高频局部放电传感器传输特性测试方法及试验研究

李 婷，叶会生，李 欣，徐 晟

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015)

高频局部放电传感器传输特性测试方法及试验研究

李 婷1，叶会生1，李 欣1，徐 晟2

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015)

本文根据高频局部放电传感器关键传输特性参数的技术要求，探讨了相应传输特性参数的测试方法，建立了相应的测试系统。研究了接线方式对应用测试系统测试结果的影响，并开展了不同厂家的高频局部放电传感器的测试对比研究。

高频局部放电；传输阻抗；检测频带；测试系统；传感器

局部放电是电力设备绝缘介质中的一种局部范围内的电气放电，电力设备存在绝缘缺陷时容易发生局部放电。局部放电的产生通常伴随着电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应，并引起局部发热等现象，可以通过高频脉冲电流检测法、特高频法、超声波法等多种检测手段进行检测〔1-2〕。高频法是利用高频电流传感器检测流过设备接地引下线或其他地电位连接线上的高频脉冲电流信号，实现对电力设备的局放检测，进而掌握设备的绝缘状况。

高频局部放电传感器通过Rogowski线圈的磁耦合作用检测脉冲电流信号。检测系统与一次设备没有直接的电气连接，不影响一次设备的运行，并且高频电流传感器安装简单，灵敏度高。因而被广泛应用于变压器、电缆等设备的现场局放检测中〔3-5〕。

局部放电信号微弱，实现准确的脉冲电流检测的关键在于良好的高频局部放电传感器性能。高频局部放电传感器生产厂家众多、产品各异，各厂家的研究与制造水平参差不齐，而目前在电力行业缺乏对其传输性能进行测试与评价的测试方法与平台，因而难以把握仪器的应用效果，并对结果做出准确的判断。

1 高频局放传感器传输特性测试方法

1.1 传输特性参数

当电力设备发生局部放电时，将产生高频的脉冲电流，脉冲电流经电力设备的接地引下线流通，并在垂直于电流传播方向的平面上产生磁场。通过在电力设备的接地线上安装高频电流传感器和相位信息传感器，从局部放电产生的磁场中耦合能量，再经线圈转化为电信号的方式，可以检测判断电力设备中的局部放电故障，其检测原理如图1所示〔6〕。

图1 高频局放带电检测示意图

根据企业标准《电力设备带电检测仪器技术规范第5部分:高频法局部放电带电检测仪器技术规范》，高频局放传感器的关键传输特性参数及相应的技术指标如下:

1)传输特性阻抗:传输特性阻抗指的是在某固定频率正弦电流信号下，传感器耦合输出的电压信号幅值与输入电流信号幅值的比值，该指标反映在工作频带内某固定频率输入信号下传感器的信号耦合能力。一般要求输入频率为10 MHz的正弦电流信号时，传感器的传输阻抗值大于5 mV/mA。

2)检测频带:检测频带指的是对高频局部放电传感器进行幅频特性测试，通常内幅值比峰值下降6 dB对应的上下截止频率之差。一般要求整个系统的检测频带在3～30 MHz范围内。

3)稳定性:注入恒定幅值和频率的正弦波信号，高频局放传感器连续工作1 h后，输出的相应幅值的变化不应大于±10%。

1.2 测试原理

根据高频局放传感器的传输特性主要参数要求，其传输特性测试主要包括3个方面:传输特性阻抗测试、检测频带测试、稳定性测试。

1)传输特性阻抗测试

传输特性的测试原理如图2所示:采用信号发生器作为信号源，通过同轴电缆串接阻值为50 Ω的匹配电阻。同时将同轴电缆穿心接入待测高频局放传感器，用示波器测量传感器输出的电压信号及同轴电缆中流过的电流信号，其中，电流信号通过测量匹配电阻两端的电压获得。设置信号发生器输出10 MHz的正弦信号，计算示波器测量的电压信号幅值与换算得到的电流信号幅值的比值，即得到被测传感器的传输特性阻抗。

图2 高频局放传感器传输特性测试原理图

2)检测频带测试

检测频带测试仍然采用如图2所示的接线方式，但可不必测量匹配电阻两端的电压。保持信号发生器输出正弦信号的幅值不变，缓慢改变信号频率，记录各频率下传感器输出的电压幅值。找出传感器输出电压幅值从最大值下降到0.501倍(-6 dB)时的上下截止频率，即可得到传感器的检测频带。

3)稳定性测试

稳定性测试的接线方式如图2所示。设置信号发生器输出恒定幅值与频率的正弦信号，将传感器连续工作1 h，记录传感器初始及连续工作1 h后的输出值。

2 高频局放传感器传输特性测试系统

2.1 测试系统实现

按照高频局放传感器传输特性的测试方法，研制了相应的测试系统，能够对其主要传输特性参数进行测试。测试系统的结构框图如图3所示，包含示波器，信号源及高频校验箱。测试系统包含外置信号源与内置信号源，方便于实验室检测与现场检测。

图3 测试系统结构框图

2.2 主要设备简介

1)外置信号源

本文采用任意波形发生器作为测试系统的外置信号源，为满足测试对信号源的要求，选取的任意波形发生器基本参数如下:

①信号输出幅值在0～10 V可调；

②信号频率范围在0～120 MHz可调；

③具备任意波形信号导入、输出的功能。

2)示波器

测试系统采用的示波器基本参数如下:

