高频电流局部放电传感器程控式检验系统研究

常文治，邵进，弓艳朋，杜非，许渊

(1. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2. 国家电网有限公司，北京 100031)

高频电流法局部放电检测技术基于磁场耦合原理，在3～30 MHz频段通过线圈式传感器测量局部放电信号，可以有效避开现场大量存在的低频干扰，具有抗干扰能力强、测量灵敏度高、适合在线监测等优点，目前取得了广泛的现场应用[1-9]。但是，从实际应用情况来看，不同厂家生产的高频电流法局部放电测量仪器性能指标差异明显，随着近年来此类仪器用量的增长，很多设计不合理、质量不过关的产品也混入市场，严重影响了现场局部放电检测的准确度及有效性。其重要原因在于，目前对高频电流法局部放电测量仪器的性能检验工作开展不到位，缺乏精细化的性能检验方法及配套的性能检验系统，无法有效检出缺陷类产品。

对局部放电传感器进行准确的性能检验，是提高局部放电测量准确度的重要前提条件。从文献调研情况来看，华北电力大学、韩国水原大学等研究机构开展了基于吉赫兹横电磁波(Gigahertz transverse electro-magnetic，GTEM)的特高频局部放电传感器性能检验工作，采用“等效高度”指标评价特高频局部放电传感器的性能指标[10-19]。中国电力科学研究院有限公司、广州电力试验研究院开发了基于GTEM小室的特高频局部放电传感器检验系统，重点检验传感器的灵敏度、线性度、幅频响应等关键指标，开展了螺旋天线、平板天线、对数天线等形式特高频传感器的性能检验[20]。GB/T 7354—2003《局部放电测量》、IEC 60270:2000《Partial Discharge Measurements》等相关标准[21-22]对脉冲电流法的技术条件、测量方法、测量仪器和校准方法给出了具体要求，而对于高频电流法，由于其检测频带集中在3～30 MHz甚至更高频段，远高于脉冲电流法1 MHz以下的检测频段，因此GB/T 7354—2003等标准不适合直接用于高频电流法。

本文根据高频电流局部放电检测装置性能检验方法的要求，重点突破了高频激励信号传输路径的阻抗匹配方法、程控式电荷量校准脉冲及正弦信号生成方法、放电脉冲信号及干扰信号合成方法等重点问题，研制了相应的模块式电路。在提出具体检验方法及突破重点技术问题的基础上，研制了高频局部放电检测装置程控式一体化检验系统，该系统具备脉冲激励测试、正弦激励测试、混合激励测试3种主要功能，集成了激励信号与被检装置响应信号的自动采集程序，嵌入了包括灵敏度参数、线性度参数、传输阻抗参数及频率参数在内的所有检验参数的算法程序，能够在计算机程序控制下自动完成全部检测项目并给出检测结果，显著降低测试过程中的不确定因素对测量结果准确度的影响，同时显著提升测试效率。

1 程控式一体化检验系统介绍

1.1 系统整体架构及功能

根据高频电流局部放电传感器的应用特点及国家电网有限公司企业标准QGDW 11304.5—2015《电力设备带电检测仪器技术规范 第5部分：高频法局部放电带电检测仪器技术规范》对高频法局部放电带电检测装置的技术要求，本文将灵敏度、线性度、传输阻抗、抗干扰性能作为高频电流局部放电传感器的检验项目，以此为目标构建计算机程控式一体化检验系统，系统整体架构如图1所示，主要包括激励信号发生电路、标准化测量接口及测控软件等组成部分。

图1 高频电流法局部放电传感器程控式一体化检验系统结构Fig.1 Structure of program-controlled integrated inspection system for high-frequency current partial discharge sensor

控制计算机是预装有定制化测控软件的工业计算机，能够实现控制信号的生成、上传数据的分类保存等功能。实际检验时，控制计算机输出指令至控制指令发出模块，该模块输出两路控制信号，其中一路是电路选择指令，另一路是参数设定指令，电路选择指令输入程控式多路开关，可以实现4套硬件电路(脉冲信号发生电路、高频正弦信号发生电路、混合信号合成回路、工频降压回路)的程控选取及切换；参数设定指令可针对每种硬件电路的输出参数进行自定义设置，各硬件电路均具备远程控制信号的响应能力，能够在参数设定指令的定义下自动调节输出信号的参数。上述信号发生电路通过标准接口与各检验项目对应的测量回路快速连接，主要的测量回路参见第2节。测量回路的响应信号输入至采集系统，采集系统完成数模转换后将数据上传至控制计算机，最后使用预装的分析软件对上传数据进行汇总分析，给出各类测试项目的比对检验结果。

