高电压试验技术 特快波前过电压测量 征求意见稿

1GB/T18134—202X高电压试验技术特快波前过电压测量本文件描述了特快波前过电压的特性和特快波前过电压的常用测量方法，规定了测量系统的基本要求、传递特性以及校核程序，并给出了特快波前过电压峰值测量总不确定度的估算方法。本文件适用于测量气体绝缘金属封闭开关设备由于操作或破坏性放电所产生的特快波前过电压，尤其适用于测量下述三种特快波前过电压[1]的测量系统[2]：——内部特快波前过电压；——瞬态外壳电压；——外部特快波前过电压。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2900.19—2022电工术语高电压试验技术和绝缘配合GB/T2900.20—2016电工术语高压开关设备和控制设备(IEC60050(441):1984,MOD)GB/T16927.2—2013高电压试验技术第2部分：测量系统(IEC60060-2:2010,MOD)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1气体绝缘金属封闭开关设备gas-insulatedmetal-enclosedswitchgear;GIS至少部分采用高于大气压力的气体作为绝缘介质的金属封闭开关设备和控制设备。[来源：GB/T2900.20—2016,4.5,有修改]3.2破坏性放电disruptivedischarge电气作用下绝缘发生故障时绝缘完全被放电桥接，并使电极间的电压实际降到零的现象。注3：也可能出现非自持破坏性放电，此时试品被火花放电火或电弧短暂桥接。这种情况下，电压会短暂地降低到零或者非常低的值。根据回路和绝缘的特性，可能出现绝缘强度的恢复，甚至允许试验电[来源：GB/T2900.19—2022,3.1.12.1]3.3特快波前过电压very-fast-frontovervoltage;VFFO一种瞬态过电压，通常为单向的，到达峰值的时间不超过0.1μs，有或者没有叠加振荡，振荡频率在30kHz＜f＜100MHz之间。[来源：GB/T2900.19—2022,3.3.1.2.3]3.4内部特快波前过电压internalvery-fast-frontovervoltage在GIS内部，高压导体和外壳之间出现的特快波前过电压。3.5瞬态外壳电压transientenclosurevoltage;TEV2GB/T18134—202X在GIS外部，GIS外壳和地之间出现的电压。3.6外部特快波前过电压externalvery-fast-frontovervoltage在GIS外部，GIS外接导线和地之间出现的特快波前过电压。3.7转换装置convertingdevice将被测量转换成测量仪器可记录或显示的量值的装置。[来源：GB/T16927.2.19—2013,3.2.1]3.8电场探头electric-fieldprobe测量电场幅值和波形的转换装置。[来源：GB/T16927.2.19—2013,3.2.5]4特快波前过电压的特性4.1概述特快波前过电压是由于GIS内部隔离开关等的切换操作或破坏性放电所产生的电压，是由电压快速跌落引起的阶跃电压行波的反射和折射形成的，可分为内部特快波前过电压、瞬态外壳电压和外部特快波前过电压。图1给出了特快波前过电压的起源和分类[3]。图1特快波前过电压的起源和分类4.2内部特快波前过电压的特性GIS内部隔离开关等的切换操作或破坏性放电所产生的陡变阶跃电压行波，在GIS和与之直接相连的设备中传播，在阻抗突变处被折反射，所有这些行波与系统运行电压叠加起来就形成了内部特快波前过电压波形。