局部放电UHF检测系统及其功能校验分析

徐 梁

（国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

随着我国城市化进程的推进与经济的快速发展，电力部门对GIS需求量增加。以目前早期投入使用的GIS情况看，其寿命缩短，且运行故障时有发生，这种情况若不及时进行处理，将会引发绝缘故障，威胁电网的运行安全，由此发展先进的在线检测与状态检修技术来保障电力设备安全运行十分必要[1]。目前，局部放电UHF检测技术是最主要的在线监测手段，其在英国和德国等欧洲国家中普遍应用[2]。但由于局部放电UHF检测现场运行环境十分复杂，会受到电磁干扰影响，同时局部放电UHF检测设备中关键部位对传感器的要求较高，而国内关于此方面的技术发展时间短，并且一些生产厂家为了自身效益，导致市场上使用的UHF检测设备质量参差不齐，因此为了提高局部放电UHF检测系统的性能和质量，大大降低绝缘事故的发生率，需要重视分析局部放电UHF检测系统性能及其功能检验方法。

1 局部放电UHF检测系统影响的关键因素分析

关于GIS局部放电UHF检测系统，主要利用UHF检测装置，通过将传感器所在位置处的入射场强转换为电压信号后输出，并满足对该装置相关性能测试需要。对于整个检测系统，其性能优劣影响相关因素内容如下。

1.1 传感器耦合特性

局部放电UHF传感器在放电期间产生瞬态脉冲电磁波，该传感器通过运用耦合器原理将瞬态脉冲电磁波转化为电压信号后输出。一般情况下，局部放电UHF传感器相当于电场型天线，经过天线的耦合作用感应电磁波的电场分量[3]。根据入射电场与输出电压之间的关系，可得到天线的传导函数为：

式中，U(f)为输出电压；E(f)为入射电场；H(f)为天线传感器的传递函数。若设E(t)为传感器所在位置处的电场强度，经天线耦合作用后转为电压输出信号U(t)，经Fourier变化后将时域转化为频域，即可得出频域等效高度，也就是天线传感器的传递函数。同样对于入射电场，天线输出信号的电平高度可决定等效高效高度，两者之间呈现正相比的关系。该因素是表征其性能的关键指标，可反映天线接收能力的大小。经过以上函数分析可知，与传感器特性有关的指标有传感器扫频响应，该响应可有效反映信号源的特性，该指标只能作为传感器的横向指标，而不能用来描述天线性能。

1.2 UHF检测系统的灵敏度

关于局部放电UHF检测系统灵敏度因素的分析，本文将其定义为在一定环境背景的噪声条件下，关于局部放电特高频检测的数值，该检测系统可以分辨出的值为最小脉冲电场强度峰值。该系统在检测过程中所检测的信号反应了该系统所能接收到的最强UHF信号强度，也就是该系统装置所能接收的信号强度的上限。而在现实过程中，对于超出该部分的信号将会导致检测系统发生饱和，无法反映所检测出的实际强度数值，相应的检测系统装置会发生故障，继而导致系统监测失灵[4]。

1.3 UHF检测系统动态范围及抗干扰性

根据分析UHF检测系统的灵敏度可知，对于UHF检测系统动态范围上限，对其表征可采用最大饱和场强峰值代替。特定条件下，该检测系统最大脉冲场强峰值可达到3 dB饱和点，可与GTEM小室测试窗口处的场强峰值相对应，而且检查系统在特定范围内所受到的干扰因素较少，检测的灵敏度较高。

2 局部放电UHF检测系统功能校验

由以上介绍可知，GIS局部放电UHF检测装置性能优劣的核心指标为耦合性能、检测系统的灵敏度以及动态范围。关于该系统功能的校验，此次研究基于二双通道任意波形发生器AWG7082C基础上开发了信号模拟平台，该平台设计可重构任意波形发生器的信号场景，收集该段的时频信号，通过分析UHF传感器与GTEM平台传播的信号情况进行验证。

