李 婷，葉會(huì)生，李 欣，徐 晟

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

高頻局部放電傳感器傳輸特性測試方法及試驗(yàn)研究

李 婷1，葉會(huì)生1，李 欣1，徐 晟2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

本文根據(jù)高頻局部放電傳感器關(guān)鍵傳輸特性參數(shù)的技術(shù)要求，探討了相應(yīng)傳輸特性參數(shù)的測試方法，建立了相應(yīng)的測試系統(tǒng)。研究了接線方式對應(yīng)用測試系統(tǒng)測試結(jié)果的影響，并開展了不同廠家的高頻局部放電傳感器的測試對比研究。

高頻局部放電；傳輸阻抗；檢測頻帶；測試系統(tǒng)；傳感器

局部放電是電力設(shè)備絕緣介質(zhì)中的一種局部范圍內(nèi)的電氣放電，電力設(shè)備存在絕緣缺陷時(shí)容易發(fā)生局部放電。局部放電的產(chǎn)生通常伴隨著電脈沖、超聲波、電磁輻射、光、化學(xué)反應(yīng)，并引起局部發(fā)熱等現(xiàn)象，可以通過高頻脈沖電流檢測法、特高頻法、超聲波法等多種檢測手段進(jìn)行檢測〔1-2〕。高頻法是利用高頻電流傳感器檢測流過設(shè)備接地引下線或其他地電位連接線上的高頻脈沖電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的局放檢測，進(jìn)而掌握設(shè)備的絕緣狀況。

高頻局部放電傳感器通過Rogowski線圈的磁耦合作用檢測脈沖電流信號(hào)。檢測系統(tǒng)與一次設(shè)備沒有直接的電氣連接，不影響一次設(shè)備的運(yùn)行，并且高頻電流傳感器安裝簡單，靈敏度高。因而被廣泛應(yīng)用于變壓器、電纜等設(shè)備的現(xiàn)場局放檢測中〔3-5〕。

局部放電信號(hào)微弱，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖電流檢測的關(guān)鍵在于良好的高頻局部放電傳感器性能。高頻局部放電傳感器生產(chǎn)廠家眾多、產(chǎn)品各異，各廠家的研究與制造水平參差不齊，而目前在電力行業(yè)缺乏對其傳輸性能進(jìn)行測試與評價(jià)的測試方法與平臺(tái)，因而難以把握儀器的應(yīng)用效果，并對結(jié)果做出準(zhǔn)確的判斷。

1 高頻局放傳感器傳輸特性測試方法

1.1 傳輸特性參數(shù)

當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，將產(chǎn)生高頻的脈沖電流，脈沖電流經(jīng)電力設(shè)備的接地引下線流通，并在垂直于電流傳播方向的平面上產(chǎn)生磁場。通過在電力設(shè)備的接地線上安裝高頻電流傳感器和相位信息傳感器，從局部放電產(chǎn)生的磁場中耦合能量，再經(jīng)線圈轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的方式，可以檢測判斷電力設(shè)備中的局部放電故障，其檢測原理如圖1所示〔6〕。

圖1 高頻局放帶電檢測示意圖

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備帶電檢測儀器技術(shù)規(guī)范第5部分:高頻法局部放電帶電檢測儀器技術(shù)規(guī)范》，高頻局放傳感器的關(guān)鍵傳輸特性參數(shù)及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)如下:

1)傳輸特性阻抗:傳輸特性阻抗指的是在某固定頻率正弦電流信號(hào)下，傳感器耦合輸出的電壓信號(hào)幅值與輸入電流信號(hào)幅值的比值，該指標(biāo)反映在工作頻帶內(nèi)某固定頻率輸入信號(hào)下傳感器的信號(hào)耦合能力。一般要求輸入頻率為10 MHz的正弦電流信號(hào)時(shí)，傳感器的傳輸阻抗值大于5 mV/mA。

2)檢測頻帶:檢測頻帶指的是對高頻局部放電傳感器進(jìn)行幅頻特性測試，通常內(nèi)幅值比峰值下降6 dB對應(yīng)的上下截止頻率之差。一般要求整個(gè)系統(tǒng)的檢測頻帶在3～30 MHz范圍內(nèi)。

3)穩(wěn)定性:注入恒定幅值和頻率的正弦波信號(hào)，高頻局放傳感器連續(xù)工作1 h后，輸出的相應(yīng)幅值的變化不應(yīng)大于±10%。

