局放檢測儀性能測評試驗研究

王科

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明 650217)

0 前言

電氣設備在運行時，由于絕緣缺陷，存在弱放電現象［1］。這一弱放電構成的細小通道從“場”的概念可等效為疊加的電偶極子輻射天線，放電的部分能量會沿天線向外輻射電磁波［2、3］。與空氣絕緣的放電電磁波相比，相對頻段較寬、高頻成份更加豐富(SF6 氣體的放電特性決定)以及衰減特性較小(“波導管”的結構決定，信號可檢的空間距離變長)是充SF6 氣體GIS、HGIS、罐式斷路器等“波導管”結構設備內放電電磁波的特點［4～6］。UHF 局放檢測技術最先在GIS 類設備的絕緣性能診斷中應用并取得了較好的測試成果。而對于線圈設備，如變壓器、電抗器等，UHF 局放檢測技術的應用效果一般。

不同類型局放檢測儀器，如脈沖電流法、超聲法、特高頻法，其關鍵部件的構成，基本類似，可分為傳感器，測試弱電壓信號的濾波、調理、采集、存儲等硬件主機，顯示、比對診斷軟件，構成。而差異性由于所檢放電波形頻帶不同，導致傳感器、主機、軟件尤其是傳感器、主機在技術處理上會有所不同。特高頻局放檢測技術因放電電磁波簇等效信號頻率在幾百MHz 至上GHz:對放電電磁波簇的檢測會應用到高頻、寬帶天線;而對放電電磁波簇的特征，如信號幅值和相位信息，等的提取，會應用到諸如檢波或混頻等技術;另外，由于帶電檢測下運行的需要，對放電位置判定、放電類型識別也有要求?；诖说膬x器性能差異在實際運行中表現的較為明顯。

當前特高頻局放檢測技術在關鍵核心設備，如GIS、變壓器等上的應用力度逐漸增大。基于該技術的帶電檢測儀器或在線監測系統各運行單位都在逐步配置。無論從避免選購無效或低效儀器，降低浪費的角度，還是從避免無效或低效儀器的誤診斷，造成的運行設備的更大損失角度，開展基于特高頻局放檢測技術的儀器或系統的測評優選工作，都具有實際意義。

1 局放檢測儀性能測評現狀

1.1 傳感器的性能要求及測試

UHF 傳感器主要用于等效信號頻率在幾百MHz 至上GHz 的放電電磁波簇的檢測，屬于一種寬頻帶的天線。按照放置位置可分為內置和外置兩種:置于電氣設備金屬殼體內部，直接面對絕緣介質，如圖1 所示的GIS 內置UHF 傳感器;置于電氣設備非金屬屏蔽外殼處，依賴電磁波能夠穿透非金屬屏蔽材質的特性，如圖2 所示的GIS外置UHF 傳感器。

圖1 內置UHF 傳感器

圖2 外置UHF 傳感器

從傳感器外觀來看:有單純的無源傳感器;也存在將放大、濾波、甚至檢波單元與傳感器共置一體構成有源結構的傳感器，其需要供電電源，由主機信號檢測端口供給直流電，而有源傳感器處理過的脈沖信號疊加在直流電上，由一根信號電纜連通。

當把傳感器作為一種電磁波檢測天線來看時，可以考慮部分天線的特性參數，如帶寬、阻抗、增益、方向性、駐波比、回波損耗等［7］。圖3 所示為一種特高頻傳感器的駐波比 (A)和增益(B)［8］。圖4 所示為利用ROHDE＆SCHWARZ 的ZNB4 型矢量網絡分析儀所測得的一種特高頻傳感器的回波損耗。

