本次发明专利的名称是一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，由国家电网公司申请，发明团队是成林、卢江平、王森、黄国强、齐卫东、孔志战、吴经锋、周传明、李娟绒、张鹏、刘洋。
摘要
本发明公开一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，包括：
1)制备B-dot线圈；
2)将B-dot线圈安装在GIS的一个法兰盖中央处；
3)对安装好的B-dot线圈进行标定；
4)GIS内部的一次导体上流过暂态电流时，对B-dot线圈的输出电压进行积分，得到一次导体中的暂态电流。
本发明可以对GIS设备内部的电磁暂态现象进行研究，进而通过标准试验，对GIS设备的性能进行评价，另外也可应用于对变电站中暂态电磁环境的研究，提高上述技术应用的精度和准确度。
技术特征：
1.一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备B-dot线圈；
2)将B-dot线圈安装在GIS的一个法兰盖中央处；
3)对安装好的B-dot线圈进行标定；
4)GIS内部的一次导体上流过暂态电流时，对B-dot线圈的输出电压进行积分，得到一次导体中的暂态电流。
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2.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，B-dot线圈采用刚性金属全屏蔽电缆弯制形成；该B-dot线圈包括不闭合的环形部，以及从环形部延伸出的延伸部；B-dot线圈包括三层：外部的铜屏蔽外壳、内部的铜导线以及位于铜导线与铜屏蔽外壳之间的绝缘体；延伸部尾部连接有BNC接头。
3.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，B-dot线圈与GIS的法兰盖连接处密封并固定。
4.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，步骤3)中对安装好的B-dot线圈进行标定，用于获得B-dot线圈与一次导体之间的互感系数M。
5.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，B-dot线圈的环形部平面与GIS中的一次导体平行。
6.根据权利要求2所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，铜导线的线径为2mm。
7.根据权利要求2所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，B-dot线圈的不闭合的环形部的直径为10cm、15cm、20cm、25cm或30cm。
8.根据权利要求1所述的一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：B-dot线圈安装好后，在GIS外部套管上设置一个标准的罗氏线圈；在一次导体产生一个暂态电流时，测量罗氏线圈的感应电流幅值，以及B-dot线圈的感应电压幅值，通过感应电流幅值除以感应电压幅值便获得B-dot线圈与一次导体之间的互感系数M，完成B-dot线圈的现场标定。
背景技术
气体绝缘变电站(GasInsulatedSubstation)因其受环境影响因素小、占用空间小、运行可靠性高、很少维修等优点在近二、三十年中得到了日益广泛的应用。随着运行电压和GIS内气压的提高，因隔离开关、接地开关和断路器的操作而引起的快速暂态过程将会更加明显和严重，并可能对系统引起若干不良影响，尤其是隔离开关切合空载母线时，因其操作的概率和频数比较大，操作周期比较长，造成过电压现象和电磁兼容问题不可避免，越来越引起世人的关注。
GIS中由开关操作引起的电磁暂态现象主要表现为：GIS母线套管上的快速暂态过电压(VFTO)、GIS壳体上的暂态地电位升高(TEV)，以及由于GIS内部产生高频特快速暂态电流(VFTC)，而在GIS周围空间产生暂态电磁场(TEM)和电磁干扰(EMI)，造成对二次设备的无干扰，如图1所示。
其中，快速暂态过电压VFTO和VFTC是GIS中最典型、危害最严重的一种电磁暂态现象。隔离开关在操作过程中，由于其切换速度慢，触头间隙会发生多次重燃，产生极陡的行波并在GIS管线内迅速发生折射、反射和叠加，产生高频振荡的快速暂态过电压即VFTO和VFTC。典型的VFTO和VFTC的波形，如图2和图3所示。
