高頻局放傳感器性能檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)研究與驗(yàn)證

董洪達(dá)，劉 赫 ，趙春明，張賽鵬，葛志成，陳捷元，黃 濤

(國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021)

電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，由于絕緣劣化造成局部放電，進(jìn)一步加速絕緣材料劣化過(guò)程，降低設(shè)備絕緣性能，從而引發(fā)設(shè)備故障。在絕緣介質(zhì)中發(fā)生局部放電(以下簡(jiǎn)稱局放)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁信號(hào)、聲信號(hào)的變化，以及相應(yīng)的局部過(guò)熱和化學(xué)產(chǎn)物。對(duì)于這些變化，可以采用特高頻局放、高頻局放、超聲波局放、溫度監(jiān)測(cè)、油色譜分析以及六氟化硫分解物測(cè)試等方法來(lái)檢測(cè)設(shè)備中的局放[1]。高頻局放檢測(cè)以其高靈敏度和便攜性廣泛應(yīng)用在電纜局放檢測(cè)中，近年來(lái)作為輔助檢測(cè)手段在變壓器局放檢測(cè)中也有應(yīng)用。局放檢測(cè)的準(zhǔn)確分析要求高頻局放檢測(cè)方法能夠有效獲取局放的強(qiáng)度、類型和位置等關(guān)鍵信息，這對(duì)高頻局放檢測(cè)儀(尤其是傳感器)提出了更高的要求。目前高頻局放檢測(cè)儀的生產(chǎn)廠家較多，傳感器的性能水平參差不齊[2-4]，為提高高頻局放的檢測(cè)準(zhǔn)確度和可靠性，需要對(duì)高頻傳感器的性能參數(shù)進(jìn)行全方位的檢測(cè)。

本文通過(guò)研究高頻傳感器的原理和設(shè)計(jì)方法，梳理出傳感器的關(guān)鍵性能參數(shù)，依托高頻局放儀比對(duì)檢驗(yàn)平臺(tái)對(duì)高頻傳感器進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估不同廠家傳感器的性能優(yōu)劣，對(duì)高頻局放檢測(cè)儀的檢驗(yàn)提供指導(dǎo)。

1 高頻局放傳感器工作原理

高頻傳感器通常采用由羅氏線圈和積分電阻組成的電感型傳感器，即在環(huán)狀磁芯材料上繞制多匝線圈。測(cè)試時(shí)將高頻局放傳感器布置在電纜或變壓器接地線上，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部有局放發(fā)生時(shí)，由于設(shè)備經(jīng)接地線與大地組成回路，局放產(chǎn)生的脈沖電流會(huì)通過(guò)接地線，進(jìn)而在高頻傳感器上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)過(guò)積分電阻得到電流。通過(guò)分析電流的信號(hào)特征來(lái)判斷設(shè)備內(nèi)部局放的類型和強(qiáng)度[5-6]。高頻局放傳感器的等效電路見(jiàn)圖1。

圖1 高頻局放傳感器等效電路

由圖1可知，傳感器可分為一次線圈和二次線圈，圖中M、L、R1、C為高頻傳感器的互感、自感、內(nèi)阻和雜散電容，R2為積分電阻，E為電勢(shì)，U為電壓，I為電流。對(duì)于傳感器一、二次線圈而言，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可得出式(1)、(2)。

(1)

(2)

對(duì)式(1)、(2)進(jìn)行拉氏變換，得到傳感器的傳遞函數(shù)即幅頻響應(yīng)H(s):

(3)

由于高頻局放傳感器的等效電路接近高頻小信號(hào)并聯(lián)諧振回路，利用高頻小信號(hào)并聯(lián)諧振回路理論可得出傳感器的上、下限頻率fH、fL為：

(4)

(5)

對(duì)于高頻傳感器而言，傳輸阻抗(幅頻響應(yīng))和頻帶寬度是關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)，傳輸阻抗反映傳感器的信號(hào)耦合能力，頻帶寬度反映傳感器的頻率測(cè)試范圍，為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，傳輸阻抗和頻帶寬度應(yīng)盡可能大[7-8]。高頻局放傳感器的內(nèi)阻R1通常較小，由式(3)～(5)可知，傳感器的性能參數(shù)主要由線圈的自感L和積分電阻R2決定。對(duì)于電感線圈，自感主要由磁導(dǎo)率和線圈匝數(shù)決定，在選用合適的磁芯材料時(shí)，線圈匝數(shù)決定自感大小。通過(guò)減小線圈匝數(shù)、增大積分電阻可以增大傳感器的傳輸阻抗，但會(huì)減小傳感器的頻帶寬度。由此可知，傳感器的傳輸阻抗和頻帶寬度在參數(shù)調(diào)整上相互矛盾，若提高傳感器的性能，需要選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)兼顧傳輸阻抗和頻帶寬度，因此在對(duì)傳感器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)二者重點(diǎn)關(guān)注。

2 高頻局放傳感器比對(duì)檢驗(yàn)平臺(tái)

目前高頻局放傳感器比對(duì)檢驗(yàn)平臺(tái)主要由任意波形發(fā)生器、匹配電阻R0和示波器組成，檢測(cè)原理見(jiàn)圖2。將任意波形發(fā)生器作為信號(hào)源，經(jīng)由同軸電纜在回路中串入50 Ω的匹配電阻和高頻局放傳感器，示波器測(cè)量匹配電阻和傳感器的信號(hào)。其中，信號(hào)源輸出正弦波，匹配電阻為無(wú)感電阻。通過(guò)該平臺(tái)檢驗(yàn)高頻局放傳感器的傳輸阻抗和頻帶寬度。

