基于GTEM小室的特高频局部放电检测仪校验系统设计

易满成，王波，苏海博，杨鹏，顾春晖

(广州供电局电力试验研究院，广东 广州 510000)



基于GTEM小室的特高频局部放电检测仪校验系统设计

易满成，王波，苏海博，杨鹏，顾春晖

(广州供电局电力试验研究院，广东 广州 510000)

摘要：不同厂家特高频局部放电监测装置的检测设备稳定性和可靠性存在较大差异，为此，基于吉赫兹横电磁波(gigahertztransverseelectromagnetic，GTEM)小室设计了特高频校验系统。该系统将高频信号发生器产生的可调高频信号经过脉冲调制器转变成窄脉冲，再通过宽带天线在GTEM小室内发射，建立标准的脉冲电磁场，将被校验局部放电检测仪的传感器放置于测试窗口接收信号，通过分析局部放电检测仪的灵敏度、线性度、量程和幅频响应4个指标，实现仪器性能的考核。

关键词：局部放电；吉赫兹横电磁波；特高频；校验

20世纪80年代末，特高频(ultrahighfrequency，UHF)局部放电(以下简称“局放”)检测方法首先应用在气体封闭式组合电器(gasinsulatedswitchgear，GIS)设备中。该技术的特点在于：检测频段较高，可以有效地避开常规局放测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰，而且检测频带宽，检测灵敏度高，可识别故障类型和进行定位[1]。

随着我国电力系统状态检修工作开展的日益深入，UHF局放检测技术在高压电气设备(GIS、电力变压器等)上的应用越来越广泛。特别是对于GIS而言，该技术已经成为最主要的一项局放在线监测方法[2-3]。然而，UHF局放检测技术在理论和工程应用方面不尽完善，特别是相关技术标准规范的建设十分滞后；同时国内外众多的局放设备厂商提供的产品各异，质量参差不齐。一些厂家的设备技术不过关，现场检测效果不佳，时常出现误报警、漏报警的现象[4-5]。建立标准的UHF局部放电检测仪(以下简称“局放仪”)性能评价装置和校验系统，对于整个UHF局放在线监测产业的健康发展至关重要。

本文基于吉赫兹横电磁波(gigahertztransverseelectromagnetic，GTEM)小室设计了UHF校验系统，该系统将高频信号发生器产生的可调高频信号经过脉冲调制器转变成窄脉冲，再通过宽带天线在GTEM小室内发射，建立标准的脉冲电磁场，将被校验局放仪的传感器放置于测试窗口接收信号，通过分析局放仪的灵敏度、线性度、量程和幅频响应四大指标，实现仪器性能的考核。

1校验系统平台组成

基于GTEM小室的UHF局放检测装置校验平台主要由GTEM传输小室、标准脉冲源、频谱仪和待校验局放仪的传感器及局放检测装置组成(如图1所示)，其中，标准脉冲源与GTEM传输小室连接，待校验局放仪的传感器位于GTEM传输小室测试窗处[6-8]。

易满成，等：基于GTEM小室的特高频局部放电检测仪校验系统设计

1.1GTEM小室

GTEM小室根据同轴及非对称矩形传输线原理设计而成，它具有以下特点：结构封闭，不受外界环境干扰；工作频率较宽，范围可从80MHz到3GHz，甚至更高；场强范围大，从强场(如300V/m)至弱场(如10μV/m)均可测试，且场值容易控制。电压驻波比是GTEM小室的重要指标，为避免内部电磁波的反射和谐振，GTEM小室在外形上被设计成尖锥形，终端匹配50Ω无感电阻，小室后盖板装有尖劈状的吸波材料以进一步消除终端反射，确保GTEM小室电压驻波比不大于1.5。其输入端采用N型同轴接头，同轴接头内导体展平成为一块扇形芯板，在小室的芯板和底板之间形成矩形均匀场区。GTEM小室保证了球面波从输入端到负载端的良好传输，从而在小室的芯板和底板间产生一个均匀场强的测试区域。试验时，试品被置于测试区中，为不因试品置入而影响场的均匀性，试品不应超过芯板和底板之间距离的1/3高度。

