基于GTEM小室的UHF傳感器性能測(cè)試研究

周 雷，譚向宇，閆江寶,3，張立峰，宋亞杰

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基于GTEM小室的UHF傳感器性能測(cè)試研究

周 雷1,2，譚向宇2，閆江寶2,3，張立峰1，宋亞杰1

（1. 華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定 071003；2. 云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650011；3. 昆明理工大學(xué) 信自學(xué)院，云南 昆明 650504）

為維護(hù)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS（Gas Insulated Switchgear, GIS）設(shè)備內(nèi)部存在的故障缺陷，UHF（Ultra-high Frequency, UHF）檢測(cè)法是近幾年來(lái)發(fā)展比較迅速并且應(yīng)用廣泛的一種新型的檢測(cè)技術(shù)。由于UHF傳感器的標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重制約了UHF檢測(cè)領(lǐng)域更大程度的發(fā)展。對(duì)于此，本文基于GTEM（Gigahertz Transverse Electromagnetic）小室設(shè)計(jì)了特高頻測(cè)試系統(tǒng)。將納秒級(jí)陡脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的可調(diào)高頻信號(hào)通過(guò)帶寬天線(xiàn)在GTEM小室內(nèi)部發(fā)射，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電磁場(chǎng)，把被測(cè)量的傳感器置于測(cè)量窗口接收信號(hào)，標(biāo)定了不同UHF傳感器類(lèi)型在安裝角度下的有效高度和靈敏度2個(gè)指標(biāo)。研究結(jié)果表明，不同類(lèi)型的UHF傳感器可以通過(guò)不同安裝角度下的等效高度以及靈敏度來(lái)進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，使得UHF傳感器性能有直觀(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

UHF傳感器；GTEM小室；等效高度；靈敏度

0 引言

氣體絕緣組合開(kāi)關(guān)是一種新型分配電能并保護(hù)電路的設(shè)備。為保護(hù)GIS設(shè)備內(nèi)部多種電氣設(shè)備元器件如：斷路器、母線(xiàn)、隔離開(kāi)關(guān)等，因此向設(shè)備內(nèi)部充滿(mǎn)化學(xué)性能穩(wěn)定的SF6絕緣氣體。然而，在GIS設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中，由于操作不當(dāng)和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，同時(shí)GIS設(shè)備封閉性極好的原因，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，其產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重，而且在進(jìn)行檢測(cè)維修也極其困難。局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)是把握GIS設(shè)備內(nèi)部放電情況的一種很有效方法。文獻(xiàn)[1]指出現(xiàn)階段檢測(cè)局部放電的方法主要有：聲檢測(cè)法、光檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、脈沖電流法、特高頻檢測(cè)法等方法。

1 GTEM小室和UHF傳感器

為有效提高UHF局部放電傳感器對(duì)局部放電信號(hào)的檢測(cè)性能，使用GTEM小室進(jìn)行傳感器的標(biāo)定具有重要意義。

1.1 GTEM小室

為了對(duì)UHF傳感器進(jìn)行測(cè)量與標(biāo)定，Judd等人最早提出了利用橫電磁波（Transverse Electromagnetic，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM）小室測(cè)量UHF傳感器有效高度的方法，可以用TEM小室對(duì)UHF傳感器進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。但是，TEM小室的頻率最大只有百M(fèi)Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到GHz，所以在應(yīng)用的范圍上受到限制，很難達(dá)到UHF傳感器的工作頻帶[5]。鑒于此，Konigstein等人提出了吉赫茲?rùn)M電磁波（GTEM）小室，如圖1所示：

圖1 GTEM小室結(jié)構(gòu)圖

在傳統(tǒng)TEM小室基礎(chǔ)上將其改造成矩形錐同軸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，半錐形同軸的結(jié)構(gòu)可以防止小室內(nèi)電磁波的漫反射，其后壁由錐形吸波材覆蓋作電磁波的吸收負(fù)載，以消除后端反射，同時(shí)，采用分布式電阻進(jìn)行匹配，以便將后端反射降到最低。工作頻率提升至數(shù)GHz，從而克服了傳統(tǒng)的TEM小室可用頻率上限低的缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)域脈沖參考法的UHF傳感器有效高度標(biāo)定方法，效果明顯改善。在電磁測(cè)試領(lǐng)域，GTEM小室具有相關(guān)組合設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 UHF傳感器

UHF傳感器由天線(xiàn)、特高頻放大器、高通濾波器、檢波器、耦合器和屏蔽外殼組成，除天線(xiàn)所在面為環(huán)氧樹(shù)脂板外，用于接收放電信號(hào)，其他都是采用金屬材料屏蔽，以防止外部信號(hào)干擾。傳感器輸出兩路信號(hào)，一路為檢波信號(hào)，一路為特高頻信號(hào)，UHF傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 UHF傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在局部放電檢測(cè)中，特高頻檢測(cè)法已經(jīng)成為局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的主要測(cè)試方式，該方法已經(jīng)廣泛用于實(shí)際測(cè)量。UHF傳感器的特點(diǎn)如下[6]：

