GIS特高频局部放电传感器接收性能测试方法研究

李 欣，叶会生，谢耀恒，李 婷，范 敏

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

GIS特高频局部放电传感器接收性能测试方法研究

李 欣，叶会生，谢耀恒，李 婷，范 敏

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

提出用等效高度表征特高频局部放电传感器接收性能的测试方法，并建立专用试验测试平台，对传感器的接收性能进行检测，同时研究了两个不同厂家的特高频局部放电传感器的接收性能，分析了屏蔽对测试结果的影响。

GIS；特高频；局部放电；传感器；等效高度；接收性能

由于气体绝缘金属封闭开关设备(包括GIS和HGIS)具有占地面积小、可靠性高、维护工作量小、一次设备集成度高和受外界干扰少等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。尤其“十二五”期间，随着经济的快速发展和城市化进程的不断加快，由于常规AIS变电站占地面积大，土地价格昂贵、征地困难，城市变电站越来越多的采用GIS (HGIS)变电站，近10年国网湖南省公司110 kV及以上GIS(HGIS)变电站数量均成倍增加。随着运行年限的增长，早期设备已处于寿命中后期，且新投运设备数量较大，由于产品质量、生产工艺、安装调试不当和运维手段有限等原因，GIS (HGIS)设备故障越来越多，其故障类型主要集中于内部故障、机构故障、漏气缺陷和湿度超标等，其中内部局部放电故障成为威胁GIS设备安全运行的重要原因之一。为及早发现GIS(HGIS)设备内部局部放电故障，近几年特高频和超声波局部放电检测的应用越来越多，现场应用表明，特高频和超声波局部放电检测能够有效检测出GIS(HGIS)内部放电缺陷，尤其特高频局部放电检测方法对悬浮放电、尖端放电、微粒放电和气隙放电等典型放电类型较为敏感，在现场得到了大量的应用。

目前有关特高频局部放电检测仪器检定还未有统一标准，导致产品质量参差不齐，现场应用效果不尽如意，严重影响了特高频局部放电检测的现场应用效果。为此，提出用等效高度表征特高频局部放电传感器接收性能的测试方法，并建立专用试验测试平台，可以对传感器的接收性能进行测试，研究了两个不同厂家的特高频局部放电传感器的接收性能，并分析了屏蔽对测试结果的影响。

1 UHF传感器接收性能测试原理及方法

1.1 测试原理

由于天线可将接收到的电场信号E(f)转化为电压信号U(f)，根据输入电场和输出电压的关系，可计算天线的传递函数H(f)，该参数反映了天线的接收性能。设天线在GTEM小室开孔处接收的电场信号为e(t)，天线输出的电压信号为u(t)，则天线的传输特性为:

式中 U(f)为输出电压u(t)的FFT变换，E(f)为入射电场e(t)的FFT变换，H(f)即为天线的接收特性，也称为等效高度。

对于相同的输入电场信号，若天线输出电压信号的幅值越高，则表示其传输性能越强，等效高度也越高，因此可将等效高度作为表征传感器性能的关键技术指标。图1为GIS特高频局部放电传感器接收性能的测试原理。

图1 UHF传感器接收性能测试原理

1.2 测试方法

由于GTEM小室内电场并非完全均匀分布，且任一点的电场Ei(t)也难以精确测量，使得直接由公式(1)计算天线的等效高度存在一定的困难。为此采用时域参考法间接计算传感器的等效高度，图2为UHF局部放电传感器参数测试方法的参数传递过程。

图2 测试方法的参数传递过程

利用标定信号源向GTEM注入信号，在GTEM小室内建立空间电场，分别采用参考传感器和被测传感器在GTEM小室开口处测量电场Ei，传感器输出电压分别为URs和UMs，则参考传感器和待测传感器的测量输出可分别表示为:

可进一步表示为:

式(2)和(3)中 HG为GTME小室的传递函数，HR为参考天线的传递函数，HS为待测传感器的传递函数，HC为测量系统的传递函数。

由式(3)可知，利用参考传感器的传递函数HR、参考传感器和被测传感器对于注入脉冲信号的电压响应URs和UMs，即可计算待测传感器的传递函数特性。该方法的优点在于不必知道GTEM小室的传输特性HG和测量系统的频响特性HC，即可求取被测传感器的HS，且该方法对于入射波的波形畸变也不敏感，因为其作用于两种方式测量信号的影响都是相同的。

2 UFH传感器接收性能测试平台

2.1 测试平台

根据GIS特高频局部放电传感器接收性能测试方法，建立UHF局部放电传感器性能测试平台，以实现对UHF传感器的接收性能进行自动测试。该平台包括标定脉冲信号源、单极探针参考传感器、GTEM小室、高速示波器以及控制主机，其中控制主机安装有基于Labview开发的测控软件，用于进行信号传输控制、测试、分析和计算。

2.2 主要设备及技术指标

2.2.1 脉冲标定源

为准确测定UHF传感器的传输特性，应采用与局部放电信号的等效信号作为UHF传感器的输入信号，等效信号的幅频特性应与典型UHF信号一致。根据相关研究〔1-2〕，悬浮放电、尖端放电和沿面放电等典型特高频局部放电信号的上升沿约为0.1～0.2 ns，则标定源输出电压信号的上升沿应在0.4～0.8 ns，且要求标定源的输出信号具有可控性和稳定性的特点。测试平台采用脉冲源的参数如表1所示，图3为脉冲源输出信号波形示意图。

