CN102866375B - 一种局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统：包括依次以导线连接的GTEM传输小室、标准脉冲发生器、测控计算机和高速宽带示波器，所述的高速宽带示波器还另有分路信号至GTEM传输小室，所述的GTEM传输小室顶上开有专用测试窗口，放置有参考传感器和被测传感器，所述的参考传感器和被测传感器分别与所述的高速宽带示波器连接。本发明还包括采用所述系统的标定方法。本发明的局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统及方法，具有宽频带特性，低造价，既可用于电磁辐射敏感度试验，又可用于电磁辐射试验，而且所用仪器配置简单、成本便宜，可用于快速和自动测试。

Description

一种局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统及方法

技术领域

本发明涉及一种采用GTEM小室、对适用于电力变压器和气体绝缘组合开关设备（GIS）局部放电在线检测技术领域的特高频（UHF）局部放电检测设备（传感器、检测系统）进行标定的系统。本发明还涉及采用所述系统的局部放电特高频检测设备接收性能的标定方法。

背景技术

以GIS为例进行说明。近年来，GIS局部放电在线监测系统在电网中的应用日益广泛，已经形成一定规模。主要的测试原理包括特高频法（英文简称UHF），检测频带在300MHz～1500MHz之间，其具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点，而且这种非接触式的测量方式对于二次设备和检测人员而言都更安全，系统结构简单，特别适合于在线监测，因而较之于其它检测方法具有明显的优势。近年来全国各地通过特高频在线监测和带电测试发现了大量GIS内部缺陷案例，成为目前GIS在线检测领域最重要的检测手段。

总结近年来国网和南网GIS局放在线监测系统运行经验，发现当前存在的影响局部放电特高频技术推广应用的关键瓶颈问题之一，就是检测系统规范化和标准化评价的问题。

目前IEC、CIGRE都没有发布特高频法的灵敏度校核标准。UHF局部放电检测技术检测的是特高频频段的电磁波信号，由于每次放电辐射出的电磁波频谱分布不完全一致，而且特高频在腔体内部传播过程中会有一定程度的衰减，因此，所检测到的UHF信号与传统的脉冲电流法的检测结果难以良好的对应，尤其是在幅值上没有确定的比例关系。对特高频检测系统的灵敏度无法用统一的单位、数值进行衡量。各供货商对灵敏度的承诺有所差异，由此导致用户单位的准入质量检验手段不完善。全国各地对此类产品的统一要求中仅限于机械、绝缘以及电磁兼容等常规性试验内容，而最关键的表征装置核心性能的传感器特性、检测系统灵敏度等却缺乏统一、科学和有效的检验评价方法，处于一个空白状态。

常规的传感器标定多采用扫频法，这也是计量领域采用的标准化方法。由于局部放电产生的UHF信号为瞬态脉冲型式，扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态信号的接收能力，而且局部放电UHF信号有高达数GHz的丰富频谱分量，扫频测量系统所必需的微波暗室造价高达数百万元，成本极其高昂。因此，采用经典的扫频标定方法应用于局部放电特高频检测传感器和检测系统的标定既不经济，也不科学。

采用GTEM（吉赫兹横电磁波）进行电磁测试是近年来国际电磁领域发展的一项新技术。由于GTEM的宽频带特性（从直流到微波），低造价（只相当电波暗室造价的百分之几），既可用于电磁辐射敏感度试验（EMS试验，也称抗扰度试验），又可用于电磁辐射试验（EMI试验），而且所用仪器配置简单、成本便宜，可用于快速和自动测试的特点，所以越来越受到国际和国内有关人士的重视。目前在射频测试中GTEM小室对小体积设备应用测试结果的一致性已为很多检测机构认同，使其成为性能价格比最佳的测试方案。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种基于GTEM传输小室、对适用于GIS局部放电在线检测技术领域的特高频（UHF）局部放电检测设备（传感器、检测系统）进行标定的系统。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供采用上述系统的基于GTEM传输小室、对适用于GIS局部放电在线检测技术领域的特高频（UHF）局部放电检测设备（传感器、检测系统）进行标定的脉冲时域参考法。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统，其特征是：包括依次以导线连接的GTEM传输小室、标准脉冲发生器、测控计算机和高速宽带示波器，所述的高速宽带示波器还另有分路信号至GTEM传输小室，所述的GTEM传输小室顶上开有专用测试窗口，放置有参考传感器和被测传感器，所述的参考传感器和被测传感器分别与所述的高速宽带示波器连接。

所述的参考传感器为短单极探针天线。

标定系统原理

标准脉冲发生器产生一定占空比脉冲电压信号，该信号传到GTEM小室的输入端并在其内部产生电场E_i(t)，传感器耦合的输出信号u_o(t)可通过高速宽带示波器捕获。