圖3 UHF 傳感器的駐波比和增益

圖4 UHF 傳感器的回波損耗

實際上天線的特性參數如:駐波比，天線和饋線不匹配時，天線就不能全部將饋線上傳輸的高頻能量吸收，入射波的一部分能量反射回來形成反射波，入射波和反射波合成，形成駐波，駐波比總大于1;增益，衡量填寫輻射能量的集中程度，分方向增益和功率增益;回波損耗，傳輸線上的入射功率與反射功率之比，以分貝表示的標量反射系數，即入射波到反射波的損耗量;帶寬，天線總是在一定的頻率范圍內工作，在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時他所輸送的功能將減小，可以天線增益下降3dB 是的頻帶寬度或在規定的駐波比下天線的工作頻帶寬度來定義帶寬。

可以說常規的基于天線特性參數的傳感器性能表征方法，沒有很好的從特高頻傳感器的使用角度來給出準確的性能要求。

1.2 人工缺陷的測試比對

UHF 局放檢測儀的最終目的是要檢測出電氣設備內部的局部放電缺陷，而基于實體GIS 下的人工缺陷的測試比對，是一種最為直接的方式。通過人工缺陷的布置，如毛刺、金屬顆粒、懸浮金屬體、絕緣子沿面、絕緣見內部氣隙等，如圖5、圖8 所示，在外施電壓的作用下，用電脈沖法作為比較基準，如圖5 所示，可以實現UHF 局放檢測方法的整體評價。

圖5 為的功能完整可運行的220kVGIS 間隔;

圖5 實體GIS 人工缺陷比對測試示意圖

1.3 在備惡劣工況下的性能測試

UHF 局放檢測方法對于實體GIS 缺陷的檢測與GIS 設備的運行工況密不可分，尤其對于內置UHF 傳感器而言。在實體GIS 人工缺陷的測試比對中，外施基本穩定的工頻電壓，更針對與可檢測性，而忽略了GIS 設備在開關操作時對UHF 局放檢測儀的影響，即通過傳感器影響到儀器的運行穩定性。

對于電子儀器設備，一般可通過電磁兼容測試，來間接考核其設計和運行穩定性。如對于UHF 局放檢測儀，可進行包含靜電放電、射頻電磁場輻射、電快速瞬變脈沖群、浪涌(沖擊)、射頻場感應的傳導騷擾、工頻磁場、脈沖磁場、阻尼振蕩磁場、電壓暫降和短時中斷等抗擾度測試在內的試驗檢測項目［9］。但其與真實設備的操作影響而言，其等效嚴酷等級存在一定的偏差。

1.4 現狀及不足

基于特高頻檢測原理的局放測試方法，在實際的儀器選購時現有的測試評價方法仍顯不足:

1)針對UHF 傳感器的靈敏度、頻帶測試沒有較為直接和有效的方式;

2)接收裝置即主機端口也存在靈敏度和動態檢測范圍，對此沒有較為直接和有效的檢測方式;

3)儀器的一些功能要求，如檢測參數設置、檢測結果顯示、自檢測和自恢復等可通過直接的操作有效檢查，但如放電類型識別及準確性、相位同步等核心或關鍵功能，需要配合測試開展，常規的檢查無法有效覆蓋;

4)基于實體GIS 的人工缺陷布置，存在開倉、充放氣，缺陷設置隨意性大等問題。

2 模擬信號注入測評方法

2.1 基于分部件的測評原則

對于局放檢測儀而言，傳感器一直都是一項關鍵，其性能參數的優劣直接決定著成套儀器的好壞。而對于局放檢測儀主機而言，其實質為一黑匣子，只需要明確其具備將傳感器測試的脈沖簇順利檢測并正確展現(主機、軟件一體或分體，但均是基于軟件來展現的)即可。

對于特高頻局放檢測儀而言，分傳感器測評、主機聯通軟件的測評、成套儀器的測評，可較全的覆蓋儀器性能、功能等方方面面。

2.2 基于可變模擬信號注入的測評方法

基于可變模擬信號注入的測評方法，其核心在于歸納傳感器檢測輸出的是序列化的電壓脈沖，盡管對于每個脈沖而言，不同的檢測原理(如電脈沖法、超聲法、特高頻法)，脈沖波形的特征(如頻率、持續時間、幅值范圍等)可能不同。

