一种特快瞬态过电压测量系统的制作方法

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种特快瞬态过电压测量系统。

背景技术：

气体绝缘开关设备(gasinsulatedswitchgear，简称gis)，由于设备封闭而且充入绝缘气体，灭弧能力强，占地面积小，被广泛应用于超高压和特高压开关和母线设备上。gis设备中的隔离开关，接地开关和断路器在执行操作时，会产生特快速瞬态过电压(veryfasttransientovervoltage，简称vfto)，由于vfto的幅值很高，频率很高，陡度很大，会对设备安全运行构成严重威胁，因此，实现对vfto的准确测量，能够为gis设备实现安全运行提供参考依据。

但是，vfto上升时间极短，通常仅有几纳秒，并且，vfto是叠加于工频电压上，并受到等效频率接近直流电的残余电荷电压的影响，此外，gis设备在产生vfto时，还会伴随产生很高的暂态对地电压(transientearthvoltage，简称tev)，并伴有很强的空间电磁干扰，因此，为了实现vfto测量设备对vfto进行准确测量，要求vfto测量设备响应时间很短，频带很宽，并且具有抗干扰空间电磁干扰的能力。

现有技术中，测量vfto主要采用平板电极结构的平板电容传感器，但是，现有技术的测量vfto中采用的平板电容传感器的低压臂电容小，分压比较小，无法实现较大宽度的频带响应，导致测量回路中rc时间常数变小，低频响应变差，频带变窄；此外，平板电极结构的阻抗很难与测量电缆的阻抗相匹配，会产生折反射电压，折反射电压波形叠加到被测电压波形上，引起波形振荡和畸变。因此，现有技术中的测量vfto中采用的平板电容传感器无法实现对vfto的准确测量。

技术实现要素：

本申请提供了一种特快瞬态过电压测量系统，以解决现有技术中存在的问题。

根据本申请的实施例，提供一种特快瞬态过电压测量系统，包括：锥体电容传感器、积分器、采集装置和工控机；其中:

所述锥体电容传感器设置有第一锥体和第二锥体；所述第一锥体同轴设置在所述第二锥体内部，所述第一锥体与所述第二锥体之间填充有电介质膜；所述第二锥体设置有锥体底面。

所述积分器包括壳体和设置于所述壳体内的阻容积分电路，所述壳体上设置有输入端和输出端；所述第二锥体的顶部设置有电缆接头，所述第二锥体通过所述电缆接头与所述积分器的所述输入端同轴连接；所述积分器的所述输出端与所述采集装置的一端连接；所述采集装置的另一端与所述工控机连接。

可选地，所述采集装置和所述工控机之间还设置有电光转换装置和光电转换装置，所述采集装置与所述电光转换装置电连接，所述工控机与所述光电转换装置电连接，所述电光转换装置和光电转换装置通过光纤远距连接。