2.1 校验平台的设计

关于该校验平台的设计，除了计算机和任意波形发生器AWG7082C硬件外，还需要相关的软件流程。图1为局放模拟发生平台软件设计流程，通过信号重构输出信号。其中信号输出采用两种方式，一种是使用信号放大器将信号增强后辐射出去，另一种是避开UHF天线发射，由任意波形发生器输出信号，然后传达到GTEM小室并由该平台完成校验[5]。由于该校正平台中控制AWG按照采集信号，而AWG具有双通道输出功能，因此为了实现输出局放信号具有工频相位特征，需要使用局放特高频检测系统校验放电模式识别。

图1 局放模拟发生平台软件设计流程

2.2 校验平台性能的验证

2.2.1 输出局放信号时频特征表现

通过采用示波器分析输出信号时频特征，信号源输出通道与示波器直接相连可测得金属尖端缺陷模型放电信号的时域波形及频谱，信号的频谱分布超过3 GHz，高压尖端局放信号的脉冲宽度接近150 ns，主要频带集中在1 GHz以内，信号的最大峰值为705 mV。当信号功率衰减则说明频率超过3 GHz，当频率超过国家规定标准后，频率响应与等效高度成正比关系。

2.2.2 输出电磁干扰信号时频分析

通过应用示波器，使得该平台设计应用后可测得信号源输出变电站背景噪声和放电类脉冲干扰的时频，其中背景噪声一般情况下由多种干扰混合，频率成分比较复杂，频带范围经统计可达到2 GHz，而在1 GHz时呈现聚集状态，这表示所测得的原始信号存在通信干扰，信号比较混杂[6]。输出放电类干扰信号频带主要集中在1 GHz以内，其中信号复制最大情况时处于200 MHz和500 MHz，且悬浮类干扰信号包含于原始数据中。

2.3 局放仪模式识别与干扰抑制能力校验

信号输出的校验平台设计有两个方法，一种是通过UHF传感器辐射信号完成，另一种是通过GTEM平台传导信号源输出的特高频信号。基于GTEM小室的UHF检测系统检验平台如图2所示，为了验证测量结果的准确性，需要选择比较典型的结果判定设备的性能。

图2 基于GTEM小室的UHF检测系统检验平台

2.3.1 UHF局放仪模式识别校验

该校验思路是基于同一信号源情况下校验不同阶段的信号辐射，是将信号辐射至空中后经过UHF传感器传输给局放仪完成，根据检测结果评估其准确率。从实际情况看，该UHF局放仪对悬浮放电的识别准确率较高[7]。分析统计特高频检测系统发现，校验平台输出第一阶段局放信号系统可很好地识别，但对第二阶段和第三阶段的识别效果不理想，这可能与电压等级提升有关。此外，当PRPD谱图的相位和幅值分布较广，各个模型局放谱图越相似时越容易产生误判。

2.3.2 局放仪干扰抑制能力的校验

对变电站而言，通信干扰情况比较常见。通过校验局放仪器可知，仪器诊断结果表示中自由金属颗粒放电40%，而悬浮电位体放电与干扰各30%，可见仪器诊断存在误差，其原因可能是工频相位特征的影响及PRPD谱图上相位分布较广所致[8]。该型局放特高频检测设备对混合信号的抑制效果较差，通信幅值较低，滤除可以通过设置阈值来实现，但是特殊情况时电晕干扰在时域与频域上时有发生，且特征与与局放信号特征相似很难有效滤除，从而使导致系统发生误判。

3 结 论

本文分析了GIS局部放电特高频检测系统量化评价指标，即传感器耦合性能、检测系统的灵敏度以及动态范围，并以此为基础设计局部放电UHF检测系统功能校验平台，通过比较UHF传感器辐射信号与GTEM平台传递信号输出方式的优缺点，检测平台校验模式识别和干扰抑制能力发现，仪器对混合干扰信号的抑制最差，而影响局放检测准确性的主要原因是混合干扰信号。在统计各类电磁干扰时，应该采用有效检测频带更宽的传感器与任意波形发生器，要求避免人为误差，此外在不久的将来还可以通过实现校验平台的自动化来提高其效率与准确率。