基于电容分压法vfto测量传感器的局放一体化探头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，属于高压设备局部放电在线检测技术领域。其包括交流电压源V1、探头对GIS导杆电容C1、探头对地电容C0、一次电容分压盒、电缆T1、二次电容分压盒、示波器，一次电容分压盒通过第一端口和第二端口与探头对电容C0并联后再与电压源V1、探头对GIS导杆电容C1串联，一次电容分压盒通过第三端口连接于电缆T1的一端；二次电容分压盒通过第一端口和第二端口与示波器并联，二次电容分压盒通过第三端口连接于电缆T1的另一端。采用特高频法测量局部放电，安装于GIS内部，能有效抑制外界干扰，灵敏度高，是一种非常有效的局放监测手段，弥补了目前特高压系统局放监测的不足。
【专利说明】
基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头
技术领域
[0001] 本发明涉及高压设备局部放电在线检测技术领域，特别是涉及一种基于电容分压 法VFT0测量传感器的局放一体化探头。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着特高压交流输电技术的发展，气体绝缘开关设备(Gas-insulated Metal-enclosed Switchgear，GIS)在特高压变电站获得广泛应用。GIS中隔离开关在开合 空载短母线时，会产生特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，VFT0)，对 GIS及其连接的绕组设备绝缘产生影响。之前研究表明，GIS隔离开关在操作时会产生频率 上百MHz、上升沿数ns的VFT0,其实测最大值可达2.27倍基准值。随着输电系统电压等级的 提高，电气设备的绝缘裕度会降低，VFT0在特高压设备上造成的危害将更大。同时，隔离开 关操作会产生瞬态壳体电位(Transient Enclosure Voltage，TEV)及电磁骚扰，对GIS及其 临近二次设备绝缘产生威胁，干扰其正常运行，并威胁运行人员安全。随着系统电压等级的 提高，VFT0、TEV和电磁骚扰越来越严重，影响也越来越大。特高压交流试验示范工程投运 时，因担心上述危害，特高压GIS隔离开关一直未带电操作，给系统运行带来了极大的不便， 亟需开展特高压GIS设备VFT0研究。
[0003] 为了解决特高压工程面临的特高压GIS设备VFT0这一突出问题，2009年起，国家电 网公司立项，由交流建设部牵头，组织中国电科院、国网电力科学研究院、华北电力大学、清 华大学、西安交通大学、河南平高电气股份有限公司平高和西安西电开关电气有限公司，开 展特高压GIS设备VFT0的产学研用联合攻关，攻关项目分为两期，并得到了国家973计划"交 直流特高压输电系统电磁与绝缘特性的基础问题研究"的支持。
[0004] 局放在线检测方面以GIS为例进行说明。近年来，GIS局部放电在线监测系统在电 网中的应用日益广泛，已经形成一定规模。主要的测试原理包括特高频法（Ultra High Frequency，UHF)，检测频带在300MHz~1500MHz之间，其具有抗干扰能力强、灵敏度高等特 点，而且这种非接触式的测量方式对于二次设备和检测人员而言都更安全，系统结构简单， 特别适合于在线监测，因而较之于其它检测方法具有明显的优势。近年来全国各地通过特 高频在线监测和带电测试发现了大量GIS内部缺陷案例，使其成为目前GIS在线检测领域最 重要的检测手段。
[0005] 然而现有的特高压GIS设备现场局放监测中普遍存在检测灵敏度不够和抗干扰能 力差的问题。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供一种基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头， 其采用特高频法测量局部放电，安装于GIS内部，能有效抑制外界干扰，灵敏度高，从而更加 适于实用。
[0007] 为了达到上述第一个目的，本发明提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放 一体化探头的技术方案如下：
[0008] 本发明提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头包括交流电压 源VI、探头对GIS导杆电容C1、探头对地电容C0、一次电容分压盒、电缆T1、二次电容分压盒、 示波器，
[0009] 所述一次电容分压盒通过第一端口和第二端口与所述探头对地电容C0并联后再 与所述电压源VI、探头对GIS导杆电容C1串联，所述一次电容分压盒通过第三端口连接于所 述电缆II的一端；
[0010] 所述二次电容分压盒通过第一端口和第二端口与所述示波器并联，所述二次电容 分压盒通过第三端口连接于所述电缆T1的另一端。
[0011] 本发明提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头还可采用以下 技术措施进一步实现。
[0012] 作为优选，所述探头对GIS导杆电容C1为lpF，所述探头对地电容C0为InF。
