基于GTEM小室的特高頻局部放電檢測儀校驗系統(tǒng)設(shè)計

易滿成，王波，蘇海博，楊鵬，顧春暉

(廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510000)

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基于GTEM小室的特高頻局部放電檢測儀校驗系統(tǒng)設(shè)計

易滿成，王波，蘇海博，楊鵬，顧春暉

(廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510000)

摘要：不同廠家特高頻局部放電監(jiān)測裝置的檢測設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性存在較大差異，為此，基于吉赫茲橫電磁波(gigahertztransverseelectromagnetic，GTEM)小室設(shè)計了特高頻校驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)將高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的可調(diào)高頻信號經(jīng)過脈沖調(diào)制器轉(zhuǎn)變成窄脈沖，再通過寬帶天線在GTEM小室內(nèi)發(fā)射，建立標準的脈沖電磁場，將被校驗局部放電檢測儀的傳感器放置于測試窗口接收信號，通過分析局部放電檢測儀的靈敏度、線性度、量程和幅頻響應(yīng)4個指標，實現(xiàn)儀器性能的考核。

關(guān)鍵詞：局部放電；吉赫茲橫電磁波；特高頻；校驗

20世紀80年代末，特高頻(ultrahighfrequency，UHF)局部放電(以下簡稱“局放”)檢測方法首先應(yīng)用在氣體封閉式組合電器(gasinsulatedswitchgear，GIS)設(shè)備中。該技術(shù)的特點在于：檢測頻段較高，可以有效地避開常規(guī)局放測量中的電暈、開關(guān)操作等多種電氣干擾，而且檢測頻帶寬，檢測靈敏度高，可識別故障類型和進行定位[1]。

隨著我國電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修工作開展的日益深入，UHF局放檢測技術(shù)在高壓電氣設(shè)備(GIS、電力變壓器等)上的應(yīng)用越來越廣泛。特別是對于GIS而言，該技術(shù)已經(jīng)成為最主要的一項局放在線監(jiān)測方法[2-3]。然而，UHF局放檢測技術(shù)在理論和工程應(yīng)用方面不盡完善，特別是相關(guān)技術(shù)標準規(guī)范的建設(shè)十分滯后；同時國內(nèi)外眾多的局放設(shè)備廠商提供的產(chǎn)品各異，質(zhì)量參差不齊。一些廠家的設(shè)備技術(shù)不過關(guān)，現(xiàn)場檢測效果不佳，時常出現(xiàn)誤報警、漏報警的現(xiàn)象[4-5]。建立標準的UHF局部放電檢測儀(以下簡稱“局放儀”)性能評價裝置和校驗系統(tǒng)，對于整個UHF局放在線監(jiān)測產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要。

本文基于吉赫茲橫電磁波(gigahertztransverseelectromagnetic，GTEM)小室設(shè)計了UHF校驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)將高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的可調(diào)高頻信號經(jīng)過脈沖調(diào)制器轉(zhuǎn)變成窄脈沖，再通過寬帶天線在GTEM小室內(nèi)發(fā)射，建立標準的脈沖電磁場，將被校驗局放儀的傳感器放置于測試窗口接收信號，通過分析局放儀的靈敏度、線性度、量程和幅頻響應(yīng)四大指標，實現(xiàn)儀器性能的考核。

1校驗系統(tǒng)平臺組成

基于GTEM小室的UHF局放檢測裝置校驗平臺主要由GTEM傳輸小室、標準脈沖源、頻譜儀和待校驗局放儀的傳感器及局放檢測裝置組成(如圖1所示)，其中，標準脈沖源與GTEM傳輸小室連接，待校驗局放儀的傳感器位于GTEM傳輸小室測試窗處[6-8]。

易滿成，等：基于GTEM小室的特高頻局部放電檢測儀校驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1GTEM小室

GTEM小室根據(jù)同軸及非對稱矩形傳輸線原理設(shè)計而成，它具有以下特點：結(jié)構(gòu)封閉，不受外界環(huán)境干擾；工作頻率較寬，范圍可從80MHz到3GHz，甚至更高；場強范圍大，從強場(如300V/m)至弱場(如10μV/m)均可測試，且場值容易控制。電壓駐波比是GTEM小室的重要指標，為避免內(nèi)部電磁波的反射和諧振，GTEM小室在外形上被設(shè)計成尖錐形，終端匹配50Ω無感電阻，小室后蓋板裝有尖劈狀的吸波材料以進一步消除終端反射，確保GTEM小室電壓駐波比不大于1.5。其輸入端采用N型同軸接頭，同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體展平成為一塊扇形芯板，在小室的芯板和底板之間形成矩形均勻場區(qū)。GTEM小室保證了球面波從輸入端到負載端的良好傳輸，從而在小室的芯板和底板間產(chǎn)生一個均勻場強的測試區(qū)域。試驗時，試品被置于測試區(qū)中，為不因試品置入而影響場的均勻性，試品不應(yīng)超過芯板和底板之間距離的1/3高度。