可选地，所述第一锥体包括锥形角α，所述锥形角α的范围在15度-45度之间。

可选地，所述积分器的所述壳体为圆柱形空心壳体。

可选地，所述采集装置为模拟采集卡或示波器。

可选地，所述采集装置外部设置有屏蔽罩。

可选地，所述电缆接头为金属制成的橡胶接头。

可选地，所述阻容积分电路的电阻阻值范围为20ω～80ω，所述阻容积分电路的电容容值范围为50pf～2nf。

可选地，所述第一锥体和所述第二锥体使用金属铝制成。

可选地，所述积分器的所述壳体使用金属制成。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种特快瞬态过电压测量系统，包括：锥体电容传感器、积分器、采集装置和工控机；其中，锥体电容传感器设置有第一锥体和第二锥体；第一锥体同轴设置在第二锥体内部，第一锥体与第二锥体之间填充有电介质膜；第二锥体设置有锥体底面；积分器包括壳体和设置于壳体内的阻容积分电路，壳体上设置有输入端和输出端；第二锥体的顶部设置有电缆接头，第二锥体通过电缆接头与积分器的输入端连接；积分器的输出端与采集装置的一端连接；采集装置的另一端与工控机连接。本申请提供的特快瞬态过电压测量系统使用时，设置在gis管道的预留窗口内，并固定在预留窗口的接地外壳上；第二锥体的锥体底面与gis管道内的导体，以及锥体底面与导体之间的填充气体构成高压臂电容；第一锥体与第二锥体以及电介质膜构成低压电容臂电容，呈锥体结构的低压臂电容在相同的感应面积下大于平板电容传感器的低压臂电容，使本申请中的锥体电容传感器具有更大的分压比和更宽的频带；此外，本申请中，由于低压臂电容呈锥体结构，使锥体电容传感器在电压波传播方向上形成尺寸渐变，与积分器平滑过渡连接，实现了锥体波阻抗到积分器波阻抗的平滑过渡，使系统内部电压相匹配，避免了电压波在锥体电容传感器内产生折反射而引起波形振荡和畸变，从而实现对vfto的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例示出的一种特快瞬态过电压测量系统的结构示意图；

图2为本申请实施例示出的一种特快瞬态过电压测量系统锥体电容传感器的结构示意图；

图3为本申请实施例示出的一种特快瞬态过电压测量系统积分器的结构示意图；

图4为本申请实施例示出的另一种特快瞬态过电压测量系统的结构示意图；

图5为本申请一种特快瞬态过电压测量系统测量出的雷电冲击电压波形示意图；

图6为本申请一种特快瞬态过电压测量系统测量出的上升沿低于10ns的电压波形示意图。

其中：1-锥体电容传感器，11-第一锥体，12-第二锥体，121-锥体底面，122-电缆接头，13-电介质膜，2-积分器，21-壳体，211-输入端，212-输出端，22-阻容积分电路，3-采集装置，31-屏蔽罩，4-工控机，5-电光转换装置，6-光电转换装置，7-接地外壳，8-gis管道，9-导体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一

本申请实施例提供了一种特快瞬态过电压测量系统，图1为本申请实施例示出的一种特快瞬态过电压测量系统的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供的一种特快瞬态过电压测量系统包括：锥体电容传感器1、积分器2、采集装置3、工控机4，其中：

参见图2，为本申请实施例示出的一种特快瞬态过电压测量系统锥体电容传感器的结构示意图。如图2所示，锥体电容传感器1设置有第一锥体11和第二锥体12；第一锥体11同轴设置在第二锥体12内部，第一锥体11与第二锥体12之间填充有电介质膜13；第二锥体12底部设置有锥体底面121。本申请中，第一锥体11和第二锥体12同轴设置，第一锥体11与第二锥体12具有相同大小的锥形角α，且第二锥体12的结构尺寸略小于第一锥体11锥体的结构尺寸，使第一锥体11和第二锥体12之间形成等距的间隙。

本申请第一锥体11和第二锥体12之间的间隙内填充有电介质膜13，电介质膜13采用电介质材料制成，能够在第一锥体11和第二锥体12之间实现层间绝缘，并能够作为缓冲层避免第一锥体11和第二锥体12之间产生碰撞。本申请中第二锥体12与锥体底面121形成锥体内腔，锥体内腔内填充绝缘气体，以起到防电弧作用。本实施例中，电介质膜13可以采用聚酰亚胺、聚乙烯或聚四氟乙烯，也可以采用其它通用的电介质材料。绝缘气体可以使用洁净空气、氮气、六氟化硫气体或其他能够实现绝缘防电弧的气体。因此，对于电介质膜13的具体材料，以及实现第一锥体11和第二锥体12之间实现层间绝缘的具体形式，本实施例不做具体限定。

本申请中，锥体电容传感器1设置在gis管道8的预留窗口内，并固定在预留窗口的接地外壳7上，以实现对gis设备vfto的测量。

参见图3，为本申请实施例示出的一种特快瞬态过电压测量系统积分器的结构示意图。如图3所示，积分器2包括壳体21和设置于壳体21内的阻容积分电路22，壳体21上设置有输入端211和输出端212；第二锥体12的顶部设置有电缆接头122，第二锥体12通过电缆接头122与积分器2的输入端211连接；积分器2的输出端212与采集装置3的一端连接；采集装置3的另一端与工控机4连接。

