GIS局部放電特高頻傳感器有效高度的比對測試

舒勝文，陳金祥，陳 彬，葉兆平，陳敏維，游 浩

（國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福建 福州 350007）

0 引言

特高頻UHF（Ultra-High Frequency）法以其檢測頻率高、頻帶寬、靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，在氣體絕緣金屬封閉式開關設備GIS（Gas Insulated Switchgear）的局部放電狀態(tài)檢測中得到了廣泛應用［1-8］。近年來，用于GIS局部放電檢測的UHF傳感器（以下簡稱UHF傳感器）質量參差不齊、配置不佳和耦合性能下降導致的檢測失效（誤報警、漏報警）事例越來越多，嚴重制約了整個GIS局部放電UHF檢測行業(yè)的健康發(fā)展［9-10］。因此，為了提高GIS局部放電UHF檢測技術在現(xiàn)場應用的有效性，有必要深入開展UHF傳感器耦合性能的校核研究［11］。

在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TEM（Transverse Electro-Magnetic）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［12-13］。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（Gigahertz Transverse ElectroMagnetic）小室將TEM小室改造成矩形錐同軸線結構，將工作頻率提高到2 GHz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［14］。Judd等在總結之前經驗的基礎上，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，取得了較好的效果［15-16］。國內的華北電力大學、廣東電科院［17-19］等基于Judd提出的方法，對國內外多個廠家的UHF傳感器的有效高度進行了測量?？梢钥闯觯壳皩τ赨HF傳感器有效高度的標定主要是基于時域脈沖參考法。而在計量領域，對電場傳感器的標定通常采用傳統(tǒng)的掃頻方法。從原理上，頻域有效高度是UHF傳感器固有的頻響特性，與檢測方法無關。然而，在實際的GTEM小室中測試時，由于GTEM小室自身的駐波特性及電磁波信號的反射等原因，時域脈沖參考法與傳統(tǒng)的掃頻參考法對GIS局部放電UHF傳感器有效高度測量結果的一致性問題還有待深入研究。此外，GTEM小室尺寸對測試結果的影響也缺乏有效的評估。綜上所述，目前已有的UHF傳感器有效高度測試方法和結果尚缺乏必要的橫向和縱向比對。

針對上述問題，本文建立了基于GTEM750小室的UHF傳感器有效高度標定平臺，采用0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度和該頻段內有效高度大于等于2 mm的百分比表征UHF傳感器的耦合性能；基于構建的GTEM750小室，采用時域脈沖和掃頻參考法對UHF傳感器的有效高度進行了比對測試，并將測試結果與某GTEM1500小室的測試結果進行了比對；基于GTEM750小室，利用時域脈沖參考法討論了UHF傳感器的類型、工裝、安裝角度對有效高度測試結果的影響。本文研究旨在通過對UHF傳感器的耦合性能進行入網(wǎng)和定期校核，提升GIS局部放電UHF檢測技術的現(xiàn)場應用水平。

1 測試原理和方法

1.1 UHF傳感器有效高度的定義

采用頻域有效高度來標定UHF傳感器的耦合性能，其值為UHF傳感器輸出電壓Uo（f）與入射電場 EI（ f）的比值，即：

其中，輸出電壓 Uo（f）的單位為 V，入射電場 EI（f）的單位為V／m，故有效高度Hsens（f）的單位為m。由于Hsens（f）一般較小，通常其單位取為mm。

1.2 UHF傳感器有效高度的參考標定法

本文基于GTEM小室同時實現(xiàn)了UHF傳感器有效高度的時域脈沖和掃頻參考法標定。由于有效高度是在頻域內定義的，所以時域脈沖參考法需要對時域波形進行傅里葉變換。圖1為有效高度參考標定法的實現(xiàn)原理圖。

圖1 參考法的實現(xiàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of reference method

圖1中，通過標定信號源注入電壓UI至GTEM小室，在GTEM小室內部建立電場EI，參考UHF傳感器和待測UHF傳感器耦合輸出的電壓分別為Uor和Uos，經過測量系統(tǒng)后輸出的電壓分別為UMr和UMs。設GTEM小室的傳遞函數(shù)為Hcell，參考UHF傳感器的傳遞函數(shù)（有效高度）為Href，待測UHF傳感器的傳遞函數(shù)（有效高度）為Hsens，測量系統(tǒng)的傳遞特性為Hsys，則參考和待測UHF傳感器的測量系統(tǒng)輸出可分別表示為：

由式（2）可推導得到：

由式（3）可知，通過測量待測UHF傳感器和參考UHF傳感器在同一電壓下的頻率響應特性，根據(jù)參考UHF傳感器的有效高度，即可計算得到待測UHF傳感器的有效高度。

2 測試平臺和步驟

2.1 平臺接線圖

圖2所示為UHF傳感器有效高度標定平臺的接線圖?；跁r域脈沖（掃頻）參考法的UHF傳感器有效高度測試平臺由脈沖（掃頻）信號源、GTEM小室、參考UHF傳感器、高速數(shù)字示波器、測控計算機和標定軟件及各種線纜附件等構成。

