特高频法外置传感器等效高度参数测试

刘光祺，王科，马仪，陈磊，彭晶，项恩新，刘红文

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

特高频法外置传感器等效高度参数测试

刘光祺，王科，马仪，陈磊，彭晶，项恩新，刘红文

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

介绍了GTEM室，对UHF外置传感器等效高度参数进行了实测，从不同传感器、不同工装、不同安装角度分析了实测参数差异。

UHF传感器；GIS；GTEM室；等效高度

0 前言

气体绝缘金属封闭开关设备 (GIS，含HGIS、罐式断路器)由于其一体化、紧凑型、免维修、受外界干扰少等优点在高压输变电系统中的应用比例越来越高[1]，早期设备已处于寿命中后期，因生产工艺不良、安装调试不当、运行维护不到位等原因引起的GIS设备停电事故越来越多[2]，尤其是绝缘失效事故呈逐年增多趋势[3-4]。为及时发现GIS内部存在的故障缺陷，开展局部放电检测是目前维护GIS设备的重要手段[5]。特高频(UHF)法是近年发展起来的一种新检测技术并得到了迅速发展和广泛应用[6-11]。大量实际应用经验表明，这一技术对应的众多产品性能差异很大[12-14]，加之该技术评价标准的空白，进一步放大了此类技术推广应用的负面效应[15]。

以下基于GTEM室的局部放电特高检测标定平台，在两种典型的GIS盆式绝缘子外表面结构(工装)上，对4种UHF传感器进行了等效高度测试，研究了不同传感器、不同工装、不同安装角度下的参数差异。

1 GTEM室及传感器等效高度

为了克服传统的横电磁传输室的可用频率上限低的缺点，提出了吉赫横电磁传输室 (GigahertzTEMcell，缩写为GTEM)[17]。随后将GTEM利用至UHF传感器时域测量领域[18-19]，并实现了对局部放电UHF传感器的标定[20-21]。

基于GTEM室的脉冲时域参考测量标定系统由标准脉冲信号源、GTEM室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机、测控分析软件及各种线缆附件等构成，如图1所示，系统实物如图2所示。

图1 GTEM标定系统图

假定通过标定信号源注入脉冲电压 V1至GTEM，假设此信号在GTEM内部产生的电场为E1。参考传感器和被测传感器测量产生的电压输出分别为VMr和VMs。设GTEM室的传递函数为Hcell，单极标准探针传感器的传递函数为Href，待测传感器的传递函数为Hsens，测量系统的传递特性为Hsys，则参考传感器和待测传感器的测量输出可分别表示为

由 (1)中的上下两式左右相除，可得到用参考传感器的传递函数来表示待测传感器传递函数的表达式：

由 (2)式知，利用参考传感器的传递函数Href及参考传感器和被测传感器对于注入脉冲信号的电压响应，即可求得待测传感器的传递函数特性。

设E(t)为GTEM室内被测天线所在位置处的电场，U(t)为天线输出的电压信号。天线的作用即是将入射电场转换为电压信号输出，根据入射电场和输出电压的关系，即可得到天线的传递函数H(f)：

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；电压的单位为V，电场单位为V/mm，所以H(f)的量纲为mm，故此也称其为频域等效高度。该参数反映了天线的接收能力，对于同样的入射电场而言，天线输出信号的电平越高，则表示其耦合能力越强，也即等效高度越大。将传感器在300～1 500 MHz测试频带内各频率点等效高度的累计平均值，称为平均等效高度He(f)。

2 UHF传感器响应特性测评

2.1 典型安装结构

GIS局部放电UHF传感器的安装结构 (工装)分为外置式和内置式两种：内置式工装就是在GIS腔壁上开孔，将UHF传感器安装于孔内；外置式工装就是将UHF传感器放置在GIS盆式绝缘子外表面。内置式工装的检测灵敏度高于外置式工装，但是内置式传感器的引入必将改变GIS结构，使得制造和改造成本大幅增加，目前主要采用外置式工装进行检测[22]。外置式工装又分为裸盆子式 (开放式)工装和带有浇注口 (屏蔽式)工装。开放式工装是把UHF传感器直接安装于盆式绝缘子法兰处，法兰外没有金属屏蔽圈；屏蔽式工装是在盆式绝缘子法兰处设置有外金属屏蔽圈以消除可能存在的不可靠因素 (紫外线、螺栓紧固力及螺母嵌件尖角)[23]，并在屏蔽圈上开有安装UHF传感器的浇注口。