這樣對局放檢測儀的主機信號端口而言，其輸入的是序列化的電壓脈沖，如果能夠使的此類型序列化的電壓脈沖變成可控，即幅值可變化、頻率可變化、脈沖簇與簇之間的間隔可調整，那么就可利用這些可控的電壓脈沖實現局放測試儀主機聯通軟件的功能和性能測評。

3 已開展的試驗測試

3.1 傳感器

對于UHF 傳感器而言，從檢測的原理來看，其在固定位置處獲知電磁波信號的靈敏度是應用人員想知道的，并且對于與頻率有關的器件，其靈敏度至少是與頻率相關的曲線。圖6 所示為一種特高頻傳感器的校準系統框圖［11］。

圖6 一種特高頻傳感器的校準系統框圖

圖7 特高頻局部放電傳感器時域脈沖標定系統

采用GTEM 小時檢測平臺測量傳感器的頻響特性曲線。通過標定脈沖源向GTEM 小室內注入標定信號，在GTEM 小室內建立覆蓋300 MHz～1 500 MHz 頻帶范圍的脈沖電磁場。設Ei(t)為GTEM小室內被測天線所在位置處的電場，U0(t)為天線輸出的電壓信號。天線的作用即是將入射電場轉換為電壓信號輸出，根據入射電場和輸出電壓的關系，即可得到天線的傳遞函數He(f)，該參數反映了天線的接收能力。

式(1)中，U0(f)為傳感器輸出電平U0(f)的頻域變換，單位V;Ei(f)為入射場Ei(t)的頻域變換，單位V/m;He的量綱為mm，He(f)為與頻率相關的量綱，可稱其為頻域等效高度。

對于同樣的入射電場而言，天線輸出信號的電平越高，則表示其耦合能力越強，也即等效高度越大。

圖8 的(a)～(e)給出了基于圖10 檢測方法的部分UHF 傳感器頻域等效高度曲線測試結果。

圖8 UHF 傳感器頻域等效高度實測曲線

3.2 子IED 與主IED 小系統

基于可變模擬信號注入的測評方法:將等效頻率500 MHz、單個正弦波，以異頻(51Hz)脈沖重復方式，注入子IED;將陡前沿脈沖，以脈沖重復率為50Hz、相位為工頻周期270°的序列方式，注入子IED;通過主IED 的軟件顯示進行觀測。脈沖重復率為50Hz、相位為工頻周期270°的陡前沿脈沖可模擬金屬尖端放電［1］。

圖9 UHF 正弦波

圖10 重復率為49Hz 的UHF 正弦波序列

圖11 陡前沿脈沖

圖12 脈沖重復率50 Hz、工頻周期270°相位的陡前沿脈沖序列

3.3 成套系統

對于UHF 局放檢測儀器的實體GIS 人工缺陷的測試比對可以采用一體化裝置:內置電源，避免外界干擾;同步脈沖電流法局放監測;內置多種類缺陷，無需開蓋充放氣，可快速實現缺陷的轉換;紅外視頻腔體內部監控缺陷布置及放電情況，預留內置傳感器布置手孔蓋板，外置傳感器可在絕緣盆子外沿布設。

4 結束語

本文對UHF 局放檢測儀的性能測評試驗情況進行了分析，得出如下結論:

1)UHF 局放檢測儀通過開展性能測評，實現設備優選，具有實際意義;

2)已有的針對傳感器、成套系統測評仍顯不足;

3)提出基于可變模擬信號注入的測評方法可有效實現對子IED 與主IED 構成的小系統的預設性、可復原、具有顯著差異性的測試;

4)UHF 局放檢測儀的性能測評是個系統工作，單一參數的優劣不能說明好壞，但其短板效應在測試中充分了解后，可確保儀器在實際應用中發揮其效能。

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