该系统将控制、信号发生、信号测量、信号采集、信号处理等多项功能组件进行一体化集成，通过一次接线能够自动完成全部检验项目，避免检验过程中频繁接线引入的随机误差，消除检验过程中人为因素对检验结果的影响，显著提升检验效率。

1.2 激励信号发生电路

1.2.1 脉冲信号发生电路

脉冲信号发生电路用于对被检传感器灵敏度、线性度及饱和度的检验，其原理如图2所示。

R1为限流电阻；Vp为控制系统发出的方波控制信号，即频率及占空比可程控的计数脉冲信号；Q1为功率半导体开关器件；Cs为标准电容；Ds为快速二极管；Rs为匹配电阻，Rs两端即M1、M2间是校准脉冲信号输出端。图2 脉冲发生电路原理Fig.2 Principle of pulse generating circuit

电路工作时，当控制信号Vp处于低电平时，Q1处于关断状态，直流电源通过限流电阻R1对Cs充电，此时Ds导通，为Cs提供一个快速充电通道。通过合理设计直流电源、R1、Cs的参数，确保Cs在Vp一个周期的低电平时间内能够完成充电。Cs充电完成后，其储存的电荷量

q0=C0×U0.

(1)

式中：C0为Cs的电容量；U0为直流电源的输出电压。

当Vp处于高电平时，Q1导通，此时Ds截止，Cs通过Q1、Rs回路放电，Cs中储存的电荷在Rs两端(即M1、M2之间)产生脉冲电压波形。根据电学原理可知，产生该脉冲电压波形的电荷量即为q0，该脉冲电压信号即为放电量校准脉冲。

该电路能够在计算机指令控制下产生1 pC～100 nC的电荷量校准脉冲信号，信号上升时间不大于8 ns，电荷量误差不大于5%。表1给出典型电荷量档位下输出脉冲的实测结果。

表1 电荷量校准脉冲发生电路的实测数据
Tab.1 Measured data of charge calibratedpulse generating circuit

标称电荷量/nC脉冲上升时间/ns实测电荷量/nC误差/%0.055.50.0484.00.507.20.4951.05.0010.05.1202.410.006.810.3303.350.009.550.7001.4100.009.9100.5000.5

1.2.2 高频正弦信号发生电路

高频正弦信号发生电路用于对被检传感器传输阻抗、检测频率的检验。本文基于直接数字式频率合成(direct digital synthesizer，DDS)技术设计了正弦信号发生电路，其流程如图3所示。

fc为时钟频率；K为频率控制字；N为相位累加器的字长。图3 基于DDS技术的正弦信号发生流程Fig.3 Flow chart of sine signal generation based on DDS

相位累加器由全加器和累加寄存器级联组成。在时钟频率fc的控制下，对输入频率控制字K进行累加，累加满量时就产生溢出。相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在0～2π范围内变化。相位累加器位数为N，最大输出为2N-1，对应于2π的相位，累加1次就输出1个相应的相位码，地址以查表方式获取，得到对应相位的信号幅度值，经过数模转换，就可以得到一定频率的信号输出波形，低通滤波器对输出的信号波形进行平滑处理，滤除杂波和谐波。由于控制字经过2N/K次累加，相位累加器满量溢出，完成1个周期运算，所以输出频率f0由fc和K共同决定，即f0=fcK/2N且K<2N-1，得到DDS的最小分辨率可达fc/2N。理论上通过设定DDS相位累加器的位数N、频率控制字K和时钟频率fc的值，就可以产生任一频率的输出。

该电路能够在计算机指令控制下输出1 kHz～50 MHz的正弦电流信号，额定电流100 mA，频率调节步长10 kHz，各频点频率误差不大于0.4%。表2给出典型频点下输出信号的频率误差实测值。