内部特快波前过电压的波形取决于GIS的内部结构和外部配置，通常包含五个分量：——阶跃电压；——频率范围f1分量（最高达100MHz——频率范围f2分量（最高达30MHz——频率范围f3分量（0.1MHz~5MHz——系统运行电压（45Hz~55Hz）。内部特快波前过电压的幅值范围通常为系统最高运行电压的1.0~2.5倍。图2为内部特快波前过电压示例。GB/T18134—202X图2内部特快波前过电压示例4.3瞬态外壳电压的特性瞬态外壳电压本质上是由内部特快波前过电压造成的，附录A阐述了瞬态外壳电压的产生原理。GIS外壳上的TEV波形主要取决于GIS的接地，通常包含叠加在“阶跃电压”上的三个主要频率范围分量。由于GIS的接地阻抗很低，阶跃电压通常在最初的几ns内衰减。三个主要频率范围分量为：——频率范围f1分量（最高达50MHz——频率范围f2分量（最高达30MHz——频率范围f3分量（0.1MHz~lMHz）。当有强阻尼时（即有多点低阻抗接地连接时TEV的持续时间小于几μs。在这种情况下频率范围f3分量很小。瞬态外壳电压的幅值取决于外壳离地面的高度、外壳与接地系统的连接方式及接地系统本身，其幅值范围通常为系统最高运行电压的0.01~0.15倍。图3为瞬态外壳电压示例。图3瞬态外壳电压示例4.4外部特快波前过电压的特性外部特快波前过电压本质上也是由内部特快波前过电压引起的，附录A阐述了外部特快波前过电压的产生原理。外部特快波前过电压的波形既取决于GIS的内部结构，也取决于GIS的外部配置，但主要取决于4GB/T18134—202XGIS的外部配置。由于30MHz以上的频率范围分量在通过GIS套管折射时衰减很快，因此通常包含三个主要频率范围分量：——频率范围f1分量（最高达30MHz——频率范围f2分量（0.1MHz~5MHz——系统运行电压（45Hz~55Hz）。外部特快波前过电压的幅值主要取决于GIS的外部配置，但也取决于GIS本身及其接地方式，其幅值范围为系统最高运行电压的1.0~2.0倍。图4为外部特快波前过电压示例。图4外部特快波前过电压示例5特快波前过电压用测量系统5.1概述测量系统由转换装置、记录仪器和传输系统三部分构成，且三部分性能互有影响。因此，应将测量系统作为一个整体进行校核。校核测量系统时，测量系统的传递特性可以在频域或者在时域内确定，应根据被测瞬态信号涉及的频率范围测定刻度因数及其适用范围。5.2测量系统的测量方法及基本要求5.2.1内部特快波前过电压用测量系统的测量方法及基本要求5.2.1.1测量方法转换装置可以是安装在GIS外壳上适当位置处（如手孔处）的电容传感器，电容传感器本身作为低压臂（或者并联一外接电容共同构成低压臂高压臂则由电容传感器的感应电极和GIS带电导体之间的空间电容构成（见图5）。C1为高压臂电容，C2为低压臂电容，R1为传输系统匹配电阻。图5内部特快波前过电压测量中使用电容传感器作为转换装置的示例5.2.1.2基本要求GB/T18134—202X由于内部特快波前过电压的行波特性，其波形随测量位置不同可有很大的变化。测量内部特快波前过电压的转换装置应尽可能地靠近需测处，转换装置距离需测处宜在1m范围以内。转换装置的安装不应对被测GIS介质的完整性产生破坏，不应对被测GIS的波阻抗和绝缘性能产生不利影响，同时不应引起被测GIS产生明显的电场畸变。5.2.2瞬态外壳电压用测量系统的测量方法及基本要求5.2.2.1测量方法转换装置可以是电阻性阻抗分压器（Newi探头[4]，见图6高压臂为低电感电阻R，同轴电缆作为传输系统的同时，又兼作低压臂。V1为需测处电压，V0为记录仪器的采集电压。