CN103176158B - Gis局部放电uhf检测校验信号注入的方法及装置 - Google Patents

Abstract

GIS局部放电UHF检测校验信号注入的方法及装置，方法：S1将脉冲发生器的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连，脉冲电压上升沿陡度小于或等于0.3ns，误差不超过10%，幅值在0～100V连续可调，调节极差1V，输出阻抗50Ω；S2将发射天线放在盆式绝缘子外表面并朝向GIS内部，天线工作频率0.3～2GHz。装置：包括发射天线：外壳内浇注有相对介电常数为4.0的环氧树脂材料将梯齿形对数周期楔形天线封装，天线呈部分球壳状，线径0.05m-0.34m，阻抗50欧姆。本发明可在GIS设备上仅有一个内置式UHF传感器或仅有外置式UHF传感器的情况下，向GIS设备注入校验信号进行灵敏度校验。

Description

GIS局部放电UHF检测校验信号注入的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种GIS局部放电UHF检测校验信号的注入方法。本发明还涉及所述方法用到的装置。

背景技术

近年来，气体绝缘开关设备（GasInsulatedSwitchgear,以下简称GIS）局部放电特高频（UltraHighFrequency,以下简称UHF）检测技术在我国得到了大力发展和应用。应用UHF检测技术多次发现了GIS内部局部放电缺陷，避免了GIS绝缘故障的发生，为保证电力系统的安全可靠运行做出了重要贡献。因此，我国电力系统将大力推广GIS局部放电UHF检测技术。

在GIS局部放电UHF检测中，需要将UHF传感器安装在GIS设备上，用于接收设备内部局部放电发射出的UHF电磁波信号。UHF检测系统的灵敏度受到传感器性能、传感器安装方式与安装位置、GIS结构等因素的影响。为了保证UHF检测系统的灵敏度和有效性，亟需对安装在GIS设备上的UHF传感器及检测装置进行现场校验。

国际大电网会议的CIGRETF15/33.03.05工作组推荐的现场校验方法逐渐得到了国内外电力科技人员的认可，如图1所示。这种校验方法的操作步骤如下：

（1）如图1所示。在GIS设备上安装2个内置式UHF传感器（Coupler），即：C₁和C₂。在安装C₁的GIS腔体内部设置局部放电缺陷，使其在外施电压的作用下产生5pC（GIS设备合格标准）的局部放电，此时采用C₂和UHF检测设备测量此局部放电发射出的UHF电磁波信号，并记录信号幅值A。

（2）去掉第（1）步中的局部放电缺陷。将脉冲发生器（PulseGenerator,简称PG）与C₁连接，通过C₁向GIS内部发射UHF电磁波信号，采用C₂和UHF检测设备测量，并观察信号幅值B。如图2所示。PG的输出电压幅值连续可调。通过调整PG输出电压可以改变其向GIS内部发射的UHF电磁波强度。当此信号幅值与5pC局部放电发射出的UHF信号幅值相同（B=A）时，记录下此时PG输出电压的幅值V_PG。

（3）在现场开展标定试验，如图3所示。在GIS设备上选择两个传感器，即：C₁和C₂。将脉冲发生器与传感器C₁连接，向GIS腔体内部注入UHF电磁波信号。将UHF检测装置与传感器C₂连接，用于检测UHF信号。将PG输出电压的幅值设置为V_PG，如此向GIS内部注入的信号的强度相当于5pC的局部放电。如果检测装置可检测到明显的信号，则认为C₂可检测到C₁与C₂位置之间的5pC的局部放电。

在上述校验方法中，无论是在实验室测试和现场实验中都需要在GIS设备上安装两个内置式UHF传感器。然而由于UHF检测技术的开发与应用远远滞后于GIS设备的应用。就国内而言，上世纪80年代就开始大量应用GIS设备，而UHF检测技术始于本世纪初。目前绝大多数GIS设备上未安装内置式UHF传感器，而且，在少数GIS新设备上实施内置式UHF检测技术时，每个GIS间隔上只有1个内置式UHF传感器。因此，在GIS设备上仅有一个内置式UHF传感器或者仅有外置式UHF传感器的情况下，采用什么装置如何向GIS设备注入校验信号进行灵敏度校验，这是当前现场校验中亟待解决的技术问题。

