局放检测仪性能测评试验研究

王科

(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，昆明 650217)

0 前言

电气设备在运行时，由于绝缘缺陷，存在弱放电现象［1］。这一弱放电构成的细小通道从“场”的概念可等效为叠加的电偶极子辐射天线，放电的部分能量会沿天线向外辐射电磁波［2、3］。与空气绝缘的放电电磁波相比，相对频段较宽、高频成份更加丰富(SF6 气体的放电特性决定)以及衰减特性较小(“波导管”的结构决定，信号可检的空间距离变长)是充SF6 气体GIS、HGIS、罐式断路器等“波导管”结构设备内放电电磁波的特点［4～6］。UHF 局放检测技术最先在GIS 类设备的绝缘性能诊断中应用并取得了较好的测试成果。而对于线圈设备，如变压器、电抗器等，UHF 局放检测技术的应用效果一般。

不同类型局放检测仪器，如脉冲电流法、超声法、特高频法，其关键部件的构成，基本类似，可分为传感器，测试弱电压信号的滤波、调理、采集、存储等硬件主机，显示、比对诊断软件，构成。而差异性由于所检放电波形频带不同，导致传感器、主机、软件尤其是传感器、主机在技术处理上会有所不同。特高频局放检测技术因放电电磁波簇等效信号频率在几百MHz 至上GHz:对放电电磁波簇的检测会应用到高频、宽带天线;而对放电电磁波簇的特征，如信号幅值和相位信息，等的提取，会应用到诸如检波或混频等技术;另外，由于带电检测下运行的需要，对放电位置判定、放电类型识别也有要求。基于此的仪器性能差异在实际运行中表现的较为明显。

当前特高频局放检测技术在关键核心设备，如GIS、变压器等上的应用力度逐渐增大。基于该技术的带电检测仪器或在线监测系统各运行单位都在逐步配置。无论从避免选购无效或低效仪器，降低浪费的角度，还是从避免无效或低效仪器的误诊断，造成的运行设备的更大损失角度，开展基于特高频局放检测技术的仪器或系统的测评优选工作，都具有实际意义。

1 局放检测仪性能测评现状

1.1 传感器的性能要求及测试

UHF 传感器主要用于等效信号频率在几百MHz 至上GHz 的放电电磁波簇的检测，属于一种宽频带的天线。按照放置位置可分为内置和外置两种:置于电气设备金属壳体内部，直接面对绝缘介质，如图1 所示的GIS 内置UHF 传感器;置于电气设备非金属屏蔽外壳处，依赖电磁波能够穿透非金属屏蔽材质的特性，如图2 所示的GIS外置UHF 传感器。

图1 内置UHF 传感器

图2 外置UHF 传感器

从传感器外观来看:有单纯的无源传感器;也存在将放大、滤波、甚至检波单元与传感器共置一体构成有源结构的传感器，其需要供电电源，由主机信号检测端口供给直流电，而有源传感器处理过的脉冲信号叠加在直流电上，由一根信号电缆连通。

当把传感器作为一种电磁波检测天线来看时，可以考虑部分天线的特性参数，如带宽、阻抗、增益、方向性、驻波比、回波损耗等［7］。图3 所示为一种特高频传感器的驻波比 (A)和增益(B)［8］。图4 所示为利用ROHDE＆SCHWARZ 的ZNB4 型矢量网络分析仪所测得的一种特高频传感器的回波损耗。

图3 UHF 传感器的驻波比和增益

图4 UHF 传感器的回波损耗

实际上天线的特性参数如:驻波比，天线和馈线不匹配时，天线就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，入射波的一部分能量反射回来形成反射波，入射波和反射波合成，形成驻波，驻波比总大于1;增益，衡量填写辐射能量的集中程度，分方向增益和功率增益;回波损耗，传输线上的入射功率与反射功率之比，以分贝表示的标量反射系数，即入射波到反射波的损耗量;带宽，天线总是在一定的频率范围内工作，在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时他所输送的功能将减小，可以天线增益下降3dB 是的频带宽度或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度来定义带宽。

可以说常规的基于天线特性参数的传感器性能表征方法，没有很好的从特高频传感器的使用角度来给出准确的性能要求。

1.2 人工缺陷的测试比对

UHF 局放检测仪的最终目的是要检测出电气设备内部的局部放电缺陷，而基于实体GIS 下的人工缺陷的测试比对，是一种最为直接的方式。通过人工缺陷的布置，如毛刺、金属颗粒、悬浮金属体、绝缘子沿面、绝缘见内部气隙等，如图5、图8 所示，在外施电压的作用下，用电脉冲法作为比较基准，如图5 所示，可以实现UHF 局放检测方法的整体评价。

图5 为的功能完整可运行的220kVGIS 间隔;

图5 实体GIS 人工缺陷比对测试示意图

1.3 在备恶劣工况下的性能测试

UHF 局放检测方法对于实体GIS 缺陷的检测与GIS 设备的运行工况密不可分，尤其对于内置UHF 传感器而言。在实体GIS 人工缺陷的测试比对中，外施基本稳定的工频电压，更针对与可检测性，而忽略了GIS 设备在开关操作时对UHF 局放检测仪的影响，即通过传感器影响到仪器的运行稳定性。

对于电子仪器设备，一般可通过电磁兼容测试，来间接考核其设计和运行稳定性。如对于UHF 局放检测仪，可进行包含静电放电、射频电磁场辐射、电快速瞬变脉冲群、浪涌(冲击)、射频场感应的传导骚扰、工频磁场、脉冲磁场、阻尼振荡磁场、电压暂降和短时中断等抗扰度测试在内的试验检测项目［9］。但其与真实设备的操作影响而言，其等效严酷等级存在一定的偏差。

