GIS局部放电特高频检测系统标定方法应用研究

李 斌，曾辉明，赵义松，郑永键，郝建成

(1．国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2．国网辽宁省电力有限公司计量中心，辽宁 沈阳 110015; 3．国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)



GIS局部放电特高频检测系统标定方法应用研究

李 斌1，曾辉明2，赵义松1，郑永键3，郝建成1

(1．国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2．国网辽宁省电力有限公司计量中心，辽宁 沈阳 110015; 3．国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)

科学有效地标定GIS局部放电特高频检测系统，对于保证GIS设备安全可靠运行有着至关重要的作用。详细研究了GIS局部放电特高频检测系统不同层次的标定方法，包括厂家内置传感器灵敏度标定方法、现场内置传感器灵敏度标定方法以及模拟装置、扫频法、GTEM小室3种实验室检测系统标定方法的基本原理和应用情况，并讨论了其发展趋势。对GIS局部放电特高频检测系统入网检测、定期检测及到货检收有着重要意义。

GIS；局部放电；特高频；检测系统；标定方法

随着我国智能电网的高速发展，全封闭气体绝缘组合开关设备(Gas Insulated Substation，GIS)的需求量急剧增加，有效监视及把控GIS的运行状态是保证电力系统稳定运行的重要条件[1-2]。局部放电是反映GIS绝缘性能的重要参数之一，它是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，对其进行检测可发现GIS内部早期的绝缘缺陷，对避免缺陷进一步发展有重要意义[3-4]。GIS局部放电特高频检测即是在这样的背景下迅速发展起来的一种在线检测手段，作为局部放电检测最有效的方法之一，局部放电特高频的检测频带为300～3 000 MHz，具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点。该检测方法为非接触式测量，系统结构简单，对二次设备和检测人员而言更加安全，因而较之于其它检测方法具有明显优势，已成为国内外学者研究的热点，并在全国范围内开展了大规模应用[5-6]。目前，GIS局部放电特高频检测技术多种多样，厂家生产的检测仪器质量参差不齐，为确保局部放电特高频检测系统的准确性，急需对局部放电特高频检测系统的灵敏度、动态范围等多项指标进行标定，而在标定方法方面各高校及网省电科院都在积极探索中[7-11]。

本文详细介绍了GIS局部放电特高频检测系统从厂家出厂试验到现场试验，再到实验室试验的所有标定方法，包括厂家内置传感器灵敏度标定方法、现场内置传感器灵敏度标定方法及模拟装置、扫频法、GTEM小室3种实验室检测系统标定方法，并针对上述方法进行了研究。

1 厂家内置传感器灵敏度标定方法

目前，500 kV及以上的GIS生产时可预装局部放电特高频传感器，作为GIS设备的一部分除了要完成出厂试验外，还宜完成局部放电特高频传感器灵敏度试验，常规的出厂试验方法是在GIS内部制造一个5 pC或更低的放电，判断传感器是否能检测到。

图1为某500 kV GIS断路器内置特高频传感器出厂检验时的测试连接图，试验中的缺陷模型为尖刺，置于GIS隔离开关处；放大器增益为40 dB，并对手机信号频段进行了滤波处理。测试结果表明：不论在运行状态还是在热备用状态下，该传感器均能检测到5 pC放电量，满足灵敏度要求。

图1 500kVGIS传感器出厂检验测试连接图

该方法可完成特高频局部放电传感器出厂试验，但该方法只能定性标定，定量方法还需进一步研究，并且缺乏相关标准。

2 现场内置传感器灵敏度标定方法

带内置局部放电特高频传感器的GIS现场交接验收时，可根据国际大电网会议(GIGRE)在推动特高频检测法的标准化工作中，给出的局部放电特高频系统灵敏度检测方法来标定传感器灵敏度。其基本原理是：注入1个与局部放电相当的等效脉冲信号，若传感器检测到的注入信号幅值在局部放电幅值的±20%范围内，则该传感器满足灵敏度要求，其测试原理如图2所示，在GIS设备上安装2个内置式特高频传感器，即C1和C2。在安装C1的GIS腔体内部设置局部放电缺陷，使其在外施电压的作用下产生5 pC(GIS设备合格标准)的局部放电，此时采用C2和特高频检测设备测量此局部放电发射出的特高频电磁波信号，并记录信号幅值FA。

