李 欣，葉會(huì)生，謝耀恒，李 婷，范 敏

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

GIS特高頻局部放電傳感器接收性能測(cè)試方法研究

李 欣，葉會(huì)生，謝耀恒，李 婷，范 敏

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

提出用等效高度表征特高頻局部放電傳感器接收性能的測(cè)試方法，并建立專用試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)傳感器的接收性能進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)研究了兩個(gè)不同廠家的特高頻局部放電傳感器的接收性能，分析了屏蔽對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

GIS；特高頻；局部放電；傳感器；等效高度；接收性能

由于氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(包括GIS和HGIS)具有占地面積小、可靠性高、維護(hù)工作量小、一次設(shè)備集成度高和受外界干擾少等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其“十二五”期間，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，由于常規(guī)AIS變電站占地面積大，土地價(jià)格昂貴、征地困難，城市變電站越來(lái)越多的采用GIS (HGIS)變電站，近10年國(guó)網(wǎng)湖南省公司110 kV及以上GIS(HGIS)變電站數(shù)量均成倍增加。隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，早期設(shè)備已處于壽命中后期，且新投運(yùn)設(shè)備數(shù)量較大，由于產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、安裝調(diào)試不當(dāng)和運(yùn)維手段有限等原因，GIS (HGIS)設(shè)備故障越來(lái)越多，其故障類型主要集中于內(nèi)部故障、機(jī)構(gòu)故障、漏氣缺陷和濕度超標(biāo)等，其中內(nèi)部局部放電故障成為威脅GIS設(shè)備安全運(yùn)行的重要原因之一。為及早發(fā)現(xiàn)GIS(HGIS)設(shè)備內(nèi)部局部放電故障，近幾年特高頻和超聲波局部放電檢測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越多，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，特高頻和超聲波局部放電檢測(cè)能夠有效檢測(cè)出GIS(HGIS)內(nèi)部放電缺陷，尤其特高頻局部放電檢測(cè)方法對(duì)懸浮放電、尖端放電、微粒放電和氣隙放電等典型放電類型較為敏感，在現(xiàn)場(chǎng)得到了大量的應(yīng)用。

目前有關(guān)特高頻局部放電檢測(cè)儀器檢定還未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不盡如意，嚴(yán)重影響了特高頻局部放電檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。為此，提出用等效高度表征特高頻局部放電傳感器接收性能的測(cè)試方法，并建立專用試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)傳感器的接收性能進(jìn)行測(cè)試，研究了兩個(gè)不同廠家的特高頻局部放電傳感器的接收性能，并分析了屏蔽對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 UHF傳感器接收性能測(cè)試原理及方法

1.1 測(cè)試原理

由于天線可將接收到的電場(chǎng)信號(hào)E(f)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)U(f)，根據(jù)輸入電場(chǎng)和輸出電壓的關(guān)系，可計(jì)算天線的傳遞函數(shù)H(f)，該參數(shù)反映了天線的接收性能。設(shè)天線在GTEM小室開(kāi)孔處接收的電場(chǎng)信號(hào)為e(t)，天線輸出的電壓信號(hào)為u(t)，則天線的傳輸特性為:

式中 U(f)為輸出電壓u(t)的FFT變換，E(f)為入射電場(chǎng)e(t)的FFT變換，H(f)即為天線的接收特性，也稱為等效高度。

對(duì)于相同的輸入電場(chǎng)信號(hào)，若天線輸出電壓信號(hào)的幅值越高，則表示其傳輸性能越強(qiáng)，等效高度也越高，因此可將等效高度作為表征傳感器性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。圖1為GIS特高頻局部放電傳感器接收性能的測(cè)試原理。

圖1 UHF傳感器接收性能測(cè)試原理

1.2 測(cè)試方法

由于GTEM小室內(nèi)電場(chǎng)并非完全均勻分布，且任一點(diǎn)的電場(chǎng)Ei(t)也難以精確測(cè)量，使得直接由公式(1)計(jì)算天線的等效高度存在一定的困難。為此采用時(shí)域參考法間接計(jì)算傳感器的等效高度，圖2為UHF局部放電傳感器參數(shù)測(cè)試方法的參數(shù)傳遞過(guò)程。