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GIS局部放电UHF检测校验信号注入的方法。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供专用于上述方法的GIS局部放电UHF检测校验信号注入的装置。

本发明的方法和装置，可在GIS设备上仅有一个内置式UHF传感器或者仅有外置式UHF传感器的情况下，向GIS设备注入校验信号进行灵敏度校验，且具有UHF电磁波发射效率高、安全可靠、发射的UHF信号与局部放电相似，以及安装维护方便的优点。

解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种GIS局部放电UHF检测校验信号注入的方法，其特征是：包括以下步骤：

S1将脉冲发生器的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连,脉冲发生器达到以下参数：脉冲电压上升沿陡度小于或等于0.3ns，误差不超过10%，脉冲电压幅值在0～100V连续可调，调节极差1V，输出阻抗为50Ω；

S2将发射天线及脉冲发生器放置在GIS设备外部，发射天线的辐射面放置在GIS盆式绝缘子外表面并朝向GIS内部，通过GIS筒体连接法兰之间的盆式绝缘子向GIS内部辐射UHF电磁波信号；

所述的发射天线最大线径R_max、最小线径R_min的计算方法如下：

R_max＝1/2λ_max（1）

R_min＝1/2λ_min（2）

其中：

λ_max＝v/f_min（3）

λ_min＝v/f_max（4）

$v=c\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(5\right)$

λ_max、λ_min为UHF电磁波最大、最小波长，v为UHF电磁波在浇注材料内的传播速度，f_min、f_max为UHF电磁波的最低、最高频率，c（=3×10⁸m/s）为UHF电磁波在真空介质中的传播速度，μr为浇注材料的相对磁导率，ε_r为浇注材料的相对介电常数。

所述的天线工作频率范围是0.3～2GHz。

解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种专用于上述方法的GIS局部放电UHF检测校验信号注入的装置，包括脉冲发生器和发射天线，脉冲发生器的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连,其特征是：所述的发射天线结构为：矩形筒体的外壳内浇注有相对磁导率为1.0、相对介电常数为4.0的环氧树脂材料，环氧树脂材料将梯齿形对数周期楔形天线和馈线一起封装，外壳筒底外设有天线接线端子，梯齿形对数周期楔形天线呈可与GIS盆式绝缘子外表面紧密接触的部分球壳状，天线最大线径为0.34m，最小线径为0.05m，宽度为40mm，输入阻抗为50欧姆。

所述的天线E面和H面的半功率束宽为66度，增益为9.2dB，在工作频率范围内驻波比小于1.45，主瓣最大值在竖直离开顶点的方向上，发射为线极化。

如此天线可大大提高发射效率。

有益效果：

（1）安全可靠性高。将UHF发射天线及脉冲发生器安装在GIS盆式绝缘子的外表面就可以实现向GIS内部发射UHF电磁波信号，采用这种发射方法不需对GIS做任何的改动，不需停电，不影响GIS的正常运行。

