进行测量。本实施例与实施例一的区别在于实施例一将放电间隙和高压直流电源连接于中 心导体的相同端部，本实施例将放电间隙和高压直流电源连接于中心导体的不同端部。实 施例一与实施例二所提供的装置所起到的应用效果是一样的。应用本实施例提供的标定电压的产生装置，对电容分压器测量系统58进行标定。 本实施例的标定电压的产生方法和标定方法与实施例一类似，在这里就不再详细论述。关 键点在于与放电间隙53相连接的中心导体端部57，在放电间隙53击穿后通过接地金属 外壳55短路；通过充电电阻52与高压直流电源51相连接的中心导体54的端部56，由于 充电电阻52的阻值远远大于中心导体54的波阻抗，在放电间隙击穿后，中心导体54的端 部56开路。需要说明的是，在上述实施例中待标定的测量系统所选测量点位于中心导体的端 部，所述端部为与所述放电间隙不相连接的中心导体端部。所述测量点可以选择在中心导 体上的其他位置，所述测量点的特快速暂态高电压的波形可通过理论获得。
还有，需要说明的是，在上述实施例中的高压导体和接地导体为同轴结构的两个 导体，所述高压导体和接地导体还可以是平行平板的两个导体，或其他形状的行波线结构。
另外，需要说明的是，上述是实例中测量系统是电容分压器测量系统，该测量系统 可以是用于测量特快速暂态高电压的其他测量系统。上述实施例，通过在中心导体和接地金属外壳之间施加高电压，使中心导体一端 开路，另一端通过击穿放电间隙与接地金属外壳连接而短路，在中心导体上产生通过理论 计算可获知的特快速暂态高电压，即标定电压，用于标定电容分压器测量系统，达到简化结 构和标定方法的目的。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部 分，可以参见其他实施例的相关描述。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人 员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显 而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它 实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所 公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
一种标定电压的产生装置，其特征在于，包括高压直流电源、放电间隙、高压导体和接地导体；所述高压导体和接地导体之间高压绝缘；其中，高压直流电源连接在高压导体和接地导体的端部之间；所述高压直流电源用于为高压导体和接地导体之间进行高电压直流充电；放电间隙连接于高压导体和接地导体的端部之间；所述放电间隙在高压导体和接地导体之间的电压升高到一定幅值时被击穿。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接于所述高压直流电源与高压 导体端部之间的充电电阻。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压直流电源与所述放电间隙连接 于高压导体的相同端部。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压直流电源与所述放电间隙分别 连接于高压导体的不同端部。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压导体为气体绝缘组合电器GIS母 线的中心导体。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接地导体为气体绝缘组合电器GIS母 线的接地金属外壳。
7.一种标定电压的产生方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的装置，所述产生方 法包括充电步骤启动所述高电压直流电源，为高压导体和接地导体之间进行直流充电；击穿步骤所述高压导体和接地导体之间的充电电压升高到一定幅值，导致所述与高压导体端部 相连接的放电间隙击穿；放电间隙击穿后，在高压导体上产生特快速暂态高电压，即标定电 压。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，产生标定电压之后，对测量系统的标定方 法包括测量所述放电间隙相连接的高压导体的电压，记录放电间隙击穿时刻的电压；在所述 高压导体上选择一测量点，所述测量点选择在高压导体上与所述放电间隙相反的端部位 置，此位置的特快速暂态高电压的理论波形是方波，幅值是放电间隙击穿电压的2倍，由待 标定的测量系统测得该测量点的电压波形，记录所述电压波形首次出现的第一个方波的波 头上升时间和该方波的电压幅值；根据测量结果，对测量系统进行标定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据测量结果，对测量系统进行标定 包括对所述测量系统的频率响应特性进行标定，和对所述测量系统的分压比的标定；对所述测量系统的频率响应特性的标定为将所述记录的第一个方波的波头上升时间 标定为测量系统至少达到的方波响应上升时间；对所述测量系统的分压比的标定为所述记录的放电间隙击穿时刻电压的2倍，即为标定方波电压的幅值，将此标定电压方波电压幅值与所述记录的第一个方波的幅值的比值，标定为测量系统的分压比。
全文摘要
本发明公开了一种标定电压的产生装置，包括高压直流电源、放电间隙、高压导体和接地导体；所述高压导体和接地导体之间高压绝缘；所述高压直流电源连接在高压导体和接地导体的端部之间；所述放电间隙连接于接地导体与高压导体端部之间；所述放电间隙在高压导体上的充电电压升高到一定幅值时被击穿。本发明还提供了一种标定电压的产生方法通过在一段高电压绝缘的高压导体和接地导体之间施加高电压，高压导体一端开路，另一端通过放电间隙与接地导体连接，高电压使放电间隙击穿，在高压导体上产生通过理论计算可获知的特快速暂态高电压，即标定电压，用于标定测量系统，达到简化结构和标定方法的目的。
文档编号G01R19/00GK101799488SQ20101011327
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月23日 优先权日2010年2月23日
发明者刘卫东, 岳功昌, 李志兵, 王承玉, 王绍武, 陈维江 申请人:清华大学;国家电网公司;中国电力科学研究院