曹宏明CAO Hong-ming；張林元ZHANG Lin-yuan；張力ZHANG Li；陸平LU Ping；葉海峰YE Hai-feng；宋樹平SONG Shu-ping

（①江蘇常熟發(fā)電有限公司，蘇州 215500；②常熟理工學(xué)院，蘇州 215500）

0 引言

局部放電是絕緣劣化的表征，其積累發(fā)展會導(dǎo)致高壓設(shè)備絕緣的擊穿。特高頻（ultra high frequency，UHF）法以其高靈敏度、高可靠性、能夠識別并定位放電源等優(yōu)點(diǎn)，成為近二十年來國內(nèi)外局放檢測領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-2]。

局部放電信號在GIS中以電磁波方式傳播，高達(dá)GHZ，其脈沖持續(xù)時間極短，波頭僅為幾個ns，所以相對應(yīng)的頻域分布十分廣泛。根據(jù)之前的研究分析，上升沿時間小于1ns、脈沖持續(xù)時間為數(shù)十納秒的脈沖是可以模擬GIS中的局部放電信號[3]。局部放電監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校驗(yàn)是電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維管理的一項(xiàng)重要工作，由于裝置安裝現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，傳感器通信方式不同、現(xiàn)場電磁環(huán)境差異等原因，導(dǎo)致GIS局部放電在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校驗(yàn)是工程上的一個技術(shù)難點(diǎn)，也是相關(guān)領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)。

國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)研制了試驗(yàn)室用脈沖信號發(fā)生器，可用于裝置的出廠校驗(yàn)。但該裝置體積較大，使用時需要連接市電電源，現(xiàn)場校驗(yàn)作業(yè)便捷度低。隨著“數(shù)字化電網(wǎng)”建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，大量GIS局部放電監(jiān)測裝置的投運(yùn)給電網(wǎng)運(yùn)維工作帶來挑戰(zhàn)，亟需研制小型化、便攜式的現(xiàn)場校驗(yàn)脈沖裝置。

1 檢驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)GIS局部放電監(jiān)測裝置現(xiàn)場校驗(yàn)的作業(yè)特點(diǎn)，本文將局放校驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為便攜式手持儀器，主要包括：陡脈沖產(chǎn)生模塊、電源模塊、充電模塊、控制模塊和顯示模塊等部件。

1.1 設(shè)計(jì)原理

為準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場納秒級的局部放電脈沖信號。校驗(yàn)裝置的核心功能為輸出幅值、脈寬、重復(fù)頻率可調(diào)的納秒級陡脈沖。

陡脈沖發(fā)生器因具有較高的峰值功率，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)等原因，已被廣泛應(yīng)用在電力、醫(yī)療等領(lǐng)域。成為UHF局放源信號發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)要求，輸出阻抗50Ω，上升沿時間小于1ns，脈沖持續(xù)時間小于1ms，輸出電壓值可在1-50V范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，標(biāo)定脈沖輸出幅值誤差小于10%。

產(chǎn)生陡脈沖的方法有：①對氣體放電器脈沖做銳化和削波處理產(chǎn)生陡脈沖；②利用非線性脈沖實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮及前沿整形，實(shí)現(xiàn)陡脈沖；③利用儲能發(fā)生器產(chǎn)生陡脈沖；④利用高壓脈沖放電管、水銀繼電器等開關(guān)元件直接產(chǎn)生陡脈沖。

鑒于水銀繼電器具有工作性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，使用壽命長，上升沿時間穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本文利用水銀繼電器為開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)陡脈沖，其電路原理見圖1所示。

脈沖原理圖如圖1所示，首先主電容C1在開關(guān)斷開的狀態(tài)下由直流電路充電到穩(wěn)態(tài)電壓U1，開關(guān)閉合后，電容C1上的電荷經(jīng)電阻R1對R3放電，同時經(jīng)R2對C2充電，在C2形成上升的電壓波前，C2上的電壓被充到最大值后，反過來經(jīng)R2和C1一起對R3放電，在C2形成下降的電壓波尾，從而產(chǎn)生雙指數(shù)全波波形。

