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(shè)備在運行時，由于絕緣缺陷，存在弱放電現(xiàn)象［1］。這一弱放電構(gòu)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(dǎo)管”的結(jié)構(gòu)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(dǎo)管”結(jié)構(gòu)設(shè)備內(nèi)放電電磁波的特點［4～6］。UHF 局放檢測技術(shù)最先在GIS 類設(shè)備的絕緣性能診斷中應(yīng)用并取得了較好的測試成果。而對于線圈設(shè)備，如變壓器、電抗器等，UHF 局放檢測技術(shù)的應(yīng)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(guān)鍵部件的構(gòu)成，基本類似，可分為傳感器，測試弱電壓信號的濾波、調(diào)理、采集、存儲等硬件主機，顯示、比對診斷軟件，構(gòu)成。而差異性由于所檢放電波形頻帶不同，導(dǎo)致傳感器、主機、軟件尤其是傳感器、主機在技術(shù)處理上會有所不同。特高頻局放檢測技術(shù)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(yīng)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(yīng)用到諸如檢波或混頻等技術(shù);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(xiàn)的較為明顯。

當(dāng)前特高頻局放檢測技術(shù)在關(guān)鍵核心設(shè)備，如GIS、變壓器等上的應(yīng)用力度逐漸增大?；谠摷夹g(shù)的帶電檢測儀器或在線監(jiān)測系統(tǒng)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(shè)備的更大損失角度，開展基于特高頻局放檢測技術(shù)的儀器或系統(tǒng)的測評優(yōu)選工作，都具有實際意義。

1 局放檢測儀性能測評現(xiàn)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(nèi)置和外置兩種:置于電氣設(shè)備金屬殼體內(nèi)部，直接面對絕緣介質(zhì)，如圖1 所示的GIS 內(nèi)置UHF 傳感器;置于電氣設(shè)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(zhì)的特性，如圖2 所示的GIS外置UHF 傳感器。

圖1 內(nèi)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(gòu)成有源結(jié)構(gòu)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(dāng)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(shù)，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(wǎng)絡(luò)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(shù)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?shù)母哳l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(shù)，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(nèi)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(guī)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(guī)的基于天線特性參數(shù)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(shè)備內(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(shè)備的運行工況密不可分，尤其對于內(nèi)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(wěn)定的工頻電壓，更針對與可檢測性，而忽略了GIS 設(shè)備在開關(guān)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(wěn)定性。

對于電子儀器設(shè)備，一般可通過電磁兼容測試，來間接考核其設(shè)計和運行穩(wěn)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(yīng)的傳導(dǎo)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(nèi)的試驗檢測項目［9］。但其與真實設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(shù)設(shè)置、檢測結(jié)果顯示、自檢測和自恢復(fù)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(guān)鍵功能，需要配合測試開展，常規(guī)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(shè)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(guān)鍵，其性能參數(shù)的優(yōu)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(zhì)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(xiàn)(主機、軟件一體或分體，但均是基于軟件來展現(xiàn)的)即可。

對于特高頻局放檢測儀而言，分傳感器測評、主機聯(lián)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(xù)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(diào)整，那么就可利用這些可控的電壓脈沖實現(xiàn)局放測試儀主機聯(lián)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(yīng)用人員想知道的，并且對于與頻率有關(guān)的器件，其靈敏度至少是與頻率相關(guān)的曲線。圖6 所示為一種特高頻傳感器的校準系統(tǒng)框圖［11］。

圖6 一種特高頻傳感器的校準系統(tǒng)框圖

圖7 特高頻局部放電傳感器時域脈沖標定系統(tǒng)

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(nèi)注入標定信號，在GTEM 小室內(nèi)建立覆蓋300 MHz～1 500 MHz 頻帶范圍的脈沖電磁場。設(shè)Ei(t)為GTEM小室內(nèi)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(zhuǎn)換為電壓信號輸出，根據(jù)入射電場和輸出電壓的關(guān)系，即可得到天線的傳遞函數(shù)He(f)，該參數(shù)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(guān)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(jié)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(tǒng)

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(fù)方式，注入子IED;將陡前沿脈沖，以脈沖重復(fù)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(fù)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(fù)率為49Hz 的UHF 正弦波序列

圖11 陡前沿脈沖

圖12 脈沖重復(fù)率50 Hz、工頻周期270°相位的陡前沿脈沖序列

3.3 成套系統(tǒng)

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(nèi)置電源，避免外界干擾;同步脈沖電流法局放監(jiān)測;內(nèi)置多種類缺陷，無需開蓋充放氣，可快速實現(xiàn)缺陷的轉(zhuǎn)換;紅外視頻腔體內(nèi)部監(jiān)控缺陷布置及放電情況，預(yù)留內(nèi)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(shè)。

4 結(jié)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(jié)論:

1)UHF 局放檢測儀通過開展性能測評，實現(xiàn)設(shè)備優(yōu)選，具有實際意義;

2)已有的針對傳感器、成套系統(tǒng)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(xiàn)對子IED 與主IED 構(gòu)成的小系統(tǒng)的預(yù)設(shè)性、可復(fù)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(tǒng)工作，單一參數(shù)的優(yōu)劣不能說明好壞，但其短板效應(yīng)在測試中充分了解后，可確保儀器在實際應(yīng)用中發(fā)揮其效能。

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