摘 要：特高頻法通過(guò)傳感器檢測(cè)GIS設(shè)備故障條件下特高頻電磁波信號(hào)，若傳感器靈敏性出現(xiàn)異常，將導(dǎo)致GIS運(yùn)行穩(wěn)定性下降。針對(duì)此問(wèn)題，研究基于S參數(shù)的GIS特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法。以一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)描述GIS設(shè)備內(nèi)兩個(gè)特高頻傳感器及其間的GIS結(jié)構(gòu)，嵌入S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量相鄰兩傳感器間的傳遞函數(shù)，檢測(cè)GIS設(shè)備內(nèi)相同結(jié)構(gòu)位置處特高頻傳感器的原始單端插入損耗曲線、初始單端插入損耗均值、初始單端插入橫向相對(duì)誤差等，能夠獲取GIS特高頻傳感器性能及其布置方式，高精度檢測(cè)GIS內(nèi)置特高頻傳感器在安裝條件下與運(yùn)行條件下的運(yùn)行態(tài)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該方法不受注入脈沖寬度影響，可準(zhǔn)確校驗(yàn)傳感器靈敏性，提升GIS運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：S參數(shù)；GIS；特高頻；設(shè)備故障現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)；傳遞函數(shù)

中圖分類號(hào)：TM835文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0185-05

Research on Field Calibration Method of GIS UHF Sensor Based on S-parameter

Abstract：UHF method detects UHF electromagnetic wave signal under the condition of GIS equipment failure by sensors. In order to solve the problem of the deteriorating stability of GIS operation caused by abnormal sensitivity of sensors， the field calibration method of GIS UHF sensor based on S parameter is studied. A two port network is used to describe two UHF sensors in GIS equipment and the GIS structure between them. The S-parameter network is embedded. By measuring the transfer function between two adjacent UHF sensors， the original single end insertion loss curve， the average value of initial single end insertion loss and the transverse relative error of initial single end insertion of UHF sensors at the same structure position in GIS equipment are detected， the performance and layout of UHF Sensors in GIS are obtained， and the operation situation of UHF Sensors in GIS under installation and operation conditions is detected with high precision. The experimental results show that the method is not affected by the injection pulse width， and can accurately verify the sensitivity of the sensor and improve the stability of GIS operation.

Keywords：S-parameter; GIS; UHF; field calibration of equipment failure; transfer function

0 引言

當(dāng)氣體絕緣金屬封閉組合電器（gas insulated substation，GIS）［1］發(fā)生故障時(shí)，將導(dǎo)致局部區(qū)域停電，甚至?xí)纬呻娋W(wǎng)大面積癱瘓［2］。因此，檢測(cè)GIS設(shè)備并判斷設(shè)備故障類別，對(duì)確保GIS設(shè)備與電力系統(tǒng)運(yùn)行具有重要意義。

特高頻（UHF）法通過(guò)傳感器檢測(cè)GIS設(shè)備故障條件下特高頻電磁波信號(hào)在線監(jiān)測(cè)GIS設(shè)備局部放電故障，具有靈敏度高、信號(hào)衰減小和抗低頻干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3］，是當(dāng)前唯一一種實(shí)現(xiàn)了GIS長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)功能的方法。但該方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，受GIS設(shè)備內(nèi)置的特高頻傳感器性能參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用效果差等影響，有一定概率的失效或自放電問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致傳感器信息漏報(bào)、誤報(bào)［4］。因此急需研究一種GIS特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法，以提升GIS設(shè)備故障診斷效率，保障其運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

當(dāng)前GIS特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)普遍使用的方法是在吉赫茲?rùn)M電磁波（gigahertz transverse electro magnetic，GTEM）小室作傳輸環(huán)境下，依照傳感器電壓響應(yīng)與激勵(lì)場(chǎng)間的相關(guān)性表征傳感器耦合性能［5］，或在同軸腔體環(huán)境下，基于傳感器掃頻或方波響應(yīng)獲取傳感器性能分析結(jié)果［6］。但以上方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中僅適用于GIS特高頻傳感器內(nèi)置安裝條件下，忽略GIS設(shè)備內(nèi)特高頻傳感器大部分為外置方式安裝的實(shí)際情況，因此所得結(jié)果有一定誤差。

作為微波傳輸過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，S參數(shù)可準(zhǔn)確表示多端口網(wǎng)絡(luò)中射頻能量的傳輸和反射特性［7］?；诖?，本文研究基于S參數(shù)的GIS特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法，判斷GIS設(shè)備特高頻傳感器靈敏性，期望通過(guò)所研究方法提升GIS設(shè)備與電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 GIS組成及原理

GIS通常為積木式結(jié)構(gòu)，是由斷路器、母線、隔離開(kāi)關(guān)、大電流發(fā)生器等高壓電器組合而成的高壓配電裝置。采用絕緣性能和滅弧性能優(yōu)異的六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，將所有的高壓電器元件密封在接地金屬筒中。額定電壓為80～500kV，額定電流為1 200～3 500A。

