局部放電UHF檢測系統及其功能校驗分析

徐 梁

（國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

隨著我國城市化進程的推進與經濟的快速發展，電力部門對GIS需求量增加。以目前早期投入使用的GIS情況看，其壽命縮短，且運行故障時有發生，這種情況若不及時進行處理，將會引發絕緣故障，威脅電網的運行安全，由此發展先進的在線檢測與狀態檢修技術來保障電力設備安全運行十分必要[1]。目前，局部放電UHF檢測技術是最主要的在線監測手段，其在英國和德國等歐洲國家中普遍應用[2]。但由于局部放電UHF檢測現場運行環境十分復雜，會受到電磁干擾影響，同時局部放電UHF檢測設備中關鍵部位對傳感器的要求較高，而國內關于此方面的技術發展時間短，并且一些生產廠家為了自身效益，導致市場上使用的UHF檢測設備質量參差不齊，因此為了提高局部放電UHF檢測系統的性能和質量，大大降低絕緣事故的發生率，需要重視分析局部放電UHF檢測系統性能及其功能檢驗方法。

1 局部放電UHF檢測系統影響的關鍵因素分析

關于GIS局部放電UHF檢測系統，主要利用UHF檢測裝置，通過將傳感器所在位置處的入射場強轉換為電壓信號后輸出，并滿足對該裝置相關性能測試需要。對于整個檢測系統，其性能優劣影響相關因素內容如下。

1.1 傳感器耦合特性

局部放電UHF傳感器在放電期間產生瞬態脈沖電磁波，該傳感器通過運用耦合器原理將瞬態脈沖電磁波轉化為電壓信號后輸出。一般情況下，局部放電UHF傳感器相當于電場型天線，經過天線的耦合作用感應電磁波的電場分量[3]。根據入射電場與輸出電壓之間的關系，可得到天線的傳導函數為：

式中，U(f)為輸出電壓；E(f)為入射電場；H(f)為天線傳感器的傳遞函數。若設E(t)為傳感器所在位置處的電場強度，經天線耦合作用后轉為電壓輸出信號U(t)，經Fourier變化后將時域轉化為頻域，即可得出頻域等效高度，也就是天線傳感器的傳遞函數。同樣對于入射電場，天線輸出信號的電平高度可決定等效高效高度，兩者之間呈現正相比的關系。該因素是表征其性能的關鍵指標，可反映天線接收能力的大小。經過以上函數分析可知，與傳感器特性有關的指標有傳感器掃頻響應，該響應可有效反映信號源的特性，該指標只能作為傳感器的橫向指標，而不能用來描述天線性能。

1.2 UHF檢測系統的靈敏度

關于局部放電UHF檢測系統靈敏度因素的分析，本文將其定義為在一定環境背景的噪聲條件下，關于局部放電特高頻檢測的數值，該檢測系統可以分辨出的值為最小脈沖電場強度峰值。該系統在檢測過程中所檢測的信號反應了該系統所能接收到的最強UHF信號強度，也就是該系統裝置所能接收的信號強度的上限。而在現實過程中，對于超出該部分的信號將會導致檢測系統發生飽和，無法反映所檢測出的實際強度數值，相應的檢測系統裝置會發生故障，繼而導致系統監測失靈[4]。

1.3 UHF檢測系統動態范圍及抗干擾性

根據分析UHF檢測系統的靈敏度可知，對于UHF檢測系統動態范圍上限，對其表征可采用最大飽和場強峰值代替。特定條件下，該檢測系統最大脈沖場強峰值可達到3 dB飽和點，可與GTEM小室測試窗口處的場強峰值相對應，而且檢查系統在特定范圍內所受到的干擾因素較少，檢測的靈敏度較高。

2 局部放電UHF檢測系統功能校驗

由以上介紹可知，GIS局部放電UHF檢測裝置性能優劣的核心指標為耦合性能、檢測系統的靈敏度以及動態范圍。關于該系統功能的校驗，此次研究基于二雙通道任意波形發生器AWG7082C基礎上開發了信號模擬平臺，該平臺設計可重構任意波形發生器的信號場景，收集該段的時頻信號，通過分析UHF傳感器與GTEM平臺傳播的信號情況進行驗證。

