鄭聞文李功新舒勝文

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350003；3.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

GIS局部放電UHF檢測系統(tǒng)性能檢驗方法研究進展

鄭聞文1李功新2舒勝文3

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350003；3.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

UHF檢測法在GIS局部放電狀態(tài)檢測中得到了廣泛應(yīng)用。然而，GIS局部放電UHF檢測技術(shù)尚存在UHF傳感器質(zhì)量參差不齊、配置方案不佳、缺乏統(tǒng)一的標定方法等問題，導(dǎo)致誤報警、漏報警問題時有出現(xiàn)，嚴重制約了GIS局部放電UHF檢測領(lǐng)域的健康發(fā)展。為此，有必要深入開展GIS局部放電UHF檢測系統(tǒng)性能校驗方法的研究，提升GIS局部放電UHF檢測技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用水平。本文綜述了GIS局部放電UHF傳感器的耦合性能檢驗方法、UHF檢測系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍的實驗室檢驗方法和現(xiàn)場檢驗方法已取得的研究進展和存在的不足，提出了GTEM小室阻抗特性和場強均勻性標定、現(xiàn)場校驗脈沖注入方式和等效性研究等3個有待深入研究的方向。

GIS；局部放電；UHF檢測；有效高度；靈敏度；現(xiàn)場校核

GIS自20世紀中期問世以來迅速發(fā)展，以其占地空間小、受環(huán)境影響小、運行可靠性高等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。GIS在制造、包裝、運輸以及現(xiàn)場安裝過程中難免因外力因素影響造成損傷，從而產(chǎn)生絕緣缺陷。在運行電壓的持續(xù)作用下，這些絕緣缺陷可能引起局部放電，繼而引發(fā)絕緣故障，威脅電網(wǎng)的運行安全［2-4］。

目前，GIS局部放電的電氣檢測方法主要有UHF檢測法、脈沖電流法（耦合電容法）、超聲波檢測法。其中，由英國Strathclyde大學(xué)學(xué)者提出的UHF檢測法在實際的運行操作中優(yōu)勢明顯，可較好的屏蔽不易識別的電磁干擾，且非接觸測量的方式更加安全可靠，因此得到廣泛應(yīng)用。UHF法的原理是采用天線傳感器接收GIS局部放電激發(fā)出的UHF（0.3～3GHz）電磁波信號，實現(xiàn)對局部放電的測量與定位［5］。GIS現(xiàn)場運行環(huán)境復(fù)雜，不可避免的存在電磁干擾，但其頻段大多在300MHz以下，UHF檢測法可有效地避開此類干擾的影響，提高測量的信噪比，較適用于現(xiàn)場檢測。此外，UHF檢測法頻帶較寬，靈敏度高，定位精確度高，有效檢測范圍大，能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)絕緣劣化先兆，可在一定程度上避免絕緣故障的發(fā)生，節(jié)約維修成本［6-19］。

GIS局部放電 UHF檢測系統(tǒng)主要組成部分包括：UHF傳感器（耦合器）、信號放大器、主機（信號采集和處理器）和分析軟件。在GIS局部放電UHF檢測系統(tǒng)中，UHF傳感器分為內(nèi)置式和外置式兩種，內(nèi)置式UHF傳感器以其較高的靈敏度，受到用戶青睞［20］。而對于大多數(shù)服役時間長的GIS設(shè)備，宜采用不影響運行、安裝相對靈活的外置式傳感器。UHF傳感器在整個檢測系統(tǒng)中至關(guān)重要，其靈敏度通常用頻域內(nèi)的有效高度來表征；除UHF傳感器以外其他部件的性能也會影響整個檢測系統(tǒng)的靈敏度，通常用瞬態(tài)峰值脈沖電場強度和動態(tài)范圍來表征。在實際運行中，傳感器和其他部件可能受到諸如溫度、濕度以及機械振動等外因影響，使得其檢測、抗干擾性能受到損害，或?qū)⒁鹫`報警、漏報警等問題［21-23］。不僅如此，UHF檢測法對傳感器等關(guān)鍵部件的要求較高，且該技術(shù)在我國普及時間不長，導(dǎo)致設(shè)備造價居高，一些廠家為追求經(jīng)濟效益，導(dǎo)致市場上UHF檢測設(shè)備的質(zhì)量參差不齊、一致性差。此外，UHF傳感器存在現(xiàn)場安裝方式和配置方案欠佳等問題，這些也都在不同程度上制約了GIS局部放電UHF檢測行業(yè)的健康發(fā)展。

