試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)對(duì)UHF 傳感器有效高度的影響

包艷艷 劉 康 溫定筠 王碧霞 陳宏剛 馬建橋

(1. 國(guó)家電網(wǎng)甘肅電力科學(xué)研究院 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070)

1 引言

氣體絕緣組合電器(Gas insulated switchgear，GIS)具有體積小、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一[1]。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的缺陷可誘發(fā)局部放電，局部放電嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致GIS 設(shè)備發(fā)生故障，因此有必要按周期或根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況對(duì)GIS設(shè)備開展局部放電檢測(cè)工作[2]。特高頻法是GIS 局部放電檢測(cè)的主要手段，而特高頻傳感器是UHF法的關(guān)鍵器件，其性能的優(yōu)劣直接影響對(duì)故障嚴(yán)重程度的判定[3]，因此有必要對(duì)UHF 傳感器性能參數(shù)標(biāo)定進(jìn)行研究[4-5]。

目前國(guó)內(nèi)外研究者主要采用GTEM 小室檢測(cè)UHF 傳感器有效高度等參數(shù)[5]。GTEM 小室呈封閉結(jié)構(gòu)，是同軸線結(jié)構(gòu)的變形[6]。為避免電磁波在小室內(nèi)部產(chǎn)生反射和諧振，小室結(jié)構(gòu)呈喇叭漸變結(jié)構(gòu)，使得測(cè)試區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)比較均勻[7-11]。

采用特高頻法檢測(cè)局部放電尚未形成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，特高頻傳感器生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品性能良莠不齊，應(yīng)用不同廠家、不同型號(hào)的傳感器檢測(cè)獲取的現(xiàn)場(chǎng)局放結(jié)果之間的可比性有待商榷，因此有必要先對(duì)傳感器進(jìn)行性能參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。Judd 等[12-13]采用GTEM 小室，基于時(shí)域參考法對(duì)UHF 傳感器進(jìn)行了測(cè)試，提出采用有效高度值來(lái)表示傳感器性能的好壞。有效高度值等于UHF 傳感器輸出電壓與入射場(chǎng)強(qiáng)的比值[14]。

欲獲得有效高度值，用脈沖源向小室內(nèi)注入脈沖的環(huán)節(jié)必不可少，注入的脈沖在小室內(nèi)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，傳感器將感應(yīng)到的電場(chǎng)輸出為電壓值，該比例即為有效高度。將上次試驗(yàn)結(jié)束關(guān)閉脈沖注入到下次試驗(yàn)時(shí)開啟脈沖注入按鈕之間的時(shí)長(zhǎng)定義為試驗(yàn)間隔。若兩次試驗(yàn)之間的間隔過(guò)短，可能會(huì)出現(xiàn)上次試驗(yàn)時(shí)脈沖產(chǎn)生的電荷未消散而影響下次試驗(yàn)結(jié)果。傳感器時(shí)固定在在GTEM 小室開孔處，文獻(xiàn)[15]基于GTEM 小室對(duì)不同廠家的傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，文中未說(shuō)明試驗(yàn)間隔及標(biāo)定方法對(duì)性能參數(shù)的影響程度。國(guó)家電網(wǎng)各省電力科學(xué)研究院對(duì)UHF 傳感器參數(shù)標(biāo)定時(shí)，每批次有多只傳感器，試驗(yàn)結(jié)果表明兩次試驗(yàn)之間時(shí)間間隔短可能會(huì)造成測(cè)量結(jié)果分散性過(guò)大，若時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)造成工作效率低下。針對(duì)上述工程實(shí)際問(wèn)題，本文選擇同型號(hào)傳感器三只，試驗(yàn)獲取試驗(yàn)間隔變化時(shí)傳感器有效高度參數(shù)的變化規(guī)律，欲針對(duì)結(jié)果的分析為一線工作提供有意義的指導(dǎo)，本文研究結(jié)果可為有效標(biāo)定UHF 傳感器參數(shù)提供參考。