[0013]作为优选，一次电容分压盒内设有一次电容分压盒盒内电容C2、匹配电阻Rm，
[0014] 所述一次电容分压盒的第一端口处于所述一次电容分压盒盒内电容C2与所述匹 配电阻Rm之间，
[0015] 所述一次电容分压盒的第二端口处于所述一次电容分压盒盒内电容C2与第一地 电压D1之间，
[0016] 所述一次电容分压盒盒内电容C2为1200pF，所述匹配电阻Rm为50Q。
[0017]作为优选，所述二次电容分压盒内包括电容高压电阻R1、高压电容C3、补充低压电 容C4，
[0018] 所述电容高压电阻R1与所述高压电容C3并联后再与第二地电压D2、补充低压电容 C4串联，
[0019] 所述二次电容分压盒的第一端口处于所述高压电阻R1、高压电容C3、补充低压电 容C4之间，
[0020] 所述二次电容分压盒的第一端口处于所述补充低压电容C4与所述地电压之间，
[0021] 所述电容高压电阻R1为20MQ、高压电容C3为2pF、补充低压电容C4的值可调。
[0022] 作为优选，所述示波器包括示波器入口电阻R0、示波器入口电容C0，
[0023] 所述示波器入口电阻R0、示波器入口电容C0之间并联，
[0024] 所述示波器入口电阻R0为1MQ，所述示波器入口电容C0为13pF。
[0025] 作为优选，所述基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头还包括切换开 关、局放测量电路、VFTC测量电路、二次集总电容、上位机采集系统，
[0026]所述二次集总电容设置于所述VFT0测量电路上；
[0027]所述切换开关用于择一地接通所述局放测量电路或者所述VFT0测量电路；
[0028] 所述上位机采集系统用于向所述切换开关发送控制命令，使得所述切换开关在所 述局放测量电路或者所述VFT0测量电路之间进行择一 ,性切换。
[0029] 作为优选，所述上位机采集系统通过远程数据传输向所述切换开关发送控制命 令。
[0030] 作为优选，所述上位机采集系统与所述切换开关之间的通信方式为无线通信或者 有线通信。
[0031] 作为优选，所述无线通信选自蓝牙技术、Wi-Fi、4G，3G、GPRS、zigbee中的一种。 [0032] 作为优选，所述有线通信选自1^-232、1?-485、1^8、12(：、了11、3?1、1111?、以太网接 口中的一种。
[0033] 本发明提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头包括交流电压 源VI、探头对GIS导杆电容C1、探头对地电容C0、一次电容分压盒、电缆T1、二次电容分压盒、 示波器，一次电容分压盒通过第一端口和第二端口与探头对地电容C0并联后再与电压源 VI、探头对GIS导杆电容C1串联，一次电容分压盒通过第三端口连接于电缆T1的一端;二次 电容分压盒通过第一端口和第二端口与示波器并联，二次电容分压盒通过第三端口连接于 电缆T1的另一端。其测量频带达到5.3Hz-163Hz，采用特高频法测量局部放电，安装于GIS内 部，能有效抑制外界干扰，灵敏度高，是一种非常有效的局放监测手段，弥补了目前特高压 系统局放监测的不足。
【附图说明】
[0034] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0035] 图1为本发明实施例提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头的 电路原理图；
[0036] 图2为当输入电压为
时，本发明实施例提供的基于电容分 压法VFT0测量传感器的局放一体化探头在示波器上显示的电压-频率变化关系示意图；
[0037] 图3为当导杆电压戈
时，本发明实施例提供的基于电容分压 法VFT0测量传感器的局放一体化探头N头芯子上电压的幅频响应电压-频率变化关系示意 图；
[0038] 图4为本发明实施例提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头与 切换开关配合应用的典型结构示意图。
【具体实施方式】
[0039] 本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种基于电容分压法VFT0测量传感器的 局放一体化探头，其采用特高频法测量局部放电，安装于GIS内部，能有效抑制外界干扰，灵 敏度高，从而更加适于实用。
[0040] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探 头，其【具体实施方式】、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的"一实施 例"或"实施例"指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特 点可由任何合适形式组合。
[0041] 本文中术语"和/或"，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关 系，例如，A和/或B，具体的理解为:可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在 B，能够具备上述三种任一种情况。
