GIS局部放电UHF检测系统性能检验方法研究进展

郑闻文李功新舒胜文

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2.国网福建省电力有限公司，福州 350003；3.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

GIS局部放电UHF检测系统性能检验方法研究进展

郑闻文1李功新2舒胜文3

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2.国网福建省电力有限公司，福州 350003；3.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

UHF检测法在GIS局部放电状态检测中得到了广泛应用。然而，GIS局部放电UHF检测技术尚存在UHF传感器质量参差不齐、配置方案不佳、缺乏统一的标定方法等问题，导致误报警、漏报警问题时有出现，严重制约了GIS局部放电UHF检测领域的健康发展。为此，有必要深入开展GIS局部放电UHF检测系统性能校验方法的研究，提升GIS局部放电UHF检测技术的现场应用水平。本文综述了GIS局部放电UHF传感器的耦合性能检验方法、UHF检测系统灵敏度和动态范围的实验室检验方法和现场检验方法已取得的研究进展和存在的不足，提出了GTEM小室阻抗特性和场强均匀性标定、现场校验脉冲注入方式和等效性研究等3个有待深入研究的方向。

GIS；局部放电；UHF检测；有效高度；灵敏度；现场校核

GIS自20世纪中期问世以来迅速发展，以其占地空间小、受环境影响小、运行可靠性高等优点，在电力系统中得到了广泛应用［1］。GIS在制造、包装、运输以及现场安装过程中难免因外力因素影响造成损伤，从而产生绝缘缺陷。在运行电压的持续作用下，这些绝缘缺陷可能引起局部放电，继而引发绝缘故障，威胁电网的运行安全［2-4］。

目前，GIS局部放电的电气检测方法主要有UHF检测法、脉冲电流法（耦合电容法）、超声波检测法。其中，由英国Strathclyde大学学者提出的UHF检测法在实际的运行操作中优势明显，可较好的屏蔽不易识别的电磁干扰，且非接触测量的方式更加安全可靠，因此得到广泛应用。UHF法的原理是采用天线传感器接收GIS局部放电激发出的UHF（0.3～3GHz）电磁波信号，实现对局部放电的测量与定位［5］。GIS现场运行环境复杂，不可避免的存在电磁干扰，但其频段大多在300MHz以下，UHF检测法可有效地避开此类干扰的影响，提高测量的信噪比，较适用于现场检测。此外，UHF检测法频带较宽，灵敏度高，定位精确度高，有效检测范围大，能够及时有效地发现绝缘劣化先兆，可在一定程度上避免绝缘故障的发生，节约维修成本［6-19］。

GIS局部放电 UHF检测系统主要组成部分包括：UHF传感器（耦合器）、信号放大器、主机（信号采集和处理器）和分析软件。在GIS局部放电UHF检测系统中，UHF传感器分为内置式和外置式两种，内置式UHF传感器以其较高的灵敏度，受到用户青睐［20］。而对于大多数服役时间长的GIS设备，宜采用不影响运行、安装相对灵活的外置式传感器。UHF传感器在整个检测系统中至关重要，其灵敏度通常用频域内的有效高度来表征；除UHF传感器以外其他部件的性能也会影响整个检测系统的灵敏度，通常用瞬态峰值脉冲电场强度和动态范围来表征。在实际运行中，传感器和其他部件可能受到诸如温度、湿度以及机械振动等外因影响，使得其检测、抗干扰性能受到损害，或将引起误报警、漏报警等问题［21-23］。不仅如此，UHF检测法对传感器等关键部件的要求较高，且该技术在我国普及时间不长，导致设备造价居高，一些厂家为追求经济效益，导致市场上UHF检测设备的质量参差不齐、一致性差。此外，UHF传感器存在现场安装方式和配置方案欠佳等问题，这些也都在不同程度上制约了GIS局部放电UHF检测行业的健康发展。

为此，有必要开展关于GIS局部放电UHF检测系统性能检验方法的研究，借此提高GIS局部放电UHF检测系统性能和质量，从而能够更加有效地发现设备运行中存在的缺陷，一定程度上降低绝缘故障率，保障GIS设备的稳定运行。文中综述了GIS局部放电 UHF传感器的耦合性能检验方法、UHF检测系统灵敏度和动态范围的实验室检验方法以及现场检验方法的研究现状，并提出了一些有待深入研究的方向。

1 UHF检测系统性能实验室校核

传感器的耦合性能、检测系统的灵敏度和动态范围是表征GIS局部放电UHF检测装置性能优劣的核心指标。

GIS局部放电检测用UHF传感器的作用是将传感器所在位置处的入射场强转换为电压信号输出。可利用测量精度高、屏蔽性能好的吉赫兹横电磁波（GTEM）小室进行有效高度的测试评估，以满足对其相关性能测试的需要。