2 測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試方法

2.1 測(cè)試平臺(tái)

圖1 為用于標(biāo)定UHF 傳感器性能參數(shù)的GTEM小室試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)中的主要設(shè)備包括GTEM 小室、示波器、測(cè)控計(jì)算機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)脈沖源。本文試驗(yàn)用GTEM小室外尺寸為4 200 mm×2 200 mm×1 400 mm。傳感器放置在小室的開孔位置，開孔的尺寸大于等于150 mm，小室輸入阻抗50 ?，駐波比小于1.5。示波器的采樣率為20 GS/s，帶寬為4 GHz。

圖2 為單級(jí)探針探測(cè)傳感器外觀及理論實(shí)測(cè)高度曲線。

2.2 測(cè)試原理

傳感器有效高度的測(cè)量原理圖如圖3 所示。

已知參考傳感器的有效高度，待測(cè)傳感器有效高度計(jì)算過(guò)程如式(1)、(2)、(3)所示。

式中，Ein為入射場(chǎng)強(qiáng)；UMr、UMs為響應(yīng)電壓；Href為參考傳感器的有效高度。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

本文以某廠家同型號(hào)的三只傳感器為例，為方便起見(jiàn)，后續(xù)表述中用A、B、C 分別代表三只傳感器。試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)變化時(shí)的有效高度參數(shù)如表1所示。表 1 中各行數(shù)據(jù)系按式(4)、(5)計(jì)算結(jié)果，N取值為5，單個(gè)有效值同平均值之間的差值均小 于10%。

傳感器A、B、C 有效高度隨試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)變化的趨勢(shì)如圖4、5 所示。由表1、圖4、5 可得如下結(jié)論。

表1 測(cè)量結(jié)果

(1) 傳感器A 的最大有效高度值變化范圍為22.9～25.2 mm，同平均值24 mm 的相對(duì)差小于5.14%，平均有效高度變化范圍為9.54～10.20 mm，同平均值9.98 mm 的相對(duì)差均小于4.48%。

(2) 傳感器B 的最大有效高度值變化范圍為20.6～22.5 mm，同平均值21.44 mm 的相對(duì)差小于6.45%，平均有效高度變化范圍為10.30～11.20 mm，同平均值10.64 mm 的相對(duì)差小于5.26%。

(3) 傳感器C 的最大有效高度值變化范圍為30.11～31.22 mm，同平均值30.48 mm 的相對(duì)差小于2.42%，平均有效高度變化范圍為12.20～13.32 mm，同平均值12.51 mm 的相對(duì)差小于6.46%。

(4) 對(duì)同種型號(hào)的UHF 傳感器，其有效高度存在差異，試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)為5～20 min、步長(zhǎng)為5 min時(shí)，傳感器A、B、C 最大有效高度和平均有效高度值變化呈現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，有效高度值對(duì)該試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)變化并不敏感。因此在對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)需要多次測(cè)量，取符合偏差標(biāo)準(zhǔn)要求的多個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，用該平均值評(píng)價(jià)該傳感器性能是否符合國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定考核值。

4 結(jié)論

本文利用GTEM 小室，開展了試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)對(duì)UHF 傳感器有效高度值影響規(guī)律的試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1) 對(duì)同種型號(hào)的UHF 傳感器，試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)及其他條件均相同時(shí)，其有效高度存在差異。

(2) 對(duì)同一UHF 傳感器而言，試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)為5～20 min、步長(zhǎng)為5 min 時(shí)，最大有效高度和平均有效高度值變化呈現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，有效高度值對(duì)該試驗(yàn)間隔時(shí)長(zhǎng)范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)變化并不敏感。

(3) 多次測(cè)試有效高度值，最大有效高度的最大、最小值差值大于平均有效高度對(duì)應(yīng)值，不同時(shí)間間隔下的數(shù)據(jù)同平均值之間的偏差均小于6.46%。