本申请中，积分器2中的阻容积分电路22能够对锥体电容传感器1的低频响应进行补偿，具有低通滤波、抑制高频响应的作用，从而改善锥体电容传感器1的低频特性。本申请中的阻容积分电路22也可以使用其他形式的积分电路替代，只要能够实现低通滤波、抑制高频响应的作用，从而改善锥体电容传感器1的低频特性均的积分电路均可以作为本申请中积分器2内的积分电路，因此，对于本申请中使用的积分器2的具体型号，以及积分器2内部积分电路的具体形式，本实施例中不做具体限定，本领域技术人员可根据使用成本等因素自行选择。

在一种可选择的实施方式中，积分器2的壳体21为圆柱形空心壳体，壳体21的材料可以选择金属材料。圆柱形空心壳体使用金属材料可以作为阻容积分电路22的电磁屏蔽层，用于屏蔽外界的电磁干扰，同时，金属材料能够保证积分器2两侧的电位一致。积分器2的壳体21的尺寸应该满足使积分器2的阻容积分电路22与壳体21之间形成的波阻抗与电缆接头122的波阻抗相等，积分器2的波阻抗可以通过同轴结构波阻抗计算公式计算得出，本实施例中不再赘述。

在一种可选择的实施方式中，电缆接头122为同轴电缆使用的金属材料制成的香蕉接头，积分器2的输入端通过同轴电缆与香蕉接头同轴连接，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，能够屏蔽电磁干扰，提高系统测量准确性。此外，本申请还可以使用其他能够保证第二锥体12与积分器2同轴连接的接头或其他能够实现同轴连接的连接方式，对于更多形式的同轴连接方式，本实施例中不再赘述。

本申请的锥体电容传感器1在安装在gis管道8上时，锥体底面121作为电容传感器高压臂的一部分，与gis管道8内部的导体9，以及锥体底面121与导体9之间填充气体构成高压臂电容；第二锥体12作为电容传感器低压臂的一部分，与第一锥体11以及电介质膜13构成低压臂电容。本申请中，由于第二锥体12的具有圆锥形表面，而锥体底面121为平面，因此，与锥体底面121的面积相比，第二锥体12的面积要大于锥体底面121的面积，由第二锥体12、第一锥体11以及电介质膜13构成低压臂电容大于相同感应面积下平板电容传感器的低压臂电容，这使得本申请的锥体电容传感器1具有更大的分压比和更宽的频带，此外，本申请中，由于低压臂电容呈锥体结构，使锥体电容传感器1在电压波传播方向上形成尺寸渐变，与积分器2平滑过渡连接，实现了锥体波阻抗到积分器波阻抗的平滑过渡，使系统内部电压相匹配，避免了电压波在锥体电容传感器1内产生折反射而引起波形振荡和畸变。

本申请中，作为电容传感器高压臂一部分的锥体底面121的直径大小与所测过电压的频率有关，具体来说，当vfto产生的电磁波沿gis管道8轴向传播时，gis管道截面的不同位置在同一时刻产生的感应电位是不相等的，因此，要测量出准确的电压波形，就要求电容传感器的感应电极的轴向尺寸，即本申请中的锥体底面121的直径远小于测量波形的波长，以避免由感应电位不相等和感应电极结构过大对过电压波形的测量造成影响。示例地，感应电极的轴向尺寸，即本申请中的锥体底面121的直径可以按照以下公式计算：

其中，d—允许的电极直径；

c0—光速；

fmax—被测波形最高频率；

δv/v—电极表面允许的相对电位差。

一般的，选取δv/v＝0.01，若fmax＝100mhz，计算可得出d＝191mm，即锥体底面121的直径最大可优选取191mm。

本申请中，锥形角α的尺寸与gis管道8的预留窗口的尺寸有关，由于锥体底面121优选的最大直径可以确定，锥形角α的变化就决定了锥体电容传感器1的高度和锥体内腔的大小。但是，锥形角α的取值不可过大或过小，当锥形角α过大时，会导致锥体电容传感器1的分压比变小，当锥形角α过小时，会导致锥体电容传感器1的高度过高而无法安装在gis管道8的预留窗口中，因此，本实施例中优选锥形角α在15°～45°。