对于整个检测系统，常规的扫频法无法准确反映其对局部放电瞬态UHF信号的接收能力。而且局部放电UHF信号有高达数GHz的丰富频谱分量，扫频测量系统所必需的微波暗室造价高达数百万元，成本及其高昂。目前，在实验室校核中，一种较为有效地方法是采用瞬态峰值脉冲法表征检测系统的灵敏度，即通过测量该放电脉冲电磁波的电场强度来表征测试结果［24］。

1.1 UHF传感器有效高度测量方法

UHF传感器的耦合性能对整个检测系统的灵敏度有着至关重要的影响。在GIS局部放电UHF传感器耦合性能的校核方面，Judd等最早提出了利用横电磁波（Transverse Electromagnetic，TEM）小室测量 UHF传感器有效高度的方法，初步证明了利用TEM小室对UHF传感器进行标定的可行性［25］。然而，TEM小室的可用频率上限只有几百MHz，难以突破GHz，因而其应用范围受到了一定的限制，难以有效覆盖UHF传感器的工作频带。Konigstein等提出的吉赫兹横电磁波（GTEM）小室将TEM小室改造成矩形锥同轴线结构，将工作频率提高到2GHz甚至更高，从而克服了传统的TEM小室可用频率上限低的缺点。Judd等在总结之前经验的基础上，将传统的TEM小室改造成了GTEM小室，并实现了基于时域脉冲参考法的 UHF传感器有效高度标定方法，取得了不错的效果［26］。GTEM小室所辐射的电磁波频带跨度可从直流到微波，适用于EMI、EMS试验，且相关组合设备系统简单，性价比高。在电磁测试领域，GTEM小室已然成为时下最受追捧的替代暗室。

GTEM小室的结构如图1所示，由IEC标准中推荐的TEM小室改造而成，形如半锥形同轴的结构（以防止室内电磁波的反射），工作频率提升至数GHz。源于灵敏度测量的初衷，据非对称矩形传输线原理，使其输入输出端多采用N型同轴接头，同轴接头内的中心导体为一块渐变的平板，于该板和底板之间形成一均匀电磁场，其后壁由锥形吸波材料覆盖作电磁波的吸收负载，以消除后端反射，同时，采用分布式电阻进行匹配，以便将后端反射降到最低［27-28］。

图1 GTEM小室结构图

基于GTEM小室的UHF检测系统检验平台如图2所示，由标准脉冲源向GTEM小室内输入脉冲电压UI，在GTEM小室内形成一电场EI。将参考传感器置于电场相对均匀的GTEM小室上方临近后端1/3处的测试窗口区域，对其进行标定。采用窗口安装传感器的方式，将削弱传感器对于GTEM小室内部场的影响，使测量结果更精确［29-32］。

图2 基于GTEM小室的UHF检测系统检验平台

Judd等人提出用频域的有效高度来定义传感器的耦合性能［33-34］。利用UHF传感器可将入射电场转换为电压信号输出，若将待测传感器置于GTEM小室测试窗口处，设其在所处位置的电场为Ei（t），Uo（t）为天线输出的电压信号，通过FFT变换得到其频域信号EI（f）和UO（f），由入射电场和输出电压的关系，得到传感器的传递函数：

由式（1）不难看出，Hsens（f）的单位为m，通常该值较小，一般取mm；当EI（f）不变时，传感器的输出电压 UO（f）越高，其耦合能力越强，即有效高度越大。由此可见，有效高度的大小反映出传感器的接收能力，以此用于表征传感器的相关性能。为了提高测试结果的准确度，可将多条测试所得曲线，进行统计平均，得到其测试频带内的平均有效高度曲线。

然而，实际上GTEM小室内部的电场并不完全是均匀分布的，因此，可选择采用时域参考测量法，用参考传感器来表示被测传感器［35-37］。时域参考测量法的原理如图3所示，设待测传感器与参考传感器的输出电压分别为UMs、UMr，GTEM小室、参考传感器、待测传感器的传递函数分别为Hcell、Href、Hsens，以及测量系统的传传递特性为 Hsys，则参考传感器和待测传感器的测量输出分别为

由式（2）上下式相除约去 Hcell、Hsys，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：

图3 时域参考测量法的原理图

由式（3）可知，利用参考传感器的传递函数Href，以及参考传感器和待测传感器对于注入脉冲信号的电压响应，则可求待测传感器的传递函数Hsens。

图 4（a）和（b）所示分别为基于时域参考法得到的 UHF传感器典型时域输出波形及其有效高度曲线的测试结果，由此可得到该传感器在 0.3～1.5GHz频段内的平均等效高度为10.62mm，该频段上有效高度≥2mm的百分比为100%。