1.2 測試原理

根據(jù)高頻局放傳感器的傳輸特性主要參數(shù)要求，其傳輸特性測試主要包括3個(gè)方面:傳輸特性阻抗測試、檢測頻帶測試、穩(wěn)定性測試。

1)傳輸特性阻抗測試

傳輸特性的測試原理如圖2所示:采用信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，通過同軸電纜串接阻值為50 Ω的匹配電阻。同時(shí)將同軸電纜穿心接入待測高頻局放傳感器，用示波器測量傳感器輸出的電壓信號(hào)及同軸電纜中流過的電流信號(hào)，其中，電流信號(hào)通過測量匹配電阻兩端的電壓獲得。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出10 MHz的正弦信號(hào)，計(jì)算示波器測量的電壓信號(hào)幅值與換算得到的電流信號(hào)幅值的比值，即得到被測傳感器的傳輸特性阻抗。

圖2 高頻局放傳感器傳輸特性測試原理圖

2)檢測頻帶測試

檢測頻帶測試仍然采用如圖2所示的接線方式，但可不必測量匹配電阻兩端的電壓。保持信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)的幅值不變，緩慢改變信號(hào)頻率，記錄各頻率下傳感器輸出的電壓幅值。找出傳感器輸出電壓幅值從最大值下降到0.501倍(-6 dB)時(shí)的上下截止頻率，即可得到傳感器的檢測頻帶。

3)穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性測試的接線方式如圖2所示。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出恒定幅值與頻率的正弦信號(hào)，將傳感器連續(xù)工作1 h，記錄傳感器初始及連續(xù)工作1 h后的輸出值。

2 高頻局放傳感器傳輸特性測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照高頻局放傳感器傳輸特性的測試方法，研制了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，能夠?qū)ζ渲饕獋鬏斕匦詤?shù)進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包含示波器，信號(hào)源及高頻校驗(yàn)箱。測試系統(tǒng)包含外置信號(hào)源與內(nèi)置信號(hào)源，方便于實(shí)驗(yàn)室檢測與現(xiàn)場檢測。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主要設(shè)備簡介

1)外置信號(hào)源

本文采用任意波形發(fā)生器作為測試系統(tǒng)的外置信號(hào)源，為滿足測試對信號(hào)源的要求，選取的任意波形發(fā)生器基本參數(shù)如下:

①信號(hào)輸出幅值在0～10 V可調(diào)；

②信號(hào)頻率范圍在0～120 MHz可調(diào)；

③具備任意波形信號(hào)導(dǎo)入、輸出的功能。

2)示波器

測試系統(tǒng)采用的示波器基本參數(shù)如下:

①模擬帶寬為2.5 GGHz；

②采樣率為10 GS/s。

3)高頻校驗(yàn)箱

為滿足測試需求，本文研制了高頻校驗(yàn)箱。高頻校驗(yàn)箱中內(nèi)置阻值為±1%50 Ω的無感電阻，箱體表面預(yù)留信號(hào)輸入孔及匹配電阻電壓輸出孔，并依據(jù)高頻局部放電傳感器的一般尺寸設(shè)計(jì)了傳感器安裝桿，便于傳感器的安裝。同時(shí)在箱內(nèi)內(nèi)置峰峰值為1 V，頻率可變的正弦交流源，通過箱體表面預(yù)留的按鈕可實(shí)現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的高頻校驗(yàn)箱可突破現(xiàn)場校驗(yàn)的限制，實(shí)現(xiàn)靈活、快速的現(xiàn)場測試。

3 高頻局放傳感器傳輸特性試驗(yàn)研究

本文采用外置信號(hào)源進(jìn)行傳感器的傳輸特性試驗(yàn)研究，分別對3種不同廠家的高頻局放傳感器進(jìn)行傳輸特性測試，其中傳感器A為進(jìn)口儀器，傳感器B與傳感器C為國內(nèi)產(chǎn)品。

3.1 接線方式對測試結(jié)果的影響

傳感器的檢測頻帶是傳感器性能的重要指標(biāo)之一。按照如圖2所示的高頻局放傳感器傳輸特性的測試方法，在進(jìn)行傳感器傳輸特性參數(shù)的測量過程中需要利用示波器測量傳感器輸出電壓信號(hào)與輸入電流信號(hào)。簡單的接線方法是同時(shí)連接傳感器輸出端及匹配電阻電壓輸出至示波器不同通道，依次對被測傳感器的傳輸阻抗、檢測頻帶與穩(wěn)定性進(jìn)行測量。而實(shí)際在進(jìn)行檢測頻帶測試時(shí)只需獲取被測傳感器的輸出電壓信號(hào)，并入測量回路的匹配電阻電壓測量回路可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

