劉光祺，王科，馬儀，陳磊，彭晶，項(xiàng)恩新，劉紅文

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

特高頻法外置傳感器等效高度參數(shù)測試

劉光祺，王科，馬儀，陳磊，彭晶，項(xiàng)恩新，劉紅文

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

介紹了GTEM室，對UHF外置傳感器等效高度參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測，從不同傳感器、不同工裝、不同安裝角度分析了實(shí)測參數(shù)差異。

UHF傳感器；GIS；GTEM室；等效高度

0 前言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備 (GIS，含HGIS、罐式斷路器)由于其一體化、緊湊型、免維修、受外界干擾少等優(yōu)點(diǎn)在高壓輸變電系統(tǒng)中的應(yīng)用比例越來越高[1]，早期設(shè)備已處于壽命中后期，因生產(chǎn)工藝不良、安裝調(diào)試不當(dāng)、運(yùn)行維護(hù)不到位等原因引起的GIS設(shè)備停電事故越來越多[2]，尤其是絕緣失效事故呈逐年增多趨勢[3-4]。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部存在的故障缺陷，開展局部放電檢測是目前維護(hù)GIS設(shè)備的重要手段[5]。特高頻(UHF)法是近年發(fā)展起來的一種新檢測技術(shù)并得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[6-11]。大量實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，這一技術(shù)對應(yīng)的眾多產(chǎn)品性能差異很大[12-14]，加之該技術(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的空白，進(jìn)一步放大了此類技術(shù)推廣應(yīng)用的負(fù)面效應(yīng)[15]。

以下基于GTEM室的局部放電特高檢測標(biāo)定平臺，在兩種典型的GIS盆式絕緣子外表面結(jié)構(gòu)(工裝)上，對4種UHF傳感器進(jìn)行了等效高度測試，研究了不同傳感器、不同工裝、不同安裝角度下的參數(shù)差異。

1 GTEM室及傳感器等效高度

為了克服傳統(tǒng)的橫電磁傳輸室的可用頻率上限低的缺點(diǎn)，提出了吉赫橫電磁傳輸室 (GigahertzTEMcell，縮寫為GTEM)[17]。隨后將GTEM利用至UHF傳感器時(shí)域測量領(lǐng)域[18-19]，并實(shí)現(xiàn)了對局部放電UHF傳感器的標(biāo)定[20-21]。

基于GTEM室的脈沖時(shí)域參考測量標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號源、GTEM室、單極標(biāo)準(zhǔn)探針、高速數(shù)字示波器、測控計(jì)算機(jī)、測控分析軟件及各種線纜附件等構(gòu)成，如圖1所示，系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

圖1 GTEM標(biāo)定系統(tǒng)圖

假定通過標(biāo)定信號源注入脈沖電壓 V1至GTEM，假設(shè)此信號在GTEM內(nèi)部產(chǎn)生的電場為E1。參考傳感器和被測傳感器測量產(chǎn)生的電壓輸出分別為VMr和VMs。設(shè)GTEM室的傳遞函數(shù)為Hcell，單極標(biāo)準(zhǔn)探針傳感器的傳遞函數(shù)為Href，待測傳感器的傳遞函數(shù)為Hsens，測量系統(tǒng)的傳遞特性為Hsys，則參考傳感器和待測傳感器的測量輸出可分別表示為

由 (1)中的上下兩式左右相除，可得到用參考傳感器的傳遞函數(shù)來表示待測傳感器傳遞函數(shù)的表達(dá)式：

由 (2)式知，利用參考傳感器的傳遞函數(shù)Href及參考傳感器和被測傳感器對于注入脈沖信號的電壓響應(yīng)，即可求得待測傳感器的傳遞函數(shù)特性。

設(shè)E(t)為GTEM室內(nèi)被測天線所在位置處的電場，U(t)為天線輸出的電壓信號。天線的作用即是將入射電場轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，根據(jù)入射電場和輸出電壓的關(guān)系，即可得到天線的傳遞函數(shù)H(f)：

式中，U(f)為輸出電壓U(t)的FFT變換，E(f)為入射電場E(t)的FFT變換；電壓的單位為V，電場單位為V/mm，所以H(f)的量綱為mm，故此也稱其為頻域等效高度。該參數(shù)反映了天線的接收能力，對于同樣的入射電場而言，天線輸出信號的電平越高，則表示其耦合能力越強(qiáng)，也即等效高度越大。將傳感器在300～1 500 MHz測試頻帶內(nèi)各頻率點(diǎn)等效高度的累計(jì)平均值，稱為平均等效高度He(f)。

2 UHF傳感器響應(yīng)特性測評

2.1 典型安裝結(jié)構(gòu)