2.1 校驗平臺的設計

關于該校驗平臺的設計，除了計算機和任意波形發生器AWG7082C硬件外，還需要相關的軟件流程。圖1為局放模擬發生平臺軟件設計流程，通過信號重構輸出信號。其中信號輸出采用兩種方式，一種是使用信號放大器將信號增強后輻射出去，另一種是避開UHF天線發射，由任意波形發生器輸出信號，然后傳達到GTEM小室并由該平臺完成校驗[5]。由于該校正平臺中控制AWG按照采集信號，而AWG具有雙通道輸出功能，因此為了實現輸出局放信號具有工頻相位特征，需要使用局放特高頻檢測系統校驗放電模式識別。

圖1 局放模擬發生平臺軟件設計流程

2.2 校驗平臺性能的驗證

2.2.1 輸出局放信號時頻特征表現

通過采用示波器分析輸出信號時頻特征，信號源輸出通道與示波器直接相連可測得金屬尖端缺陷模型放電信號的時域波形及頻譜，信號的頻譜分布超過3 GHz，高壓尖端局放信號的脈沖寬度接近150 ns，主要頻帶集中在1 GHz以內，信號的最大峰值為705 mV。當信號功率衰減則說明頻率超過3 GHz，當頻率超過國家規定標準后，頻率響應與等效高度成正比關系。

2.2.2 輸出電磁干擾信號時頻分析

通過應用示波器，使得該平臺設計應用后可測得信號源輸出變電站背景噪聲和放電類脈沖干擾的時頻，其中背景噪聲一般情況下由多種干擾混合，頻率成分比較復雜，頻帶范圍經統計可達到2 GHz，而在1 GHz時呈現聚集狀態，這表示所測得的原始信號存在通信干擾，信號比較混雜[6]。輸出放電類干擾信號頻帶主要集中在1 GHz以內，其中信號復制最大情況時處于200 MHz和500 MHz，且懸浮類干擾信號包含于原始數據中。

2.3 局放儀模式識別與干擾抑制能力校驗

信號輸出的校驗平臺設計有兩個方法，一種是通過UHF傳感器輻射信號完成，另一種是通過GTEM平臺傳導信號源輸出的特高頻信號。基于GTEM小室的UHF檢測系統檢驗平臺如圖2所示，為了驗證測量結果的準確性，需要選擇比較典型的結果判定設備的性能。

圖2 基于GTEM小室的UHF檢測系統檢驗平臺

2.3.1 UHF局放儀模式識別校驗

該校驗思路是基于同一信號源情況下校驗不同階段的信號輻射，是將信號輻射至空中后經過UHF傳感器傳輸給局放儀完成，根據檢測結果評估其準確率。從實際情況看，該UHF局放儀對懸浮放電的識別準確率較高[7]。分析統計特高頻檢測系統發現，校驗平臺輸出第一階段局放信號系統可很好地識別，但對第二階段和第三階段的識別效果不理想，這可能與電壓等級提升有關。此外，當PRPD譜圖的相位和幅值分布較廣，各個模型局放譜圖越相似時越容易產生誤判。

2.3.2 局放儀干擾抑制能力的校驗

對變電站而言，通信干擾情況比較常見。通過校驗局放儀器可知，儀器診斷結果表示中自由金屬顆粒放電40%，而懸浮電位體放電與干擾各30%，可見儀器診斷存在誤差，其原因可能是工頻相位特征的影響及PRPD譜圖上相位分布較廣所致[8]。該型局放特高頻檢測設備對混合信號的抑制效果較差，通信幅值較低，濾除可以通過設置閾值來實現，但是特殊情況時電暈干擾在時域與頻域上時有發生，且特征與與局放信號特征相似很難有效濾除，從而使導致系統發生誤判。

3 結 論

本文分析了GIS局部放電特高頻檢測系統量化評價指標，即傳感器耦合性能、檢測系統的靈敏度以及動態范圍，并以此為基礎設計局部放電UHF檢測系統功能校驗平臺，通過比較UHF傳感器輻射信號與GTEM平臺傳遞信號輸出方式的優缺點，檢測平臺校驗模式識別和干擾抑制能力發現，儀器對混合干擾信號的抑制最差，而影響局放檢測準確性的主要原因是混合干擾信號。在統計各類電磁干擾時，應該采用有效檢測頻帶更寬的傳感器與任意波形發生器，要求避免人為誤差，此外在不久的將來還可以通過實現校驗平臺的自動化來提高其效率與準確率。