1.2 陡脈沖產(chǎn)生模塊

本部分主要由變壓器產(chǎn)生幅值1-50V可調(diào)的直流電壓，經(jīng)MCU控制的FPGA來控制輸出電壓的幅值。直流電壓經(jīng)限流電阻對耐壓500V的高穩(wěn)定電容充電C1后，切換水銀繼電器動作，由C2對負(fù)載放電產(chǎn)生脈沖信號。

1.3 電源管理模塊

本裝置電源管理模塊包括電源變換、充電管理等功能。支持充電電源適配器及電池電壓的在線檢測。通過MCU實(shí)時采集供電電壓，實(shí)現(xiàn)外部適配器供電和內(nèi)部鋰電池供電的切換，切實(shí)提高電池的使用效率。

1.4 控制電路模塊

本部分采用低功耗、高性能的控制方案。

控制電路板支持雙通道信號輸出，電路板如圖2所示。

2 檢驗(yàn)裝置測試

為驗(yàn)證研制的校驗(yàn)裝置的輸出性能，在實(shí)驗(yàn)室開展了脈沖輸出實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖見圖3所示。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)、校驗(yàn)裝置、高速示波器等組成?？刂朴?jì)算機(jī)與檢驗(yàn)裝置通過控制電纜，以串口方式進(jìn)行通信。校驗(yàn)裝置與高速示波器通過50Ω同軸電纜相連。實(shí)驗(yàn)時，控制計(jì)算機(jī)控制校驗(yàn)裝置輸出不同波形的脈沖信號，并通過示波器采集脈沖波形。部分實(shí)驗(yàn)波形見圖4所示。

由圖4可見，裝置輸出陡脈沖波形較為清晰，接近于標(biāo)準(zhǔn)的雙指數(shù)脈沖波。依次改變標(biāo)定脈沖幅值，對應(yīng)記錄輸出波形的參數(shù)指標(biāo)，見表1所示。

由表1可見，當(dāng)標(biāo)定脈沖幅值在1-50V范圍變化時，輸出脈沖上升沿時間均小于1ns，輸出波形幅值誤差小于5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)脈沖數(shù)據(jù)表

3 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證以上分析結(jié)果，本試驗(yàn)基于220kV GIS出線間隔進(jìn)行了局放實(shí)驗(yàn)測試，測試設(shè)備連接圖如圖5（a），內(nèi)置式特高頻傳感器安裝位置如圖中標(biāo)識位置，傳感器實(shí)物圖如圖5（b）所示，缺陷模型為尖端放電，如圖5（c）所示。所用設(shè)備為國際知名廠商SDMT公司的PD71局放檢測儀。

逐漸加壓使尖端產(chǎn)生局部放電，并觀察IEC60270標(biāo)準(zhǔn)的局部放電儀，在5pC、10pC時候各停5分鐘，并記錄特高頻局放儀器的幅值和特征圖譜，見圖6所示。

同理，利用校驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)，逐漸調(diào)節(jié)信號的輸出電壓值和重復(fù)頻率，使傳感器所接收到的幅值與5pC和10pC放電時一致，記錄下試驗(yàn)中標(biāo)定脈沖幅值，及局放測試儀圖譜，見圖7所示。

對比圖6和圖7可見，當(dāng)檢驗(yàn)裝置輸出幅值為4.5V和14.5V時，相應(yīng)檢測信號幅值分別為-56.9dBm、-46.9 dBm。兩類實(shí)驗(yàn)下，信號強(qiáng)度誤差小于1%，表明研制的校驗(yàn)裝置與典型的放電模型具有等效性，可作為標(biāo)準(zhǔn)源用于現(xiàn)場局放檢測儀器的校驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文基于開關(guān)元件研制了用于局部放電檢測儀器現(xiàn)場校驗(yàn)的裝置，并在實(shí)驗(yàn)室對裝置的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如下：①當(dāng)標(biāo)定脈沖幅值在1-50V范圍變化時，輸出脈沖上升沿時間均小于1ns，輸出波形幅值誤差小于10%。②裝置輸出信號與典型放電缺陷模型激發(fā)信號具有等效性，信號強(qiáng)度誤差小于1%，滿足工程實(shí)際應(yīng)用的需要。