本发明涉及电压监测技术领域，具体涉及一种感应电光式电网设备电压陡增监测装置及方法。
背景技术：
为了满足大容量电能远距离传输的需要，我国正在加速建设特高压输电网，而随着电压等级的升高，电网容量的增大，诸如特快速瞬态过电压等电压陡增现象对输变电设备的影响将会越来越大，严重危及电力系统的安全稳定运行。输变电设备是电力系统的关键设备，其内绝缘大多没有恢复能力，一旦遭受高幅值电压而引起损坏，修复起来十分困难，势必造成严重后果。国内外学者就电压陡增防护这一课题开展了大量研究，提出了很多防护模型与方法。然而，能否准确有效地对电压陡增情况进行监测从而获取实时电压数据，直接制约着这些防护方法的实际应用效果。
目前，对于电压陡增的监测主要借助于传感器来实现，具体地可划分为以下几个类别：(1)与被测设备间存在直接电气连接的接触式电压互感器，包括电阻分压器、电容分压器、阻容式分压器等用于35kv及以下电压等级的高压分压器，以及用于110kv及以上电压等级的套管末屏电压传感器。此类监测方法虽然具有较高的精度及良好的暂态响应特性，但由于其需要长期接入系统，不仅会增加系统一次设备的投入成本，同时也可能存在发热问题，给系统的稳定运行带来潜在风险；(2)与被测设备无直接电气连接的非接触式电容分压器。该类传监测方法具备更宽的频带以及更高的测量精度，但其存在诸多应用的限制条件，无法对不同电压等级下的监测需求进行全覆盖，同时监测信号抗干扰能力也存在一定的不足；(3)基于电光效应的光纤电压传感器(ovs)，包括有源型ovs、无源型ovs、全光纤ovs、基于电致伸缩原理的ovs、集成光波导等，随着新材料的不断应用，此类监测方法可测的电压幅值以及测量精度也随之提升，但其抗干扰能力尚未得到很好的改善。此外，此类监测技术是通过晶体的电光效应实现对电压的反推计算，由于晶体所能耐受的电压范围有限，因此该类监测技术应用于高电压等级时还需借助与一次系统相连的分压器。
技术实现要素：
针对现有监测技术无法满足所有电压等级下的监测需求的问题，本发明提供了一种感应电光式电网设备电压陡增监测装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种感应电光式电网设备电压陡增监测装置，包括括场-电感应多级监测模块和线性电-光效应双路传输模块；其中，
所述场-电感应多级监测模块包括场-电感应面板以及多级串联分压电容组，多级串联分压电容组一端与场-电感应面板相连，另一端接地；
所述线性电-光效应双路传输模块的输入端和多级串联分压电容组的抽头相连，输出端输出电压陡增值信号。
在所述多级串联分压电容组的两端配置有受控高速旁路开关。
所述多级串联分压电容组由n个串联的定值电容构成，每一级定值电容均有对应的抽头；n为整数且大于1。
所述线性电-光效应双路传输模块包括按照光路传输方向依次设置的光源发生器、第一准直透镜、起偏器、磷酸二氢钾晶片、光波长波片、检偏器、第二准直透镜以及双路信号接收器；其中，多级串联分压电容组的抽头与磷酸二氢钾晶片垂直方向的接口相连接；双路信号接收器包含起偏器方向垂直于检偏器方向的y轴信号i1以及起偏器方向平行于检偏器方向的x轴信号i2。
所述光波长波片为0.25倍的光波长波片。
同时，本发明还提供了一种感应电光式电网设备电压陡增监测方法，该方法采用上述的感应电光式电网设备电压陡增监测装置进行，具体包括如下步骤：
将场-电感应面板至于带电导体下方，将带电导体与场-电感应面板之间的区域进行三角形单元划分；
获取带电导体与场-电感应面板之间区域内所有三角形单元节点电压向量，并根据电压向量求得带电导体与场-电感应面板所组成的耦合虚拟电容cp；
计算多级串联分压电容组与带电导体实际电压值之间的电压比例系数k
式中，u0表示带电导体实际过电压值，ui-(i+2)表示分压档位ni与ni+2间的过电压测量值，cn表示cp,c1,c2,…,cn的串联电路总电容值，ci-(i+2)表示档位ni与ni+2间电容串联等效值；
根据线性电-光效应双路传输模块测量得到的光强i1及i2，求得双路电压值u1及u2，对u1及u2取平均得到量测值u；
结合电压比例系数k和量测值u，求得带电导体电压测量值us：