根据电磁场原理，VFTC和VFTO具有一定的相关性，VFTO产生暂态过电压的同时就会产生暂态过电流，根据实验表明，VFTO具有以下特点：
1)波前很陡，上升时间短(3～20ns)，电压上升率高，可达40MV/s；
2)频率高，主要集中在0.5～150MHz范围内，最高可达300MHz；
3)幅值不高，典型值为1.5～2.0p.u.，最高可达2.5p.u.。
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VFTO主要作用于GIS内部导体与壳体之间，危及GIS内部设备，尤其是对盆式绝缘子的绝缘危害非常大。当GIS内的VFTO以行波方式沿母线传播时，高频电流的肌肤效应使电流沿母线的外表面及外壳的内表面流动，到达套管后，一部分沿着架空线传播，对与之相连的电气设备(如变压器、架空线路)造成直接的绝缘损坏；另一部分则耦合到壳体与地之间，使GIS壳体上形成暂态地电位升高，即TGPR，幅值范围一般在0.1～0.25p.u.之间。数十到上百千伏的TGPR具有持续时间短、频率高和陡度大的特点，对二次设备构成过电压威胁。
目前，国内外对VFTO特性的研究，可以看出，对VFTO和VFTC特性的研究主要存在如下问题：
1)现有对快速暂态过电压的研究较多，但对快速暂态过电流特性研究较少，由于在高电位情况下电流测量较困难，且外部对电流干扰较大，屏蔽问题较难解决。
(2)实际运行中的GIS隔离开关速度较低，速度单一，难以改变隔离开关的分合闹速度，研究在多种不同隔离关速度情况下对产生VFTO和VFTC的影响较为困难。对于隔离开关分合闸速度对VFTO的影响，隔离开关运动速度越慢，分闸的时候重击穿的次数则越多，那么空载母线上的残余电荷就会越少，下一次合闹过程中所产生的VFTO的幅值也就越低，并没有给出实验数据。重合闹次数越多，残余电荷会越少，没有理论方面的解释。
(3)对隔离开关高频电弧特性的研究不够准确，对一次击穿中弧道电阻的确定缺乏依据，不能确定弧道电阻是回路的电阻值还是一次燃弧的弧阻值。
由于电压可以在GIS外部测试，因此目前对于GIS暂态过电压VFTO的测量方法较多。GIS电流探头是用于测量GIS内部导体暂态电流的传感器。在GIS隔离开关分合过程中，其暂态电流频率特性与快速暂态过电压(VFTO)特性类似，其电流高频部分频率上限达到100MHz，其低频部分在数百kHz。测量高频暂态电流的基本方法是采用罗氏线圈测量。测量较高频率电流的罗氏线圈，其体积尺寸都较小，所以测量电流的导体不能太大，此外还存在测量绝缘问题。因此用罗氏线圈测量电流，需解决和测量导体尺寸配合、测量绝缘问题。根据初步研究分析，采用罗氏线圈测量电流其结构复杂难度较大，解决成本也大。
因此，目前对GIS内部VFTC的测量是一个行业难题，急需一种结构简单、测试安全，且精度高的测量方法，对GIS的电磁暂态现象进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，包括以下步骤：
1)制备B-dot线圈；
2)将B-dot线圈安装在GIS的一个法兰盖中央处；
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3)对安装好的B-dot线圈进行标定；
4)GIS内部的一次导体上流过暂态电流时，对B-dot线圈的输出电压进行积分，得到一次导体中的暂态电流。
进一步的，B-dot线圈采用刚性金属全屏蔽电缆弯制形成；该B-dot线圈包括不闭合的环形部，以及从环形部延伸出的延伸部；B-dot线圈包括三层：外部的铜屏蔽外壳、内部的铜导线以及位于铜导线与铜屏蔽外壳之间的绝缘体；延伸部尾部连接有BNC接头。
进一步的，B-dot线圈与GIS的法兰盖连接处密封并固定。
进一步的，步骤3)中对安装好的B-dot线圈进行标定，用于获得B-dot线圈与一次导体之间的互感系数M。
进一步的，B-dot线圈的环形部平面与GIS中的一次导体平行。
进一步的，铜导线的线径为2mm。
进一步的，B-dot线圈的不闭合的环形部的直径为10cm、15cm、20cm、25cm或30cm。
进一步的，步骤3)具体包括以下步骤：B-dot线圈安装好后，在GIS外部套管上设置一个标准的罗氏线圈；在一次导体产生一个暂态电流时，测量罗氏线圈的感应电流幅值，以及B-dot线圈的感应电压幅值，通过感应电流幅值除以感应电压幅值便获得B-dot线圈与一次导体之间的互感系数M，完成B-dot线圈的现场标定。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明可以对GIS设备内部的电磁暂态现象进行研究，进而通过标准试验，对GIS设备的性能进行评价，另外也可应用于对变电站中暂态电磁环境的研究，提高上述技术应用的精度和准确度。本发明方法是一种电流测量范围为0～3000A，测量带宽为200kHz～100MHz(-3db)，测量误差≤3％的GIS内部高频暂态电流的测量方法；本发明所需设备携带方便、结构简单、测试安全、精度高，为GIS内部高频暂态电流的测量提供一种简单、高效的方法。
