Development of a square wave response experimental device for VFTO sensor calibration

In gas insulated switchgears (GIS), very fast transient overvoltages (VFTO) caused by switching operations or ground faults can cause damage to power system equipment. Therefore, it is necessary to develop VFTO sensors for monitoring and failure-prevention. Since the VFTO has wide frequency band and large amplitude, the sensor for measuring VFTO also needs to have a wide frequency band and a large voltage division ratio. Whether the actual performance of the VFTO sensor meets the requirements needs to be experimentally verified. Therefore, the development of experimental devices for VFTO calibration is of great significance for the measurement and protection of VFTO. In view of the lack of the research on the coaxial transmission line structure and the performance of the comparative resistor divider in the current research of calibration device, as well to further optimize the performance of the calibration experimental device, the following research is carried out: Firstly, to reduce the influence of the structure of transmission line on the square wave waveform, this paper studies the non-ideal structure in the coaxial transmission line by means of 3D modeling and circuit modeling and explores the influence on the continuity of the characteristic impedance by window, insulation support and transition section and the actual assembly conditions, which provides a guidance for the size and structure selection of the coaxial cavity. At the same time, it is preliminarily verified that the exponential structure of the matching cavity at the end of the coaxial cavity has better matching performance, providing theoretical guidance for the design of the end matching structure. Secondly, a resistor voltage divider for comparative measurement is developed utilizing the end matching resistor, and the influence of the stray parameters is then analyzed. The frequency response performance and uncertainty are evaluated using the sub-nanosecond square wave generator developed in this paper. The result shows that the resistor divider responds well to a square wave with a rise time of approximately 300 ps. The extended uncertainty of the scale factor and the rise time for square wave response are 1.64% and 6.92%, respectively Finally, based on the above research results, this paper develops a square wave response experimental device for the calibration of VFTO sensor. This device can generate a square wave with an amplitude no less than 2 kV, a rise time less than 1ns, and adjustable pulse width. A square wave response experiment is performed on a capacitive sensor using the device, and the experimental results are analyzed. The results show that the upper limit cutoff frequency of the capacitor divider can reach 292 MHz.

Negli switchgear a isolamento gassoso (in inglese gas insulated switchgear, GIS), operazioni di commutazione o guasti a terra possono causare sovratensioni transitorie molto veloci (in inglese very fast transient overvoltages, VFTO), e i dispositivi del sistema di alimentazione rischiano di danneggiarsi. Di conseguenza, sono necessari dei sensori di VFTO per monitorare il sistema e prevenire eventuali guasti. Dal momento che i VFTO hanno delle bande di frequenza larghe e delle ampiezze notevoli, i relativi sensori devono avere delle bande di frequenze e dei rapporti dei partitori di tensione altrettanto ampi. Attualmente i sensori di VFTO offrono prestazioni soddisfacenti che, però, possono essere ottimizzate. Diventa, così, fondamentale realizzare e testare dei nuovi dispositivi per la misura e la protezione dai VFTO. La ricerca riportata in questa tesi è volta a colmare le carenze della letteratura scientifica in merito alla struttura con linee di trasmissioni coassiali e alle prestazioni dei partitori resistivi comparativi. In contemporanea, essa vuole ottimizzare ulteriormente le prestazioni dei sensori di VFTO tramite delle verifiche sperimentali. Per ridurre l’influenza che ha la struttura della linea di trasmissione sulla forma delle onde quadre, prima è analizzata la struttura non-ideale delle linee di trasmissioni coassiali tramite una simulazione 3D e una realizzazione di un modello circuitale, poi è studiato come la finestra, il supporto isolante, la sezione di transizione e la nuova condizione di assemblaggio influenzino la continuità dell’impedenza caratteristica. In questo modo, si intende fornire delle linee guida per definire le dimensioni e la struttura della cavità coassiale. All’inizio, si verifica che la struttura esponenziale della relativa cavità in accoppiamento al termine della cavità coassiale abbia delle prestazioni di accoppiamento migliori, fornendo delle indicazioni teoriche per la realizzazione della struttura terminale accoppiata. In seguito, per effettuare delle misure comparative, è realizzato un partitore resistivo di tensione utilizzando un resistore terminale in accoppiamento. Poi, è analizzata l’influenza dei parametri parassiti. Le prestazioni ed il livello di incertezza della risposta in frequenza sono misurati con il generatore di onde sotto il nanosecondo realizzato in questo lavoro. I risultati mostrano che i partitori resistivi rispondono bene alle onde quadre con tempi di salita prossimi ai 300 ps. Il grado di incertezza ampliata del fattore di scala ed il tempo di salita della risposta dell’’onda quadra sono rispettivamente pari a 1.64% e 6.92%. Infine, sulla base dei risultati ottenuti durante lo studio condotto, viene realizzato in via sperimentale un dispositivo che genera delle risposte ad onda quadra per la calibrazione del sensore di VFTO. Questo strumento genera delle onde quadre con un’ampiezza superiore o uguale a 2 kV, un tempo di salita inferiore ad 1 ns ed un impulso con larghezza regolabile. Con questo generatore una risposta d’onda quadra è applicata ad un sensore capacitivo. I risultati ottenuti evidenziano che il limite superiore della frequenza di taglio del partitore capacitivo può raggiungere i 292 MHz.