①模拟带宽为2.5 GGHz；

②采样率为10 GS/s。

3)高频校验箱

为满足测试需求，本文研制了高频校验箱。高频校验箱中内置阻值为±1%50 Ω的无感电阻，箱体表面预留信号输入孔及匹配电阻电压输出孔，并依据高频局部放电传感器的一般尺寸设计了传感器安装杆，便于传感器的安装。同时在箱内内置峰峰值为1 V，频率可变的正弦交流源，通过箱体表面预留的按钮可实现对频率的调节。本文设计的高频校验箱可突破现场校验的限制，实现灵活、快速的现场测试。

3 高频局放传感器传输特性试验研究

本文采用外置信号源进行传感器的传输特性试验研究，分别对3种不同厂家的高频局放传感器进行传输特性测试，其中传感器A为进口仪器，传感器B与传感器C为国内产品。

3.1 接线方式对测试结果的影响

传感器的检测频带是传感器性能的重要指标之一。按照如图2所示的高频局放传感器传输特性的测试方法，在进行传感器传输特性参数的测量过程中需要利用示波器测量传感器输出电压信号与输入电流信号。简单的接线方法是同时连接传感器输出端及匹配电阻电压输出至示波器不同通道，依次对被测传感器的传输阻抗、检测频带与稳定性进行测量。而实际在进行检测频带测试时只需获取被测传感器的输出电压信号，并入测量回路的匹配电阻电压测量回路可能对测量结果产生影响。

本文以传感器A为例，设置信号源输出电压峰峰值为1 V，在100～60 MHz频段范围内改变频率(100～1 MHz范围内以100 kHz的步长改变频率；1～60 MHz内以1 MHz为步长改变频率)，分别进行2种接线方式下的检测频带测试，测试结果如图4所示。其中接线方式2如图3所示，匹配电阻电压输出口与高频局部放电传感器的输出均通过同轴电缆连接至示波器；接线方式1则只测量传感器输出电压。

由测试结果可知，采用接线方式1与采用接线方式2测得的传感器幅频响应曲线呈现出不同的变化趋势，说明匹配电阻电压测量回路的存在影响检频带的测试。采用接线方式2测试时，由于匹配电阻电压测量回路对磁场的影响，传感器的输出电压偏低，并且随频率的上升而呈现振荡变化的趋势。因此为减小接线方式影响，在进行检测频带测试时应注意断开匹配电阻电压输出端与示波器的连接。

3.2 测试结果对比分析

主要对3类传感器进行传输阻抗与检测频带测试。采用接线方式2测试传输阻抗，信号源输出峰峰值为1 V，频率为10 MHz的正弦波。采用接线方式1测试检测频带，信号源的设置同3.1节所述，在100～160 MHz范围内进行测试。测试获得的传输阻抗见表1，检测频带测量结果如图5所示。

表1 传输阻抗测试结果mV/mA

图5 检测频带测试结果

根据传输阻抗的测试结果，传感器A满足传输阻抗大于5 mV/mA的要求；传感器B与传感器C传输阻抗均偏低，小于5 mV/mA。

根据检测频带测试结果，传感器A的下限截止频率为2 MHz，上限截止频率大于150 MHz；传感器B的检测频带为50～80 MHz；传感器C的检测频带为600～89 MHz。3类传感器均具有优良的幅频响应特性，满足检测频带在3～30 MHz范围内的要求，但传感器A的频率响应特性明显优于B，C传感器。

综合测试结果，传感器A的传输特性优于B，C传感器。

4 结束语

为规范高频局部放电传感器的生产与使用，提高高频法在局部放电检测中的应用效果，建立传感器传输特性的测试手段十分必要。本文通过对高频局部放电传感器的传输特性测试方法的研究，建立了高频局部放电传感器传输特性的测试平台，并开展了高频局部放电传感器传输特性的测试实验研究。研究成果为开展高频局部放电传感器的传输性能检测奠定了基础。

〔1〕库钦斯基.高压电气设备局部放电〔M〕.北京:水利电力出版社，1984.

〔2〕郭俊，吴广宁，张血琴，等.局部放电检测技术的现状和发展〔J〕.电工技术学报，2005，20(2):29-34.

〔3〕王昌长，郭恒，朱德恒等.在线检测电力设备局部放电的电流传感器系统的研究〔J〕.电工技术学报，1990(2):42-46.

〔4〕肖勇，庞军，周波，等.超声波与高频脉冲电流相结合的变压器局部放电在线监测方法〔J〕.四川电力技术，2011，34 (6):53-55.

〔5〕韩正一.高频电流传感器频率特性的应用研究〔J〕.电工技术，2012(1):45-47.

〔6〕国家电网公司.电力设备高频局部放电带电检测技术现场应用导则:Q/GDW 11400—2015〔S〕.北京:中国电力出版社，2015.

Test method and experiment research of transmission performance test for high-frequency partial discharge sensors

LI Ting1，YE Huisheng1，LI Xin1，XU Sheng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

According to the technical requirement of key transmission parameters of high frequency partial discharge sensor，this paper studies relevant testing methods and establishes calibration system.The impact of connection mode on test results of the test system is researched.Moreover，test results of high-frequency partial discharge sensors of different manufactures are compared and studied.

high-frequency partial discharge；transfer impedance；detection band；test system；sensor

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0039-04

李婷(1990)，女，助理工程师，主要从事电力系统过电压研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.009

2015-12-29 改回日期:2016-02-24

李欣(1987)，男，工程师，主要从事电力系统过电压计算、过电压在线监测与识别、防雷与接地等研究。