[0042] 实施例一
[0043]参见附图1，本发明实施例提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化 探头包括交流电压源VI、探头对GIS导杆电容C1、探头对地电容C0、一次电容分压盒、电缆 T1、二次电容分压盒、示波器，一次电容分压盒通过第一端口和第二端口与探头对地电容C0 并联后再与电压源VI、探头对GIS导杆电容C1串联，一次电容分压盒通过第三端口连接于电 缆T1的一端;二次电容分压盒通过第一端口和第二端口与示波器并联，二次电容分压盒通 过第三端口连接于电缆T1的另一端。
[0044] 本发明实施例一提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头包括 交流电压源VI、探头对GIS导杆电容C1、探头对地电容C0、一次电容分压盒、电缆T1、二次电 容分压盒、示波器，一次电容分压盒通过第一端口和第二端口与探头对地电容C0并联后再 与电压源VI、探头对GIS导杆电容C1串联，一次电容分压盒通过第三端口连接于电缆T1的一 端;二次电容分压盒通过第一端口和第二端口与示波器并联，二次电容分压盒通过第三端 口连接于电缆T1的另一端。测量频带达到5.3Hz-163Hz，采用特高频法测量局部放电，安装 于GIS内部，能有效抑制外界干扰，灵敏度高，是一种非常有效的局放监测手段，弥补了目前 特高压系统局放监测的不足。
[0045] 参见附图2,为当输入电压为
时，本发明实施例提供的基于 电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头在示波器上显示的电压-频率变化关系示意 图中，平坦部分幅值为1.89V。测量系统理论分压比为466666,与以前标定结果（478425、 468353)-致。VFT0探头空载情况下，相当于负载开路，工频情况下N头芯子对地电压峰值为 88.2V，而N头耐压为2000V，不会产生风险。
[0046] 参见附图3,当导杆电压为
时本发明实施例提供的基于电容 分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头N头芯子上电压的幅频响应电压-频率变化关系 示意图中，工频情况电压为1.39mV，雷电频率范围（500kHz)电压为13V，不存在任何绝缘风 险。模拟局放测试结果表明，在实验室条件下VFT0局放传感器检测灵敏度可达5pC。由此可 以得出结论，VFT0探头在去掉二次集总电容模块的情况下，完全可以作为局放传感器使用。 [0047] 其中，探头对GIS导杆电容C1为lpF，探头对地电容C0为InF。
[0048]其中，一次电容分压盒内设有一次电容分压盒盒内电容C2、匹配电阻Rm，一次电容 分压盒的第一端口处于一次电容分压盒盒内电容C2与匹配电阻Rm之间，一次电容分压盒的 第二端口处于一次电容分压盒盒内电容C2与第一地电压D1之间，一次电容分压盒盒内电容 C2为1200pF，匹配电阻Rm为50Q。
[0049] 其中，二次电容分压盒内包括电容高压电阻R1、高压电容C3、补充低压电容C4,电 容高压电阻R1与高压电容C3并联后再与第二地电压D2、补充低压电容C4串联，二次电容分 压盒的第一端口处于高压电阻R1、高压电容C3、补充低压电容C4之间，二次电容分压盒的第 一端口处于补充低压电容C4与地电压之间，电容高压电阻R1为20MQ、高压电容C3为2pF、补 充低压电容C4的值可调。其中，补充低压电容C4不同示波器入口电容略有区别，在二次阻容 分压盒制造中调整补充低压电容C4值，使阻容分压比一致。
[0050] 其中，示波器包括示波器入口电阻R0、示波器入口电容C0，示波器入口电阻R0、示 波器入口电容C0之间并联，示波器入口电阻R0为1M Q，示波器入口电容C0为13pF。
[0051 ] 实施例二
[0052] GIS隔离开关操作会产生频率高达70MHz、上升时沿小于5ns的快速暂态过电压 (VFT0)，其实测最大值可达2.27倍基准值(8811^)。所以传统的￥?1'0探头外接示波器进行测 量的时候，必须带有二次集总电容结构进行降压，否则会损坏测量设备。但是，当进行局放 在线测量的时候，由于局放产生的信号相对较弱，所以此时进行检测的时候不能带有降压 结构。
[0053]因此，在本发明实施例一提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探 头的基础上，本发明实施例二提供的基于电容分压法VFT0测量传感器的局放一体化探头还 包括切换开关、局放测量电路、VFT0测量电路、二次集总电容、上位机采集系统，二次集总电 容设置于VFT0测量电路上；切换开关用于择一地接通局放测量电路或者VFT0测量电路;上 位机采集系统用于向切换开关发送控制命令，使得切换开关在局放测量电路或者VFT0测量 电路之间进行择一性切换。
[0054]其中，二次集总电容降压模块中带有保护单元，遇到瞬时峰值较大的意外情况，会 保护外接测量设备不受高压尖刺信号的损坏。