圖2 比對(duì)檢驗(yàn)平臺(tái)檢測(cè)原理

a.傳輸阻抗測(cè)試方法。將被測(cè)傳感器串入檢測(cè)回路中，通過(guò)信號(hào)源輸出峰峰值為1 V的正弦波，將輸出信號(hào)的頻率設(shè)置為10 MHz，利用示波器CH2通道測(cè)得的電壓信號(hào)V2與匹配電阻R0得到回路電流I，再將示波器CH1通道測(cè)得的電壓信號(hào)V1與電流I之比，求得傳輸阻抗。

b.頻帶寬度測(cè)試方法。接線方式和信號(hào)源輸出幅值與傳輸阻抗測(cè)試保持一致，利用平臺(tái)的自動(dòng)掃頻功能，將輸出信號(hào)的頻率在100 kHz～100 MHz進(jìn)行掃頻，記錄各頻率點(diǎn)下傳感器輸出的電壓幅值，當(dāng)被測(cè)傳感器的輸出幅值由最大值下降到0.501額定幅值時(shí)(將單位換算成dB時(shí)，輸出幅值下降6 dB)，得出被測(cè)傳感器的上、下截止頻率，從而求得被測(cè)傳感器的頻帶寬度。

3 高頻局放傳感器性能測(cè)試

為充分評(píng)估目前各廠家高頻局放傳感器的性能，本文選取國(guó)內(nèi)常用的6個(gè)廠家的主流傳感器作為研究對(duì)象，分析比較各傳感器的性能參數(shù)，試驗(yàn)傳感器的廠家信息以A1～A6代替。

按照高頻傳感器的比對(duì)方法對(duì)各傳感器進(jìn)行檢測(cè)，得到傳感器的傳輸阻抗和頻帶寬度結(jié)果見(jiàn)表1，高頻局放傳感器頻帶寬度曲線見(jiàn)圖3。依據(jù)Q/GDW 11304.5—2015《電力設(shè)備帶電檢測(cè)儀器技術(shù)規(guī)范第 5部分：高頻法局部放電帶電檢測(cè)儀器技術(shù)規(guī)范》中對(duì)相關(guān)參數(shù)的要求，傳輸阻抗應(yīng)大于5 mV/mA，傳感器最大輸出值對(duì)應(yīng)的頻率應(yīng)位于3～30 MHz，且?guī)挷粦?yīng)小于2 MHz。由表1可知，僅A1、A6廠家的傳感器符合要求，其他廠家傳感器的傳輸阻抗均小于標(biāo)準(zhǔn)值；頻帶寬度除A3廠家的傳感器不符合要求外，其余均符合要求。

表1 試驗(yàn)傳感器比對(duì)檢測(cè)結(jié)果

高頻局放傳感器頻帶寬度曲線見(jiàn)圖3。

圖3 高頻局放傳感器頻帶寬度曲線

由圖3可知，在信號(hào)源輸出幅值保持不變的情況下，隨著頻率從100 kHz～100 MHz逐漸增大，A1廠家的傳感器的響應(yīng)值逐漸增大至最大值后，緩慢減小，在60 MHz以上有所波動(dòng)，由于高頻局放的檢測(cè)頻率通常在3～30 MHz，因此A1廠家的傳感器的波動(dòng)并未對(duì)其可靠性造成影響；A2、A4廠家的傳感器的響應(yīng)值趨勢(shì)與A1類似，但響應(yīng)值偏低，造成二者傳輸阻抗不符合要求；A3廠家的傳感器的響應(yīng)最大值超出了高頻局放的檢測(cè)頻率；A5廠家的傳感器的響應(yīng)值過(guò)低，造成其傳輸阻抗不符合要求；A6廠家的傳感器雖然傳輸阻抗和頻帶寬度都符合要求，但在0.1～0.2 kHz，傳感器的響應(yīng)值存在陡升過(guò)程，在0.2 kHz～6 MHz存在陡降過(guò)程，對(duì)其可靠性造成影響。由此可見(jiàn)，在被測(cè)的A1～A6廠家的傳感器中，A1廠家的傳感器的綜合性能符合要求。

綜上所述，針對(duì)高頻局放傳感器的性能檢測(cè)關(guān)鍵考核點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注傳輸阻抗和頻帶寬度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并且應(yīng)著重分析傳感器頻帶響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)傳感器的性能進(jìn)行全面考量，篩選出綜合性能優(yōu)秀的高頻局放傳感器。

4 結(jié)論

本文梳理出了高頻局放傳感器的關(guān)鍵性能參數(shù)，利用比對(duì)檢驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)多個(gè)廠家主流傳感器進(jìn)行了檢測(cè)，從中得出了高頻局放傳感器性能檢測(cè)關(guān)鍵考核點(diǎn)，既應(yīng)關(guān)注傳輸阻抗和頻帶寬度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，又需著重分析高頻局放傳感器頻帶響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)，以此評(píng)估其綜合性能，為高頻局放檢測(cè)儀的檢驗(yàn)提供了指導(dǎo)。