试验间隔时长对UHF 传感器有效高度的影响

2020-04-30包艳艳温定筠王碧霞陈宏刚马建桥

电气工程学报 2020年1期

包艳艳刘康温定筠王碧霞陈宏刚马建桥

(1. 国家电网甘肃电力科学研究院兰州 730070； 2. 兰州交通大学自动化与电气工程学院兰州 730070)

1 引言

气体绝缘组合电器(Gas insulated switchgear，GIS)具有体积小、运行稳定等优点，是电力系统的重要设备之一[1]。设备在运行过程中的缺陷可诱发局部放电，局部放电严重时可导致GIS 设备发生故障，因此有必要按周期或根据设备运行工况对GIS设备开展局部放电检测工作[2]。特高频法是GIS 局部放电检测的主要手段，而特高频传感器是UHF法的关键器件，其性能的优劣直接影响对故障严重程度的判定[3]，因此有必要对UHF 传感器性能参数标定进行研究[4-5]。

目前国内外研究者主要采用GTEM 小室检测UHF 传感器有效高度等参数[5]。GTEM 小室呈封闭结构，是同轴线结构的变形[6]。为避免电磁波在小室内部产生反射和谐振，小室结构呈喇叭渐变结构，使得测试区域内的场强比较均匀[7-11]。

采用特高频法检测局部放电尚未形成国家标准或规范，特高频传感器生产厂家众多，产品性能良莠不齐，应用不同厂家、不同型号的传感器检测获取的现场局放结果之间的可比性有待商榷，因此有必要先对传感器进行性能参数进行标定。Judd 等[12-13]采用GTEM 小室，基于时域参考法对UHF 传感器进行了测试，提出采用有效高度值来表示传感器性能的好坏。有效高度值等于UHF 传感器输出电压与入射场强的比值[14]。

欲获得有效高度值，用脉冲源向小室内注入脉冲的环节必不可少，注入的脉冲在小室内产生电磁场，传感器将感应到的电场输出为电压值，该比例即为有效高度。将上次试验结束关闭脉冲注入到下次试验时开启脉冲注入按钮之间的时长定义为试验间隔。若两次试验之间的间隔过短，可能会出现上次试验时脉冲产生的电荷未消散而影响下次试验结果。传感器时固定在在GTEM 小室开孔处，文献[15]基于GTEM 小室对不同厂家的传感器进行了标定，文中未说明试验间隔及标定方法对性能参数的影响程度。国家电网各省电力科学研究院对UHF 传感器参数标定时，每批次有多只传感器，试验结果表明两次试验之间时间间隔短可能会造成测量结果分散性过大，若时间间隔过长可能会造成工作效率低下。针对上述工程实际问题，本文选择同型号传感器三只，试验获取试验间隔变化时传感器有效高度参数的变化规律，欲针对结果的分析为一线工作提供有意义的指导，本文研究结果可为有效标定UHF 传感器参数提供参考。

2 测试平台与测试方法

2.1 测试平台

图1 为用于标定UHF 传感器性能参数的GTEM小室试验平台。该平台中的主要设备包括GTEM 小室、示波器、测控计算机及标准脉冲源。本文试验用GTEM小室外尺寸为4 200 mm×2 200 mm×1 400 mm。传感器放置在小室的开孔位置，开孔的尺寸大于等于150 mm，小室输入阻抗50 Ω，驻波比小于1.5。示波器的采样率为20 GS/s，带宽为4 GHz。

图2 为单级探针探测传感器外观及理论实测高度曲线。

2.2 测试原理

传感器有效高度的测量原理图如图3 所示。

已知参考传感器的有效高度，待测传感器有效高度计算过程如式(1)、(2)、(3)所示。

式中，Ein为入射场强；UMr、UMs为响应电压；Href为参考传感器的有效高度。

3 测试结果与分析

本文以某厂家同型号的三只传感器为例，为方便起见，后续表述中用A、B、C 分别代表三只传感器。试验间隔时长变化时的有效高度参数如表1所示。表 1 中各行数据系按式(4)、(5)计算结果，N取值为5，单个有效值同平均值之间的差值均小于10%。

传感器A、B、C 有效高度随试验间隔时长变化的趋势如图4、5 所示。由表1、图4、5 可得如下结论。

表1 测量结果

(1) 传感器A 的最大有效高度值变化范围为22.9～25.2 mm，同平均值24 mm 的相对差小于5.14%，平均有效高度变化范围为9.54～10.20 mm，同平均值9.98 mm 的相对差均小于4.48%。

(2) 传感器B 的最大有效高度值变化范围为20.6～22.5 mm，同平均值21.44 mm 的相对差小于6.45%，平均有效高度变化范围为10.30～11.20 mm，同平均值10.64 mm 的相对差小于5.26%。

(3) 传感器C 的最大有效高度值变化范围为30.11～31.22 mm，同平均值30.48 mm 的相对差小于2.42%，平均有效高度变化范围为12.20～13.32 mm，同平均值12.51 mm 的相对差小于6.46%。

(4) 对同种型号的UHF 传感器，其有效高度存在差异，试验间隔时长为5～20 min、步长为5 min时，传感器A、B、C 最大有效高度和平均有效高度值变化呈现出在一定范围内波动，有效高度值对该试验间隔时长范围内的时长变化并不敏感。因此在对传感器参数进行校准时需要多次测量，取符合偏差标准要求的多个数据的平均值，用该平均值评价该传感器性能是否符合国家电网规定考核值。