為此，有必要開展關(guān)于GIS局部放電UHF檢測系統(tǒng)性能檢驗方法的研究，借此提高GIS局部放電UHF檢測系統(tǒng)性能和質(zhì)量，從而能夠更加有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中存在的缺陷，一定程度上降低絕緣故障率，保障GIS設(shè)備的穩(wěn)定運行。文中綜述了GIS局部放電 UHF傳感器的耦合性能檢驗方法、UHF檢測系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍的實驗室檢驗方法以及現(xiàn)場檢驗方法的研究現(xiàn)狀，并提出了一些有待深入研究的方向。

1 UHF檢測系統(tǒng)性能實驗室校核

傳感器的耦合性能、檢測系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)范圍是表征GIS局部放電UHF檢測裝置性能優(yōu)劣的核心指標。

GIS局部放電檢測用UHF傳感器的作用是將傳感器所在位置處的入射場強轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出?？衫脺y量精度高、屏蔽性能好的吉赫茲橫電磁波（GTEM）小室進行有效高度的測試評估，以滿足對其相關(guān)性能測試的需要。

對于整個檢測系統(tǒng)，常規(guī)的掃頻法無法準確反映其對局部放電瞬態(tài)UHF信號的接收能力。而且局部放電UHF信號有高達數(shù)GHz的豐富頻譜分量，掃頻測量系統(tǒng)所必需的微波暗室造價高達數(shù)百萬元，成本及其高昂。目前，在實驗室校核中，一種較為有效地方法是采用瞬態(tài)峰值脈沖法表征檢測系統(tǒng)的靈敏度，即通過測量該放電脈沖電磁波的電場強度來表征測試結(jié)果［24］。

1.1 UHF傳感器有效高度測量方法

UHF傳感器的耦合性能對整個檢測系統(tǒng)的靈敏度有著至關(guān)重要的影響。在GIS局部放電UHF傳感器耦合性能的校核方面，Judd等最早提出了利用橫電磁波（Transverse Electromagnetic，TEM）小室測量 UHF傳感器有效高度的方法，初步證明了利用TEM小室對UHF傳感器進行標定的可行性［25］。然而，TEM小室的可用頻率上限只有幾百MHz，難以突破GHz，因而其應(yīng)用范圍受到了一定的限制，難以有效覆蓋UHF傳感器的工作頻帶。Konigstein等提出的吉赫茲橫電磁波（GTEM）小室將TEM小室改造成矩形錐同軸線結(jié)構(gòu)，將工作頻率提高到2GHz甚至更高，從而克服了傳統(tǒng)的TEM小室可用頻率上限低的缺點。Judd等在總結(jié)之前經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的TEM小室改造成了GTEM小室，并實現(xiàn)了基于時域脈沖參考法的 UHF傳感器有效高度標定方法，取得了不錯的效果［26］。GTEM小室所輻射的電磁波頻帶跨度可從直流到微波，適用于EMI、EMS試驗，且相關(guān)組合設(shè)備系統(tǒng)簡單，性價比高。在電磁測試領(lǐng)域，GTEM小室已然成為時下最受追捧的替代暗室。

GTEM小室的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由IEC標準中推薦的TEM小室改造而成，形如半錐形同軸的結(jié)構(gòu)（以防止室內(nèi)電磁波的反射），工作頻率提升至數(shù)GHz。源于靈敏度測量的初衷，據(jù)非對稱矩形傳輸線原理，使其輸入輸出端多采用N型同軸接頭，同軸接頭內(nèi)的中心導(dǎo)體為一塊漸變的平板，于該板和底板之間形成一均勻電磁場，其后壁由錐形吸波材料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［27-28］。

圖1 GTEM小室結(jié)構(gòu)圖

基于GTEM小室的UHF檢測系統(tǒng)檢驗平臺如圖2所示，由標準脈沖源向GTEM小室內(nèi)輸入脈沖電壓UI，在GTEM小室內(nèi)形成一電場EI。將參考傳感器置于電場相對均勻的GTEM小室上方臨近后端1/3處的測試窗口區(qū)域，對其進行標定。采用窗口安裝傳感器的方式，將削弱傳感器對于GTEM小室內(nèi)部場的影響，使測量結(jié)果更精確［29-32］。