被测传感器的接收特性可由其输出的电压与入射电场的比值来表示，

$H_{\mathrm{sens}}\left(f\right)=\frac{U_O\left(f\right)}{E_i\left(f\right)}---\left(1\right)$

其中U_o为u_o(t)的FFT变换，E_i为E_i(t)的FFT变换，H_sens的量纲为mm，故此称为等效高度。

传感器的等效高度表征了它在不同频率下接收或辐射信号的能力，等效高度越高，则表明对于同样强度的入射电磁波，其输出的电平越大，即耦合能力越强。

目前，GTEM小室内某一位置的电场E_i(t)难以精确测定，本发明采用参考法计算待测传感器的幅频特性，即通过传递特性已知的参考天线对待测传感器进行标定。如图2所示。

设标准脉冲发生器注入至GTEM小室的信号为V_i，GTEM小室的传递函数H_cell，参考天线传感器的传递函数H_ref，则参考传感器的响应信号为U_or，标定系统的传递特性H_sys，

则待测传感器的传递函数特性为：

$H_{\mathrm{sens}}=\frac{U_{\mathrm{Os}}}{E_I}=\frac{U_{\mathrm{MS}}}{H_{\mathrm{sys}}{E}_I}---\left(2\right)$

这里不用标定入射电场，而是首先记录参考探针对于入射场E_I的响应V_Mr，然后将待测传感器安装到暂态测量小室内，测量其输出V_Ms，那么入射电场可以表示为

$E_I=\frac{U_{\mathrm{Mr}}}{H_{\mathrm{sys}}{H}_{\mathrm{ref}}}---\left(3\right)$

将（2）式带入（1）即可得被测传感器的频率响应：

$H_{\mathrm{sens}}=\frac{U_{\mathrm{Ms}}}{U_{\mathrm{Mr}}}{H}_{\mathrm{ref}}---\left(4\right)$

由（4）式知，通过参考传感器的传递函数H_ref，参考传感器和被测传感器对于注入脉冲信号的电压响应，即可求得待测传感器的传递函数特性。

参考法的好处之一在于不必要求知道测量设备的频域响应H_sys，因为其对于所有测量的影响都是一样的，并且在取比值时被约掉了。而且，这种测量技术对于入射波E_I的波形畸变也不敏感，因为其作用对于两种方式测量信号的影响都是相同的。

2、GTEM小室

GTEM小室的作用是提供一个终端匹配的、能屏蔽外部干扰的电磁波传输环境，其工作频带应覆盖特高频或被测传感器的工作频带。

3、标准信号源

对标准脉冲源的要求是：产生的脉冲具有足够宽的频谱分布，能够有效的覆盖特高频或关注的射频频率范围；脉冲源内阻与GTEM小室的阻抗匹配；脉冲占空比至少应保证连续两次脉冲信号之间的时间间隔足够大，使得被测传感器耦合的前后两次电磁波信号不发生波形重叠；脉冲幅值稳定可控，输出信号的不稳定度不超过1%。

4、参考传感器的选择

参考传感器需要具备如下特性：（1）、接收特性已知；（2）检测频带覆盖被标定传感器的工作频带；（3）对被测电场影响小。

这里参考传感器我们选择短单极探针天线。短单极探针尺寸小，对被测电场影响小；而且短单极探针在接收瞬变场信号时具有不失真检测的特点；特别是因其结构简单，其理论接收特性研究得比较透彻，并建立起了精确的数学模型，因此适合作为局放检测传感器的参考天线传感器。

5、平均等效高度

为了表征被测传感器在宽频带内的接收特性，这里定义了在测量频率（f₁,f₂）内的平均等效高度，即在规定的测试频带内，在各频率点等效高度的累计平均值，具体表示为

这里N为参与计算的频率采样点数。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种局部放电特高频检测设备接收性能的标定方法，包括以下步骤：

S1首先测试并记录参考传感器-短单极探针天线对于入射场E_I的响应V_Mr；

S2然后将待测传感器安装到GTEM传输小室顶上开有专用测试窗口，测量其输出V_Ms；

S3被测传感器的频率响应：

$H_{\mathrm{sens}}=\frac{U_{\mathrm{Ms}}}{U_{\mathrm{Mr}}}{H}_{\mathrm{ref}}$

S4在测量频率（f₁,f₂）内选取频率采样点数N，重复步骤S2和S3共N次，得各频率点得等效高度；

S5被测传感器在宽频带内的接收特性，这里定义了在测量频率（f₁,f₂）内的平均等效高度，即在规定的测试频带内，在各频率点等效高度的累计平均值，具体表示为

$H_{\mathrm{mean}}=\frac{\underset{f_1}{\overset{f_2}{\mathrm{\Σ}}}H\left(f\right)}{N}---\left(5\right)$