通过标准脉冲源向GTEM小室内注入标准脉冲信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场。天线的作用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(t)，量纲为有效高度，单位为mm。该参数反映了天线的接收能力的大小。设E(t)为GTEM小室内被校验UHF局放仪所在位置的电场，U(t)为天线输出的电压信号，则

(1)

1.2标准脉冲信号源

标准脉冲发生器产生一定占空比的脉冲电压信号，该信号传到GTEM小室的输入端并在其内部产生电场，传感器耦合的输出信号可通过高速宽带示波器捕获。

对标准脉冲的要求是：输出幅值0～100 V可调的方波或双指数脉冲；上升沿(20%～80%)≤300 ps；半波时间4～100 ns。产生的脉冲具有足够宽的频谱分布，能够有效地覆盖UHF或关注的射频频率范围；脉冲源内阻与GTEM 小室的阻抗匹配；脉冲占空比应保证连续2次脉冲信号之间的时间间隔足够大，使得被校验UHF局放仪耦合的前后2次电磁波信号不发生波形重叠；脉冲幅值稳定可控，输出信号的不稳定度不超过1%。

1.3参考天线

参考天线需要具有接收特性已知、检测频带覆盖被校验传感器的工作频带和对被测电场影响小的特性，本UHF局放仪校验系统平台的参考天线选择短单极探针天线，规格尺寸为：半径r=0.65 mm；高度h=25 mm。短单极探针尺寸小，对被测电场影响小；在接收瞬变场信号时具有检测不失真的特点；而且结构简单，其理论接收特性被研究得比较透彻，有精确的数学模型[9-10]，适合作为局放检测传感器的参考天线传感器。

2局放仪校验方法及实验数据

2.1灵敏度

UHF局放仪灵敏度是指在一定的环境背景噪声条件下，UHF局放检测所能分辨的最小脉冲电场强度峰值。其测量过程如下[11-14]：

a)标准信号源在其有效输出范围内输出标准的电平，然后测量GTEM小室内的场强分布，建立标准信号源输出电平与GTEM小室检测点场强的映射关系，具体可通过式(2)反推为

(2)

b)调节标准信号源输出电平，直到UHF局放仪能够以不小于2的信噪比可靠反映出标准信号，得出此时的入射场强，该场强即为UHF局放仪的灵敏度。

c)检测步骤

步骤1。调节标准脉冲发生器输出标准信号的频率，在某一频率下，调节标准信号电压幅值大小，观察UHF局放仪测到的信号电压电平。当调节标准输出信号到某一临界值时，测试仪恰能检测到该信号，此临界值即为局放仪在该频率下的灵敏度。表1为3个局放仪的测试数据，局放仪能检测到的最小电平信号25.6dB对应的电压幅值即为该频率下的灵敏度。传感器对应的频率均为该传感器的谐振峰值频率点。

表1单一频率下局放仪灵敏度测试数据

步骤2。调节标准脉冲发生器输出信号的频率，重复步骤1，测量0.3～3.0GHz频率范围内局放仪的灵敏度，测试数据见表2。

2.2线性度

线性度表示测试系统的输出与输入系统能否像理想系统那样保持线性关系的一种度量，该值越小，表明线性特性越好。

表2不同频率下局放仪灵敏度测试数据

标准脉冲发生器输出某一固定频率的信号，调节输出信号幅值大小，记录在同频率不同幅值输入信号下，用频谱分析仪测得的、被校验局放仪输出的信号电压电平。由表3可以看出，在2倍幅值下，频谱仪检测到的信号约有6dB的差值，线性度较好。

表3局放仪线性度测试数据

2.3检测量程

检测系统最大可检测信号以其最大饱和场强峰值来表征：在一定的环境条件下，UHF局放检测系统所能反映的最大脉冲场强峰值，为标准信号源输出增大至某一值、检测系统检测到的信号达到饱和时，所对应的GTEM小室测试窗口处的场强峰值。