1.4 现状及不足

基于特高频检测原理的局放测试方法，在实际的仪器选购时现有的测试评价方法仍显不足:

1)针对UHF 传感器的灵敏度、频带测试没有较为直接和有效的方式;

2)接收装置即主机端口也存在灵敏度和动态检测范围，对此没有较为直接和有效的检测方式;

3)仪器的一些功能要求，如检测参数设置、检测结果显示、自检测和自恢复等可通过直接的操作有效检查，但如放电类型识别及准确性、相位同步等核心或关键功能，需要配合测试开展，常规的检查无法有效覆盖;

4)基于实体GIS 的人工缺陷布置，存在开仓、充放气，缺陷设置随意性大等问题。

2 模拟信号注入测评方法

2.1 基于分部件的测评原则

对于局放检测仪而言，传感器一直都是一项关键，其性能参数的优劣直接决定着成套仪器的好坏。而对于局放检测仪主机而言，其实质为一黑匣子，只需要明确其具备将传感器测试的脉冲簇顺利检测并正确展现(主机、软件一体或分体，但均是基于软件来展现的)即可。

对于特高频局放检测仪而言，分传感器测评、主机联通软件的测评、成套仪器的测评，可较全的覆盖仪器性能、功能等方方面面。

2.2 基于可变模拟信号注入的测评方法

基于可变模拟信号注入的测评方法，其核心在于归纳传感器检测输出的是序列化的电压脉冲，尽管对于每个脉冲而言，不同的检测原理(如电脉冲法、超声法、特高频法)，脉冲波形的特征(如频率、持续时间、幅值范围等)可能不同。

这样对局放检测仪的主机信号端口而言，其输入的是序列化的电压脉冲，如果能够使的此类型序列化的电压脉冲变成可控，即幅值可变化、频率可变化、脉冲簇与簇之间的间隔可调整，那么就可利用这些可控的电压脉冲实现局放测试仪主机联通软件的功能和性能测评。

3 已开展的试验测试

3.1 传感器

对于UHF 传感器而言，从检测的原理来看，其在固定位置处获知电磁波信号的灵敏度是应用人员想知道的，并且对于与频率有关的器件，其灵敏度至少是与频率相关的曲线。图6 所示为一种特高频传感器的校准系统框图［11］。

图6 一种特高频传感器的校准系统框图

图7 特高频局部放电传感器时域脉冲标定系统

采用GTEM 小时检测平台测量传感器的频响特性曲线。通过标定脉冲源向GTEM 小室内注入标定信号，在GTEM 小室内建立覆盖300 MHz～1 500 MHz 频带范围的脉冲电磁场。设Ei(t)为GTEM小室内被测天线所在位置处的电场，U0(t)为天线输出的电压信号。天线的作用即是将入射电场转换为电压信号输出，根据入射电场和输出电压的关系，即可得到天线的传递函数He(f)，该参数反映了天线的接收能力。

式(1)中，U0(f)为传感器输出电平U0(f)的频域变换，单位V;Ei(f)为入射场Ei(t)的频域变换，单位V/m;He的量纲为mm，He(f)为与频率相关的量纲，可称其为频域等效高度。

对于同样的入射电场而言，天线输出信号的电平越高，则表示其耦合能力越强，也即等效高度越大。

图8 的(a)～(e)给出了基于图10 检测方法的部分UHF 传感器频域等效高度曲线测试结果。

图8 UHF 传感器频域等效高度实测曲线

3.2 子IED 与主IED 小系统

基于可变模拟信号注入的测评方法:将等效频率500 MHz、单个正弦波，以异频(51Hz)脉冲重复方式，注入子IED;将陡前沿脉冲，以脉冲重复率为50Hz、相位为工频周期270°的序列方式，注入子IED;通过主IED 的软件显示进行观测。脉冲重复率为50Hz、相位为工频周期270°的陡前沿脉冲可模拟金属尖端放电［1］。

图9 UHF 正弦波

图10 重复率为49Hz 的UHF 正弦波序列

图11 陡前沿脉冲

图12 脉冲重复率50 Hz、工频周期270°相位的陡前沿脉冲序列

3.3 成套系统

对于UHF 局放检测仪器的实体GIS 人工缺陷的测试比对可以采用一体化装置:内置电源，避免外界干扰;同步脉冲电流法局放监测;内置多种类缺陷，无需开盖充放气，可快速实现缺陷的转换;红外视频腔体内部监控缺陷布置及放电情况，预留内置传感器布置手孔盖板，外置传感器可在绝缘盆子外沿布设。

4 结束语

本文对UHF 局放检测仪的性能测评试验情况进行了分析，得出如下结论:

1)UHF 局放检测仪通过开展性能测评，实现设备优选，具有实际意义;

2)已有的针对传感器、成套系统测评仍显不足;

3)提出基于可变模拟信号注入的测评方法可有效实现对子IED 与主IED 构成的小系统的预设性、可复原、具有显著差异性的测试;

4)UHF 局放检测仪的性能测评是个系统工作，单一参数的优劣不能说明好坏，但其短板效应在测试中充分了解后，可确保仪器在实际应用中发挥其效能。

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［9］GB/T 17626 电磁兼容试验和测量技术.

［10］GB 1985－2004 高压交流隔离开关和接地开关.

［11］M D Judd，O Farish，P F Coventry.UHF couplers for GISsensitivity and specification ［C］.Proc.10th Int.Symp.on High Voltage Engineering (Montreal)，Vol 6，August 1997.