（2）UHF电磁波发射效率高：利用线极化天线作为发射天线，与GIS连接法兰之间的极化方式一致，大大降低了UHF通过盆式绝缘子向GIS内部传播过程中的衰减。

（3）发射的UHF信号与局部放电相似：梯齿形对数周期楔形天线作为发射天线，其工作带宽为0.3～2GHz,与GIS局部放电检测频带一致。

（4）本发射传感器及脉冲发生器安装、维护方便，避免了大量安装内置式UHF传感器，可以为电力单位减少大量的物力、财力和人力，提高经济效益，保障电力设备的运行安全。

本发明根据预设计的要求，在GIS设备上进行了测试，效果达到预计，检测效果良好。附图说明

图1为CIGRETF15/33.03.05工作组推荐的GIS局部放电UHF检测仪器现场校验方法示意图之一；

图2为CIGRETF15/33.03.05工作组推荐的GIS局部放电UHF检测仪器现场校验方法示意图之二；

图3为CIGRETF15/33.03.05工作组推荐的GIS局部放电UHF检测仪器现场校验方法示意图之三；

图4为外置式UHF电磁波信号注入方法示意图；

图5为梯齿形对数周期楔形天线最大最小线径示意图；

图6为梯齿形对数周期楔形天线结构剖视示意图；

图7为图6的左视图；

图8为图6的俯视图。

图9为图6的仰视图。

图中：1-发射天线，2-环氧树脂材料，3-天线外壳，4-接线端子，5-馈线，6-GIS壳体，7-盆式绝缘子。

具体实施方式

图1至图3为CIGRETF15/33.03.05工作组推荐的GIS局部放电UHF检测仪器现场校验方法示意图。

参见图4，本发明提出的GIS局部放电UHF检测校验信号注入的方法，其特征是：包括以下步骤：

S1将脉冲发生器PG的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连,脉冲发生器达到以下参数：脉冲电压上升沿陡度小于或等于0.3ns，误差不超过10%，脉冲电压幅值在0～100V连续可调，调节极差1V，输出阻抗为50Ω；

S2将发射天线及脉冲发生器放置在GIS设备外部，发射天线的辐射面放置在GIS盆式绝缘子外表面并朝向GIS内部，通过GIS筒体连接法兰之间的盆式绝缘子向GIS内部辐射UHF电磁波信号；

发射天线最大线径R_max、最小线径R_min的计算方法如下：

R_max＝1/2λ_max（1）

R_min＝1/2λ_min（2）

其中：

λ_max＝v/f_min（3）

λ_min＝v/f_max（4）

$v=c\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(5\right)$

λ_max、λ_min为UHF电磁波最大、最小波长，v为UHF电磁波在浇注材料内的传播速度，f_min、f_max为UHF电磁波的最低、最高频率，c（=3×10⁸m/s）为UHF电磁波在真空介质中的传播速度，μ_r为浇注材料的相对磁导率，ε_r为浇注材料的相对介电常数。

在本方法中：相邻两段GIS金属圆管形腔体之间有盆式绝缘子，该盆式绝缘子为环氧树脂类绝缘材料，GIS腔体连接法兰宽度不小于50mm，两法兰以及盆式绝缘子边缘构成平板波导。发射天线的输入端与脉冲发生器连接，天线发射表面朝向GIS腔体内部，发射天线发射出的UHF电磁波穿过盆式绝缘子到达GIS内部，然后向两端传播。

参见图5、图6、图7、图8和图9，在上述方法中，所用到的GIS局部放电UHF检测校验信号注入的装置，包括脉冲发生器和发射天线，脉冲发生器的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连,发射天线为梯齿形对数周期楔形天线，天线的封装材料采用相对磁导率为1.0、相对介电常数为4.0的环氧树脂材料，天线最大线径为0.34m，最小线径为0.05m，宽度为40mm，输入阻抗为50欧姆；天线呈可与GIS盆式绝缘子外表面紧密接触的部分球壳状，这样可提高发射效率。

本装置操作方便、快捷、发射效率高，可模拟局部放电在GIS设备内部产生的UHF电磁波信号，为外置式和内置式UHF传感器及检测装置的标定提供基准信号源。

连接相邻两段GIS腔体的金属法兰面之间互相平行，构成了平板波导。电磁波通过该结构时，在其内部产生的电场方向垂直于法兰面。为了提高UHF电磁波信号的通过效率，本发明优先选择线极化天线，使其发射出的电磁波的电场方向也垂直于法兰面。