图2 GIS局部放电特高频信号测量回路

该方法为定性标定方法，国家电网公司已于2015年2月发布了基于该方法的特高频局部放电传感器的现场验收企业标准，但由于被检数量少，现场验收受外界干扰严重，该方法应用并不广泛。

3 实验室检测系统标定方法

GIS生产时预安装特高频局部放电传感器，由于安装后不方便拆卸，宜采用出厂试验和现场验收试验2种方式标定，在实际工程应用中，通过内置方式安装的传感器仅占极少部分，绝大多数只能通过外置方式安装，即贴覆在盆式绝缘子表面进行测量，该种方式携带方便，宜采用实验室标定。下面介绍主要的3种实验室标定方法，包括模拟装置、扫频法和GTEM小室标定方法。

3.1 基于模拟装置的标定方法

3.1.1 基本原理

通过GIS模拟放电装置，模拟110～500 kV GIS尖端放电、金属颗粒放电、气隙放电及移动电极放电等各种性质的放电现场，并控制这些放电的起始电压、熄灭电压、放电强度；同时以电脉冲电流法、超高频法、超声波等局部放电带电检测方式实施相关检测。其局部放电特高频检测系统标定原理如图3所示，模拟GIS放电装置实物如图4所示。

图3 局部放电特高频检测系统标定原理图1——10 kV电源；2——调压器；3——变压器；4——连接电缆；5——GIS实验平台；6——UHF传感器；7——UHF放大器；8——数据采集系统；9——脉冲电流法局部放电仪；10——被检测仪器；11——数字存储示波器；12——脉冲电流放大器；13——耦合电容器(电容分压器)；14——测量阻抗；15——UHF放大器

图4 模拟GIS放电装置示意图

3.1.2 有效性验证试验方法

a.缺陷设置方法。在GIS设备内部设置2种典型局部放电缺陷模型，包括电晕缺陷和悬浮电位缺陷，缺陷设置结构与尺寸如图5所示。

图5 电晕和悬浮电位典型缺陷放电模型

b.仪器布置方法。分别将该2种典型缺陷模型放入GIS设备内部，按照图3所示接线进行局部放电检测试验。

c.加压与检测试验方法。逐步升压至局部放电起始电压，应用被测仪器进行局部放电检测，外置特高频传感器与放电源的距离不大于2个气室，逐项验证仪器的各项功能，检测灵敏度及有效性内容。

该方法是常见的标定方法，但受模拟GIS放电装置质量影响，只达到定性检测，无法开展检测仪器定量指标的到货验收工作。

3.2 基于扫频法的标定方法

扫频法的基本原理是：采用脉冲发生器和信号发生器组合输出1个特高频模拟信号，信号发生器能够输出300～1 500 MHz中任何频段的正弦波信号，同时信号发生器能够调节输出正弦波的幅值，从-120 dBm到20 dB；脉冲发生器输出1个49 Hz的TTL幅值的脉冲信号，该脉冲信号对正弦波进行调制后输出脉冲信号，输出的每个脉冲信号里面包含正弦波的频率和幅值。通过对各个300～1 500 MHz中各个频段的信号进行大小调节，可标定检测系统的最小灵敏度、动态范围和线性度3项指标，其标定原理如图6所示，具体标定过程如下。

图6 局部放电特高频检测系统标定原理图

a.最小灵敏度。反映局部放电测试仪能够在现场发现局部放电的能力，从-80 dBm，开始注入信号，然后1 dBm步进信号，慢慢变大，直到便携式局部放电测试仪的检测界面中能够明显看到注入的最小信号，并记录当时的读数，作为该频段的最小检测能力；然后改变信号发生器输出信号的频段进行另外频段的检测。检测从300 MHz开始，按照100 MHz步进，直到1 500 MHz结束。

b.动态范围。各频段中局部放电测试仪的最小监测能力和最大监测能力的差值，局部放电信号刚开始的时候比较小，或者传感器的位置离实际发生局部放电信号的位置较远，这时信号很小；同样对于大的信号能够完整显示，所以要求动态范围要足够大，根据国家电网公司的要求，执行好要达到40～50 dB。动态范围的监测方法：在检测完各个频段的最小灵敏度以后，慢慢变大信号发生器输出信号的幅值，使得局部放电测试仪里面看到的信号幅值不再变化，记录该频段的最大值，最大值和最小值之间的差值就是动态范围。

c.线性度。线性度对于局部放电初步定位具有一定意义。通过信号发生器，信号从小变大，按照10 dBm变化，然后记录局部放电测试仪里面的读数，对局部放电测试仪显示的幅值读数进行记录，观看局部放电测试仪是否按照10 dB的读数变化。