圖2 基于GTEM小室的UHF檢測系統(tǒng)檢驗平臺

Judd等人提出用頻域的有效高度來定義傳感器的耦合性能［33-34］。利用UHF傳感器可將入射電場轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，若將待測傳感器置于GTEM小室測試窗口處，設(shè)其在所處位置的電場為Ei（t），Uo（t）為天線輸出的電壓信號，通過FFT變換得到其頻域信號EI（f）和UO（f），由入射電場和輸出電壓的關(guān)系，得到傳感器的傳遞函數(shù)：

由式（1）不難看出，Hsens（f）的單位為m，通常該值較小，一般取mm；當EI（f）不變時，傳感器的輸出電壓 UO（f）越高，其耦合能力越強，即有效高度越大。由此可見，有效高度的大小反映出傳感器的接收能力，以此用于表征傳感器的相關(guān)性能。為了提高測試結(jié)果的準確度，可將多條測試所得曲線，進行統(tǒng)計平均，得到其測試頻帶內(nèi)的平均有效高度曲線。

然而，實際上GTEM小室內(nèi)部的電場并不完全是均勻分布的，因此，可選擇采用時域參考測量法，用參考傳感器來表示被測傳感器［35-37］。時域參考測量法的原理如圖3所示，設(shè)待測傳感器與參考傳感器的輸出電壓分別為UMs、UMr，GTEM小室、參考傳感器、待測傳感器的傳遞函數(shù)分別為Hcell、Href、Hsens，以及測量系統(tǒng)的傳傳遞特性為 Hsys，則參考傳感器和待測傳感器的測量輸出分別為

由式（2）上下式相除約去 Hcell、Hsys，得到用參考傳感器的傳遞函數(shù)來表示待測傳感器傳遞函數(shù)的表達式：

圖3 時域參考測量法的原理圖

由式（3）可知，利用參考傳感器的傳遞函數(shù)Href，以及參考傳感器和待測傳感器對于注入脈沖信號的電壓響應(yīng)，則可求待測傳感器的傳遞函數(shù)Hsens。

圖 4（a）和（b）所示分別為基于時域參考法得到的 UHF傳感器典型時域輸出波形及其有效高度曲線的測試結(jié)果，由此可得到該傳感器在 0.3～1.5GHz頻段內(nèi)的平均等效高度為10.62mm，該頻段上有效高度≥2mm的百分比為100%。

圖4 傳感器典型的時域波形和有效高度曲線

文獻［38］利用GTEM小室分別對不同型號和工裝的外置式UHF傳感器的有效高度進行了測試，結(jié)果分別見表1和表2。

表1 不同型號傳感器有效高度

表2 不同工裝傳感器有效高度

從表1可知，不同型號UHF傳感器有效高度測試結(jié)果差異很大，0.3～1.5GHz之間的平均有效高度最大相差超過4倍。這也說明了開展UHF傳感器耦合性能校核的必要性。

從表2可知，對于帶有澆注孔的屏蔽式工裝，因電磁泄漏口很小而使信號受到不同程度的衰減，傳感器不能有效接收到相應(yīng)頻段的信號，其有效高度比開放式顯著降低。

1.2 UHF檢測系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍

從本質(zhì)上看，UHF檢測系統(tǒng)實際上測量的是發(fā)生局部放電時所輻射出的電磁波的電場強度。在檢測缺陷發(fā)生局部放電的 UHF檢測系統(tǒng)實驗室檢驗的方法中，同等放電條件下，由于電壓等級、絕緣缺陷類型等情況的不同所檢測到的 UHF信號幅值不同，使得結(jié)果評價的合理性有所欠缺。同時，也為了統(tǒng)一UHF檢測系統(tǒng)的單位問題，采用瞬態(tài)峰值脈沖電場強度來表示局部放電UHF檢測結(jié)果［39］。

將 UHF檢測系統(tǒng)所能識別到的最小脈沖電場強度峰值定義為其靈敏度，即檢測到最小輸出電壓時所對應(yīng)的場強。UHF檢測系統(tǒng)所能識別的場強峰值越小，則靈敏度越好。

采用已知頻率響應(yīng)曲線的標準傳感器標定信號源不同輸出電壓對應(yīng)的場強：

將待測傳感器置于GTEM小室上方開窗處，連接相關(guān)測量設(shè)備，向GTEM小室注入標準脈沖信號，調(diào)節(jié)信號源的輸出電壓，直至待測系統(tǒng)檢測不到電壓信號，則此時的 Ei（t）值為最小脈沖場強值，即待測系統(tǒng)的靈敏度。不斷增大信號源的輸出，直至某一個值使得檢測系統(tǒng)接收的信號達到上限，此時的Ei（t）為最大脈沖場強峰值，即檢測系統(tǒng)的最大可測值，由此得到檢測系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