斷路器可水平布置，負(fù)責(zé)GIS內(nèi)部電路的通斷；隔離開(kāi)關(guān)用于電路無(wú)電流區(qū)段的投入和切除；母線采用單相母線筒，將每相線封閉在一個(gè)筒內(nèi)，杜絕發(fā)生三相短路的可能性，可分割為多個(gè)氣隔；大電流發(fā)生器包括電流互感器和電壓互感器，起到保護(hù)電路電流和電壓的作用。GIS設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 GIS特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法

2.1 S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)嵌入

以一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)描述GIS設(shè)備內(nèi)兩個(gè)特高頻傳感器及其間的GIS結(jié)構(gòu)［8］。GIS設(shè)備內(nèi)多端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)射頻能量的傳輸與反射特性可通過(guò)S參數(shù)準(zhǔn)確表示。

利用T參數(shù)矩陣能夠確定GIS設(shè)備內(nèi)所包含的多個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)形式。圖2為雙端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)示意圖。

圖2中ai和bi分別表示端口i歸一化后的入射波與反射波。依照傳輸參量矩陣標(biāo)準(zhǔn)，能夠得到：

a1/b1=T1b2/a2（1）

a′2/b′2=T2b3/a3（2）

由于a2和b2分別與b′2和a′2一致，因此能夠得到：

（a1/b1）=T1（b2/a2）=T1（a′2/b′2）=T1T2（b3/a3）（3）

基于以上過(guò)程能夠獲取整體傳輸矩陣，公式描述如下：

T=T1T2（4）

在GIS內(nèi)包含N個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的條件下，整體傳輸矩陣等價(jià)于不同級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣的乘積?；赟參量同傳輸參量間存在的轉(zhuǎn)換關(guān)系［9］，可以將T參數(shù)轉(zhuǎn)換為S參數(shù)。同時(shí)，GIS設(shè)備內(nèi)特高頻傳感器雙端口網(wǎng)絡(luò)的插入損耗也可通過(guò)上述過(guò)程獲取。通過(guò)確定GIS內(nèi)雙端口網(wǎng)絡(luò)的單端損耗S11、S22參數(shù)和雙端損耗S12、S21參數(shù)描述GIS特高頻傳感器插入損耗。

2.2 基于S參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)

1）特高頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集過(guò)程

受GIS設(shè)備長(zhǎng)度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，所用材料等因素影響，令GIS特高頻傳感器信號(hào)在GIS設(shè)備內(nèi)部傳播過(guò)程中形成若干次折射、反射或疊加現(xiàn)象。

GIS設(shè)備內(nèi)部，特高頻傳感器信號(hào)傳播特性具有高度復(fù)雜性特征。將圖3定義為雙端口網(wǎng)絡(luò)，傳感器C1和傳感器C2的輸入端分別為端口1、端口2，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠獲取不同頻率條件下的兩端口間正向傳輸系數(shù)，即S21參數(shù)，由此即可獲取傳遞函數(shù)。具體過(guò)程如下。

a）線路連接。以安全性為前提，完成信號(hào)電纜與電源線的連接。

b）界面設(shè)定。校正開(kāi)始后，分別設(shè)定測(cè)量模式、頻率以及功率電平范圍。

c）校準(zhǔn)通道。以抑制測(cè)量誤差為目的，針對(duì)傳輸插入損耗等的歸一化處理。

d）獲取傳輸系數(shù)。連接測(cè)試電纜與待測(cè)相鄰傳感器，獲取相鄰傳遞函數(shù)曲線。

2） 特高頻信號(hào)連接方式

傳遞函數(shù)為傳感器運(yùn)行態(tài)勢(shì)校驗(yàn)的核心［12］，以其為基礎(chǔ)分析傳感器性能及其布置方式，具體分析過(guò)程如下。

在圖3中，C1、C2和Cn表示安裝于GIS設(shè)備上的n個(gè)特高頻傳感器，以f表示正弦電壓頻率，U1（f）和U2（f）分別表示C1處輸入電壓信號(hào)和C2處輸出電壓信號(hào)，U1（f）在C1處和C2處產(chǎn)生的電磁波強(qiáng)度可分別用場(chǎng)強(qiáng)E1（f）和E2（f）表示，其中包含折返射波所形成的場(chǎng)強(qiáng)［13］。