表1 脉冲标定源主要性能指标

图3 脉冲源输出信号波形

2.2.2 单极探针参考传感器

由于单极探针天线结构简单、尺寸较小，在接收瞬变电场时具有不失真的特点，且其接收特性容易获取和验证，比较适合作为UHF检测的参考传感器。因此，为减小参考传感器对GTEM小室电场的影响，以获取更准确的测试效果，本测试平台选用单极探针天线作为参考传感器。图4(a)为单极参考传感器的尺寸特性，图4(b)为单极探针参考传感器的实测等效高度、理论等效高度和等效高度拟合曲线。

图4 单极探针参考传感器及等效高度曲线

2.2.3 GTEM小室

为建立均匀电场，并取得良好的屏蔽效果测试平台选用的GTEM小室尺寸为4 000×2 100×1 400 mm，传感器放置于GTEM小室上位于顶部后1/3场强较均匀的区域，开孔直径为150 mm，其频率范围为0～2 GHz，50.2 Ω，电压驻波比为1.47。

2.2.4 示波器

示波器选用安捷伦DSO9404 A型示波器，具体参数如表2所示。

3 UHF传感器接收性能测试应用

3.1 测试应用及被测设备

为表明采用等效高度表征特高频局部放电传感器接收性能的有效性，采用单极探针天线、厂家A和厂家B传感器分别进行等效高度测试。

测试步骤如下:①按照图1连接好实验设备，并进行仪器调试；②首先对单极探针参考天线进行测试，分别采取在GTEM小室开孔处采取金属屏蔽和未采取屏蔽两种方法，研究屏蔽对测试结果的影响；③根据屏蔽影响，选择采取屏蔽和未采取屏蔽某一种方法，进行厂家A和厂家B传感器测试性能对比分析。

表2 示波器性能指标

3.2 屏蔽对测试结果的影响

为研究GTEM小室开孔处采取屏蔽措施对测试效果的影响，分别采用单极探针传感器在屏蔽和未屏蔽的条件下进行测试，测试结果如图5所示。图5(a)为单极探针传感器输出信号波形，图5 (b)为单极探针传感器等效高度曲线。

图5 单极探针测试结果对比

由图5可以看出，采取屏蔽措施时，单极探针传感器的输出信号幅值为56 mV，较未采取屏蔽措施的输出信号幅值51 mV大；采取屏蔽措施时，单极探针传感器的等效高度曲线较未采取屏蔽措施的等效高度曲线值大，平均等效高度均值分别为1.93 mm和1.91 mm，且等效高度≥2 mm的概率分别为45%和40%。综上可知，不同屏蔽条件下单极探针天线的输出电压信号和等效高度曲线测试结果一致，采取屏蔽措施时探针的接收特性较未采取屏蔽措施时的接收特性好。

3.3 测试结果对比分析

按照图1的接线方式，在采取屏蔽措施的条件下，分别对单极探针、厂家A和厂家B的UHF局部放电传感器的接收特性进行测试，测试结果如图6所示。图6(a)为3种传感器输出电压信号波形，图6(b)为3种传感器输出等效高度曲线。

图6 不同类型传感器测试结果对比

由图6(a)可以看出，厂家A传感器输出信号幅值最大为180 mV，厂家B次之，单极探针天线最小；由图6(b)可以看出，厂家A传感器输出等效高度曲线在厂家B和单极探针之上，平均等效高度均值分别为12.17 mm，9.28 mm和1.93 mm，且等效高度≥2 mm的概率分别为88%，85%和45%。综上可知，单极探针、厂家A和厂家B的UHF传感器输出电压信号和等效高度曲线测试结果一致，厂家A传感器的接收特性最好，厂家B次之，单极探针传感器性能最差。

4 结论

文中采用等效高度用以表征UHF传感器的接收性能，并建立传感器接收性能测试平台，测试结果表明:①传感器等效高度曲线和输出电压信号结果一致，可用以表征UHF传感器的接收特性，实现对不同传感器的接收性能测试；②传感器采取屏蔽时的测试效果较未采取屏蔽的效果好；③该方法可为今后UHF传感器校验提供依据，规范GIS特高频局部放电检测仪器性能测试。

〔1〕李兴旺，卢启付，叶齐政，等.GIS局部放电与等效脉冲注入过程中特高频信号一致性研究〔J〕.高压电器，2013，49 (11):99-103.

〔2〕李端娇，郑书生，黎亮，等.人工电压脉冲与局部放电UHF信号的等效性分析〔J〕.电网技术，2014，38(10):2 900-2 904.

〔3〕王增彬，吕鸿，李兴旺，等.基于网络分析仪的GIS局部放电在线监测特高频传感器现场校核技术〔J〕.广东电力，2014，27(11):90-96.

〔4〕庞小峰，吕鸿，李兴旺，等.500 kV GIS断路器内置特高频传感器灵敏度校验方法〔J〕.广东电力，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，FAN 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，工程师，主要从事带电检测仪器检定与测试、电力系统过电压计算、过电压在线监测与识别、防雷与接地等研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.006

2015-12-28 改回日期:2016-02-24