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明实施例提供的感应电光式电网设备电压陡增监测装置结构简单，便于推广应用。通过多级串联分压电容组实现了对不同电压等级下电压陡增的高精度量测。采用双光路干涉设计提升了电-光信号转换中的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的感应电光式电网设备电压陡增监测装置的结构原理图；
图2是多级串联分压电容组原理图；
图3是线性电-光效应双路传输模块原理图；
图4是本发明的实施例3提供的测试原理图；
图5是本发明的实施例3的正常运行工况下测量结果对比图；
图6是本发明的实施例3的操作过电压工况下测量结果对比图；
图7是本发明的实施例3的雷电冲击工况下测量结果对比图；
图8是本发明的实施例3的换流变压器空载合闸工况下测量结果图；
图9是本发明的实施例3的阀组闭锁工况下测量结果图；
图10是本发明的实施例3的直流线路故障工况下测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1
参阅图1所示，为本实施例提供的一种感应电光式电网设备电压陡增监测装置的结构示意图，该装置包括括场-电感应多级监测模块100和线性电-光效应双路传输模块200。其中，该场-电感应多级监测模块100包括场-电感应面板10以及多级串联分压电容组11，多级串联分压电容组11一端与场-电感应面板10相连，另一端接地；而该线性电-光效应双路传输模块200的输入端和多级串联分压电容组11的抽头相连，输出端输出经过逆推计算后得到的电压陡增值电压陡增值信号。
本装置使用时，将场-电感应面板10置于带电导体的正下方，与电网设备间不存在直接的电气连接，不会影响设备正常运行，通过多级串联分压电容组11实现了对不同电压等级下电压陡增的高精度量测。
作为本实施例的一种优选，在上述多级串联分压电容组11的两端配置有受控高速旁路开关vfc，一旦监测到多级串联分压电容组11两端电压超过设定值uset将闭合开关，保护多级分压电容组，uset设定为1.5倍额定电压。
具体地，如图2所示，上述的多级串联分压电容组由n个串联的定值c1,c2,…,cn所构成的多级分压单元，每一级分压单元均有对应的抽头n1,n2,…,nn，用以实现不同电压等级下的高精度测量。
如图3所示，上述的线性电-光效应双路传输模块200包括光源发生器20(采用天津港东gy-10型he-ne激光器)、第一准直透镜21、起偏器22、磷酸二氢钾晶片23、0.25倍光波长波片24、检偏器25、第二准直透镜26以及双路信号接收器27。各个部件之间的工作关系为：光源发生器20产生光源后，经过光纤传输至第一准直透镜21，变成一束平行的准直光柱入射至起偏器22，起偏器22将入射光调制成偏振光，入射至磷酸二氢钾晶片23，多级串联分压电容组20的抽头与磷酸二氢钾晶片23垂直方向的接口相连接，相当于在磷酸二氢钾晶片23的垂直方向施加了外电场，在此作用下，入射的偏振光产生双重折射，形成两束具备相位差的偏振光，这两束偏振光入射至0.25倍光波长波片24后，两者产生90°的相位偏移，随后这两束偏振光经检偏器25后入射至第二准直透镜26，产生起偏器方向垂直于检偏器方向的y轴信号i1以及起偏器方向平行于检偏器方向的x轴信号i2这两路信号，两路信号经过光纤传输至双路信号接收器27后，经放大器28增益后在示波器29中显示。通过对y轴信号i1以及x轴信号i2这两路信号的同步监测并取平均值，即可消除温度、电压对测量准确度的影响，提升抗干扰能力。
实施例2
本实施例提供了一种感应电光式电网设备电压陡增监测方法，该方法采用实施例1的感应电光式电网设备电压陡增监测装置进行，具体包括如下步骤：
将场-电感应面板至于带电导体正下方，cp表示带电导体与场-电感应面板所组成的耦合虚拟电容，其值的计算方法如下：
将带电导体与场-电感应面板之间的区域进行三角形单元划分，任意一个单元e均具有ijk三个节点，该单元的电场能系数矩阵[ke]为：
将所有单元的电场能系数矩阵按照节点序号合成为总体刚度矩阵[k]，进而形成有限元方程：
将带电导体电压作为边界条件代入式(2)对总体刚度矩阵[k]进行修改，具体修改方法为：若已知电位的节点号为m，则矩阵[k]的第m行、第m列的元素取为1，该行及该列其它元素均取为0。需要说明的是，此处带电导体电压为计算耦合虚拟电容值时在带电导体上主动施加的试验电压而非带电导体实时电压值。得到修改后的总体刚度矩阵[k′]，式(2)可改写为：