以DMS傳感器和檢測系統(tǒng)為測試對象，采用上述方法得到其檢測靈敏度為 0.74V/m，最大脈沖場強峰值為109V/m，由此得到其動態(tài)范圍為43.36dB。

2 UHF檢測系統(tǒng)性能的現(xiàn)場校驗

對GIS設(shè)備上的UHF傳感器及檢測裝置進行現(xiàn)場校核，是保證UHF檢測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用靈敏度和有效性的重要手段?；贕TEM小室的UHF傳感器和檢測系統(tǒng)的實驗室校核方法，并不適合現(xiàn)場校驗。

2.1 CIGRE方法

國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）建議了一種基于等效放電電場強度的UHF檢測系統(tǒng)現(xiàn)場校驗方法，如圖5所示。

圖5 CIGRE建議的UHF檢測系統(tǒng)現(xiàn)場校驗方法

具體為：在GIS設(shè)備上安置兩個內(nèi)置式傳感器C1、C2，如圖5（a）所示，對其施加電壓，使得在C1處產(chǎn)生一放電量約為 5pC的局部放電，在 C2處利用UHF檢測儀器測量該缺陷放電發(fā)射的UHF信號A的幅值。撤去圖5（a）中的放電缺陷，如圖5（b）所示采用脈沖信號源向 C1處注入連續(xù)可調(diào)的脈沖，當在C2處測得UHF信號B與A偏差小于±20%時，即此時的信號幅值相當于發(fā)生5pC局部放電時所激發(fā)的UHF信號強度，記錄此時信號B的幅值［40-41］。

在現(xiàn)場校驗時，將所得的脈沖信號注入到 GIS上的兩個相鄰傳感器中的一處，若可在另一處可測得明顯的信號，則認為UHF測量設(shè)備的檢測靈敏度為5pC［42］。

然而，目前在CIGRE建議的校驗方法中尚且存在一些問題。國內(nèi)的GIS中裝有內(nèi)置式UHF傳感器的設(shè)備不多，即便裝有內(nèi)置式UHF傳感器，傳感器的配置和覆蓋率上可能也有所欠缺，往往每個間隔上僅裝有一個內(nèi)置式UHF傳感器。此外，如何選擇脈沖注入點、各種注入方式的有效性、現(xiàn)場校驗時不同電壓等級的GIS注入的脈沖電壓幅值的確定等問題亟需解決。德國Stuttgart大學(xué)的S.Coenen等把該方法運用到變壓器的局部放電檢測上，同時也指出：在變壓器的局部放電檢測中，該方法與 IEC 60270相比在確定局部放電強度上并不是非?？煽浚?3］。對于CIGRE現(xiàn)場校核技術(shù)的改進方法，國內(nèi)高校實驗室與各省電科院也都進行了研究［44-48］。

當現(xiàn)場條件不具備 CIGRE推薦的方法中所需的內(nèi)置傳感器配置時，無法直接向GIS內(nèi)注入脈沖信號，可通過外置傳感器的方式注入。

在現(xiàn)場校核中，脈沖注入方法可采用絕緣子注入方法、金屬環(huán)小孔注入方法。絕緣子注入方法，對 GIS設(shè)備沒有必須安裝內(nèi)置式 UHF傳感器的要求，安全可靠性高，其放電脈沖波形逼近真實局部放電模型，且在傳播過程中的衰減較小。而通過小孔信號注入的方法，隨著頻率的增大，其衰減程度趨于平緩，因此，為得到與真實局部放電更加接近的頻譜，需要提高脈沖信號的輸出幅值。研究表明，上升沿為300ps，脈寬為10ns的脈沖信號可用于模擬GIS內(nèi)部的局放，且在等效脈沖注入過程中的衰減特性與真實局放信號的衰減規(guī)律相同［49］，可用于現(xiàn)場校核。

而天線的性能對信號的接收能力的好壞具有直接的影響。文獻［50］中，對幾種螺旋、環(huán)型、錐型等多種外置天線進行了分析和對比。螺旋天線在某一頻段內(nèi)近似非頻變，頻帶寬，但尺寸大，在裝配上有所不便；環(huán)型天線方向性好，增益較大，接收性能好，靈敏度較高且抗干擾性能好；盤錐天線常用于特高頻、超高頻范疇，其圓盤直徑對天線方向性影響較大。由此可見，尺寸較小，頻帶寬，線性度好的天線更受青睞。