由于局部放电产生的信号为瞬态脉冲型式，包含丰富的频谱分量，扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态信号的接收能力。但由于没有更好的替代方法，该方法可作为局部放电特高频检测系统到货验收及能力比对的标定方法，同时绝大多数厂家认可该方法。

3.3 基于GTEM小室的标定方法

以英国为代表，研究人员最先提出通过吉赫兹横电磁波室(Giga hertz Transverse Electro Magnetic，GTEM)进行特高频传感器的标定方法，该方法以GTEM小室作为电磁波传输环境，通过脉冲注入方式在其内部激励起瞬态电场，根据传感器电压响应与激励场之间的关系来定义传感器的耦合性能，即其传递函数He(f)，因其量纲为mm，故也称等效高度。目前，华北电力大学、北京、广东和辽宁等少数电科院已经开展了相关的研究工作。采用该方法可标定检测系统的最小灵敏度、动态范围和线性度3项指标，具体标定过程如下。

3.3.1 传感器平均有效高度

a.根据标定系统要求搭建如图7所示的GTEM测量平台。传感器平均有效高度测量原理如图8所示。

图7 GTEM测量平台示意图

图8 传感器平均有效高度测量原理

图8中，VI为标定源注入GTEM小室的脉冲电压信号；Hcell、Hsys分别为GTEM小室和测量系统的传递函数；EI为GTEM小室内传感器所在位置处的脉冲电场；Href、Hsens分别为参考传感器和被测传感器的有效高度；Vor、Vos为分别为参考传感器和被测传感器对于EI的电压响应；Vmr、Vms分别为经测量系统实测的参考传感器和被测传感器对于EI的电压响应。

b.通过标定源向GTEM小室内注入电压幅值为20 V的标定脉冲信号，在GTEM小室内建立覆盖300～1 500 MHz频带范围的脉冲电磁场。

c.将参考传感器置于GTEM小室开孔处，通过测量系统得到此时参考传感器的电压响应Vmr。

d.将被测传感器置于GTEM小室开孔处，通过测量系统得到被测传感器的电压响应Vmr。

e.利用已知的参考传感器有效高度

Hsens=(Vms/Vmr)×Href

(1)

计算出被测传感器的有效高度，然后在300～1 500 MHz内计算平均值得到被测传感器的平均有效高度。

3.3.2 灵敏度与动态范围

采用GTEM小室来进行局部放电特高频检测系统灵敏度与动态范围的标定，其GTEM小室测试结构如图9所示。

图9 检测系统灵敏度及动态范围标定平台示意图

a.对标定脉冲源在0～100 V(推荐值)的输出范围内从0 V开始以1 V为步长连续调节标定源输出电压幅值，对各输出电平下GTEM小室内参考传感器安装位置处的场强进行标定，建立标定源输出电平与GTEM小室检测点场强的映射关系，具体可通过式(2)由参考天线的输出V0来反推。

Ei=V0/Href

(2)

式中：V0为参考传感器输出电压幅值频域曲线；Vref为参考传感器的有效高度曲线。由Ei即可求得入射场的时域波形Ei(t)。

b.将被测传感器与检测仪连接，调节标定源输出电压幅值使检测仪以不小于2的信噪比可靠反映出标定信号，记录此时标定源输出电压幅值Hi1，根据之前得到的映射关系得出该标定源输出电压幅值Hi1对应的时域最大电场强度Eimax1，Eimax1即为检测仪的检测灵敏度。

c.将被测传感器置于GTEM小室开孔处，并将被测传感器与检测仪连接，调节标定源输出电压幅值使检测仪正好达到其满量程，记录此时标定源输出电压幅值Hi2，利用标定源输出电压幅值Hi1与GTEM小室开孔处的时域最大电场强度Eimax1间的对应关系曲线得到Eimax2，该电场强度即为检测仪最大可测瞬态场强Eimax2。

d.根据F=Eimax1/Eimax2计算最大可测瞬态电场强度与装置灵敏度之间的倍数关系，F即为检测仪的动态范围。

该方法可有效模拟GIS的局部放电信号，是目前特高频检测系统标定方法的研究热点，但该方法采用的陡脉冲信号发生器，存在信号无法溯源问题，并且对外置传感器的标定没有进行说明，而且实施过程中还存在许多问题，需要进一步研究完善。