在信号沿Z1的传播时间τ的2倍时间内转换装置的刻度因数为：式中：ZO——同轴电缆特性阻抗；Z1——同轴电缆屏蔽和地之间传输线的特性阻抗（地也可以是双屏蔽电缆的外层屏蔽R——Newi探头的高压臂电阻；τ——同轴电缆屏蔽和地之间传输线的自由空间传播时间。对于更长时间，转换装置的刻度因数为：若R值较大，则A1近似等于A2。在很多实际情况中，所关注的频率相当高以至于可用足够长的电缆而仅需使用A1。a1a2a)测量线路接法b)短时响应的示意图图6瞬态外壳电压测量中使用Newi探头作为转换装置的示例5.2.2.2基本要求瞬态外壳电压的测量与测量位置密切相关，转换装置应置于GIS外壳的外部并尽可能地靠近需测处。测量系统的输入阻抗可能会影响被测瞬态外壳电压的幅值和波形，因此测量系统应设计成对被测瞬态外壳电压所产生的影响最小。5.2.3外部特快波前过电压用测量系统的测量方法及基本要求6GB/T18134—202X5.2.3.1测量方法转换装置可以是电场探头、电容传感器和光电集成电场探头。电场探头（见图7）为非接触式测量，用于测量外接导线上的外部特快波前过电压。两个由绝缘板分隔开的对称半球型电极构成传感电容CS，两个电极由取样电容C2相连。E0(t)为电场探头处的电场强度，Ca和Ra分别为记录仪器的输入电容和输入电阻。图7外部特快波前过电压测量中使用电场探头作为转换装置的示例杂散电容传感器（见图8）为非接触式测量，用于测量外接导线上的外部特快波前过电压。杂散电容传感器由两个由绝缘板分隔开的上、下电极构成，下电极接地。上、下电极间的杂散电容CS与外接采样电容C2并联形成低压臂，高压导线与电容传感器上电极之间的空间电容构成高压臂Ch。采样电容两端的信号经光电转换后输出至记录仪器。图8外部特快波前过电压测量中使用电容传感器作为转换装置的示例光电集成电场探头方案（见图9）为非接触式测量，用于测量外接导线上的外部特快波前过电压。激光源产生的线偏振光经保偏光纤入射传感器，在光波导中传输的线偏振光受到被测电场的相位调制，携带相位信息的偏振光经干涉后转化为光强度信号，后经单模光纤传输至光转电模块转换为电信号，该电信号反映被测电场的大小。图9外部特快波前过电压测量中使用光电集成电场探头作为转换装置的示例5.2.3.2基本要求转换装置应尽可能靠近需测处。如果需测处和转换装置之间的波阻抗有突变，则实测的外部特快波7GB/T18134—202X前过电压可能明显地不同于需测处出现的特快波前过电压。测量系统应设计成对被测外部特快波前过电压所产生的影响最小。5.3测量系统的传递特性5.3.1内部特快波前过电压用测量系统的传递特性a)如果在频域内确定测量系统的传递特性，测量系统的响应在40Hz~100MHz之间的平直度应在b)如果在时域内确定测量系统的传递特性：当采用单位阶跃响应确定测量系统的高频传递特性时，响应参数应满足下列限值：——上升时间：tr≤3.5ns；——单位阶跃响应的过冲：βrs≤10%；——单位阶跃响应在3.5ns~1000ns之间的平直度应在±10%以内。其中：上升时间tr定义为单位阶跃响应幅值从10%上升到90%的时间间隔。当采用长波尾冲击电压或直流电压确定测量系统的低频传递特性时，测量系统的低频截止频率不应大于40Hz。5.3.2瞬态外壳电压用测量系统的传递特性a)如果在频域内确定测量系统的传递特性，测量系统的响应在0.1MHz~50MHz之间的平直度应在b)如果在时域内确定测量系统的传递特性：当采用单位阶跃响应确定测量系统的高频传递特性时，响应参数应满足下列限值：——上升时间：tr≤7ns；——单位阶跃响应的过冲：βrs≤10%；——单位阶跃响应在7ns~1000ns之间的平直度应在±10%以内。