基于S參數的GIS特高頻傳感器現場校驗方法研究

摘 要：特高頻法通過傳感器檢測GIS設備故障條件下特高頻電磁波信號，若傳感器靈敏性出現異常，將導致GIS運行穩定性下降。針對此問題，研究基于S參數的GIS特高頻傳感器現場校驗方法。以一個雙端口網絡描述GIS設備內兩個特高頻傳感器及其間的GIS結構，嵌入S參數網絡，通過測量相鄰兩傳感器間的傳遞函數，檢測GIS設備內相同結構位置處特高頻傳感器的原始單端插入損耗曲線、初始單端插入損耗均值、初始單端插入橫向相對誤差等，能夠獲取GIS特高頻傳感器性能及其布置方式，高精度檢測GIS內置特高頻傳感器在安裝條件下與運行條件下的運行態勢。實驗結果顯示：該方法不受注入脈沖寬度影響，可準確校驗傳感器靈敏性，提升GIS運行穩定性。

關鍵詞：S參數；GIS；特高頻；設備故障現場校驗；傳遞函數

中圖分類號：TM835文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0185-05

Research on Field Calibration Method of GIS UHF Sensor Based on S-parameter

Abstract：UHF method detects UHF electromagnetic wave signal under the condition of GIS equipment failure by sensors. In order to solve the problem of the deteriorating stability of GIS operation caused by abnormal sensitivity of sensors， the field calibration method of GIS UHF sensor based on S parameter is studied. A two port network is used to describe two UHF sensors in GIS equipment and the GIS structure between them. The S-parameter network is embedded. By measuring the transfer function between two adjacent UHF sensors， the original single end insertion loss curve， the average value of initial single end insertion loss and the transverse relative error of initial single end insertion of UHF sensors at the same structure position in GIS equipment are detected， the performance and layout of UHF Sensors in GIS are obtained， and the operation situation of UHF Sensors in GIS under installation and operation conditions is detected with high precision. The experimental results show that the method is not affected by the injection pulse width， and can accurately verify the sensitivity of the sensor and improve the stability of GIS operation.

Keywords：S-parameter; GIS; UHF; field calibration of equipment failure; transfer function

0 引言

當氣體絕緣金屬封閉組合電器（gas insulated substation，GIS）［1］發生故障時，將導致局部區域停電，甚至會形成電網大面積癱瘓［2］。因此，檢測GIS設備并判斷設備故障類別，對確保GIS設備與電力系統運行具有重要意義。

特高頻（UHF）法通過傳感器檢測GIS設備故障條件下特高頻電磁波信號在線監測GIS設備局部放電故障，具有靈敏度高、信號衰減小和抗低頻干擾能力強等優點［3］，是當前唯一一種實現了GIS長期在線監測功能的方法。但該方法在實際應用過程中，受GIS設備內置的特高頻傳感器性能參數與實際應用效果差等影響，有一定概率的失效或自放電問題，會導致傳感器信息漏報、誤報［4］。因此急需研究一種GIS特高頻傳感器現場校驗方法，以提升GIS設備故障診斷效率，保障其運行安全性與穩定性。

當前GIS特高頻傳感器現場校驗普遍使用的方法是在吉赫茲橫電磁波（gigahertz transverse electro magnetic，GTEM）小室作傳輸環境下，依照傳感器電壓響應與激勵場間的相關性表征傳感器耦合性能［5］，或在同軸腔體環境下，基于傳感器掃頻或方波響應獲取傳感器性能分析結果［6］。但以上方法在實際應用過程中僅適用于GIS特高頻傳感器內置安裝條件下，忽略GIS設備內特高頻傳感器大部分為外置方式安裝的實際情況，因此所得結果有一定誤差。

作為微波傳輸過程中的關鍵參數之一，S參數可準確表示多端口網絡中射頻能量的傳輸和反射特性［7］。基于此，本文研究基于S參數的GIS特高頻傳感器現場校驗方法，判斷GIS設備特高頻傳感器靈敏性，期望通過所研究方法提升GIS設備與電力系統運行的穩定性。