表2 高频正弦信号发生电路的实测数据
Tab.2 Measured data of high-frequency sine signal generating circuit

频率标称值/MHz实测值/MHz误差/%1 1.00 02 2.00 05 5.01 -0.210 9.99 0.120 19.97 0.250 49.96 0.1

1.2.3 混合信号合成回路

混合信号合成回路用于对被检传感器抗干扰度的检验。该电路能够在单一路径上形成指定参数的脉冲及正弦信号的混合信号，其中脉冲信号用于模拟一定电荷量的放电信号，电荷量在1 pC～100 nC范围内连续可调；正弦信号用于模拟特定频率的谐波干扰信号，频率在1 kHz～50 MHz范围内连续可调。图4给出500 pC放电脉冲与10 MHz正弦信号在单一传输路径上合成的混合信号波形。

图4 500 pC放电脉冲与10 MHz正弦信号的合成信号Fig.4 Synthetic signal with 500 pC discharge pulse and 10 MHz sine signal

1.3 标准化测量接口

激励信号通过标准化测量接口注入被检传感器，该接口一方面为激励信号提供行波传输路径，另一方面在不影响信号传输特性的前提下将被检传感器接入检验系统。为消除信号传输过程中杂散效应产生的信号衰减、畸变，本文采用同轴匹配夹具作为标准化测量接口。

同轴匹配夹具整体结构如图5所示，其基本结构由支撑固定件及渐进线结构的导杆组成，支撑固定件支撑被测传感器及导杆，确保信号传输路径与地电位之间的空间位置保持恒定，消除杂散电容、电感等参数对传输信号的影响。导杆固定在左、右支撑板之间，两端分别安装同轴接线端子，其中一端连接激励信号源，另一端经阻抗匹配后连接至采集模块。导杆上安装有绝缘卡环，用于高频电流传感器的安装固定。实际测量时，激励信号从导杆一端以同轴方式注入，沿导杆向终端传播，被测传感器从导杆上耦合激励信号，通过合理设计导杆接口及对地距离等关键参数确保激励信号在测量频带内以行波方式传播。

图5 同轴匹配夹具结构Fig.5 Schematic diagram of coaxial matching fixture

图6为使用安捷伦E5061B网络分析仪对同轴匹配夹具在10 Hz～500 MHz频率范围内幅频特性曲线的测量结果。其中，幅值为传感器输出电压值与输入电压值之比的分贝值。

图6 同轴匹配夹具的幅频特性曲线Fig.6 Amplitude frequency characteristic curve of coaxial matching fixture

从图6可以看出，同轴夹具幅频特性曲线的3 dB截止频率为405 MHz，在100 MHz内增益平坦度为±0.015 dB。标准要求高频电流局部放电传感器性能检验的频率上限为50 MHz，因此同轴匹配夹具的频域特性能够满足高频电流传感器性能检验的要求。

2 程控式一体化检验系统测量模式

基于程控式一体化检验系统，对某种信号的高频电流局部放电传感器的全部性能参数进行检验。根据激励信号的不同，程控式一体化检验系统共有3种测量模式：脉冲激励测试、正弦激励测试及混合信号激励测试，每种测量模式能够完成对被检传感器特定性能参数的检验。

2.1 脉冲激励测试

2.1.1 测试方法

脉冲激励测试系统回路如图7所示。

Up为脉冲激励信号；HFCT为高频电流互感器，high frequency current transformer的缩写。图7 脉冲激励测试系统回路Fig.7 Circuit of impulse excitation test system

图7中，将被测高频电流传感器卡装在同轴匹配夹具上，脉冲激励信号从夹具一端注入，夹具另一端连接50 Ω同轴匹配阻抗。被测传感器响应信号输入至采集模块CH0通道进行数据采样，采集模块输入阻抗配置为50 Ω，单通道采样频率500 MHz，带宽100 MHz。

系统具备单脉冲激励测试及连续脉冲激励测试功能。对于单脉冲激励测试，根据计算机指令要求向测量回路连续注入单一电荷量脉冲；对于连续脉冲激励测试，根据计算机指令定义的电荷量区间，以一定步长连续递进式向测量回路注入区间内各放电量脉冲。

脉冲激励测试能够对被检传感器的灵敏度及线性度进行检验，本文以最小可测放电量作为被检传感器灵敏度的评价指标，以平均线性度误差和最大线性度误差作为被检传感器线性度的评价指标。

2.1.2 评价指标的计算方法

2.1.2.1 最小可测放电量

在单脉冲测试模式下，系统实时获取被测传感器对特定电荷量脉冲的响应波形，为提高波形分析准确度、消除随机干扰对响应信号的影响，分析软件对同一电荷量脉冲的响应波形进行多次累加均值处理，对均值处理后的波形提取其峰值及背景噪声值，计算波形信噪比，即

SNR=VS/VN.

