基于GTEM小室的UHF傳感器性能測試研究

周 雷，譚向宇，閆江寶,3，張立峰，宋亞杰

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基于GTEM小室的UHF傳感器性能測試研究

周 雷1,2，譚向宇2，閆江寶2,3，張立峰1，宋亞杰1

（1. 華北電力大學 自動化系，河北 保定 071003；2. 云南電網責任有限公司電力科學研究院，云南 昆明 650011；3. 昆明理工大學 信自學院，云南 昆明 650504）

為維護并及時發現GIS（Gas Insulated Switchgear, GIS）設備內部存在的故障缺陷，UHF（Ultra-high Frequency, UHF）檢測法是近幾年來發展比較迅速并且應用廣泛的一種新型的檢測技術。由于UHF傳感器的標準缺乏統一標準，嚴重制約了UHF檢測領域更大程度的發展。對于此，本文基于GTEM（Gigahertz Transverse Electromagnetic）小室設計了特高頻測試系統。將納秒級陡脈沖信號發生器產生的可調高頻信號通過帶寬天線在GTEM小室內部發射，產生標準的脈沖電磁場，把被測量的傳感器置于測量窗口接收信號，標定了不同UHF傳感器類型在安裝角度下的有效高度和靈敏度2個指標。研究結果表明，不同類型的UHF傳感器可以通過不同安裝角度下的等效高度以及靈敏度來進行測量評價，使得UHF傳感器性能有直觀的標準。

UHF傳感器；GTEM小室；等效高度；靈敏度

0 引言

氣體絕緣組合開關是一種新型分配電能并保護電路的設備。為保護GIS設備內部多種電氣設備元器件如：斷路器、母線、隔離開關等，因此向設備內部充滿化學性能穩定的SF6絕緣氣體。然而，在GIS設備在長期運行的過程中，由于操作不當和長時間的運行，同時GIS設備封閉性極好的原因，當事故發生時，其產生的后果非常嚴重，而且在進行檢測維修也極其困難。局部放電在線監測技術是把握GIS設備內部放電情況的一種很有效方法。文獻[1]指出現階段檢測局部放電的方法主要有：聲檢測法、光檢測法、化學檢測法、脈沖電流法、特高頻檢測法等方法。

1 GTEM小室和UHF傳感器

為有效提高UHF局部放電傳感器對局部放電信號的檢測性能，使用GTEM小室進行傳感器的標定具有重要意義。

1.1 GTEM小室

為了對UHF傳感器進行測量與標定，Judd等人最早提出了利用橫電磁波（Transverse Electromagnetic，簡稱TEM）小室測量UHF傳感器有效高度的方法，可以用TEM小室對UHF傳感器進行測量標定。但是，TEM小室的頻率最大只有百MHz，遠遠達不到GHz，所以在應用的范圍上受到限制，很難達到UHF傳感器的工作頻帶[5]。鑒于此，Konigstein等人提出了吉赫茲橫電磁波（GTEM）小室，如圖1所示：

圖1 GTEM小室結構圖

在傳統TEM小室基礎上將其改造成矩形錐同軸線結構，半錐形同軸的結構可以防止小室內電磁波的漫反射，其后壁由錐形吸波材覆蓋作電磁波的吸收負載，以消除后端反射，同時，采用分布式電阻進行匹配，以便將后端反射降到最低。工作頻率提升至數GHz，從而克服了傳統的TEM小室可用頻率上限低的缺點。實現了基于時域脈沖參考法的UHF傳感器有效高度標定方法，效果明顯改善。在電磁測試領域，GTEM小室具有相關組合設備系統簡單，性價比高等優點。

1.2 UHF傳感器

UHF傳感器由天線、特高頻放大器、高通濾波器、檢波器、耦合器和屏蔽外殼組成，除天線所在面為環氧樹脂板外，用于接收放電信號，其他都是采用金屬材料屏蔽，以防止外部信號干擾。傳感器輸出兩路信號，一路為檢波信號，一路為特高頻信號，UHF傳感器的原理結構如圖2所示：