[0055] 其中，上位机采集系统通过远程数据传输向切换开关发送控制命令。
[0056] 其中，上位机采集系统与切换开关之间的通信方式为无线通信或者有线通信。 [0057] 其中，无线通信选自蓝牙技术、Wi-Fi、4G，3G、GPRS、zigbee中的一种。
[0058]其中，有线通信选自 1?-232、1?-485、1^8、12(：、1￥1、3?1、1￥11^、以太网接口中的一 种。
[0059]本实施例中，通信方式为RS-485，RS485的标准传输距离可传1200米，采用阻抗匹 配的低衰减的RS485专用电缆可以突破此值，典型值达1900米。所以完全能满足现场施工布 线的要求。
[0060] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造 性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0061] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征在于，包括交流电 压源VI、探头对GIS导杆电容CU探头对地电容C0、一次电容分压盒、电缆Tl、二次电容分压 盒、示波器， 所述一次电容分压盒通过第一端口和第二端口与所述探头对地电容CO并联后再与所 述电压源VI、探头对GIS导杆电容Cl串联，所述一次电容分压盒通过第三端口连接于所述电 缆Tl的一端； 所述二次电容分压盒通过第一端口和第二端口与所述示波器并联，所述二次电容分压 盒通过第三端口连接于所述电缆Tl的另一端。2. 根据权利要求1所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，优选的，所述探头对GIS导杆电容Cl为lpF，所述探头对地电容CO为InF。3. 根据权利要求1所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，一次电容分压盒内设有一次电容分压盒盒内电容C2、匹配电阻Rm， 所述一次电容分压盒的第一端口处于所述一次电容分压盒盒内电容C2与所述匹配电 阻Rm之间， 所述一次电容分压盒的第二端口处于所述一次电容分压盒盒内电容C2与第一地电压 Dl之间， 所述一次电容分压盒盒内电容C2为1200pF，所述匹配电阻Rm为50Ω。4. 根据权利要求1所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，所述二次电容分压盒内包括电容高压电阻Rl、高压电容C3、补充低压电容C4， 所述电容高压电阻Rl与所述高压电容C3并联后再与第二地电压D2、补充低压电容C4串 联， 所述二次电容分压盒的第一端口处于所述高压电阻R1、高压电容C3、补充低压电容C4 之间， 所述二次电容分压盒的第一端口处于所述补充低压电容C4与所述地电压之间， 所述电容高压电阻Rl为20ΜΩ、高压电容C3为2pF、补充低压电容C4的值可调。5. 根据权利要求1所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，所述示波器包括示波器入口电阻RO、示波器入口电容CO， 所述示波器入口电阻RO、示波器入口电容CO之间并联， 所述示波器入口电阻RO为IM Ω，所述示波器入口电容CO为13pF。6. 根据权利要求1所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，还包括切换开关、局放测量电路、VFTO测量电路、二次集总电容、上位机采集系统， 所述二次集总电容设置于所述VFTO测量电路上； 所述切换开关用于择一地接通所述局放测量电路或者所述VFTO测量电路； 所述上位机采集系统用于向所述切换开关发送控制命令，使得所述切换开关在所述局 放测量电路或者所述VFTO测量电路之间进行择一^性切换。7. 根据权利要求6所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，所述上位机采集系统通过远程数据传输向所述切换开关发送控制命令。8. 根据权利要求7所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，所述上位机采集系统与所述切换开关之间的通信方式为无线通信或者有线通信。9. 根据权利要求8所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，所述无线通信选自蓝牙技术、Wi_Fi、4G，3G、GPRS、zigbee中的一种。10. 根据权利要求8所述的基于电容分压法VFTO测量传感器的局放一体化探头，其特征 在于，所述有线通信选自1?-232、1?-485、1^8、12(：、了11、3?1、1111^、以太网接口中的一种。
【文档编号】G01R31/12GK105891689SQ201610232049
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】马国明, 李志兵, 唐志国, 李成榕, 王宁华, 刘鹏
【申请人】国家电网公司, 国网山西省电力公司, 华北电力大学, 中国电力科学研究院