本申请中，第一锥体11和第二锥体12在远离锥体底面121的方向上呈现尺寸逐渐缩小的锥体结构，并在第二锥体12的顶部实现尺寸与积分器2的输入端211尺寸相匹配。本申请中，第二锥体12的顶部设置有电缆接头122，电缆接头122与积分器2的输入端211连接，积分器用于改善锥体电容传感器1的高低频响应特性，本实施例中的阻容积分电路22优选的电阻阻值范围为20ω～80ω，电容容值范围为50pf～2nf，如果在优选的阻值和容值范围之外，则会导致波形测量效果变差。

在一种可选择的实施方式中，第一锥体11和第二锥体12使用金属铝制成，以实现优良的导电性，降低第一锥体11和第二锥体12的波阻抗。

本申请中，积分器2的输出端212与采集装置3的一端连接，本申请中的采集装置3根据被测电压信号选取采样率和频带宽度，通过对被测电压信号进行采样，将电压信号转换成数字信号，并且，采集装置的另一端与工控机4连接，从而实现将采集装置转换成的数字信号传送至工控机4，工控机4根据采集装置3采样获取的数字信号显示所测的电压波形，并通过分压比计算得出特快瞬态过电压的实际波形。此外，工控机4还可对采集装置3的采样率和频带进行调控，以使采集装置适应不同的测量环境。本申请中，工控机可以为带有输入输出设备、显示设备和外部接口的工业控制计算机，对于工业控制计算机的具体型号，本领域技术人员可以根据成本和使用规模等因素自行确定，本实施例中不做具体限定。

在一种可选择的实施方式中，本申请的采集装置3为采集卡，采集卡能够根据预设的采样频率和采样带宽对积分器2输出的电压信号进行采样，并将采样获得的电压信号转换呈数字信号并输出。同时为了实现采集卡能够适应各种极端测试情形，采集卡可以使用蓄电池或太阳能供电，以实现不依赖外部供电。

在另一种可选择的实施方式中，本申请的采集装置3也可以使用示波器，由于示波器也具备数据采样和a/d转换的功能，因此也可以实现对积分器2输出的电压信号进行采样，并将采样获得的电压信号转换呈数字信号并输出。

在一种可选择的实施方式中，采集装置3外部设置有屏蔽罩31。本申请中，由于采集装置3用于将积分器2输出的电压信号进行采样，并将采样获得的电压信号转换呈数字信号并输出，因此采集装置3采样的准确性影响着测量的准确性，因此，为了避免采集装置3受到外界电磁干扰，本实施例在采集装置3外部设置有屏蔽罩31。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种特快瞬态过电压测量系统，包括：锥体电容传感器、积分器、采集装置和工控机；其中，锥体电容传感器设置有第一锥体和第二锥体；第一锥体同轴设置在第二锥体内部，第一锥体与第二锥体之间填充有电介质膜；第二锥体设置有锥体底面；积分器包括壳体和设置于壳体内的阻容积分电路，壳体上设置有输入端和输出端；第二锥体的顶部设置有电缆接头，第二锥体通过电缆接头与积分器的输入端连接；积分器的输出端与采集装置的一端连接；采集装置的另一端与工控机连接。本申请提供的特快瞬态过电压测量系统使用时，设置在gis管道的预留窗口内，并固定在预留窗口的接地外壳上；第二锥体的锥体底面与gis管道内的导体，以及锥体底面与导体之间的填充气体构成高压臂电容；第一锥体与第二锥体以及电介质膜构成低压电容臂电容，呈锥体结构的低压臂电容在相同的感应面积下大于平板电容传感器的低压臂电容，使本申请中的锥体电容传感器具有更大的分压比和更宽的频带；此外，本申请中，由于低压臂电容呈锥体结构，使锥体电容传感器在电压波传播方向上形成尺寸渐变，与积分器平滑过渡连接，实现了锥体波阻抗到积分器波阻抗的平滑过渡，使系统内部电压相匹配，避免了电压波在锥体电容传感器内产生折反射而引起波形振荡和畸变，从而实现对vfto的准确测量。