通過標準脈沖源向GTEM小室內(nèi)注入標準脈沖信號，在GTEM小室內(nèi)建立脈沖電磁場。天線的作用是將入射電場轉(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)H(t)，量綱為有效高度，單位為mm。該參數(shù)反映了天線的接收能力的大小。設(shè)E(t)為GTEM小室內(nèi)被校驗UHF局放儀所在位置的電場，U(t)為天線輸出的電壓信號，則

(1)

1.2標準脈沖信號源

標準脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定占空比的脈沖電壓信號，該信號傳到GTEM小室的輸入端并在其內(nèi)部產(chǎn)生電場，傳感器耦合的輸出信號可通過高速寬帶示波器捕獲。

對標準脈沖的要求是：輸出幅值0～100 V可調(diào)的方波或雙指數(shù)脈沖；上升沿(20%～80%)≤300 ps；半波時間4～100 ns。產(chǎn)生的脈沖具有足夠?qū)挼念l譜分布，能夠有效地覆蓋UHF或關(guān)注的射頻頻率范圍；脈沖源內(nèi)阻與GTEM 小室的阻抗匹配；脈沖占空比應(yīng)保證連續(xù)2次脈沖信號之間的時間間隔足夠大，使得被校驗UHF局放儀耦合的前后2次電磁波信號不發(fā)生波形重疊；脈沖幅值穩(wěn)定可控，輸出信號的不穩(wěn)定度不超過1%。

1.3參考天線

參考天線需要具有接收特性已知、檢測頻帶覆蓋被校驗傳感器的工作頻帶和對被測電場影響小的特性，本UHF局放儀校驗系統(tǒng)平臺的參考天線選擇短單極探針天線，規(guī)格尺寸為：半徑r=0.65 mm；高度h=25 mm。短單極探針尺寸小，對被測電場影響小；在接收瞬變場信號時具有檢測不失真的特點；而且結(jié)構(gòu)簡單，其理論接收特性被研究得比較透徹，有精確的數(shù)學模型[9-10]，適合作為局放檢測傳感器的參考天線傳感器。

2局放儀校驗方法及實驗數(shù)據(jù)

2.1靈敏度

UHF局放儀靈敏度是指在一定的環(huán)境背景噪聲條件下，UHF局放檢測所能分辨的最小脈沖電場強度峰值。其測量過程如下[11-14]：

a)標準信號源在其有效輸出范圍內(nèi)輸出標準的電平，然后測量GTEM小室內(nèi)的場強分布，建立標準信號源輸出電平與GTEM小室檢測點場強的映射關(guān)系，具體可通過式(2)反推為

(2)

b)調(diào)節(jié)標準信號源輸出電平，直到UHF局放儀能夠以不小于2的信噪比可靠反映出標準信號，得出此時的入射場強，該場強即為UHF局放儀的靈敏度。

c)檢測步驟

步驟1。調(diào)節(jié)標準脈沖發(fā)生器輸出標準信號的頻率，在某一頻率下，調(diào)節(jié)標準信號電壓幅值大小，觀察UHF局放儀測到的信號電壓電平。當調(diào)節(jié)標準輸出信號到某一臨界值時，測試儀恰能檢測到該信號，此臨界值即為局放儀在該頻率下的靈敏度。表1為3個局放儀的測試數(shù)據(jù)，局放儀能檢測到的最小電平信號25.6dB對應(yīng)的電壓幅值即為該頻率下的靈敏度。傳感器對應(yīng)的頻率均為該傳感器的諧振峰值頻率點。

表1單一頻率下局放儀靈敏度測試數(shù)據(jù)

步驟2。調(diào)節(jié)標準脈沖發(fā)生器輸出信號的頻率，重復(fù)步驟1，測量0.3～3.0GHz頻率范圍內(nèi)局放儀的靈敏度，測試數(shù)據(jù)見表2。

2.2線性度

線性度表示測試系統(tǒng)的輸出與輸入系統(tǒng)能否像理想系統(tǒng)那樣保持線性關(guān)系的一種度量，該值越小，表明線性特性越好。

表2不同頻率下局放儀靈敏度測試數(shù)據(jù)

標準脈沖發(fā)生器輸出某一固定頻率的信號，調(diào)節(jié)輸出信號幅值大小，記錄在同頻率不同幅值輸入信號下，用頻譜分析儀測得的、被校驗局放儀輸出的信號電壓電平。由表3可以看出，在2倍幅值下，頻譜儀檢測到的信號約有6dB的差值，線性度較好。

表3局放儀線性度測試數(shù)據(jù)

2.3檢測量程

檢測系統(tǒng)最大可檢測信號以其最大飽和場強峰值來表征：在一定的環(huán)境條件下，UHF局放檢測系統(tǒng)所能反映的最大脈沖場強峰值，為標準信號源輸出增大至某一值、檢測系統(tǒng)檢測到的信號達到飽和時，所對應(yīng)的GTEM小室測試窗口處的場強峰值。