圖2 UHF傳感器內部結構圖

在局部放電檢測中，特高頻檢測法已經成為局部放電在線監測的主要測試方式，該方法已經廣泛用于實際測量。UHF傳感器的特點如下[6]：

（1）UHF傳感器抗外界電磁干擾的能力比較強；

（2）分析傳感器所獲得信號，可以對局部放電源進行準確定位；

（3）根據測量得到的局部放電產生的PDPR圖以及信號的頻譜特征，可對GIS設備進行故障診斷和模式識別檢測；

（4）UHF傳感器的檢測信號范圍較大而且測量位置少，能夠高效率檢測和自動在線監測放電情況。

2 等效高度標定原理

3 基于GTEM小室的UHF傳感器測量

3.1 等效高度標定測試

UHF檢測系統實際上測量的是發生局部放電時所輻射出的電磁波的電場強度[8]。基于GTEM小室的UHF檢測系統檢驗平臺連接圖如圖3所示：

圖3 UHF檢測系統檢驗平臺示意圖

文獻[9]利用GTEM小室分別對不同型號的外置式UHF傳感器等效高度測量標定。根據圖3進行系統接線，所測量的數據通過示波器的網線上傳至計算機，系統軟件將分析結果自動保存測試記錄，分析軟件如圖4所示：

圖4 分析軟件分析數據

本文測量了3種型號的UHF傳感器，每種型號2組傳感器；分別測量了6組傳感器在不同安裝角度下的平均等效高度，結果如表1所示：

表1 不同角度下的UHF傳感器平均等效高度

Tab.1 Average Equivalent Height of UHF Sensors at Different Angles

由表1可以看出，不同型號的傳感器和不同安裝角度下所得到的平均等效高度是不相同的。其中“SPW-2/GPD”和“PDS-620W”型號耦合性明顯強于“GWA”型號；在0°和180°、45°和135°安裝情況下，等效高度基本一致，耦合性明顯高于90°。

3.2 靈敏度標定測試

測量結果如表2所示：

表2 UHF傳感器靈敏度

Tab.2 UHF sensor sensitivity

由表2可以看出，其中“SPW-2/GPD”和“PDS- 620W”型號的4組傳感器靈敏度基本一致，但明顯高于“GWA”型號的傳感器。

4 結語

基于GTEM小室對UHF傳感器進行等效高度進行標定，測試結果表明：

（1）型號不同的UHF傳感器等效高度和靈敏度的性能差異較大；

（2）在安裝角度不同的情況下，UHF傳感器的等效高度不同，在測量的6組傳感器中，傳感器的接觸面積越小，耦合性越弱。

（3）對UHF傳感器等效高度和靈敏度進行標定，可以對UHF局部放電在線監測系統進行性能評價，以確保檢測局部放電的有效性和準確性。

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Research on UHF Sensor Performance Test Based on GTEM Cell

ZHOU Lei1,2, TAN Xiang-yu2, YAN Jiang-bao2,3, ZHANG Li-feng1, SONG Ya-jie1

(1. Department of Automation, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.Yunnan Power Grid Company Electric Power Research Institute, Kunming 650011, China; 3. Faculty Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China)

In order to maintain and discover the fault defects in Gas Insulated Switchgear (GIS) equipment, Ultra-high Frequency (UHF) detection method is a kind of new detection technology which has been developed rapidly and widely used in recent years. However, due to the different UHF sensor manufacturers, there will be a lack of standards, which will lead to alarm errors, seriously hampered the development of UHF detection field. Therefore, this paper designs a UHF test system based on the Gigahertz Transverse Electromagnetic (GTEM) cell. The adjustable high-frequency signal generated by the nanosecond steep pulse signal generator is transmitted through the bandwidth antenna in the GTEM cell and generates a standard pulsed electromagnetic field. The adjustable high-frequency signal generated by the nanosecond steep pulse signal generator is transmitted in the GTEM cell through a bandwidth antenna to generate a standard pulsed electromagnetic field, and the measured sensor is placed in the measurement window to receive signals. Two indicators of the effective height and sensitivity of different UHF sensor types at the installation angle are calibrated. The research results show that different types of UHF sensors can be measured and evaluated through equivalent heights and sensitivities at different installation angles, making the UHF sensor performance intuitive.

UHF sensors; GTEM cell; Equivalent height; Sensitivity

TP212

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.037

周雷(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：局部放電檢測儀測評；譚向宇(1981-)，博士后，主要研究方向：高電壓與絕緣技術；閆江寶(1993-)，女，碩士在讀，從事局部放電檢測儀測評工作。

本文著錄格式：周雷，譚向宇，閆江寶，等. 基于GTEM小室的UHF傳感器性能測試研究[J]. 軟件，2018，39（7）：173-176