由频谱分析仪输出频率范围为0.3～3.0GHz的扫频信号，在某一频率下，改变输出幅值，在局放仪上能检测到的最大信号(满量程)。测试数据见表4。

表4局放仪量程测试数据

2.4幅频响应

幅频特性是描绘输入的标准信号幅值固定而频率变化时，局放仪检测到的信号幅值随频率变化而变化的规律。以频率为横坐标，幅值为纵坐标描绘成的曲线叫幅频响应曲线。

由标准脉冲发生器输出频率范围为0.3～3.0GHz的标准幅值扫频信号，在输出功率分别为 -40dBm、-20dBm、-10dBm、0dBm、3dBm时，改变标准脉冲发生器的频率，测量UHF传感器耦合产生的信号幅值。3种局放仪(大螺旋天线、平板天线、对数天线)f-U(f为标准信号频率，U为局放仪检测信号幅值)幅频响应曲线如图2至图4所示。

信号经过传感器耦合后存在衰减，故测得的输出信号幅值应小于输入信号幅值，而大螺旋天线局放仪的幅频响应曲线在0.9GHz处弯曲明显(见图2)，输出信号幅值明显大于输入信号幅值，可以判断此处存在干扰信号。在其他频段(0.3GHz、0.4GHz、1.1GHz、1.8GHz、2.5GHz、3.0GHz)，曲线均存在一定的弯曲，线性度略差。

平板天线局放仪幅频响应曲线的线性度较好(见图3)，只在0.3GHz、0.4GHz、0.5GHz处稍有弯曲；对数天线的局放仪幅频响应曲线两端陡峭(见图4)，在0.9GHz和1.1GHz处弯曲明显。

比较3个局放仪幅频响应曲线可知，平板天线局放仪的线性度最好，其余2个局放仪在频率0.3GHz至0.5GHz、2.5GHz和3.0GHz处曲线线性度略差。UHF局放仪的检测频带为0.3～3.0GHz，但在实际应用中，0.3～0.5GHz处信号干扰较大，1.5GHz以上实际局放信号能量分布很小，故对上述2个频段信号测量的要求不高。

3结束语

针对国内外对UHF局放检测传感器及系统性能缺乏统一、有效的评价手段，本文研制了基于GTEM小室的UHF局放仪校验系统，并提出了评价局放仪灵敏度、线性度、量程和幅频响应指标的校准方法，为提升各类局放检测装置的准确性、稳定性和可靠性提供了参考。

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易满成(1985)，男，广东广州人。工程师，工学硕士，主要从事电力设备材料的入网质量检验研究工作。

王波(1983)，男，安徽阜阳人。工程师，工学硕士，主要从事高压电气试验工作。

苏海博(1985)，男，陕西咸阳人。工程师，工学硕士，主要从事电力设备材料的入网质量检验研究工作。

(编辑霍鹏)

DesignonCalibrationSystemforUltra-highFrequencyPartialDischargeDetectorBasedonGigaHertzTransverseElectromagneticCell

YIMancheng,WANGBo,SUHaibo,YANGPeng,GUChunhui

(ElectricPowerTestandResearchInstituteofGuangzhouPowerSupplyBureau,Guangzhou,Guangdong510000,China)

Keywords：partialdischarge;gigahertztransverseelectromagnetic(GTEM);ultra-highfrequency(UHF);calibration

Abstract：Therearegreatdifferencesinstabilitiesandreliabilitiesofdetectionequipmentsforultra-highfrequency(UHF)partialdischarge(PD)monitoringdevicesfromdifferentmanufacturers.Therefore,UHFcalibrationsystembasedongigahertztransverseelectromagnetic(GTEM)cellisdesignedwhichcouldturnadjustablehigh-frequencysignalsproducedbyhigh-frequencysignalgeneratorintonarrowpulseviapulsemodulator,thenthenarrowpulseistransmittedinGTEMcellbybroadbandantennaandastandardpulsedelectromagneticfieldisestablished.ThesensorofPDdetectorforexaminedisplacedinthetestwindowtoreceivesignalsandbyanalyzingsensitivity,linearity,rangeandamplitudefrequencyresponseofthePDdetector,itisabletorealizeexaminationforperformanceoftheinstrument.

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.011

收稿日期：2015-09-06修回日期：2015-12-22

基金项目：广州供电局有限公司科研项目(K-GZM2013-005)

中图分类号：TM930

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)04-0062-05

作者简介：