2.2 不同UHF外置传感器

对3个厂商的5支UHF外置传感器进行检测，其中PDS-620W型号传感器2支，GWA型号传感器2支，SPM-2/GPD型号传感器1支，测试结果如图2所示。

图2 不同UHF外置传感器等效高度参数测试

测试结果表明：利用GTEM室可以进行UHF传感器的标定测评。对于同一厂商生产的传感器，等效高度曲线一致性有两种表现：如图5(a)两支PDS-620W型传感器一致性较好，且平均等效高度值也较大；如图5(b)两支GWA型传感器一致性表现尚可，但是平均等效高度较差。对于不同厂商的传感器，等效高度曲线有较大差异，且平均等效高度值差异也很大，如图5(c)三厂商传感器平均等效高度最大相差超过4倍。

2.3 不同工装UHF外置传感器

以4支来自不同厂商生产的传感器为测试对象，在图4所示两种典型的外置工装下测得的等效高度曲线如图3所示。

图3 不同工装下UHF外置传感器等效高度参数测试

测试结果表明：不同的工装对传感器信号接收性能有显著影响，传感器在开放式工装上的信号接收性能显著优于在屏蔽式工装上的。开放式工装可形成有效的电磁泄漏窗口；对于带有浇注口的屏蔽式工装，因电磁泄漏口很小而使信号受到不同程度的衰减，传感器不能有效接收到相应频段的信号，因此其等效高度比开放式显著降低。从传感器的平均等效高度测试结果看出，UHF传感器在开放式和屏蔽式两种工装下的平均等效高度最大相差超过百倍。

2.4 不同安装角度UHF外置传感器

在实际的测试中，由于条件的限制使得传感器并不能比较理想地被安装于各种工装上。以4个来自不同厂商生产的传感器为测试对象，工装为开放式工装，分别测试传感器在0°、90°、180°角度下的等效高度曲线，结果如图4所示。

测试结果表明：不同的安装角度对传感器检测性能有影响。0°和180°下传感器等效高度曲线基本一致，而在90°下等效高度曲线明显下降，这一结论印证了UHF传感器具有方向性的说法[22]。4传感器的平均等效高度如表1所示，可以看出，在0°和180°下传感器平均等效高度约为90°下的2～5倍。

表1 不同安装角度下的UHF外置传感器平均等效高度/mm

图4 不同安装角度下的UHF外置传感器等效高度参数测试

3 结束语

基于GTEM的局部放电特高检测标定平台可以对UHF外置传感器进行等效高度参数测试，测试结果表明：

1)不同的传感器等效高度曲线具有较大差异，测试的5支传感器平均等效高度最大相差超过4倍；

2)开放式的工装更有利于传感器接收信号，在两种典型工装上测试的4支传感器平均等效高度最大相差超过百倍；

3)在进行传感器安装时，不同的安装角度对传感器的接收性能也有较大影响，在0°和180°下测试的4支传感器平均等效高度较90°下最高超过4倍。

利用基于GTEM室的局部放电特高检测标定平台，可对云网在运的UHF局部放电监测系统用的外置UHF传感器开展性能评价，可对拟装及拟购的UHF局部放电监测系统或仪器开展性能评价，以确保在运系统的有效性和拟装及拟购系统或仪器的可用性。

[1] 孙曙光，陆俭国，俞慧忠，等.基于超高频法的典型GIS局部放电检测 [J].高压电器，2012，48(4)：7-12

[2] 李兴旺，卢启付，唐志国，等.GIS局部放电特高频传感器接收特性表征研究 [J].广东电力，2013，45(3)：55 -60.