若特高頻傳感器C1、C2的傳遞函數(shù)分別為H1（f）和H2（f），兩者的計(jì)算過(guò)程如式（5）和式（6）所示。

以HG（f）表示GIS設(shè)備腔體的傳遞函數(shù)，其定義如式（7）所示。

由此可得特高頻傳感器輸出和輸入電壓信號(hào)間的相關(guān)性：

考慮GIS設(shè)備內(nèi)電磁波散射衰減等因素［14］，全部傳遞函數(shù)均未超過(guò)0dB。特高頻傳感器轉(zhuǎn)換效率同GIS設(shè)備腔體內(nèi)電磁波衰減之間成反比例相關(guān)，同特高頻傳感器靈敏性之間呈正比例相關(guān)［15］?；诖耍孟噜弬鞲衅鏖g傳遞函數(shù)H21（f）的檢測(cè)過(guò)程，能夠整體判斷傳感器布置方式與靈敏性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文所研究的基于S參數(shù)的GIS特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法在實(shí)際應(yīng)用中的校驗(yàn)效果，以某市電力系統(tǒng)250kVGIS設(shè)備若干個(gè)特高頻傳感器為研究對(duì)象，采用本文方法進(jìn)行研究對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，所得結(jié)果如下。

3.1 校驗(yàn)測(cè)試

以HS（f）表示待校核傳感器間的傳遞函數(shù)?？紤]直接獲取HG（f）的難度較大，因此以H1（f）、H2（f）、HG（f）為基礎(chǔ)，直接確定HS（f）的難度也較大，為此需通過(guò)傳感器輸出不同注入脈沖確定HS（f）。采用本文方法在不同注入脈沖寬度（15ns、30ns和60ns）條件下獲取研究對(duì)象傳遞函數(shù)，所得結(jié)果如圖4所示（本刊為黑白印刷，如有疑問(wèn)請(qǐng)咨詢作者）。

分析圖4得到，在注入不同脈沖寬度條件下確定的HS（f）基本相同。以15ns條件下獲取的HS（f）為標(biāo)準(zhǔn)，定量描述不同注入脈沖寬度條件下本文方法獲取的HS（f）差異。結(jié)果顯示，在注入脈沖寬度為30ns時(shí)獲取HS（f）和15ns條件下相比一致度達(dá)到96.7%；注入脈沖寬度為60ns條件下獲取的HS（f）和15ns條件下相比一致度達(dá)到98.9%。一致度數(shù)據(jù)表明傳遞函數(shù)HS（f）不受注入脈沖寬度影響。

3.2 研究對(duì)象校核結(jié)果

采用本文方法對(duì)研究對(duì)象實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，根據(jù)式（5）—式（8）計(jì)算檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況的一致度，驗(yàn)證其靈敏性，所得結(jié)果如表1所示。

分析表1得到，10次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本文方法所得校驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況一致度均超過(guò)95%，說(shuō)明本文方法與實(shí)際情況的一致度較為符合，靈敏性較高，證明本文方法能夠有效校驗(yàn)研究對(duì)象在不同條件下的靈敏性。

3.3 S21參數(shù)計(jì)算

以驗(yàn)證本文方法S參數(shù)計(jì)算性能為目的，從圖3中隨機(jī)選取5個(gè)不同注入脈沖寬度15ns、30ns和60ns條件下的特高頻傳感器作為目標(biāo)，分別定義為C1、C2、C3、C4、C5。網(wǎng)絡(luò)分析儀帶寬范圍為9kHz～4.5GHz，校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀后利用其確定各目標(biāo)間S21參數(shù)，對(duì)比本文方法S21參數(shù)計(jì)算結(jié)果，以此驗(yàn)證本文方法計(jì)算精度，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5得到，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀所獲取的C13、C23、C43間的S21參量頻譜同本文方法所獲取的傳遞函數(shù)頻譜大致相同。在頻率低于1.5GHz的條件下，不同方法參量計(jì)算結(jié)果歸一化處理后的一致度計(jì)算均高于83%。對(duì)比之下，本文方法對(duì)C53間的傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果同采用網(wǎng)絡(luò)分析儀所獲取的結(jié)果具有顯著差異，造成這種顯著差異的主要原因是注入信號(hào)經(jīng)GIS設(shè)備腔體后顯著衰減。

3.4 校核效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文方法的校核效果，對(duì)比上一實(shí)驗(yàn)中由研究對(duì)象內(nèi)隨機(jī)選取的5個(gè)目標(biāo)在采用本文方法實(shí)施校驗(yàn)前后的靈敏性異常率，所得結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采用本文方法進(jìn)行校驗(yàn)后，研究對(duì)象內(nèi)隨機(jī)選取的5個(gè)目標(biāo)靈敏性異常率均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，平均下降幅度達(dá)到50%以上。其中3號(hào)目標(biāo)靈敏性異常率下降幅度最為顯著，說(shuō)明其在未使用本文方法實(shí)施校驗(yàn)前存在嚴(yán)重的靈敏性異常問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法能夠有效解決GIS特高頻傳感器靈敏性異常問(wèn)題，提升GIS運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究基于S參數(shù)的GIS特高頻傳感器校驗(yàn)方法，將S參數(shù)應(yīng)用于GIS特高頻傳感器校驗(yàn)過(guò)程中，提升傳感器校驗(yàn)方法的應(yīng)用性能。在本文方法后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中，將主要針對(duì)本文方法的校驗(yàn)效率進(jìn)行優(yōu)化。

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