1 GIS組成及原理

GIS通常為積木式結構，是由斷路器、母線、隔離開關、大電流發生器等高壓電器組合而成的高壓配電裝置。采用絕緣性能和滅弧性能優異的六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣和滅弧介質，將所有的高壓電器元件密封在接地金屬筒中。額定電壓為80～500kV，額定電流為1 200～3 500A。

斷路器可水平布置，負責GIS內部電路的通斷；隔離開關用于電路無電流區段的投入和切除；母線采用單相母線筒，將每相線封閉在一個筒內，杜絕發生三相短路的可能性，可分割為多個氣隔；大電流發生器包括電流互感器和電壓互感器，起到保護電路電流和電壓的作用。GIS設備的基本結構如圖1所示。

2 GIS特高頻傳感器現場校驗方法

2.1 S參數網絡嵌入

以一個雙端口網絡描述GIS設備內兩個特高頻傳感器及其間的GIS結構［8］。GIS設備內多端口網絡內射頻能量的傳輸與反射特性可通過S參數準確表示。

利用T參數矩陣能夠確定GIS設備內所包含的多個雙端口網絡級聯形式。圖2為雙端口網絡級聯示意圖。

圖2中ai和bi分別表示端口i歸一化后的入射波與反射波。依照傳輸參量矩陣標準，能夠得到：

a1/b1=T1b2/a2（1）

a′2/b′2=T2b3/a3（2）

由于a2和b2分別與b′2和a′2一致，因此能夠得到：

（a1/b1）=T1（b2/a2）=T1（a′2/b′2）=T1T2（b3/a3）（3）

基于以上過程能夠獲取整體傳輸矩陣，公式描述如下：

T=T1T2（4）

在GIS內包含N個微波網絡級聯的條件下，整體傳輸矩陣等價于不同級聯網絡傳輸矩陣的乘積。基于S參量同傳輸參量間存在的轉換關系［9］，可以將T參數轉換為S參數。同時，GIS設備內特高頻傳感器雙端口網絡的插入損耗也可通過上述過程獲取。通過確定GIS內雙端口網絡的單端損耗S11、S22參數和雙端損耗S12、S21參數描述GIS特高頻傳感器插入損耗。

2.2 基于S參數的現場校驗

1）特高頻信號數據采集過程

受GIS設備長度，內部結構尺寸，所用材料等因素影響，令GIS特高頻傳感器信號在GIS設備內部傳播過程中形成若干次折射、反射或疊加現象。

GIS設備內部，特高頻傳感器信號傳播特性具有高度復雜性特征。將圖3定義為雙端口網絡，傳感器C1和傳感器C2的輸入端分別為端口1、端口2，通過網絡分析儀能夠獲取不同頻率條件下的兩端口間正向傳輸系數，即S21參數，由此即可獲取傳遞函數。具體過程如下。

a）線路連接。以安全性為前提，完成信號電纜與電源線的連接。

b）界面設定。校正開始后，分別設定測量模式、頻率以及功率電平范圍。

c）校準通道。以抑制測量誤差為目的，針對傳輸插入損耗等的歸一化處理。

d）獲取傳輸系數。連接測試電纜與待測相鄰傳感器，獲取相鄰傳遞函數曲線。

2） 特高頻信號連接方式

傳遞函數為傳感器運行態勢校驗的核心［12］，以其為基礎分析傳感器性能及其布置方式，具體分析過程如下。

在圖3中，C1、C2和Cn表示安裝于GIS設備上的n個特高頻傳感器，以f表示正弦電壓頻率，U1（f）和U2（f）分別表示C1處輸入電壓信號和C2處輸出電壓信號，U1（f）在C1處和C2處產生的電磁波強度可分別用場強E1（f）和E2（f）表示，其中包含折返射波所形成的場強［13］。