2.2 平臺設備和參數(shù)

GTEM小室根據(jù)隔板到地板的高度可分為不同的型號，其中高度通常取 250、500、750、1000、1250、1500、1750、2000 mm。本文主要比對了GTEM750和GTEM1500這2種小室對UHF傳感器有效高度測量結果的影響。待測UHF傳感器共5個，分別編號為S1—S5。GTEM750、GTEM1500平臺的設備名稱及其主要技術參數(shù)如下。

圖2 測試平臺接線圖Fig.2 Wiring diagram of test platform

（1）GTEM750平臺的設備主要有GTEM750小室和力科示波器，其中，GTEM750小室的尺寸為4.2 m×2.2 m×1.4 m，電壓駐波比不超過1.5；力科示波器的帶寬為 4 GHz，采樣率為 40 GS／s。

（2）GTEM1500平臺的設備主要有GTEM1500小室和安捷倫示波器，其中，GTEM1500小室的尺寸為6.95m×3.58m×2.55m，電壓駐波比不超過1.5；安捷倫示波器的帶寬為4GHz，采樣率為20GS／s。

（3）兩平臺共用設備有脈沖信號源、艾法斯掃頻信號源、參考傳感器、同軸電纜線及附件、測控計算機和標定軟件。

a.脈沖信號源的電壓輸出范圍為0.5～200V，重復頻率為 200Hz，20%～80%Um（Um為脈沖幅值）的脈沖上升沿時間不過350 ps。

b.艾法斯掃頻信號源的頻率范圍為9kHz～2.01 GHz，最大輸出功率為13dBm。

c.參考UHF傳感器采用半徑為0.65mm、長度為25mm的單極標準探針。

d.長同軸電纜線為10m，短同軸電纜線為3m，采用N-BNC、N-SMA轉接頭。

e.測控計算機的內存為4GB，主頻為1.7GHz。

f.標定軟件采用Labview開發(fā)，可以自動計算、保存、打印結果。

2.3 平臺性能

采用網(wǎng)絡分析儀測試GTEM750小室饋電端口的電壓駐波比及時域反射（TDR）阻抗，結果分別如圖3和4所示。圖4中，l為測試點距饋電端口的距離。

由圖3的測試結果可以看出，GTEM750小室在0.3～1.5 MHz頻段內的電壓駐波比均可滿足小于1.5的要求（依據(jù)IEC61000-4-20標準），駐波比出現(xiàn)振蕩是由GTEM小室端口的感容特性引起的，微小的變化不會影響實際測試。

由圖4可知，GTEM750小室在后2／3區(qū)域內的TDR阻抗均可以滿足（50±5）Ω的要求（依據(jù)IEC 61000-4-20標準）。

圖3 GTEM750小室電壓駐波比測試結果Fig.3 Measured VSWR of GTEM750 cell

圖4 GTEM750小室TDR阻抗測試結果Fig.4 Measured TDR impedance of GTEM750 cell

3 測試結果及分析

3.1 方法驗證

針對高度為50mm的單極標準探針天線，分別采用基于GTEM750小室的時域脈沖和掃頻參考法測試其頻域有效高度曲線，結果如圖5所示，為方便比對，圖5中還給出了其理論計算曲線。

圖5 50 mm單極探針天線的有效高度曲線Fig.5 Effective height curve of 50 mm monopole probe antenna

通過圖5所示的頻域有效高度曲線可以得到該單極標準探針天線在0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度及在該頻段上有效高度大于等于2 mm的百分比p≥2、有效高度最大值及標準差，如表1所示。

表1 50 mm單極探針天線的有效高度參數(shù)Table 1 Effective height parameters of 50 mm monopole probe antenna

由圖5及表1可以看出，基于時域脈沖參考法和掃頻參考法的50 mm高單極標準探針天線的頻域有效高度測試結果與理論計算值相符合，2種方法求得的平均有效高度與理論值的偏差均小于0.7 mm；2種方法求得的0.3～1.5 GHz之間有效高度的最大值與理論值的偏差均小于1.5 mm；試驗測試數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的標準差非常接近，說明3組數(shù)據(jù)的一致性較好，從而驗證了方法的有效性。

3.2 不同平臺和方法的結果比對

圖6為時域脈沖參考法和掃頻參考法得到的待測UHF傳感器典型時域電壓波形和幅頻特性曲線。據(jù)此可由前述方法計算得到待測UHF傳感器的有效高度。

圖6 不同方法得到的傳感器時域和頻域輸出結果Fig.6 Time-domain sensor output and frequencydomain sensor output by different methods

圖7為分別基于GTEM750和GTEM1500小室的測試平臺，采用時域脈沖參考法和掃頻參考法獲得的UHF傳感器S2的頻域有效高度曲線。由此可以得到該UHF傳感器在0.3～1.5GHz之間的平均有效高度及在該頻段上有效高度大于等于2mm的百分比，如表2所示。

