GIS特高頻局部放電傳感器接收性能測試方法研究

李 欣，葉會生，謝耀恒，李 婷，范 敏

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

GIS特高頻局部放電傳感器接收性能測試方法研究

李 欣，葉會生，謝耀恒，李 婷，范 敏

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙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試方法，并建立專用試驗測試平臺，對傳感器的接收性能進行檢測，同時研究了兩個不同廠家的特高頻局部放電傳感器的接收性能，分析了屏蔽對測試結(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關(guān)設(shè)備(包括GIS和HGIS)具有占地面積小、可靠性高、維護工作量小、一次設(shè)備集成度高和受外界干擾少等優(yōu)點，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)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，由于常規(guī)AIS變電站占地面積大，土地價格昂貴、征地困難，城市變電站越來越多的采用GIS (HGIS)變電站，近10年國網(wǎng)湖南省公司110 kV及以上GIS(HGIS)變電站數(shù)量均成倍增加。隨著運行年限的增長，早期設(shè)備已處于壽命中后期，且新投運設(shè)備數(shù)量較大，由于產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、安裝調(diào)試不當和運維手段有限等原因，GIS (HGIS)設(shè)備故障越來越多，其故障類型主要集中于內(nèi)部故障、機構(gòu)故障、漏氣缺陷和濕度超標等，其中內(nèi)部局部放電故障成為威脅GIS設(shè)備安全運行的重要原因之一。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的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)場應(yīng)用表明，特高頻和超聲波局部放電檢測能夠有效檢測出GIS(HGIS)內(nèi)部放電缺陷，尤其特高頻局部放電檢測方法對懸浮放電、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)場得到了大量的應(yīng)用。

目前有關(guān)特高頻局部放電檢測儀器檢定還未有統(tǒng)一標準，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)場應(yīng)用效果不盡如意，嚴重影響了特高頻局部放電檢測的現(xiàn)場應(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試方法，并建立專用試驗測試平臺，可以對傳感器的接收性能進行測試，研究了兩個不同廠家的特高頻局部放電傳感器的接收性能，并分析了屏蔽對測試結(jié)果的影響。

1 UHF傳感器接收性能測試原理及方法

1.1 測試原理

由于天線可將接收到的電場信號E(f)轉(zhuǎn)化為電壓信號U(f)，根據(jù)輸入電場和輸出電壓的關(guān)系，可計算天線的傳遞函數(shù)H(f)，該參數(shù)反映了天線的接收性能。設(shè)天線在GTEM小室開孔處接收的電場信號為e(t)，天線輸出的電壓信號為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。

對于相同的輸入電場信號，若天線輸出電壓信號的幅值越高，則表示其傳輸性能越強，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。圖1為GIS特高頻局部放電傳感器接收性能的測試原理。

圖1 UHF傳感器接收性能測試原理

1.2 測試方法

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

圖2 測試方法的參數(shù)傳遞過程

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

可進一步表示為:

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為待測傳感器的傳遞函數(shù)，HC為測量系統(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、參考傳感器和被測傳感器對于注入脈沖信號的電壓響應(yīng)URs和UMs，即可計算待測傳感器的傳遞函數(shù)特性。該方法的優(yōu)點在于不必知道GTEM小室的傳輸特性HG和測量系統(tǒng)的頻響特性HC，即可求取被測傳感器的HS，且該方法對于入射波的波形畸變也不敏感，因為其作用于兩種方式測量信號的影響都是相同的。

2 UFH傳感器接收性能測試平臺

2.1 測試平臺

根據(jù)GIS特高頻局部放電傳感器接收性能測試方法，建立UHF局部放電傳感器性能測試平臺，以實現(xiàn)對UHF傳感器的接收性能進行自動測試。該平臺包括標定脈沖信號源、單極探針參考傳感器、GTEM小室、高速示波器以及控制主機，其中控制主機安裝有基于Labview開發(fā)的測控軟件，用于進行信號傳輸控制、測試、分析和計算。

2.2 主要設(shè)備及技術(shù)指標

2.2.1 脈沖標定源

為準確測定UHF傳感器的傳輸特性，應(yīng)采用與局部放電信號的等效信號作為UHF傳感器的輸入信號，等效信號的幅頻特性應(yīng)與典型UHF信號一致。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的上升沿約為0.1～0.2 ns，則標定源輸出電壓信號的上升沿應(yīng)在0.4～0.8 ns，且要求標定源的輸出信號具有可控性和穩(wěn)定性的特點。測試平臺采用脈沖源的參數(shù)如表1所示，圖3為脈沖源輸出信號波形示意圖。

表1 脈沖標定源主要性能指標

圖3 脈沖源輸出信號波形

2.2.2 單極探針參考傳感器

由于單極探針天線結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小，在接收瞬變電場時具有不失真的特點，且其接收特性容易獲取和驗證，比較適合作為UHF檢測的參考傳感器。因此，為減小參考傳感器對GTEM小室電場的影響，以獲取更準確的測試效果，本測試平臺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測等效高度、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，并取得良好的屏蔽效果測試平臺選用的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場強較均勻的區(qū)域，開孔直徑為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傳感器接收性能測試應(yīng)用

3.1 測試應(yīng)用及被測設(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傳感器分別進行等效高度測試。

測試步驟如下:①按照圖1連接好實驗設(shè)備，并進行儀器調(diào)試；②首先對單極探針參考天線進行測試，分別采取在GTEM小室開孔處采取金屬屏蔽和未采取屏蔽兩種方法，研究屏蔽對測試結(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，進行廠家A和廠家B傳感器測試性能對比分析。

表2 示波器性能指標

3.2 屏蔽對測試結(jié)果的影響

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

圖5 單極探針測試結(jié)果對比

由圖5可以看出，采取屏蔽措施時，單極探針傳感器的輸出信號幅值為56 mV，較未采取屏蔽措施的輸出信號幅值51 mV大；采取屏蔽措施時，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和等效高度曲線測試結(jié)果一致，采取屏蔽措施時探針的接收特性較未采取屏蔽措施時的接收特性好。

3.3 測試結(jié)果對比分析

按照圖1的接線方式，在采取屏蔽措施的條件下，分別對單極探針、廠家A和廠家B的UHF局部放電傳感器的接收特性進行測試，測試結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為3種傳感器輸出電壓信號波形，圖6(b)為3種傳感器輸出等效高度曲線。

圖6 不同類型傳感器測試結(jié)果對比

由圖6(a)可以看出，廠家A傳感器輸出信號幅值最大為180 mV，廠家B次之，單極探針天線最小；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和等效高度曲線測試結(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試平臺，測試結(jié)果表明:①傳感器等效高度曲線和輸出電壓信號結(jié)果一致，可用以表征UHF傳感器的接收特性，實現(xiàn)對不同傳感器的接收性能測試；②傳感器采取屏蔽時的測試效果較未采取屏蔽的效果好；③該方法可為今后UHF傳感器校驗提供依據(jù)，規(guī)范GIS特高頻局部放電檢測儀器性能測試。

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〔4〕龐小峰，呂鴻，李興旺，等.500 kV GIS斷路器內(nèi)置特高頻傳感器靈敏度校驗方法〔J〕.廣東電力，2014，27(10): 112-115.

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，主要從事帶電檢測儀器檢定與測試、電力系統(tǒng)過電壓計算、過電壓在線監(jiān)測與識別、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