（1）UHF傳感器抗外界電磁干擾的能力比較強(qiáng)；

（2）分析傳感器所獲得信號(hào)，可以對(duì)局部放電源進(jìn)行準(zhǔn)確定位；

（3）根據(jù)測(cè)量得到的局部放電產(chǎn)生的PDPR圖以及信號(hào)的頻譜特征，可對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行故障診斷和模式識(shí)別檢測(cè)；

（4）UHF傳感器的檢測(cè)信號(hào)范圍較大而且測(cè)量位置少，能夠高效率檢測(cè)和自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)放電情況。

2 等效高度標(biāo)定原理

3 基于GTEM小室的UHF傳感器測(cè)量

3.1 等效高度標(biāo)定測(cè)試

UHF檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上測(cè)量的是發(fā)生局部放電時(shí)所輻射出的電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度[8]?；贕TEM小室的UHF檢測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)平臺(tái)連接圖如圖3所示：

圖3 UHF檢測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)平臺(tái)示意圖

文獻(xiàn)[9]利用GTEM小室分別對(duì)不同型號(hào)的外置式UHF傳感器等效高度測(cè)量標(biāo)定。根據(jù)圖3進(jìn)行系統(tǒng)接線(xiàn)，所測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)示波器的網(wǎng)線(xiàn)上傳至計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)軟件將分析結(jié)果自動(dòng)保存測(cè)試記錄，分析軟件如圖4所示：

圖4 分析軟件分析數(shù)據(jù)

本文測(cè)量了3種型號(hào)的UHF傳感器，每種型號(hào)2組傳感器；分別測(cè)量了6組傳感器在不同安裝角度下的平均等效高度，結(jié)果如表1所示：

表1 不同角度下的UHF傳感器平均等效高度

Tab.1 Average Equivalent Height of UHF Sensors at Different Angles

由表1可以看出，不同型號(hào)的傳感器和不同安裝角度下所得到的平均等效高度是不相同的。其中“SPW-2/GPD”和“PDS-620W”型號(hào)耦合性明顯強(qiáng)于“GWA”型號(hào)；在0°和180°、45°和135°安裝情況下，等效高度基本一致，耦合性明顯高于90°。

3.2 靈敏度標(biāo)定測(cè)試

測(cè)量結(jié)果如表2所示：

表2 UHF傳感器靈敏度

Tab.2 UHF sensor sensitivity

由表2可以看出，其中“SPW-2/GPD”和“PDS- 620W”型號(hào)的4組傳感器靈敏度基本一致，但明顯高于“GWA”型號(hào)的傳感器。

4 結(jié)語(yǔ)

基于GTEM小室對(duì)UHF傳感器進(jìn)行等效高度進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試結(jié)果表明：

（1）型號(hào)不同的UHF傳感器等效高度和靈敏度的性能差異較大；

（2）在安裝角度不同的情況下，UHF傳感器的等效高度不同，在測(cè)量的6組傳感器中，傳感器的接觸面積越小，耦合性越弱。

（3）對(duì)UHF傳感器等效高度和靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，可以對(duì)UHF局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，以確保檢測(cè)局部放電的有效性和準(zhǔn)確性。

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Research on UHF Sensor Performance Test Based on GTEM Cell

ZHOU Lei1,2, TAN Xiang-yu2, YAN Jiang-bao2,3, ZHANG Li-feng1, SONG Ya-jie1

(1. Department of Automation, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.Yunnan Power Grid Company Electric Power Research Institute, Kunming 650011, China; 3. Faculty Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China)

In order to maintain and discover the fault defects in Gas Insulated Switchgear (GIS) equipment, Ultra-high Frequency (UHF) detection method is a kind of new detection technology which has been developed rapidly and widely used in recent years. However, due to the different UHF sensor manufacturers, there will be a lack of standards, which will lead to alarm errors, seriously hampered the development of UHF detection field. Therefore, this paper designs a UHF test system based on the Gigahertz Transverse Electromagnetic (GTEM) cell. The adjustable high-frequency signal generated by the nanosecond steep pulse signal generator is transmitted through the bandwidth antenna in the GTEM cell and generates a standard pulsed electromagnetic field. The adjustable high-frequency signal generated by the nanosecond steep pulse signal generator is transmitted in the GTEM cell through a bandwidth antenna to generate a standard pulsed electromagnetic field, and the measured sensor is placed in the measurement window to receive signals. Two indicators of the effective height and sensitivity of different UHF sensor types at the installation angle are calibrated. The research results show that different types of UHF sensors can be measured and evaluated through equivalent heights and sensitivities at different installation angles, making the UHF sensor performance intuitive.

UHF sensors; GTEM cell; Equivalent height; Sensitivity

TP212

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.037

周雷(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：局部放電檢測(cè)儀測(cè)評(píng)；譚向宇(1981-)，博士后，主要研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)；閆江寶(1993-)，女，碩士在讀，從事局部放電檢測(cè)儀測(cè)評(píng)工作。

本文著錄格式：周雷，譚向宇，閆江寶，等. 基于GTEM小室的UHF傳感器性能測(cè)試研究[J]. 軟件，2018，39（7）：173-176