其中：上升时间tr定义为单位阶跃响应幅值从10%上升到90%的时间间隔。当采用长波尾冲击电压或直流电压确定测量系统的低频传递特性时，测量系统的低频截止频率不应大于0.1MHz。5.3.3外部特快波前过电压用测量系统的传递特性a)如果在频域内确定测量系统的传递特性，测量系统的响应在40Hz~30MHz之间的平直度应在±1b)如果在时域内确定测量系统的传递特性：当采用单位阶跃响应确定测量系统的高频传递特性时，响应参数应满足下列限值：——上升时间：tr≤11ns；——单位阶跃响应的过冲：βrs≤10%；——单位阶跃响应在11ns~1000ns之间的平直度应在±10%以内。其中：上升时间tr定义为单位阶跃响应幅值从10%上升到90%的时间间隔。当采用长波尾冲击电压或直流电压确定测量系统的低频传递特性时，测量系统的低频截止频率不应大于40Hz。5.4测量系统的校核程序5.4.1内部特快波前过电压用测量系统的校核程序5.4.1.1测量系统传递特性的测定8GB/T18134—202X传递特性的测定可采用信号发生器和阶跃波发生器（见附录B）等装置进行。测定可用下述任一方法：方法A：测定测量系统的幅频响应G(f)；方法B：通过单位阶跃响应g(t)测定测量系统的高频传递特性，通过长波尾冲击电压响应或直流电压响应测定测量系统的低频截止频率。并应考虑下述因素：a)在测定幅频响应、单位阶跃响应、长波尾冲击电压响应和直流电压响应时，实际测量过程中用来调整被测信号的任何电子装置都应接入并按通常方式工作；b)传输系统（电缆或光纤）应与实际测量时所用的类型和长度一致；c)如果需要，在测定幅频响应时，可使用带宽重叠的信号发生器进行多次测定；d)应当校核由于高、低压臂中介质材料的不同频率特性而引起的响应的“蠕变”。5.4.1.2测量系统刻度因数的测定测定刻度因数时，应按实际测量情况布置测量系统。可采用下述任一方法：方法A：只要满足5.3.1的有关规定，刻度因数可采用工频电压与工频电压认可测量系统进行比对来测定；方法B：只要满足5.3.1的有关规定，刻度因数可采用雷电冲击电压与雷电冲击电压认可测量系统进行比对来测定。5.4.2瞬态外壳电压用测量系统的校核程序5.4.2.1测量系统传递特性的测定传递特性的测定与内部特快波前过电压用测量系统的传递特性的测定相同。5.4.2.2测量系统刻度因数的测定测定刻度因数时，应按实际测量情况布置测量系统。可采用下述任一方法：方法A：只要满足5.3.2的有关规定，刻度因数可采用工频电压与工频电压认可测量系统进行比对来测定；方法B：只要满足5.3.2的有关规定，刻度因数可采用雷电冲击电压与雷电冲击电压认可测量系统进行比对来测定。5.4.3外部特快波前过电压用测量系统的校核程序5.4.3.1测量系统传递特性的测定传递特性的测定与内部特快波前过电压用测量系统的传递特性的测定相同。5.4.3.2测量系统刻度因数的测定测定刻度因数时，应按实际测量情况布置测量系统。可采用下述任一方法：方法A：只要满足5.3.3的有关规定，刻度因数可采用工频电压与工频电压认可测量系统进行比对来测定；方法B：只要满足5.3.3的有关规定，刻度因数可采用雷电冲击电压与雷电冲击电压认可测量系统进行比对来测定。