(2)

其中：SNR为信噪比；VS为信号峰值；VN为背景噪声信号的均方根值。

若被测传感器对某电荷量脉冲响应波形的信噪比不大于2，则此电荷量视为被测传感器的最小可测放电量。

2.1.2.2 平均线性度误差及最大线性度误差

在连续脉冲激励测试模式下，软件获取被测传感器响应波形并计算各放电量下的校准系数，即

ki=Qi/Si.

(3)

式中：ki为第i个放电量下的校准系数；Qi为放电量数值；Si为Qi放电量脉冲激励下被测传感器响应波形的积分面积。其中，Qi为软件设定值，Si为实测波形积分后的数值。

测试完成后，软件生成各电荷量脉冲激励下被测传感器的校准系数k与实测电荷量Q的二维曲线，即k-Q谱图，根据该谱图计算被测传感器的平均线性度误差与最大线性度误差，平均线性度误差

(4)

式中：kRMS为k-Q曲线均方根值；NT为测试区间内放电量测点数。

最大线性度误差

(5)

式中kmax为放电量测试区间内传感器校准系数最大值。

2.1.3 实测分析

2.1.3.1 最小可测放电量

对被检传感器所在的测量回路注入50 pC电荷量的校准脉冲信号，传感器响应波形如图8所示，软件自动计算出该波形信噪比为220，则50 pC不是被测传感器的最小可测放电量。

图8 50 pC电荷量校准脉冲信号的响应波形Fig.8 Response waveform of charge calibrated pulse signal with 50 pC

向测量回路注入5 pC电荷量的校准脉冲信号，传感器响应波形如图9所示。从图9可以看出脉冲响应信号基本淹没在背景噪声中，软件计算出波形信噪比约为1.9，以5 pC作为被测传感器的最小可测放电量。

图9 5 pC电荷量校准脉冲信号的响应波形Fig.9 Response waveform of charge calibrated pulse signal with 5 pC

2.1.3.2 平均线性度误差及最大线性度误差

测量传感器在50～1 000 pC放电量区间范围内的平均线性度误差及最大线性度误差，系统测量到的k-Q曲线如图10所示。

图10 注入50～1 000 pC电荷量校准脉冲时被测传感器的k-Q曲线Fig.10 k-Q curve of the measured sensor with charge of 50 ～1 000 pC

根据图10的测量结果，计算得到被测传感器的平均线性度误差为1.6%，最大线性度误差为6.1%。

2.2 正弦激励测试

2.2.1 测试方法

正弦激励测试系统回路如图11所示。

US为正弦激励测试源；R0为取样电阻；CH1、CH2为采样通道。图11 正弦激励测试系统回路Fig.11 Circuit of sine excitation test system

图11中，将被测高频电流传感器卡装在同轴匹配夹具上，正弦激励信号从夹具一端注入、另一端输出，连接至采集模块的CH2采样通道，被测传感器响应信号连接至采集模块的CH1采样通道，为便于论述，将CH1通道输入信号定义为响应信号，将CH2通道输入信号定义为原始信号。采集模块输入阻抗配置为50 Ω，单通道采样频率500 MHz，带宽100 MHz。计算机对获取到的原始信号及响应信号进行分析，得到被测传感器的指标参数。

系统具备扫频测量功能，根据计算机指令定义的频率区间，以一定步长连续递进式向被测传感器注入区间内各频率信号，例如：计算机下达1～30 MHz扫频指令，系统向被测传感器依次注入1 MHz、(1+X) MHz、(1+2X) MHz、(1+3X) MHz、…、30 MHz，其中X为扫频步长，最大扫频区间为10 kHz～50 MHz，扫频起始频率、截止频率、步长等参数均可根据需要设置。扫频过程中，系统实时获取各频点的原始信号及响应信号并进行分析处理。

正弦激励测试能够对被检传感器的传输阻抗进行检验。本文以传输阻抗曲线的平均值、最大值及最小值作为被检传感器传输阻抗特性的评价指标。

2.2.2 评价指标的计算方法

传输阻抗

Z(f)=R0(V2(f)/V1(f)).