[3] 李信.GIS局部放电特高频检测技术的研究 [D].北京：华北电力大学，2005.

[4] CIGRE Working Group 33/32.12.Insulation Coordination of GIS：Return of Experience on site Tests and Diagnostic techniques[R].Electra，1998，176(2)：67-95.

[5] 李德军，沈威，郭志强.GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较 [J].高压电器，2009，45(03)：99-103.

[6] 吴张建，李成榕，齐波，等.GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究 [J].现代电力，2010，27 (3)：31-36.

[7] Zhiguo Tang，Caixiong Wang，Wenzhi Chang，etc.A Combined Noise-rejection Method for UHF PD Detection On -site[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.19，3；June 2012：917-924.

[8] 丁登伟，高文胜，刘卫东.采用特高频法的GIS典型缺陷特性分析 [J].高电压技术，2011，37(3)：706-710.

[9] 李立学，滕乐天，黄成军，等.GIS局部放电超高频信号的包络分析与缺陷识别 [J].高电压技术，2009，35(2)：260-265.

[10] DL/T 617-1997，气体绝缘金属封闭开关设备技术条件[S].

[11] DL/T 617-2010，气体绝缘金属封闭开关设备技术条件[S].

[12] Judd M D，Farish O.A.Pulsed GTEM System for UHF Sensor Calibration[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement，1998，47(4)：875-880.

[13] 孙才新，许高峰，唐炬，等.检测GIS局部放电的内置传感器的模型及性能研究 [J].中国电机工程学报，2004，24(8)：89-94.

[14] 王建生，邱毓昌，吴向华，等.用于GIS局部放电检测的超高频传感器频率响应特性 [J].中国电机工程学报，2000，20(8)：42-45.

[15] 王天正，张健，李艳鹏，等.局部放电UHF检测量纲标准化的探讨 [J].现代电力，2014，31(1)：74-78.

[16] Konigstein D.and Hansen D.Proc.7th Intemational Symp. And Tech.Exh.onEMC.Zurich，March 1987：127-132.

[17] Martin D Judd，Farish O，Hampton B F.Broadband Couplers for UHF Detection of Partial Discharge in Gas-insulated Substation[J].IEEE Proc-sci.Meas.Technol，1995，142 (3)：237-243.

[18] Judd M D，Farish O，Pearson J S，UHF Couplers for Gas Insulated Substations-a Calibration Technique[J].IEE Proc. Science，Meas-urement and Technology，1997，144(3)：117-122.

[19] Martin D Judd，Li Yang，Ian B B Hunter.Partial Discharge Monitoring for Power Transformers Using UHF Sensors Part 1：Sensors and Signal Interpretation[J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2005，21(2)：5-14

[20] Alistair Reid，Martin Judd，Carl John stone.Development of UHF Transformer Probe Sensors for On-Line Partial Discharge Measurement [J] . Universities Power Engineering Conference(UPEC)，2009 Pro-ceedings of the 44th International Publication Year：2009，Page(s)：1-4.

[21] Judd M D，Farish O.A Pulsed GTEM System for UHF Sensor Cali-bration[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement，1998，47(4)：875-880.

[22] 王亮，郑书生，李成榕，等.GIS浇注孔传播内部局部放电UHF电磁波的特性 [J].电网技术，2014，38(1)：241-247.

[23] 黎斌.SF6高压电器设计 [M].北京：机械工业出版社.2010年1月第三版.

UHF External Sensors Equivalent Height Parameter Test and Analysis

LIU Guangqi，WANG Ke，MA Yi，CHEN Lei，PENG Jing，XIANG Enxin，LIU Hongwen
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

The paper introducesthe GTEM cell，and testsequivalent height parameter of UHF external sensors.This paper analyzes the differences between the measured parameters from different sensors，installationstructure and installation angles.

UHF sensor；GIS；GTEM cell；equivalent height

TM83

B

1006-7345(2014)06-0081-05

2014-10-24

刘光祺 (1986)，男，硕士，云南电网公司电力研究院，主要从事高电压研究工作 (e-mail)23819918＠qq.com。