圖7 不同平臺和方法的有效高度曲線比對Fig.7 Comparison of effective height curve among different methods and platforms

表2 不同平臺和方法的有效高度參數(shù)比對Table 2 Comparison of effective height parameters among different methods and platforms

由圖7可以看出，基于不同平臺和方法測試得到的UHF傳感器S2頻域有效高度曲線趨勢基本一致。由表2可知，基于不同平臺和方法測試得到的UHF傳感器S2在0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度偏差不超過±0.5 mm，該頻段內有效高度大于等于2 mm的百分比偏差不超過±2%。同理，可對剩余的待測UHF傳感器進行測試，結果表明：基于不同平臺和方法測試得到的UHF傳感器S1—S5在0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度偏差均不超過±1 mm，該頻段內有效高度大于等于2 mm的百分比偏差不超過±3%。

3.3 不同類型UHF傳感器的結果比對

基于GTEM750小室的測試平臺和時域脈沖參考法，對UHF傳感器S1—S5在0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度進行測試，結果如表3所示。

表3 不同類型傳感器的有效高度參數(shù)比對Table 3 Comparison of effective height parameters among different sensor types

從表3可知，不同廠家和類型的UHF傳感器有效高度測試結果差異很大，0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度最大相差超過2倍。若按0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度需大于等于8 mm的要求，UHF傳感器S2、S3、S4均不合格。這也說明了開展UHF傳感器耦合性能校核的必要性。

3.4 不同工裝的結果比對

在進行UHF傳感器有效高度的實驗室測試時，通常將UHF傳感器置于絕緣板上，即進行開域場測量。實際運行中的GIS局部放電UHF測量結構包含裸盆子和澆注孔2種工裝［20］。對UHF傳感器S1和S4在絕緣板、裸盆子和澆注孔（45 mm×20 mm）3種工裝下的有效高度進行了測量比對，結果如表4所示。

表4 不同工裝傳感器的有效高度參數(shù)比對Table 4 Comparison of effective height parameters among different installation modes

從表4可以看出，裸盆子式UHF傳感器的平均有效高度約為絕緣板式UHF傳感器的平均有效高度的1.5倍，澆注孔式UHF傳感器的平均有效高度約為絕緣板式UHF傳感器的平均有效高度的50%。這是因為裸盆子式工裝更容易形成有效的電磁泄漏窗口，絕緣板式工裝的電磁信號更發(fā)散；而對于帶有澆注孔的屏蔽式工裝，因電磁泄漏口很小，所以信號受到了不同程度的衰減，UHF傳感器不能有效地接收到相應頻段的信號，其有效高度相對裸盆子式UHF傳感器的有效高度顯著降低，降低幅度與澆注孔的尺寸有關。因此，當電磁泄漏窗口大小為合適的中間值時，有效高度測試值最高。

3.5 不同安裝角度的結果比對

在實際測試中，由于條件的限制使得UHF傳感器無法較理想地被安裝于各種工裝上。以UHF傳感器S1、S3和S4為測試對象，采用裸盆子式工裝，基于GTEM750小室的時域脈沖參考法，分別測試UHF傳感器在 0°、90°、180°安裝角度下的平均有效高度和有效高度大于2 mm的百分比，結果如表5所示。

表5 不同安裝角度下傳感器的有效高度參數(shù)比對Table 5 Comparison of effective height parameters among different installation angles

由表5可知，不同的安裝角度對UHF傳感器的有效高度有顯著的影響。0°和180°安裝角度下UHF傳感器的有效高度基本一致，而在90°安裝角度下UHF傳感器有效高度明顯下降，相差1.5～6倍。這一結論證明了UHF傳感器具有方向性。

4 結論

本文基于GTEM小室，建立了UHF傳感器有效高度的時域脈沖和掃頻參考測試平臺，并驗證了其有效性。通過大量的比對測量，得到了以下結論。

a.基于不同平臺和方法測試得到的UHF傳感器在0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度偏差在±1 mm以內，該頻段內有效高度大于等于2 mm的百分比偏差在±3%以內。

b.不同廠家和類型的UHF傳感器的有效高度測試結果差異很大，0.3～1.5 GHz之間的平均有效高度最大相差超過2倍。

c.裸盆子式UHF傳感器的平均有效高度約為絕緣板式UHF傳感器的平均有效高度的1.5倍，澆注孔式UHF傳感器的平均有效高度約為絕緣板式UHF傳感器的平均有效高度的50%。因此，當電磁泄漏窗口大小為合適的中間值時，有效高度測試值最高。

d.不同的安裝角度對UHF傳感器有效高度有顯著的影響，0°和180°安裝角度下UHF傳感器的有效高度基本一致，而在90°安裝角度下UHF傳感器的有效高度明顯下降，相差1.5～6倍，證明了UHF傳感器具有方向性。

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