6特快波前过电压峰值测量总不确定度的估算6.1不确定度的来源6.1.1用幅频响应时不确定度的来源当用幅频响应确定测量系统的传递特性时，特快波前过电压峰值的测量不确定度来源如表1所示：表1特快波前过电压峰值的测量不确定度来源分量表9GB/T18134—202X'''6.1.2用单位阶跃响应时不确定度的来源当用单位阶跃响应确定测量系统的传递特性时，特快波前过电压峰值的测量不确定度来源如表2所示：表2特快波前过电压峰值的测量不确定度来源分量表'在确定仪器的基准电平时，由于数字记录仪的噪声或示波器的扫描线影响''''6.2估算特快波前过电压峰值总不确定度的一般程序特快波前过电压无标准波形，其电压波形将随GIS的结构不同而有所不同，特快波前过电压峰值的总不确定度取决于各组成分量的加权值：——某些不确定度对全部分量都一样适用，其加权因数为1；——另一些不确定度对各分量有所不同，因此加权因数小于1，具体数值且取决于所测频率分量的幅值。特快波前过电压峰值的测量不确定度的评估需要基于特快波前过电压的实际波形的准确获取，并基于该波形准确确定各不确定度分量的加权因数。针对图2、图3及图4中的三种不同类型的特快波前过电压波形，首先针对实际波形开展频谱分析，确定各波形中的主要频率分量fi及对应的幅值Afi，同时基于所确定的各时间段内的过电压峰值P，确定加权因数wi=Afi/t。其中，内部特快波前过电压的峰值电压P出现在100ns和500ns之间，瞬态外壳电压的峰值P出现在500ns和1000ns之间，外部特快波前过电压峰值P出现在300ns和600ns之间。三种不同过电压波形的加权系数如表3~表5所示。表3内部特快波前过电压的加权因数i123wi=Afi/tw1w2w3表4瞬态外壳电压的加权因数i123wi=Afi/t表5外部特快波前过电压的加权因数12wi=Afi/t根据这些加权因数和测量系统传递特性的测定方法，表6和表7列出了由各不确定度分量得出峰值总不确定度的过程。GB/T18134—202X表6用幅频响应确定传递特性和交流电压测取刻度因数时，特快波前过电压峰值测量不确定度的来源和相应的不确定度分量以及总不确定度的确定'j''有关f2和f3分量的第一个不确定度分量'有关f1分量的第二个不确定度分量'ε4=W1ε3'表7用单位阶跃响应确定传递特性和由雷电冲击电压测定刻度因数时，特快波前过电压峰值测量不确定度的来源和相应的不确定度分量以及总不确定度的确定'j''ε2=ε2''ε4=ε4'6.3内部特快波前过电压峰值测量不确定度示例表8对于用幅频响应确定传递特性的测量系统，特快波前过电压峰值总不确定度的估算i'j'jj=112233455//度（k=2置信概率不GB/T18134—202X3.须强调指出，容许偏差是指规定值和实测值间允许的差异。应将这些差异和测量误差区别开来，表9对于用单位阶跃响应确定传递特性的测量系统，特快波前过电压峰值总不确定度的估算iεi=j=1122334455//度（k=2置信概率不━━━━━━━━━━━1GB/T18134—202X附录A（资料性）瞬态外壳电压（TEV）和外部特快波前过电压的产生[5]在空气终端处TEV和外部特快波前过电压的产生机理可将GIS/空气界面看作三条传输线的连接点来分析：①同轴的GIS传输线；②由套管导杆和架空线形成的传输线;③GIS外壳和地的传输线。这三条传输线分别具有波阻抗z1、z2、z3。当内部行波传播到套管时：a)瞬态电压的一部分被耦合到架空线和地的传输线②上形成外部特快波前过电压；b)另一部分被耦合到GIS外壳和地的传输线③上形成TEV。a)实际布置图b)原理示意图图A.1以三个传输线为模型的GIS空气终端注：从GIS内部传输线①耦合至：——GIS外壳和地平面形成的传输线③的部分瞬态电压是空气终端处TEV产生的主要机理；——架空线和地平面形成的传输线②的部分瞬态电压是空气终端处外部特快波前过电压产生的主要机理。2GB/T18134—202X附录B（资料性）阶跃波发生器阶跃波发生器的结构包括直流电源、充电电阻、传输线或电容、气体间隙、标准分压器、匹配电阻等。测定测量系统的单位阶跃