这里N为参与计算的频率采样点数。

有益效果：本发明的局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统及方法，具有宽频带特性（从直流到微波），低造价（只相当电波暗室造价的百分之几），既可用于电磁辐射敏感度试验（EMS试验，也称抗扰度试验），又可用于电磁辐射试验（EMI试验），而且所用仪器配置简单、成本便宜，可用于快速和自动测试。目前在射频测试中GTEM小室对小体积设备应用测试结果的一致性已为很多检测机构认同，使其成为性能价格比最佳的测试方案。

附图说明

图1为本发明的局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统示意图；

图2为计算测量小室、传感器及测量系统的传递函数示意图，其中：a用标准参考探针进行初测；b对未知传感器特性的测试。

具体实施方法

如图1所示，本发明的局部放电特高频检测设备接收性能的标定系统实施例，包括依次以导线连接的GTEM传输小室、标准脉冲发生器、测控计算机和高速宽带示波器，高速宽带示波器还另有分路信号至GTEM传输小室，GTEM传输小室顶上开有专用测试窗口，放置有参考传感器和被测传感器，参考传感器和被测传感器分别与高速宽带示波器连接，本实施例的参考传感器为短单极探针天线。

如图2所示，采用上述系统进行局部放电特高频检测设备接收性能的标定方法，包括以下步骤：

S1首先测试并记录参考传感器-短单极探针天线对于入射场E_I的响应V_Mr；

S2然后将待测传感器安装到GTEM传输小室顶上开有专用测试窗口，测量其输出V_Ms；

S3被测传感器的频率响应：

$H_{\mathrm{sens}}=\frac{U_{\mathrm{Ms}}}{U_{\mathrm{Mr}}}{H}_{\mathrm{ref}}$

S4在测量频率（f₁,f₂）内选取频率采样点数N，重复步骤S2和S3共N次，得各频率点得等效高度；

S5被测传感器在宽频带内的接收特性，这里定义了在测量频率（f₁,f₂）内的平均等效高度，即在规定的测试频带内，在各频率点等效高度的累计平均值，具体表示为

$H_{\mathrm{mean}}=\frac{\underset{f_1}{\overset{f_2}{\mathrm{\Σ}}}H\left(f\right)}{N}---\left(5\right)$

这里N为参与计算的频率采样点数。

其中：

待测传感器的安装

传统的GTEM小室的用法是将待测物放置于GTEM小室的内部，利用其封闭的环境进行测量。本发明考虑到传感器的应用环境条件，在GTEM小室的顶部开了一个专用测试窗口，待测传感器放置于测试窗口以接受传播出来的电磁波。

（2）、试验记录信号

确定接好所有电缆和设备后，给系统供电，将模拟信号源的输出信号接入GTEM小室中，设置示波器为触发工作方式，同步记录传感器输出信号，并上传至计算机中进行处理。

（3）、传感器等效高度测试

高速宽带示波器记录的数据上传至计算机后，通过本发明提出的测试原理计算出待测传感器的频响曲线和平均等效高度。

Claims (1)

1.一种局部放电特高频检测设备接收性能的标定方法，标定方法中用到的局部放电特高频检测设备接收性能系统包括： 

依次以导线连接的GTEM传输小室、标准脉冲发生器、测控计算机和高速宽带示波器，所述的高速宽带示波器还另有分路信号至GTEM传输小室，所述的GTEM传输小室顶上开有专用测试窗口，放置有参考传感器和被测传感器，所述的参考传感器和被测传感器分别与所述的高速宽带示波器连接； 

所述的检测设备指适用于电力变压器和气体绝缘组合开关设备的局部放电特高频传感器； 

所述的接收性能指适用于电力变压器和气体绝缘组合开关设备的特高频传感器的频率响应和平均等效高度； 

所述的方法包括以下步骤： 

S1首先测试并记录参考传感器在GTEM小室测试窗位置处的电场E_I的时域响应V_Mr； 

S2然后将被测传感器安装到GTEM传输小室顶上开有的专用测试窗口，测量其输出V_Ms； 

S3被测传感器的频率响应： 

其中，U_Ms为被测传感器时域响应V_Ms的FFT变化；U_Mr为参考传感器时域响应V_Mr的FFT变化；对传感器来说：H_ref为参考传感器的传递函数，也即频率响应或等效高度；H_sens为被测传感器的传递函数，也即在宽带内的频率响应或等效高度； 

S4在测量频率(f₁,f₂)内选取频率采样点数N，重复步骤S2和S3共N次，得各频率点的等效高度； 

S5被测传感器在宽频带内的接收特性，这里定义了在测量频率(f₁,f₂)内的平均等效高度，即在规定的测试频带内，在各频率点等效高度的累计平均值，具体表示为 

这里N为参与计算的频率采样点数。