一种特高频局部放电传感器现场校验装置

曹宏明CAO Hong-ming；张林元ZHANG Lin-yuan；张力ZHANG Li；陆平LU Ping；叶海峰YE Hai-feng；宋树平SONG Shu-ping

（①江苏常熟发电有限公司，苏州 215500；②常熟理工学院，苏州 215500）

0 引言

局部放电是绝缘劣化的表征，其积累发展会导致高压设备绝缘的击穿。特高频（ultra high frequency，UHF）法以其高灵敏度、高可靠性、能够识别并定位放电源等优点，成为近二十年来国内外局放检测领域的研究重点和热点[1-2]。

局部放电信号在GIS中以电磁波方式传播，高达GHZ，其脉冲持续时间极短，波头仅为几个ns，所以相对应的频域分布十分广泛。根据之前的研究分析，上升沿时间小于1ns、脉冲持续时间为数十纳秒的脉冲是可以模拟GIS中的局部放电信号[3]。局部放电监测装置的现场校验是电网设备运维管理的一项重要工作，由于装置安装现场情况比较复杂，传感器通信方式不同、现场电磁环境差异等原因，导致GIS局部放电在线监测装置的现场校验是工程上的一个技术难点，也是相关领域研究的一个热点。

国内研究机构研制了试验室用脉冲信号发生器，可用于装置的出厂校验。但该装置体积较大，使用时需要连接市电电源，现场校验作业便捷度低。随着“数字化电网”建设的持续推进，大量GIS局部放电监测装置的投运给电网运维工作带来挑战，亟需研制小型化、便携式的现场校验脉冲装置。

1 检验装置设计

根据GIS局部放电监测装置现场校验的作业特点，本文将局放校验装置设计为便携式手持仪器，主要包括：陡脉冲产生模块、电源模块、充电模块、控制模块和显示模块等部件。

1.1 设计原理

为准确模拟现场纳秒级的局部放电脉冲信号。校验装置的核心功能为输出幅值、脉宽、重复频率可调的纳秒级陡脉冲。

陡脉冲发生器因具有较高的峰值功率，易于实现，稳定性好等优点等原因，已被广泛应用在电力、医疗等领域。成为UHF局放源信号发生器的技术指标要求，输出阻抗50Ω，上升沿时间小于1ns，脉冲持续时间小于1ms，输出电压值可在1-50V范围内进行调节，标定脉冲输出幅值误差小于10%。

产生陡脉冲的方法有：①对气体放电器脉冲做锐化和削波处理产生陡脉冲；②利用非线性脉冲实现脉冲压缩及前沿整形，实现陡脉冲；③利用储能发生器产生陡脉冲；④利用高压脉冲放电管、水银继电器等开关元件直接产生陡脉冲。

鉴于水银继电器具有工作性能稳定，重复性好，使用寿命长，上升沿时间稳定等优点。本文利用水银继电器为开关元件来实现陡脉冲，其电路原理见图1所示。

脉冲原理图如图1所示，首先主电容C1在开关断开的状态下由直流电路充电到稳态电压U1，开关闭合后，电容C1上的电荷经电阻R1对R3放电，同时经R2对C2充电，在C2形成上升的电压波前，C2上的电压被充到最大值后，反过来经R2和C1一起对R3放电，在C2形成下降的电压波尾，从而产生双指数全波波形。

1.2 陡脉冲产生模块

本部分主要由变压器产生幅值1-50V可调的直流电压，经MCU控制的FPGA来控制输出电压的幅值。直流电压经限流电阻对耐压500V的高稳定电容充电C1后，切换水银继电器动作，由C2对负载放电产生脉冲信号。

1.3 电源管理模块

本装置电源管理模块包括电源变换、充电管理等功能。支持充电电源适配器及电池电压的在线检测。通过MCU实时采集供电电压，实现外部适配器供电和内部锂电池供电的切换，切实提高电池的使用效率。

1.4 控制电路模块

本部分采用低功耗、高性能的控制方案。

控制电路板支持双通道信号输出，电路板如图2所示。

2 检验装置测试

为验证研制的校验装置的输出性能，在实验室开展了脉冲输出实验，实验系统原理图见图3所示。

如图3所示，实验系统主要由控制计算机、校验装置、高速示波器等组成。控制计算机与检验装置通过控制电缆，以串口方式进行通信。校验装置与高速示波器通过50Ω同轴电缆相连。实验时，控制计算机控制校验装置输出不同波形的脉冲信号，并通过示波器采集脉冲波形。部分实验波形见图4所示。

由图4可见，装置输出陡脉冲波形较为清晰，接近于标准的双指数脉冲波。依次改变标定脉冲幅值，对应记录输出波形的参数指标，见表1所示。

由表1可见，当标定脉冲幅值在1-50V范围变化时，输出脉冲上升沿时间均小于1ns，输出波形幅值误差小于5%，满足设计要求。

表1 实验脉冲数据表

3 工程应用

为了验证以上分析结果，本试验基于220kV GIS出线间隔进行了局放实验测试，测试设备连接图如图5（a），内置式特高频传感器安装位置如图中标识位置，传感器实物图如图5（b）所示，缺陷模型为尖端放电，如图5（c）所示。所用设备为国际知名厂商SDMT公司的PD71局放检测仪。

逐渐加压使尖端产生局部放电，并观察IEC60270标准的局部放电仪，在5pC、10pC时候各停5分钟，并记录特高频局放仪器的幅值和特征图谱，见图6所示。

同理，利用校验装置进行模拟试验，逐渐调节信号的输出电压值和重复频率，使传感器所接收到的幅值与5pC和10pC放电时一致，记录下试验中标定脉冲幅值，及局放测试仪图谱，见图7所示。

对比图6和图7可见，当检验装置输出幅值为4.5V和14.5V时，相应检测信号幅值分别为-56.9dBm、-46.9 dBm。两类实验下，信号强度误差小于1%，表明研制的校验装置与典型的放电模型具有等效性，可作为标准源用于现场局放检测仪器的校验。

4 结论

本文基于开关元件研制了用于局部放电检测仪器现场校验的装置，并在实验室对装置的性能进行了测试，结果如下：①当标定脉冲幅值在1-50V范围变化时，输出脉冲上升沿时间均小于1ns，输出波形幅值误差小于10%。②装置输出信号与典型放电缺陷模型激发信号具有等效性，信号强度误差小于1%，满足工程实际应用的需要。