GIS局部放電UHF傳感器的安裝結(jié)構(gòu) (工裝)分為外置式和內(nèi)置式兩種：內(nèi)置式工裝就是在GIS腔壁上開孔，將UHF傳感器安裝于孔內(nèi)；外置式工裝就是將UHF傳感器放置在GIS盆式絕緣子外表面。內(nèi)置式工裝的檢測靈敏度高于外置式工裝，但是內(nèi)置式傳感器的引入必將改變GIS結(jié)構(gòu)，使得制造和改造成本大幅增加，目前主要采用外置式工裝進(jìn)行檢測[22]。外置式工裝又分為裸盆子式 (開放式)工裝和帶有澆注口 (屏蔽式)工裝。開放式工裝是把UHF傳感器直接安裝于盆式絕緣子法蘭處，法蘭外沒有金屬屏蔽圈；屏蔽式工裝是在盆式絕緣子法蘭處設(shè)置有外金屬屏蔽圈以消除可能存在的不可靠因素 (紫外線、螺栓緊固力及螺母嵌件尖角)[23]，并在屏蔽圈上開有安裝UHF傳感器的澆注口。

2.2 不同UHF外置傳感器

對3個(gè)廠商的5支UHF外置傳感器進(jìn)行檢測，其中PDS-620W型號傳感器2支，GWA型號傳感器2支，SPM-2/GPD型號傳感器1支，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同UHF外置傳感器等效高度參數(shù)測試

測試結(jié)果表明：利用GTEM室可以進(jìn)行UHF傳感器的標(biāo)定測評。對于同一廠商生產(chǎn)的傳感器，等效高度曲線一致性有兩種表現(xiàn)：如圖5(a)兩支PDS-620W型傳感器一致性較好，且平均等效高度值也較大；如圖5(b)兩支GWA型傳感器一致性表現(xiàn)尚可，但是平均等效高度較差。對于不同廠商的傳感器，等效高度曲線有較大差異，且平均等效高度值差異也很大，如圖5(c)三廠商傳感器平均等效高度最大相差超過4倍。

2.3 不同工裝UHF外置傳感器

以4支來自不同廠商生產(chǎn)的傳感器為測試對象，在圖4所示兩種典型的外置工裝下測得的等效高度曲線如圖3所示。

圖3 不同工裝下UHF外置傳感器等效高度參數(shù)測試

測試結(jié)果表明：不同的工裝對傳感器信號接收性能有顯著影響，傳感器在開放式工裝上的信號接收性能顯著優(yōu)于在屏蔽式工裝上的。開放式工裝可形成有效的電磁泄漏窗口；對于帶有澆注口的屏蔽式工裝，因電磁泄漏口很小而使信號受到不同程度的衰減，傳感器不能有效接收到相應(yīng)頻段的信號，因此其等效高度比開放式顯著降低。從傳感器的平均等效高度測試結(jié)果看出，UHF傳感器在開放式和屏蔽式兩種工裝下的平均等效高度最大相差超過百倍。

2.4 不同安裝角度UHF外置傳感器

在實(shí)際的測試中，由于條件的限制使得傳感器并不能比較理想地被安裝于各種工裝上。以4個(gè)來自不同廠商生產(chǎn)的傳感器為測試對象，工裝為開放式工裝，分別測試傳感器在0°、90°、180°角度下的等效高度曲線，結(jié)果如圖4所示。

測試結(jié)果表明：不同的安裝角度對傳感器檢測性能有影響。0°和180°下傳感器等效高度曲線基本一致，而在90°下等效高度曲線明顯下降，這一結(jié)論印證了UHF傳感器具有方向性的說法[22]。4傳感器的平均等效高度如表1所示，可以看出，在0°和180°下傳感器平均等效高度約為90°下的2～5倍。

表1 不同安裝角度下的UHF外置傳感器平均等效高度/mm

圖4 不同安裝角度下的UHF外置傳感器等效高度參數(shù)測試

3 結(jié)束語

基于GTEM的局部放電特高檢測標(biāo)定平臺可以對UHF外置傳感器進(jìn)行等效高度參數(shù)測試，測試結(jié)果表明：

1)不同的傳感器等效高度曲線具有較大差異，測試的5支傳感器平均等效高度最大相差超過4倍；

2)開放式的工裝更有利于傳感器接收信號，在兩種典型工裝上測試的4支傳感器平均等效高度最大相差超過百倍；

3)在進(jìn)行傳感器安裝時(shí)，不同的安裝角度對傳感器的接收性能也有較大影響，在0°和180°下測試的4支傳感器平均等效高度較90°下最高超過4倍。

利用基于GTEM室的局部放電特高檢測標(biāo)定平臺，可對云網(wǎng)在運(yùn)的UHF局部放電監(jiān)測系統(tǒng)用的外置UHF傳感器開展性能評價(jià)，可對擬裝及擬購的UHF局部放電監(jiān)測系統(tǒng)或儀器開展性能評價(jià)，以確保在運(yùn)系統(tǒng)的有效性和擬裝及擬購系統(tǒng)或儀器的可用性。

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UHF External Sensors Equivalent Height Parameter Test and Analysis

LIU Guangqi，WANG Ke，MA Yi，CHEN Lei，PENG Jing，XIANG Enxin，LIU Hongwen
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

The paper introducesthe GTEM cell，and testsequivalent height parameter of UHF external sensors.This paper analyzes the differences between the measured parameters from different sensors，installationstructure and installation angles.

UHF sensor；GIS；GTEM cell；equivalent height

TM83

B

1006-7345(2014)06-0081-05

2014-10-24

劉光祺 (1986)，男，碩士，云南電網(wǎng)公司電力研究院，主要從事高電壓研究工作 (e-mail)23819918＠qq.com。