圖2 測(cè)試方法的參數(shù)傳遞過(guò)程

利用標(biāo)定信號(hào)源向GTEM注入信號(hào)，在GTEM小室內(nèi)建立空間電場(chǎng)，分別采用參考傳感器和被測(cè)傳感器在GTEM小室開(kāi)口處測(cè)量電場(chǎng)Ei，傳感器輸出電壓分別為URs和UMs，則參考傳感器和待測(cè)傳感器的測(cè)量輸出可分別表示為:

可進(jìn)一步表示為:

式(2)和(3)中 HG為GTME小室的傳遞函數(shù)，HR為參考天線的傳遞函數(shù)，HS為待測(cè)傳感器的傳遞函數(shù)，HC為測(cè)量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

由式(3)可知，利用參考傳感器的傳遞函數(shù)HR、參考傳感器和被測(cè)傳感器對(duì)于注入脈沖信號(hào)的電壓響應(yīng)URs和UMs，即可計(jì)算待測(cè)傳感器的傳遞函數(shù)特性。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不必知道GTEM小室的傳輸特性HG和測(cè)量系統(tǒng)的頻響特性HC，即可求取被測(cè)傳感器的HS，且該方法對(duì)于入射波的波形畸變也不敏感，因?yàn)槠渥饔糜趦煞N方式測(cè)量信號(hào)的影響都是相同的。

2 UFH傳感器接收性能測(cè)試平臺(tái)

2.1 測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)GIS特高頻局部放電傳感器接收性能測(cè)試方法，建立UHF局部放電傳感器性能測(cè)試平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)UHF傳感器的接收性能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。該平臺(tái)包括標(biāo)定脈沖信號(hào)源、單極探針參考傳感器、GTEM小室、高速示波器以及控制主機(jī)，其中控制主機(jī)安裝有基于Labview開(kāi)發(fā)的測(cè)控軟件，用于進(jìn)行信號(hào)傳輸控制、測(cè)試、分析和計(jì)算。

2.2 主要設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 脈沖標(biāo)定源

為準(zhǔn)確測(cè)定UHF傳感器的傳輸特性，應(yīng)采用與局部放電信號(hào)的等效信號(hào)作為UHF傳感器的輸入信號(hào)，等效信號(hào)的幅頻特性應(yīng)與典型UHF信號(hào)一致。根據(jù)相關(guān)研究〔1-2〕，懸浮放電、尖端放電和沿面放電等典型特高頻局部放電信號(hào)的上升沿約為0.1～0.2 ns，則標(biāo)定源輸出電壓信號(hào)的上升沿應(yīng)在0.4～0.8 ns，且要求標(biāo)定源的輸出信號(hào)具有可控性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)。測(cè)試平臺(tái)采用脈沖源的參數(shù)如表1所示，圖3為脈沖源輸出信號(hào)波形示意圖。

表1 脈沖標(biāo)定源主要性能指標(biāo)

圖3 脈沖源輸出信號(hào)波形

2.2.2 單極探針參考傳感器

由于單極探針天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小，在接收瞬變電場(chǎng)時(shí)具有不失真的特點(diǎn)，且其接收特性容易獲取和驗(yàn)證，比較適合作為UHF檢測(cè)的參考傳感器。因此，為減小參考傳感器對(duì)GTEM小室電場(chǎng)的影響，以獲取更準(zhǔn)確的測(cè)試效果，本測(cè)試平臺(tái)選用單極探針天線作為參考傳感器。圖4(a)為單極參考傳感器的尺寸特性，圖4(b)為單極探針參考傳感器的實(shí)測(cè)等效高度、理論等效高度和等效高度擬合曲線。

圖4 單極探針參考傳感器及等效高度曲線

2.2.3 GTEM小室

為建立均勻電場(chǎng)，并取得良好的屏蔽效果測(cè)試平臺(tái)選用的GTEM小室尺寸為4 000×2 100×1 400 mm，傳感器放置于GTEM小室上位于頂部后1/3場(chǎng)強(qiáng)較均勻的區(qū)域，開(kāi)孔直徑為150 mm，其頻率范圍為0～2 GHz，50.2 Ω，電壓駐波比為1.47。