由頻譜分析儀輸出頻率范圍為0.3～3.0GHz的掃頻信號，在某一頻率下，改變輸出幅值，在局放儀上能檢測到的最大信號(滿量程)。測試數(shù)據(jù)見表4。

表4局放儀量程測試數(shù)據(jù)

2.4幅頻響應(yīng)

幅頻特性是描繪輸入的標準信號幅值固定而頻率變化時，局放儀檢測到的信號幅值隨頻率變化而變化的規(guī)律。以頻率為橫坐標，幅值為縱坐標描繪成的曲線叫幅頻響應(yīng)曲線。

由標準脈沖發(fā)生器輸出頻率范圍為0.3～3.0GHz的標準幅值掃頻信號，在輸出功率分別為 -40dBm、-20dBm、-10dBm、0dBm、3dBm時，改變標準脈沖發(fā)生器的頻率，測量UHF傳感器耦合產(chǎn)生的信號幅值。3種局放儀(大螺旋天線、平板天線、對數(shù)天線)f-U(f為標準信號頻率，U為局放儀檢測信號幅值)幅頻響應(yīng)曲線如圖2至圖4所示。

信號經(jīng)過傳感器耦合后存在衰減，故測得的輸出信號幅值應(yīng)小于輸入信號幅值，而大螺旋天線局放儀的幅頻響應(yīng)曲線在0.9GHz處彎曲明顯(見圖2)，輸出信號幅值明顯大于輸入信號幅值，可以判斷此處存在干擾信號。在其他頻段(0.3GHz、0.4GHz、1.1GHz、1.8GHz、2.5GHz、3.0GHz)，曲線均存在一定的彎曲，線性度略差。

平板天線局放儀幅頻響應(yīng)曲線的線性度較好(見圖3)，只在0.3GHz、0.4GHz、0.5GHz處稍有彎曲；對數(shù)天線的局放儀幅頻響應(yīng)曲線兩端陡峭(見圖4)，在0.9GHz和1.1GHz處彎曲明顯。

比較3個局放儀幅頻響應(yīng)曲線可知，平板天線局放儀的線性度最好，其余2個局放儀在頻率0.3GHz至0.5GHz、2.5GHz和3.0GHz處曲線線性度略差。UHF局放儀的檢測頻帶為0.3～3.0GHz，但在實際應(yīng)用中，0.3～0.5GHz處信號干擾較大，1.5GHz以上實際局放信號能量分布很小，故對上述2個頻段信號測量的要求不高。

3結(jié)束語

針對國內(nèi)外對UHF局放檢測傳感器及系統(tǒng)性能缺乏統(tǒng)一、有效的評價手段，本文研制了基于GTEM小室的UHF局放儀校驗系統(tǒng)，并提出了評價局放儀靈敏度、線性度、量程和幅頻響應(yīng)指標的校準方法，為提升各類局放檢測裝置的準確性、穩(wěn)定性和可靠性提供了參考。

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易滿成(1985)，男，廣東廣州人。工程師，工學碩士，主要從事電力設(shè)備材料的入網(wǎng)質(zhì)量檢驗研究工作。

王波(1983)，男，安徽阜陽人。工程師，工學碩士，主要從事高壓電氣試驗工作。

蘇海博(1985)，男，陜西咸陽人。工程師，工學碩士，主要從事電力設(shè)備材料的入網(wǎng)質(zhì)量檢驗研究工作。

(編輯霍鵬)

DesignonCalibrationSystemforUltra-highFrequencyPartialDischargeDetectorBasedonGigaHertzTransverseElectromagneticCell

YIMancheng,WANGBo,SUHaibo,YANGPeng,GUChunhui

(ElectricPowerTestandResearchInstituteofGuangzhouPowerSupplyBureau,Guangzhou,Guangdong510000,China)

Keywords：partialdischarge;gigahertztransverseelectromagnetic(GTEM);ultra-highfrequency(UHF);calibration

Abstract：Therearegreatdifferencesinstabilitiesandreliabilitiesofdetectionequipmentsforultra-highfrequency(UHF)partialdischarge(PD)monitoringdevicesfromdifferentmanufacturers.Therefore,UHFcalibrationsystembasedongigahertztransverseelectromagnetic(GTEM)cellisdesignedwhichcouldturnadjustablehigh-frequencysignalsproducedbyhigh-frequencysignalgeneratorintonarrowpulseviapulsemodulator,thenthenarrowpulseistransmittedinGTEMcellbybroadbandantennaandastandardpulsedelectromagneticfieldisestablished.ThesensorofPDdetectorforexaminedisplacedinthetestwindowtoreceivesignalsandbyanalyzingsensitivity,linearity,rangeandamplitudefrequencyresponseofthePDdetector,itisabletorealizeexaminationforperformanceoftheinstrument.

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.011

收稿日期：2015-09-06修回日期：2015-12-22

基金項目：廣州供電局有限公司科研項目(K-GZM2013-005)

中圖分類號：TM930

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)04-0062-05

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