为了更加近似地模拟局部放电发射出的UHF电磁波信号，本发明选择点局部放信号的能量分布范围（0.3～2GHz）作为发射天线的工作频带。

为了进一步提高天线发射效率，减小能量散失，本发明将天线发射表面制作成为部分球壳状，使得天线发射出的信号集中进入GIS腔体内部。

本发明中采用环氧树脂材料浇注天线，其相对磁导率为1.0，相对介电常数为4.0，根据（5）式，电磁波在其内部的传播速度v为：2×10⁸m/s。

下限工作频率f_min为3×10⁸Hz，根据（3）式，最大波长λ_max为：0.67m。

根据（1）式，天线线径R_max为0.34m。

同理，根据（2）、（4）式，天线线径R_min为0.05m。

此外，天线宽度W与绝缘子的厚度相近，取值0.04m。

该天线E面和H面的半功率束宽为66度，增益为9.2dB，在工作频率范围内驻波比小于1.45。主瓣最大值在竖直离开顶点的方向上，发射为线极化。

本发明提出的外置式信号注入方法与发射天线主要用于GIS局部放电UHF检测传感器及检测装置的灵敏度校验，目的在于向GIS内部发射局部放电UHF电磁波信号。通过检测此信号判断安装在GIS设备上的UHF传感器及检测装置的灵敏度是否满足现场需求。

本方法在发射方法、天线选型方面有创新，解决了对外置式UHF传感器或单个内置式UHF传感器的灵敏度校验中存在的无法利用内置式UHF天线向GIS内部发射UHF电磁波信号的问题。降低了UHF电磁波经过盆式绝缘子式的衰减程度。为电力系统节约了大量的物力、财力和人力，杜绝了由于安装内置式UHF传感器造成的安全隐患，提高了电力系统运行的安全可靠性。

Claims (3)

1.一种GIS局部放电UHF检测校验信号注入的方法，其特征是：包括以下步骤：

S1将脉冲发生器的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连,脉冲发生器达到以下参数：脉冲电压上升沿陡度小于或等于0.3ns，误差不超过10％，脉冲电压幅值在0～100V连续可调，调节极差1V，输出阻抗为50Ω；

S2将发射天线及脉冲发生器放置在GIS设备外部，发射天线的辐射面放置在GIS盆式绝缘子外表面并朝向GIS内部，通过GIS筒体连接法兰之间的盆式绝缘子向GIS内部辐射UHF电磁波信号；

所述发射天线的最大线径R_max、最小线径R_min的计算方法如下：

R_max＝1/2λ_max(1)

R_min＝1/2λ_min(2)

其中：

λ_max＝v/f_min(3)

λ_min＝v/f_max4)

$v=c\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}}}---\left(5\right)$

λ_max、λ_min为UHF电磁波最大、最小波长，v为UHF电磁波在浇注材料内的传播速度，f_min、f_max为UHF电磁波的最低、最高频率，c＝3×10⁸m/s为UHF电磁波在真空介质中的传播速度，μ_r为浇注材料的相对磁导率，ε_r为浇注材料的相对介电常数；

所述发射天线的工作频率范围是0.3～2GHz。

2.一种专用于如权利要求1所述方法的GIS局部放电UHF检测校验信号注入的装置，包括脉冲发生器和发射天线，脉冲发生器的脉冲输出端口与发射天线的接线端子相连,其特征是：所述发射天线的结构为：矩形筒体的外壳内浇注有相对磁导率为1.0、相对介电常数为4.0的环氧树脂材料，环氧树脂材料将梯齿形对数周期楔形天线和馈线一起封装，外壳筒底外设有天线接线端子，梯齿形对数周期楔形天线呈可与GIS盆式绝缘子外表面紧密接触的部分球壳状，天线最大线径为0.34m，最小线径为0.05m，宽度为40mm，输入阻抗为50欧姆。

3.根据权利要求2所述的GIS局部放电UHF检测校验信号注入的装置，其特征是：所述发射天线的E面和H面的半功率束宽为66度，增益为9.2dB，在工作频率范围内驻波比小于1.45，主瓣最大值在竖直离开顶点的方向上，发射为线极化。