式中，{p}为基于边界条件得到的列向量。与[k′]的形成过程类似，当第m个节点的电位为已知量，则{p}中第m个元素即为该电位值，其它元素为该电位值与[k′]中第m列各元素乘积的相反数。
实际上，修改后的总体刚度矩阵[k′]虽然包含较大体量的元素，但其是一个对角线元素非零的稀疏矩阵，因此，采用三角分解法将其分解为下三角矩阵(l矩阵)以及上三角矩阵(u矩阵)，以此实现对
采用上述过程获得带电导体与场-电感应面板之间区域内所有单元节点电压向量后，对其进行微分运算，即可得到带电导线和场-电感应面板间的场强矢量e：
进一步对场强进行积分获得电荷q：
式中，ε为空气介电常数；最后根据电荷q与带电导体试验电压
根据电容串联时电压分布关系可计算多级串联分压电容组与带电导体实际电压值之间的电压比例系数k为：
式中，u0表示带电导体实际过电压值，ui-(i+2)表示分压档位ni与ni+2间的过电压测量值，cn表示cp,c1,c2,…,cn的串联电路总电容值，ci-(i+2)表示档位ni与ni+2间电容串联等效值。
线性电-光效应双路传输模块包含光源发生器、准直透镜、起偏器、磷酸二氢钾晶片、0.25倍光波长波片、检偏器以及双路信号接收器。双路信号包含起偏器方向垂直于检偏器方向的y轴信号i1以及起偏器方向平行于检偏器方向的x轴信号i2。根据测量得到的光强i1及i2，即可得到双路电压值u1及u2，即：
式中，i0为经起偏器起偏后的光源光强，δ为线性电-光效应下光学相位差，η及γ分别为磷酸二氢钾晶片的折射系数及线性电光系数。
对u1及u2取平均得到量测值u：
结合式(8)所示的电压比例系数k即可得到带电导体电压测量值us：
实施例3
本施例中的应用对象为广东某500kv换流变压器的出厂交接试验，试验原理如附图4所示，电压陡增测量点为换流变压器1.1套管出线。将实施例1提供的测量装置测量出的测量值与实际电压陡增情况进行对比，验证本发明测量装置的优越性。
本实施例所涉及的装置的具体模型参数如表1所示。本实施例所涉及的装置置于带电导体正下方，其场-电感应面板与带电导体距离为0.5m。
表1感应电光式电网设备电压陡增监测装置参数
首先，计算带电导体与场-电感应面板所组成的耦合虚拟电容cp。带电导体试验电压取10kv，带电导体与场-电感应面板的区域进行三角形单元划分，共包括65536个节点。根据带电导体与感应面板之间的几何位置关系以及各单元的边长和面积，计算总体刚度矩阵[k]，该矩阵包含65536*65536个元素：
根据由于带电导体电压已知(试验电压10kv)，因此对总体刚度矩阵[k]进行修改：
同时，根据边界条件，即带电导体上存在10kv的试验电压，构造向量{p}：
将修改后的总体刚度矩阵[k′]分解为下三角矩阵(l矩阵)以及上三角矩阵(u矩阵)，结合实施例2中的式(4)对所有节点电压向量
求得节点电压向量
进一步根据式施例2中的(6)对场强e进行积分计算电荷q，其中空气介电常数ε为8.85×10-12f/m，积分区域s为场-电感应面板与带电导体间的区域，即{-0.03≤x≤0.03,0≤y≤0.5}。
根据施例2中的式(7)可求得耦合虚拟电容cp的值：
其次，对多级串联分压电容组的具体参数进行计算。由表1可知，串联分压电容组有4个级单元(各单元电容均为0.01μf)以及4个分压抽头。本实例中选取抽头1及抽头3为测量端，此时分压比例系数为k为：
多级串联分压单元两端所配置的受控高速旁路开关vfc的动作门槛值为750kv。
最后对线性电-光效应双路传输模块参数进行设定。结合表1参数可知，光源光强i0为106cd/m，波长λ为632.8nm，磷酸二氢钾晶片的折射系数η为：1.472，电光系数γ为：3.9×10-11m/v。因此，双路电压值u1及u2为：
结合施例2中的式(11)及施例2中的(12)即可逆推得到带电导体的电压值：
本实施例应用于：
1.正常运行工况(50hz)下的电压陡增情况分析(图5)
2.隔离开关操作工况(khz)下的电压陡增情况分析(图6)
3.雷电流冲击工况(mhz)下的电压陡增情况分析(图7)
4.换流变压器空载合闸下的电压陡增情况分析(图8)
5.阀组闭锁下的电压陡增情况分析(图9)
6.直流线路故障下的电压陡增情况分析(图10)
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。