若特高頻傳感器C1、C2的傳遞函數分別為H1（f）和H2（f），兩者的計算過程如式（5）和式（6）所示。

以HG（f）表示GIS設備腔體的傳遞函數，其定義如式（7）所示。

由此可得特高頻傳感器輸出和輸入電壓信號間的相關性：

考慮GIS設備內電磁波散射衰減等因素［14］，全部傳遞函數均未超過0dB。特高頻傳感器轉換效率同GIS設備腔體內電磁波衰減之間成反比例相關，同特高頻傳感器靈敏性之間呈正比例相關［15］。基于此，利用相鄰傳感器間傳遞函數H21（f）的檢測過程，能夠整體判斷傳感器布置方式與靈敏性。

3 實驗分析

實驗為驗證本文所研究的基于S參數的GIS特高頻傳感器現場校驗方法在實際應用中的校驗效果，以某市電力系統250kVGIS設備若干個特高頻傳感器為研究對象，采用本文方法進行研究對象現場校驗，所得結果如下。

3.1 校驗測試

以HS（f）表示待校核傳感器間的傳遞函數。考慮直接獲取HG（f）的難度較大，因此以H1（f）、H2（f）、HG（f）為基礎，直接確定HS（f）的難度也較大，為此需通過傳感器輸出不同注入脈沖確定HS（f）。采用本文方法在不同注入脈沖寬度（15ns、30ns和60ns）條件下獲取研究對象傳遞函數，所得結果如圖4所示（本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者）。

分析圖4得到，在注入不同脈沖寬度條件下確定的HS（f）基本相同。以15ns條件下獲取的HS（f）為標準，定量描述不同注入脈沖寬度條件下本文方法獲取的HS（f）差異。結果顯示，在注入脈沖寬度為30ns時獲取HS（f）和15ns條件下相比一致度達到96.7%；注入脈沖寬度為60ns條件下獲取的HS（f）和15ns條件下相比一致度達到98.9%。一致度數據表明傳遞函數HS（f）不受注入脈沖寬度影響。

3.2 研究對象校核結果

采用本文方法對研究對象實施現場校驗，根據式（5）—式（8）計算檢測結果與實際情況的一致度，驗證其靈敏性，所得結果如表1所示。

分析表1得到，10次實驗過程中，本文方法所得校驗結果與實際情況一致度均超過95%，說明本文方法與實際情況的一致度較為符合，靈敏性較高，證明本文方法能夠有效校驗研究對象在不同條件下的靈敏性。

3.3 S21參數計算

以驗證本文方法S參數計算性能為目的，從圖3中隨機選取5個不同注入脈沖寬度15ns、30ns和60ns條件下的特高頻傳感器作為目標，分別定義為C1、C2、C3、C4、C5。網絡分析儀帶寬范圍為9kHz～4.5GHz，校準網絡分析儀后利用其確定各目標間S21參數，對比本文方法S21參數計算結果，以此驗證本文方法計算精度，結果如圖5所示。

分析圖5得到，采用網絡分析儀所獲取的C13、C23、C43間的S21參量頻譜同本文方法所獲取的傳遞函數頻譜大致相同。在頻率低于1.5GHz的條件下，不同方法參量計算結果歸一化處理后的一致度計算均高于83%。對比之下，本文方法對C53間的傳遞函數計算結果同采用網絡分析儀所獲取的結果具有顯著差異，造成這種顯著差異的主要原因是注入信號經GIS設備腔體后顯著衰減。

3.4 校核效果對比

實驗為驗證本文方法的校核效果，對比上一實驗中由研究對象內隨機選取的5個目標在采用本文方法實施校驗前后的靈敏性異常率，所得結果如圖6所示。

由圖6可知，采用本文方法進行校驗后，研究對象內隨機選取的5個目標靈敏性異常率均呈現不同程度的下降趨勢，平均下降幅度達到50%以上。其中3號目標靈敏性異常率下降幅度最為顯著，說明其在未使用本文方法實施校驗前存在嚴重的靈敏性異常問題。實驗結果表明：本文方法能夠有效解決GIS特高頻傳感器靈敏性異常問題，提升GIS運行穩定性。

4 結語

本文研究基于S參數的GIS特高頻傳感器校驗方法，將S參數應用于GIS特高頻傳感器校驗過程中，提升傳感器校驗方法的應用性能。在本文方法后續優化過程中，將主要針對本文方法的校驗效率進行優化。

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