本文以傳感器A為例，設(shè)置信號(hào)源輸出電壓峰峰值為1 V，在100～60 MHz頻段范圍內(nèi)改變頻率(100～1 MHz范圍內(nèi)以100 kHz的步長改變頻率；1～60 MHz內(nèi)以1 MHz為步長改變頻率)，分別進(jìn)行2種接線方式下的檢測頻帶測試，測試結(jié)果如圖4所示。其中接線方式2如圖3所示，匹配電阻電壓輸出口與高頻局部放電傳感器的輸出均通過同軸電纜連接至示波器；接線方式1則只測量傳感器輸出電壓。

由測試結(jié)果可知，采用接線方式1與采用接線方式2測得的傳感器幅頻響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，說明匹配電阻電壓測量回路的存在影響檢頻帶的測試。采用接線方式2測試時(shí)，由于匹配電阻電壓測量回路對磁場的影響，傳感器的輸出電壓偏低，并且隨頻率的上升而呈現(xiàn)振蕩變化的趨勢。因此為減小接線方式影響，在進(jìn)行檢測頻帶測試時(shí)應(yīng)注意斷開匹配電阻電壓輸出端與示波器的連接。

3.2 測試結(jié)果對比分析

主要對3類傳感器進(jìn)行傳輸阻抗與檢測頻帶測試。采用接線方式2測試傳輸阻抗，信號(hào)源輸出峰峰值為1 V，頻率為10 MHz的正弦波。采用接線方式1測試檢測頻帶，信號(hào)源的設(shè)置同3.1節(jié)所述，在100～160 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行測試。測試獲得的傳輸阻抗見表1，檢測頻帶測量結(jié)果如圖5所示。

表1 傳輸阻抗測試結(jié)果mV/mA

圖5 檢測頻帶測試結(jié)果

根據(jù)傳輸阻抗的測試結(jié)果，傳感器A滿足傳輸阻抗大于5 mV/mA的要求；傳感器B與傳感器C傳輸阻抗均偏低，小于5 mV/mA。

根據(jù)檢測頻帶測試結(jié)果，傳感器A的下限截止頻率為2 MHz，上限截止頻率大于150 MHz；傳感器B的檢測頻帶為50～80 MHz；傳感器C的檢測頻帶為600～89 MHz。3類傳感器均具有優(yōu)良的幅頻響應(yīng)特性，滿足檢測頻帶在3～30 MHz范圍內(nèi)的要求，但傳感器A的頻率響應(yīng)特性明顯優(yōu)于B，C傳感器。

綜合測試結(jié)果，傳感器A的傳輸特性優(yōu)于B，C傳感器。

4 結(jié)束語

為規(guī)范高頻局部放電傳感器的生產(chǎn)與使用，提高高頻法在局部放電檢測中的應(yīng)用效果，建立傳感器傳輸特性的測試手段十分必要。本文通過對高頻局部放電傳感器的傳輸特性測試方法的研究，建立了高頻局部放電傳感器傳輸特性的測試平臺(tái)，并開展了高頻局部放電傳感器傳輸特性的測試實(shí)驗(yàn)研究。研究成果為開展高頻局部放電傳感器的傳輸性能檢測奠定了基礎(chǔ)。

〔1〕庫欽斯基.高壓電氣設(shè)備局部放電〔M〕.北京:水利電力出版社，1984.

〔2〕郭俊，吳廣寧，張血琴，等.局部放電檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展〔J〕.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(2):29-34.

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〔6〕國家電網(wǎng)公司.電力設(shè)備高頻局部放電帶電檢測技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導(dǎo)則:Q/GDW 11400—2015〔S〕.北京:中國電力出版社，2015.

Test method and experiment research of transmission performance test for high-frequency partial discharge sensors

LI Ting1，YE Huisheng1，LI Xin1，XU Sheng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

According to the technical requirement of key transmission parameters of high frequency partial discharge sensor，this paper studies relevant testing methods and establishes calibration system.The impact of connection mode on test results of the test system is researched.Moreover，test results of high-frequency partial discharge sensors of different manufactures are compared and studied.

high-frequency partial discharge；transfer impedance；detection band；test system；sensor

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0039-04

李婷(1990)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)過電壓研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.009

2015-12-29 改回日期:2016-02-24

李欣(1987)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)過電壓計(jì)算、過電壓在線監(jiān)測與識(shí)別、防雷與接地等研究。