高频局放传感器性能检测关键点研究与验证

董洪达，刘 赫 ，赵春明，张赛鹏，葛志成，陈捷元，黄 涛

(国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021)

电力设备在运行过程中，由于绝缘劣化造成局部放电，进一步加速绝缘材料劣化过程，降低设备绝缘性能，从而引发设备故障。在绝缘介质中发生局部放电(以下简称局放)时，会产生电磁信号、声信号的变化，以及相应的局部过热和化学产物。对于这些变化，可以采用特高频局放、高频局放、超声波局放、温度监测、油色谱分析以及六氟化硫分解物测试等方法来检测设备中的局放[1]。高频局放检测以其高灵敏度和便携性广泛应用在电缆局放检测中，近年来作为辅助检测手段在变压器局放检测中也有应用。局放检测的准确分析要求高频局放检测方法能够有效获取局放的强度、类型和位置等关键信息，这对高频局放检测仪(尤其是传感器)提出了更高的要求。目前高频局放检测仪的生产厂家较多，传感器的性能水平参差不齐[2-4]，为提高高频局放的检测准确度和可靠性，需要对高频传感器的性能参数进行全方位的检测。

本文通过研究高频传感器的原理和设计方法，梳理出传感器的关键性能参数，依托高频局放仪比对检验平台对高频传感器进行检测，评估不同厂家传感器的性能优劣，对高频局放检测仪的检验提供指导。

1 高频局放传感器工作原理

高频传感器通常采用由罗氏线圈和积分电阻组成的电感型传感器，即在环状磁芯材料上绕制多匝线圈。测试时将高频局放传感器布置在电缆或变压器接地线上，当设备内部有局放发生时，由于设备经接地线与大地组成回路，局放产生的脉冲电流会通过接地线，进而在高频传感器上产生感应电压，经过积分电阻得到电流。通过分析电流的信号特征来判断设备内部局放的类型和强度[5-6]。高频局放传感器的等效电路见图1。

图1 高频局放传感器等效电路

由图1可知，传感器可分为一次线圈和二次线圈，图中M、L、R1、C为高频传感器的互感、自感、内阻和杂散电容，R2为积分电阻，E为电势，U为电压，I为电流。对于传感器一、二次线圈而言，根据法拉第电磁感应定律，可得出式(1)、(2)。

(1)

(2)

对式(1)、(2)进行拉氏变换，得到传感器的传递函数即幅频响应H(s):

(3)

由于高频局放传感器的等效电路接近高频小信号并联谐振回路，利用高频小信号并联谐振回路理论可得出传感器的上、下限频率fH、fL为：

(4)

(5)

对于高频传感器而言，传输阻抗(幅频响应)和频带宽度是关注的关键参数，传输阻抗反映传感器的信号耦合能力，频带宽度反映传感器的频率测试范围，为提高检测的准确性，传输阻抗和频带宽度应尽可能大[7-8]。高频局放传感器的内阻R1通常较小，由式(3)～(5)可知，传感器的性能参数主要由线圈的自感L和积分电阻R2决定。对于电感线圈，自感主要由磁导率和线圈匝数决定，在选用合适的磁芯材料时，线圈匝数决定自感大小。通过减小线圈匝数、增大积分电阻可以增大传感器的传输阻抗，但会减小传感器的频带宽度。由此可知，传感器的传输阻抗和频带宽度在参数调整上相互矛盾，若提高传感器的性能，需要选择合适的设计参数来兼顾传输阻抗和频带宽度，因此在对传感器进行检验时，应对二者重点关注。

2 高频局放传感器比对检验平台

目前高频局放传感器比对检验平台主要由任意波形发生器、匹配电阻R0和示波器组成，检测原理见图2。将任意波形发生器作为信号源，经由同轴电缆在回路中串入50 Ω的匹配电阻和高频局放传感器，示波器测量匹配电阻和传感器的信号。其中，信号源输出正弦波，匹配电阻为无感电阻。通过该平台检验高频局放传感器的传输阻抗和频带宽度。

图2 比对检验平台检测原理

a.传输阻抗测试方法。将被测传感器串入检测回路中，通过信号源输出峰峰值为1 V的正弦波，将输出信号的频率设置为10 MHz，利用示波器CH2通道测得的电压信号V2与匹配电阻R0得到回路电流I，再将示波器CH1通道测得的电压信号V1与电流I之比，求得传输阻抗。

b.频带宽度测试方法。接线方式和信号源输出幅值与传输阻抗测试保持一致，利用平台的自动扫频功能，将输出信号的频率在100 kHz～100 MHz进行扫频，记录各频率点下传感器输出的电压幅值，当被测传感器的输出幅值由最大值下降到0.501额定幅值时(将单位换算成dB时，输出幅值下降6 dB)，得出被测传感器的上、下截止频率，从而求得被测传感器的频带宽度。

3 高频局放传感器性能测试

为充分评估目前各厂家高频局放传感器的性能，本文选取国内常用的6个厂家的主流传感器作为研究对象，分析比较各传感器的性能参数，试验传感器的厂家信息以A1～A6代替。

按照高频传感器的比对方法对各传感器进行检测，得到传感器的传输阻抗和频带宽度结果见表1，高频局放传感器频带宽度曲线见图3。依据Q/GDW 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》中对相关参数的要求，传输阻抗应大于5 mV/mA，传感器最大输出值对应的频率应位于3～30 MHz，且带宽不应小于2 MHz。由表1可知，仅A1、A6厂家的传感器符合要求，其他厂家传感器的传输阻抗均小于标准值；频带宽度除A3厂家的传感器不符合要求外，其余均符合要求。

表1 试验传感器比对检测结果

高频局放传感器频带宽度曲线见图3。

图3 高频局放传感器频带宽度曲线

由图3可知，在信号源输出幅值保持不变的情况下，随着频率从100 kHz～100 MHz逐渐增大，A1厂家的传感器的响应值逐渐增大至最大值后，缓慢减小，在60 MHz以上有所波动，由于高频局放的检测频率通常在3～30 MHz，因此A1厂家的传感器的波动并未对其可靠性造成影响；A2、A4厂家的传感器的响应值趋势与A1类似，但响应值偏低，造成二者传输阻抗不符合要求；A3厂家的传感器的响应最大值超出了高频局放的检测频率；A5厂家的传感器的响应值过低，造成其传输阻抗不符合要求；A6厂家的传感器虽然传输阻抗和频带宽度都符合要求，但在0.1～0.2 kHz，传感器的响应值存在陡升过程，在0.2 kHz～6 MHz存在陡降过程，对其可靠性造成影响。由此可见，在被测的A1～A6厂家的传感器中，A1厂家的传感器的综合性能符合要求。

综上所述，针对高频局放传感器的性能检测关键考核点，应重点关注传输阻抗和频带宽度两个关键参数，并且应着重分析传感器频带响应曲线变化趋势，进而对传感器的性能进行全面考量，筛选出综合性能优秀的高频局放传感器。

4 结论

本文梳理出了高频局放传感器的关键性能参数，利用比对检验平台，对多个厂家主流传感器进行了检测，从中得出了高频局放传感器性能检测关键考核点，既应关注传输阻抗和频带宽度两个关键参数，又需着重分析高频局放传感器频带响应曲线变化趋势，以此评估其综合性能，为高频局放检测仪的检验提供了指导。