文獻［51］在相同條件下，采用脈沖信號注入法產(chǎn)生類似局部放電的UHF信號，通過在不同位置的絕緣子上檢測放電信號，得到UHF信號的衰減情況與實際局部放電時的衰減規(guī)律相同，檢測結(jié)果如圖6所示。因此，利用傳感器向GIS腔體內(nèi)部注入脈沖信號，在不影響GIS設(shè)備正常運行的情況下，可通過建立脈沖輸出幅值與等效放電量的關(guān)系，用于GIS局部放電UHF在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場檢驗。

圖6 局放和脈沖產(chǎn)生的UHF信號一致性

文獻［52］采用CIGRE建議的方法對500kV GIS內(nèi)置式UHF傳感器靈敏度進行了現(xiàn)場校核，得出為滿足1pC的局放檢測靈敏度，運行和熱備用狀態(tài)應(yīng)注入的脈沖信號幅值分別為4V和7V；且無論在運行狀態(tài)還是熱備用狀態(tài)，該500kV GIS內(nèi)置UHF傳感器均能滿足靈敏度要求。

2.2 S參數(shù)法

王增彬等人針對系統(tǒng)中已投運的 UHF傳感器的現(xiàn)場校核問題，通過對比傳感器在 0.3GHz到2GHz范圍內(nèi)的平均有效高度和響應(yīng)系數(shù)的關(guān)系，提出了基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的GIS局部放電監(jiān)測UHF傳感器的現(xiàn)場校核方法［53］。

如圖7所示，采用S參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得傳感器對間的頻響特性，利用傳遞函數(shù)的疊加原理，得到輸出函數(shù) Y（u），傳感器對間的整體傳遞函數(shù)H（u），而后計算其增益，由此得到n個傳感器的頻率響應(yīng)。

圖7 傳感器對間的傳遞函數(shù)

根據(jù)傳感器對間的頻率響應(yīng)試驗結(jié)果計算得到的傳感器平均響應(yīng)系數(shù)見表3?？梢钥闯?，傳感器平均響應(yīng)系數(shù)與平均有效高度均有近似線性關(guān)系。因此，可利用傳感器對間的平均響應(yīng)系數(shù)來檢測現(xiàn)場安裝的傳感器性能。

表3 傳感器平均響應(yīng)系數(shù)

3 結(jié)論

國內(nèi)外在GIS局部放電UHF傳感器的耦合性能檢驗方法、UHF檢測系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍的實驗室檢驗方法和現(xiàn)場檢驗方法方面取得了一定的研究進展，但仍有以下一些問題有待深入研究。

1）GTEM 小室阻抗特性和場強均勻性標定是UHF傳感器和檢測系統(tǒng)性能測試的重要前提，目前研究甚少，需要深入研究。

2）CIGRE中所推薦的校核方法現(xiàn)場適應(yīng)性還有所欠缺，目前，在國內(nèi)大多數(shù)僅裝有外置式傳感器或一個內(nèi)置式UHF傳感器的GIS設(shè)備，采用何種裝置、如何向GIS設(shè)備注入脈沖信號可達靈敏度校驗的最優(yōu)化，有待深入分析。

3）注入脈沖的等效性，即注入脈沖幅值與等效放電量之間關(guān)系的建立，亟需深入探討。

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Review of Calibration Methods for UHF Detection System Performance of GIS Partial Discharge

Zheng Wenwen1Li Gongxin2Shu Shengwen3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350108；2.State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350003；3.Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350007）

UHF method has been widely used in the field of gas-insulated switchgear partial discharge condition application.However，the sensor in the method has problems that UHF poor quality，poor configuration，lack of uniform calibration methods and a false alarm sometimes.The problems of GIS UHF partial discharge detection had a negative impact.Consequently，it is necessary to carry out the performance verification methods of the UHF detection system for enhancing the spot check level of GIS partial discharge.The paper reviews that the performance verification method for coupling of UHF sensors in the field of GIS partial discharge，the achievement and shortcomings about UHF detection system sensitivity and dynamic range of verification method both laboratory and field.And the author comes up with the research directions，including calibration about laboratory verification platform impedance characteristics and field uniformity，pulse injection method in the spot check and bioequivalence studies.

GIS； partial discharge； UHF detection； effective height； sensitivity； spot check

鄭聞文（1991-），女，碩士研究生，研究方向為電氣設(shè)備狀態(tài)檢測。