一種特高頻局部放電傳感器現(xiàn)場校驗裝置

曹宏明CAO Hong-ming；張林元ZHANG Lin-yuan；張力ZHANG Li；陸平LU Ping；葉海峰YE Hai-feng；宋樹平SONG Shu-ping

（①江蘇常熟發(fā)電有限公司，蘇州 215500；②常熟理工學院，蘇州 215500）

0 引言

局部放電是絕緣劣化的表征，其積累發(fā)展會導致高壓設備絕緣的擊穿。特高頻（ultra high frequency，UHF）法以其高靈敏度、高可靠性、能夠識別并定位放電源等優(yōu)點，成為近二十年來國內外局放檢測領域的研究重點和熱點[1-2]。

局部放電信號在GIS中以電磁波方式傳播，高達GHZ，其脈沖持續(xù)時間極短，波頭僅為幾個ns，所以相對應的頻域分布十分廣泛。根據之前的研究分析，上升沿時間小于1ns、脈沖持續(xù)時間為數十納秒的脈沖是可以模擬GIS中的局部放電信號[3]。局部放電監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校驗是電網設備運維管理的一項重要工作，由于裝置安裝現(xiàn)場情況比較復雜，傳感器通信方式不同、現(xiàn)場電磁環(huán)境差異等原因，導致GIS局部放電在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校驗是工程上的一個技術難點，也是相關領域研究的一個熱點。

國內研究機構研制了試驗室用脈沖信號發(fā)生器，可用于裝置的出廠校驗。但該裝置體積較大，使用時需要連接市電電源，現(xiàn)場校驗作業(yè)便捷度低。隨著“數字化電網”建設的持續(xù)推進，大量GIS局部放電監(jiān)測裝置的投運給電網運維工作帶來挑戰(zhàn)，亟需研制小型化、便攜式的現(xiàn)場校驗脈沖裝置。

1 檢驗裝置設計

根據GIS局部放電監(jiān)測裝置現(xiàn)場校驗的作業(yè)特點，本文將局放校驗裝置設計為便攜式手持儀器，主要包括：陡脈沖產生模塊、電源模塊、充電模塊、控制模塊和顯示模塊等部件。

1.1 設計原理

為準確模擬現(xiàn)場納秒級的局部放電脈沖信號。校驗裝置的核心功能為輸出幅值、脈寬、重復頻率可調的納秒級陡脈沖。

陡脈沖發(fā)生器因具有較高的峰值功率，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好等優(yōu)點等原因，已被廣泛應用在電力、醫(yī)療等領域。成為UHF局放源信號發(fā)生器的技術指標要求，輸出阻抗50Ω，上升沿時間小于1ns，脈沖持續(xù)時間小于1ms，輸出電壓值可在1-50V范圍內進行調節(jié)，標定脈沖輸出幅值誤差小于10%。

產生陡脈沖的方法有：①對氣體放電器脈沖做銳化和削波處理產生陡脈沖；②利用非線性脈沖實現(xiàn)脈沖壓縮及前沿整形，實現(xiàn)陡脈沖；③利用儲能發(fā)生器產生陡脈沖；④利用高壓脈沖放電管、水銀繼電器等開關元件直接產生陡脈沖。

鑒于水銀繼電器具有工作性能穩(wěn)定，重復性好，使用壽命長，上升沿時間穩(wěn)定等優(yōu)點。本文利用水銀繼電器為開關元件來實現(xiàn)陡脈沖，其電路原理見圖1所示。

脈沖原理圖如圖1所示，首先主電容C1在開關斷開的狀態(tài)下由直流電路充電到穩(wěn)態(tài)電壓U1，開關閉合后，電容C1上的電荷經電阻R1對R3放電，同時經R2對C2充電，在C2形成上升的電壓波前，C2上的電壓被充到最大值后，反過來經R2和C1一起對R3放電，在C2形成下降的電壓波尾，從而產生雙指數全波波形。

1.2 陡脈沖產生模塊

本部分主要由變壓器產生幅值1-50V可調的直流電壓，經MCU控制的FPGA來控制輸出電壓的幅值。直流電壓經限流電阻對耐壓500V的高穩(wěn)定電容充電C1后，切換水銀繼電器動作，由C2對負載放電產生脈沖信號。

1.3 電源管理模塊

本裝置電源管理模塊包括電源變換、充電管理等功能。支持充電電源適配器及電池電壓的在線檢測。通過MCU實時采集供電電壓，實現(xiàn)外部適配器供電和內部鋰電池供電的切換，切實提高電池的使用效率。

1.4 控制電路模塊

本部分采用低功耗、高性能的控制方案。

控制電路板支持雙通道信號輸出，電路板如圖2所示。

2 檢驗裝置測試

為驗證研制的校驗裝置的輸出性能，在實驗室開展了脈沖輸出實驗，實驗系統(tǒng)原理圖見圖3所示。

如圖3所示，實驗系統(tǒng)主要由控制計算機、校驗裝置、高速示波器等組成。控制計算機與檢驗裝置通過控制電纜，以串口方式進行通信。校驗裝置與高速示波器通過50Ω同軸電纜相連。實驗時，控制計算機控制校驗裝置輸出不同波形的脈沖信號，并通過示波器采集脈沖波形。部分實驗波形見圖4所示。

由圖4可見，裝置輸出陡脈沖波形較為清晰，接近于標準的雙指數脈沖波。依次改變標定脈沖幅值，對應記錄輸出波形的參數指標，見表1所示。

由表1可見，當標定脈沖幅值在1-50V范圍變化時，輸出脈沖上升沿時間均小于1ns，輸出波形幅值誤差小于5%，滿足設計要求。

表1 實驗脈沖數據表

3 工程應用

為了驗證以上分析結果，本試驗基于220kV GIS出線間隔進行了局放實驗測試，測試設備連接圖如圖5（a），內置式特高頻傳感器安裝位置如圖中標識位置，傳感器實物圖如圖5（b）所示，缺陷模型為尖端放電，如圖5（c）所示。所用設備為國際知名廠商SDMT公司的PD71局放檢測儀。

逐漸加壓使尖端產生局部放電，并觀察IEC60270標準的局部放電儀，在5pC、10pC時候各停5分鐘，并記錄特高頻局放儀器的幅值和特征圖譜，見圖6所示。

同理，利用校驗裝置進行模擬試驗，逐漸調節(jié)信號的輸出電壓值和重復頻率，使傳感器所接收到的幅值與5pC和10pC放電時一致，記錄下試驗中標定脈沖幅值，及局放測試儀圖譜，見圖7所示。

對比圖6和圖7可見，當檢驗裝置輸出幅值為4.5V和14.5V時，相應檢測信號幅值分別為-56.9dBm、-46.9 dBm。兩類實驗下，信號強度誤差小于1%，表明研制的校驗裝置與典型的放電模型具有等效性，可作為標準源用于現(xiàn)場局放檢測儀器的校驗。

4 結論

本文基于開關元件研制了用于局部放電檢測儀器現(xiàn)場校驗的裝置，并在實驗室對裝置的性能進行了測試，結果如下：①當標定脈沖幅值在1-50V范圍變化時，輸出脈沖上升沿時間均小于1ns，輸出波形幅值誤差小于10%。②裝置輸出信號與典型放電缺陷模型激發(fā)信號具有等效性，信號強度誤差小于1%，滿足工程實際應用的需要。