图4 传感器典型的时域波形和有效高度曲线

文献［38］利用GTEM小室分别对不同型号和工装的外置式UHF传感器的有效高度进行了测试，结果分别见表1和表2。

表1 不同型号传感器有效高度

表2 不同工装传感器有效高度

从表1可知，不同型号UHF传感器有效高度测试结果差异很大，0.3～1.5GHz之间的平均有效高度最大相差超过4倍。这也说明了开展UHF传感器耦合性能校核的必要性。

从表2可知，对于带有浇注孔的屏蔽式工装，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，其有效高度比开放式显著降低。

1.2 UHF检测系统灵敏度和动态范围

从本质上看，UHF检测系统实际上测量的是发生局部放电时所辐射出的电磁波的电场强度。在检测缺陷发生局部放电的 UHF检测系统实验室检验的方法中，同等放电条件下，由于电压等级、绝缘缺陷类型等情况的不同所检测到的 UHF信号幅值不同，使得结果评价的合理性有所欠缺。同时，也为了统一UHF检测系统的单位问题，采用瞬态峰值脉冲电场强度来表示局部放电UHF检测结果［39］。

将 UHF检测系统所能识别到的最小脉冲电场强度峰值定义为其灵敏度，即检测到最小输出电压时所对应的场强。UHF检测系统所能识别的场强峰值越小，则灵敏度越好。

采用已知频率响应曲线的标准传感器标定信号源不同输出电压对应的场强：

将待测传感器置于GTEM小室上方开窗处，连接相关测量设备，向GTEM小室注入标准脉冲信号，调节信号源的输出电压，直至待测系统检测不到电压信号，则此时的 Ei（t）值为最小脉冲场强值，即待测系统的灵敏度。不断增大信号源的输出，直至某一个值使得检测系统接收的信号达到上限，此时的Ei（t）为最大脉冲场强峰值，即检测系统的最大可测值，由此得到检测系统的动态范围。

以DMS传感器和检测系统为测试对象，采用上述方法得到其检测灵敏度为 0.74V/m，最大脉冲场强峰值为109V/m，由此得到其动态范围为43.36dB。

2 UHF检测系统性能的现场校验

对GIS设备上的UHF传感器及检测装置进行现场校核，是保证UHF检测系统现场应用灵敏度和有效性的重要手段。基于GTEM小室的UHF传感器和检测系统的实验室校核方法，并不适合现场校验。

2.1 CIGRE方法

国际大电网会议（CIGRE）建议了一种基于等效放电电场强度的UHF检测系统现场校验方法，如图5所示。

图5 CIGRE建议的UHF检测系统现场校验方法

具体为：在GIS设备上安置两个内置式传感器C1、C2，如图5（a）所示，对其施加电压，使得在C1处产生一放电量约为 5pC的局部放电，在 C2处利用UHF检测仪器测量该缺陷放电发射的UHF信号A的幅值。撤去图5（a）中的放电缺陷，如图5（b）所示采用脉冲信号源向 C1处注入连续可调的脉冲，当在C2处测得UHF信号B与A偏差小于±20%时，即此时的信号幅值相当于发生5pC局部放电时所激发的UHF信号强度，记录此时信号B的幅值［40-41］。

在现场校验时，将所得的脉冲信号注入到 GIS上的两个相邻传感器中的一处，若可在另一处可测得明显的信号，则认为UHF测量设备的检测灵敏度为5pC［42］。

然而，目前在CIGRE建议的校验方法中尚且存在一些问题。国内的GIS中装有内置式UHF传感器的设备不多，即便装有内置式UHF传感器，传感器的配置和覆盖率上可能也有所欠缺，往往每个间隔上仅装有一个内置式UHF传感器。此外，如何选择脉冲注入点、各种注入方式的有效性、现场校验时不同电压等级的GIS注入的脉冲电压幅值的确定等问题亟需解决。德国Stuttgart大学的S.Coenen等把该方法运用到变压器的局部放电检测上，同时也指出：在变压器的局部放电检测中，该方法与 IEC 60270相比在确定局部放电强度上并不是非常可靠［43］。对于CIGRE现场校核技术的改进方法，国内高校实验室与各省电科院也都进行了研究［44-48］。