附图说明
图1为GIS中的电磁暂态现象示意图；
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图2为GIS内部典型VFTO波形示意图；其中图2(a)为隔离开关合闸时的波形，图2(b)为隔离开关分闸时的波形；
图3为GIS内部典型VFTC波形示意图；其中图3(a)为隔离开关合闸时暂态电流波形，图3(b)为隔离开关分闸时暂态电流波形；
图4为B-dot原理图；其中，D为导体，Q为单匝线圈；
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图5为电流传感器的GIS安装位置示意图；
图6为电流传感器的示意图。
具体实施方式
请参阅图4至图6所示，为解决测量GIS暂态电流的问题，本发明采用B-dot方法测量电流。B-dot又称磁耦合环，用于变化磁场的测量，也可通过测量变化的电流建立的变化磁场达到间接测量电流的目的，其特点是频率响应好、体积小使用方便，使用B-dot进行GIS暂态电流测量的原理如图4所示。
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导体D距线圈Q边缘距离为H，导体D与线圈Q之间的互感为M，当导体有电流流过，则有：
u＝Mdi/dt(1)
对线圈Q输出电压积分，即可得到导线D中的电流。单匝线圈输出的电压幅值与线圈圆环的直径、线圈与导体的间距和线圈圆环与导体之间空间位置有关，当这些参数被固定不变，则互感M值被确定，则单匝线圈的输出电压与导体的电流是完全对应关系。采用Bdot测量电流，其优点是结构简单，测量频率响应范围宽，实施成本低；其缺点是需要在Bdot线圈安装好后进行现场标定。
研制B-dot线圈需从与一次导体间的绝缘、输出电压幅值、气密和同轴传输结构等方面设计研制。根据GIS结构尺寸，B-dot线圈可安装在GIS较大的法兰端盖中央，法兰端盖位置(图中TCT接口SX)和电流传感器探头1如图5所示。
本发明中，B-dot线圈采用刚性金属全屏蔽电缆弯制，按计算可加工多个10cm、15cm、20cm、25cm、30cm等不同直径的B-dot线圈，如图6所示，以便在现场标定时调整，其中铜导线2线径为2mm，环形铜导线不闭合，铜屏蔽外壳3与BNC接头4通过丝扣连接，环形铜导线与BNC接头4内电极连接。铜导线2与铜屏蔽外壳3之间填充聚四氟乙烯绝缘体。
B-dot线圈平面与盖板相对位置要固定牢靠，避免因振动使B-dot线圈位置发生变化改变转换系数。密封和同轴传输系统和GIS电压探头结构一样。B-dot线圈在安装到GIS过程中，应使B-dot线圈平面与GIS的一次导体平行。
本发明一种GIS内部高频暂态电流的测量方法，包括以下步骤：
1)采用刚性金属全屏蔽电缆弯制形成B-dot线圈，该B-dot线圈包括不闭合的环形部，以及从环形部延伸出的延伸部；B-dot线圈包括三层：外部的铜屏蔽外壳3、内部的铜导线2以及位于铜导线2与铜屏蔽外壳3之间的绝缘体；延伸部尾部连接有BNC接头4；
2)将B-dot线圈安装在GIS的一个法兰盖中央处；B-dot线圈与GIS的法兰盖连接处密封并固定；BNC接头4露于法兰盖外部，用于连接数据采集装置；B-dot线圈的环形部平面与GIS中的一次导体平行；
3)对安装好的B-dot线圈进行标定：B-dot线圈安装好后，其与一次导体的相对位置确定，但是一次导体的电流值与B-dot线圈输出的电压之间的比例关系需要进行现场标定；由于GIS内部空间以及罗氏线圈结构的限制，不能将罗氏线圈安装在GIS内部；现场标定时在B-dot线圈安装好后，在GIS外部套管上设置一个标准的罗氏线圈；在一次导体产生一个暂态电流时，测量罗氏线圈的感应电流幅值(A)，以及B-dot线圈的感应电压幅值(mV)，通过感应电流幅值除以感应电压幅值便可以获得B-dot线圈与一次导体之间的互感系数M(A/mV)；
4)GIS内部的一次导体上流过暂态电流时，对B-dot线圈的输出电压进行积分，得到一次导体中的暂态电流。
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