2.2.4 示波器

示波器選用安捷倫DSO9404 A型示波器，具體參數(shù)如表2所示。

3 UHF傳感器接收性能測(cè)試應(yīng)用

3.1 測(cè)試應(yīng)用及被測(cè)設(shè)備

為表明采用等效高度表征特高頻局部放電傳感器接收性能的有效性，采用單極探針天線、廠家A和廠家B傳感器分別進(jìn)行等效高度測(cè)試。

測(cè)試步驟如下:①按照?qǐng)D1連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并進(jìn)行儀器調(diào)試；②首先對(duì)單極探針參考天線進(jìn)行測(cè)試，分別采取在GTEM小室開(kāi)孔處采取金屬屏蔽和未采取屏蔽兩種方法，研究屏蔽對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；③根據(jù)屏蔽影響，選擇采取屏蔽和未采取屏蔽某一種方法，進(jìn)行廠家A和廠家B傳感器測(cè)試性能對(duì)比分析。

表2 示波器性能指標(biāo)

3.2 屏蔽對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

為研究GTEM小室開(kāi)孔處采取屏蔽措施對(duì)測(cè)試效果的影響，分別采用單極探針傳感器在屏蔽和未屏蔽的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為單極探針傳感器輸出信號(hào)波形，圖5 (b)為單極探針傳感器等效高度曲線。

圖5 單極探針測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出，采取屏蔽措施時(shí)，單極探針傳感器的輸出信號(hào)幅值為56 mV，較未采取屏蔽措施的輸出信號(hào)幅值51 mV大；采取屏蔽措施時(shí)，單極探針傳感器的等效高度曲線較未采取屏蔽措施的等效高度曲線值大，平均等效高度均值分別為1.93 mm和1.91 mm，且等效高度≥2 mm的概率分別為45%和40%。綜上可知，不同屏蔽條件下單極探針天線的輸出電壓信號(hào)和等效高度曲線測(cè)試結(jié)果一致，采取屏蔽措施時(shí)探針的接收特性較未采取屏蔽措施時(shí)的接收特性好。

3.3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

按照?qǐng)D1的接線方式，在采取屏蔽措施的條件下，分別對(duì)單極探針、廠家A和廠家B的UHF局部放電傳感器的接收特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為3種傳感器輸出電壓信號(hào)波形，圖6(b)為3種傳感器輸出等效高度曲線。

圖6 不同類型傳感器測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖6(a)可以看出，廠家A傳感器輸出信號(hào)幅值最大為180 mV，廠家B次之，單極探針天線最??；由圖6(b)可以看出，廠家A傳感器輸出等效高度曲線在廠家B和單極探針之上，平均等效高度均值分別為12.17 mm，9.28 mm和1.93 mm，且等效高度≥2 mm的概率分別為88%，85%和45%。綜上可知，單極探針、廠家A和廠家B的UHF傳感器輸出電壓信號(hào)和等效高度曲線測(cè)試結(jié)果一致，廠家A傳感器的接收特性最好，廠家B次之，單極探針傳感器性能最差。

4 結(jié)論

文中采用等效高度用以表征UHF傳感器的接收性能，并建立傳感器接收性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果表明:①傳感器等效高度曲線和輸出電壓信號(hào)結(jié)果一致，可用以表征UHF傳感器的接收特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感器的接收性能測(cè)試；②傳感器采取屏蔽時(shí)的測(cè)試效果較未采取屏蔽的效果好；③該方法可為今后UHF傳感器校驗(yàn)提供依據(jù)，規(guī)范GIS特高頻局部放電檢測(cè)儀器性能測(cè)試。

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〔2〕李端嬌，鄭書(shū)生，黎亮，等.人工電壓脈沖與局部放電UHF信號(hào)的等效性分析〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(10):2 900-2 904.

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Measurement methods research on receiving capacity for GIS UHF partial discharge sensor

LI Xin，YE Huisheng，XIE Yaoheng，LI Ting，F(xiàn)AN Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In order to detecting the receiving capacity of ultra high frequency(UHF)partial discharge(PD)sensor，this paper proposes a method of ultra high frequency partial discharge sensor receiving capacity in height equivalent，establishes a special test platform and validates the design to detect sensor receiving capacity.Meanwhile the paper researches two sensors from deferent manufacturers and the impact of shielding on test results.

gas insulated switchgear(GIS)；ultra high frequency(UHF)；partial discharge(PD)；sensor；height equivalent；receiving capacity

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0028-04

李欣(1987)，男，工程師，主要從事帶電檢測(cè)儀器檢定與測(cè)試、電力系統(tǒng)過(guò)電壓計(jì)算、過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別、防雷與接地等研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.006

2015-12-28 改回日期:2016-02-24