4 结论

a.厂家和现场内置传感器灵敏度标定方法，是针对GIS已经安装好的内置局部放电特高频传感器的标定方法，2种方法目前实际应用并不广泛，但随着智能电器的发展和局部放电特高频内置传感器的增多，在这2方面会逐渐被重视。

b.模拟装置、扫频法、GTEM小室3种实验室检测系统标定方法，可对GIS局部放电特高频检测系统进行标定，模拟装置为定性标定，扫频法和GTEM小室为定量标定。GTEM小室比扫频法更适用于局部放电特高频信号的标定，并且是标定方法发展方向。

c.对于厂家内置传感器灵敏度标定方法和基于模拟装置的实验室检测系统标定方法，可进一步深入研究脉冲电流法中pC与特高频法中mV(dB)的对应关系，使定性标定过渡到定量标定。

d.基于GTEM小室的实验室检测系统标定方法，还需要对其现有的方法进行完善，使其可以对不同类型的局部放电特高频检测系统进行标定。

[1] 刘佳鑫，唐佳能，郎业兴，等．500 kV HGIS内部绝缘缺陷的带电检测与综合诊断[J]．东北电力技术，2016，37(9)：11-15．

[2] 崔巨勇，杨 鹤，韦德福，等．GIS现场闪络故障定位关键技术应用[J]．东北电力技术，2016，37(8)：59-62．

[3] 林礼健．GIS局部放电带电测试技术研究[J]．东北电力技术，2007，28(6)：16-17．

[4] 韩晓昆，闫春江，涂明涛，等．超声波和超高频技术在GIS设备中的联合应用[J]．电力系统装备，2012，11(4)：13-16．

[5] 罗 彤，李学斌，郎业兴，等．500 kV HGIS设备联合带电检测分析[J]．东北电力技术，2016，37(6)：23-26．

[6] 李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等．电气设备局部放电检测技术述评[J]．高电压技术，2015，41(8)：2 583-2 601．

[7] 郑书生，舒胜文，陈金祥，等．基于传递函数的GIS特高频传感器性能对比评价方法[J]．电网技术，2017，41(2)：651-655．

[8] 周 玮，张传计，张 军，等．局部放电UHF检测仪校准方法研究[J]．电测与仪表，2016，53(13)：100-106．

[9] 李 辉，陈江波，张 曦，等．变压器局放用UHF传感器的校准方法研究[J]．高压电器，2014，50(13)：7-13．

[10] 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．

[11] 王 颂，吴晓辉，袁 鹏，等．局部放电超高频检测系统标定方法的研究现状及发展[J]．高压电器，2007，43(8)：59-61．

Application Research on Calibration Method of Partial Discharge Ultra High Frequency Detection System for GIS

LI Bin1，ZENG Huiming2，ZHAO Yisong1，ZHENG Yongjian3，HAO Jiancheng1

(1．Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang，Liaoning 110006，China;2．State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Metrological Center，Shenyang，Liaoning 110015，China;3．State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang，Liaoning 110006，China)

It plays a significant role in ensuring safe and reliable operation of GIS equipment wich verifies GIS UHF partial discharge detection system.This paper reaches in detail different ways to calibrate GIS UHF partial discharge detection system of different levels.It includes analogue device, sweep frequency test technology & verification technology based on the GTEM celland discusses the application method and development trend. This paper has important guiding significance to GIS UHF partial discharge detection system network testing,regular inspection and incoming inspection.

GIS; partial discharge; ultrahigh frequency; detecting system; calibration method

TM595

A

1004-7913(2017)06-0004-05

李 斌(1979)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电气设备状态监测与故障诊断。

2017-04-10)