当现场条件不具备 CIGRE推荐的方法中所需的内置传感器配置时，无法直接向GIS内注入脉冲信号，可通过外置传感器的方式注入。

在现场校核中，脉冲注入方法可采用绝缘子注入方法、金属环小孔注入方法。绝缘子注入方法，对 GIS设备没有必须安装内置式 UHF传感器的要求，安全可靠性高，其放电脉冲波形逼近真实局部放电模型，且在传播过程中的衰减较小。而通过小孔信号注入的方法，随着频率的增大，其衰减程度趋于平缓，因此，为得到与真实局部放电更加接近的频谱，需要提高脉冲信号的输出幅值。研究表明，上升沿为300ps，脉宽为10ns的脉冲信号可用于模拟GIS内部的局放，且在等效脉冲注入过程中的衰减特性与真实局放信号的衰减规律相同［49］，可用于现场校核。

而天线的性能对信号的接收能力的好坏具有直接的影响。文献［50］中，对几种螺旋、环型、锥型等多种外置天线进行了分析和对比。螺旋天线在某一频段内近似非频变，频带宽，但尺寸大，在装配上有所不便；环型天线方向性好，增益较大，接收性能好，灵敏度较高且抗干扰性能好；盘锥天线常用于特高频、超高频范畴，其圆盘直径对天线方向性影响较大。由此可见，尺寸较小，频带宽，线性度好的天线更受青睐。

文献［51］在相同条件下，采用脉冲信号注入法产生类似局部放电的UHF信号，通过在不同位置的绝缘子上检测放电信号，得到UHF信号的衰减情况与实际局部放电时的衰减规律相同，检测结果如图6所示。因此，利用传感器向GIS腔体内部注入脉冲信号，在不影响GIS设备正常运行的情况下，可通过建立脉冲输出幅值与等效放电量的关系，用于GIS局部放电UHF在线监测装置的现场检验。

图6 局放和脉冲产生的UHF信号一致性

文献［52］采用CIGRE建议的方法对500kV GIS内置式UHF传感器灵敏度进行了现场校核，得出为满足1pC的局放检测灵敏度，运行和热备用状态应注入的脉冲信号幅值分别为4V和7V；且无论在运行状态还是热备用状态，该500kV GIS内置UHF传感器均能满足灵敏度要求。

2.2 S参数法

王增彬等人针对系统中已投运的 UHF传感器的现场校核问题，通过对比传感器在 0.3GHz到2GHz范围内的平均有效高度和响应系数的关系，提出了基于网络分析仪的GIS局部放电监测UHF传感器的现场校核方法［53］。

如图7所示，采用S参数，通过网络分析仪测得传感器对间的频响特性，利用传递函数的叠加原理，得到输出函数 Y（u），传感器对间的整体传递函数H（u），而后计算其增益，由此得到n个传感器的频率响应。

图7 传感器对间的传递函数

根据传感器对间的频率响应试验结果计算得到的传感器平均响应系数见表3。可以看出，传感器平均响应系数与平均有效高度均有近似线性关系。因此，可利用传感器对间的平均响应系数来检测现场安装的传感器性能。

表3 传感器平均响应系数

3 结论

国内外在GIS局部放电UHF传感器的耦合性能检验方法、UHF检测系统灵敏度和动态范围的实验室检验方法和现场检验方法方面取得了一定的研究进展，但仍有以下一些问题有待深入研究。

1）GTEM 小室阻抗特性和场强均匀性标定是UHF传感器和检测系统性能测试的重要前提，目前研究甚少，需要深入研究。

2）CIGRE中所推荐的校核方法现场适应性还有所欠缺，目前，在国内大多数仅装有外置式传感器或一个内置式UHF传感器的GIS设备，采用何种装置、如何向GIS设备注入脉冲信号可达灵敏度校验的最优化，有待深入分析。

3）注入脉冲的等效性，即注入脉冲幅值与等效放电量之间关系的建立，亟需深入探讨。

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Review of Calibration Methods for UHF Detection System Performance of GIS Partial Discharge

Zheng Wenwen1Li Gongxin2Shu Shengwen3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108；2.State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd，Fuzhou，Fujian 350003；3.Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd.，Fuzhou，Fujian 350007）

UHF method has been widely used in the field of gas-insulated switchgear partial discharge condition application.However，the sensor in the method has problems that UHF poor quality，poor configuration，lack of uniform calibration methods and a false alarm sometimes.The problems of GIS UHF partial discharge detection had a negative impact.Consequently，it is necessary to carry out the performance verification methods of the UHF detection system for enhancing the spot check level of GIS partial discharge.The paper reviews that the performance verification method for coupling of UHF sensors in the field of GIS partial discharge，the achievement and shortcomings about UHF detection system sensitivity and dynamic range of verification method both laboratory and field.And the author comes up with the research directions，including calibration about laboratory verification platform impedance characteristics and field uniformity，pulse injection method in the spot check and bioequivalence studies.

GIS； partial discharge； UHF detection； effective height； sensitivity； spot check

郑闻文（1991-），女，硕士研究生，研究方向为电气设备状态检测。