实施例二

图4为本申请实施例二示出的另一种特快瞬态过电压测量系统的结构示意图。如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于：

采集装置3和工控机4之间还设置有电光转换装置5和光电转换装置6，采集装置3与电光转换装置5电连接，工控机4与光电转换装置6电连接，电光转换装置5和光电转换装置6通过光纤远距连接。

本实施例中的电光转换装置5能够将采集装置3输出的数字信号转换成光信号。通过光纤传送给光电转换装置6，光电转换装置6能够将光信号还原成电信号，并输入至工控机4。由于gis设备通常架设距离长，gis管道8上的特快瞬态过电压测量点与工控机4所在的控制中心或监测站往往相隔很长的距离，为了实现对gis设备特快瞬态过电压的远距离测量，本实施例中通过在采集装置3的输出一侧连接电光转换装置5，将测量信号由电信号转换成光信号，利用低损耗长距离传输的特点，实现测量信号的远距离传输，并在测量信号的接收端设置光电转换装置6，使光信号还原呈电信号并输入至工控机，工控机4根据采集装置3采样获取的数字信号显示所测的电压波形，并通过分压比计算得出特快瞬态过电压的实际波形。此外，工控机4还可以通过光电转换装置6反向将控制信号输入，将控制信号转换成光信号，远距离传输给电光转换装置5，电光转换装置5将光信号还原成控制信号，实现对采集装置3的采样率和频带的远程调控。

本申请中的电光转换装置5和光电转换装置6可以使用现有技术中的光纤收发器，也可以使用其他可实现电-光转换和光-电转换的设备，对于电光转换装置5和光电转换装置6的具体形式，本实施例中不做具体限定。

本申请实施例，通过在采集装置3和工控机4之间设置有电光转换装置5和光电转换装置6，实现了对gis设备vfto的远程测量，并且，如果在控制中心或监测站内安装一个或多个工控机，连接多个测量点，就可以实现在一个控制中心或监测站内对多个测量点进行集中测量，极大地提高了测量效率。

图5为本申请一种特快瞬态过电压测量系统测量出的雷电冲击电压波形示意图，其中a为原电压波形，b分布式同轴圆锥传感器测得波形。从图5中可看出特快速瞬态过电压测量系统对长波尾波形的还原性好，即低频响应好。

图6为本申请一种特快瞬态过电压测量系统测量出的上升沿低于10ns的电压波形示意图，其中a为原电压波形，b为分布式同轴圆锥传感器测得波形。从图6可看出特快速瞬态过电压测量系统能够完好的还原上升沿低于10ns的高频电压波形，即高频响应好。这说明该测量系统可以完整的还原出vfto波形的高频分量和低频分量。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种特快瞬态过电压测量系统，包括：锥体电容传感器、积分器、采集装置和工控机；其中，锥体电容传感器设置有第一锥体和第二锥体；第一锥体同轴设置在第二锥体内部，第一锥体与第二锥体之间填充有电介质膜；第二锥体设置有锥体底面；积分器包括壳体和设置于壳体内的阻容积分电路，壳体上设置有输入端和输出端；第二锥体的顶部设置有电缆接头，第二锥体通过电缆接头与积分器的输入端连接；积分器的输出端与采集装置的一端连接；采集装置的另一端与工控机连接。本申请提供的特快瞬态过电压测量系统使用时，设置在gis管道的预留窗口内，并固定在预留窗口的接地外壳上；第二锥体的锥体底面与gis管道内的导体，以及锥体底面与导体之间的填充气体构成高压臂电容；第一锥体与第二锥体以及电介质膜构成低压电容臂电容，呈锥体结构的低压臂电容在相同的感应面积下大于平板电容传感器的低压臂电容，使本申请中的锥体电容传感器具有更大的分压比和更宽的频带；此外，本申请中，由于低压臂电容呈锥体结构，使锥体电容传感器在电压波传播方向上形成尺寸渐变，与积分器平滑过渡连接，实现了锥体波阻抗到积分器波阻抗的平滑过渡，使系统内部电压相匹配，避免了电压波在锥体电容传感器内产生折反射而引起波形振荡和畸变，从而实现对vfto的准确测量。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。