(6)

式中：R0为采集模块的输入阻抗，阻值为(50±0.2%) Ω；V2(f)为响应信号峰峰值；V1(f)为原始激励信号峰峰值。在测量频率范围内对Z(f)曲线进行运算即可求取其算术平均值、最大值、最小值。

2.2.3 实测分析

对被测传感器进行1～50 MHz频率范围内的扫频测试，计算该频率范围内传感器传输阻抗随频率的变化曲线如图12所示。

图12 正弦激励下被测传感器的传输阻抗曲线Fig.12 Curve of transmission impedance of the measured sensor with sine excitation

图12中传输阻抗曲线的平均值为24.4 Ω，最大值为27.9 Ω，最小值为6.2 Ω。

2.3 混合激励测试

2.3.1 测试方法

混合激励测试系统回路如图13所示。

图13 混合激励测试系统回路Fig.13 Circuit of mixed excitation test system

图13中，将激励传感器与被测高频电流传感器卡装在同轴匹配夹具上，脉冲激励信号以行波方式注入测试回路，正弦激励信号以磁场耦合方式注入测试回路，在导杆连接的单一信号传输路径上形成脉冲与正弦激励信号的混合信号作为被测传感器的激励信号。被测传感器响应信号连接至采集模块的采样通道，采集模块输入阻抗配置为50 Ω，单通道采样频率500 MHz，带宽100 MHz。计算机对获取到的响应信号进行分析，得到被测传感器的指标参数。

混合激励测试能够对被检传感器的抗干扰性能进行检验，本文以被检传感器响应信号的信噪比作为抗干扰性能的评价指标。

2.3.2 实测分析

对被测传感器注入50 pC脉冲及1 MHz正弦信号的混合信号，传感器响应波形如图14所示，其脉冲信号峰值40 mV，正弦信号峰值1.9 mV，信噪比为22。

图14 50 pC脉冲及1 MHz正弦信号的混合信号响应波形Fig.14 Response waveforms of synthetic signals by 50 pC pulse and 1 MHz sine signal

对被测传感器注入50 pC脉冲及2 MHz正弦信号的混合信号，传感器响应波形如图15所示，其脉冲信号峰值40 mV，正弦信号峰值9.1 mV，信噪比为4。

图15 50 pC脉冲及2 MHz正弦信号的混合信号响应波形Fig.15 Response waveforms of synthetic signals by 50 pC pulse and 2 MHz sine signal

对被测传感器注入50 pC脉冲及5 MHz正弦信号的混合信号，传感器响应波形如图16所示，其脉冲信号峰值50 mV，正弦信号峰值35 mV，信噪比为1.4。从图16可以直观看出脉冲信号淹没在正弦干扰信号中。

图16 50 pC脉冲及5 MHz正弦混合信号的响应波形Fig.16 Response waveforms of synthetic signals by 50 pC pulse and 5 MHz sine signal

上述分析计算可见，被检传感器对频率低于5 MHz的正弦干扰信号具有较好的抑制作用，对频率在5 MHz及以上的正弦干扰信号抑制能力较差。

3 结束语

本文设计了高频电流局部放电传感器程控式一体化检验系统，系统具备脉冲激励测试、正弦激励测试及混合激励测试3种测试功能。

a)脉冲激励测试回路能够产生1 pC～100 nC的超宽范围电荷量校准脉冲的激励信号，最大电荷量误差不大于5%。

b)正弦激励测试回路能够产生10 kHz～50 MHz的正弦激励信号，信号的峰-峰电流值不小于100 mA，频率调节分辨率50 kHz，频率误差不大于0.4%。

c)混合激励测试回路能够产生1 pC～100 nC范围内任意电荷量校准脉冲信号与10 kHz～50 MHz范围内任意频率正弦信号的混合激励信号。