CN103207377A - 局部放电特高频检测装置的标定系统和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力变压器和气体绝缘组合开关设备局部放电在线检测技术领域中的一种局部放电特高频检测装置的标定系统和标定方法。该标定系统包括标准天线、标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置，标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置顺序相连，待测局部放电特高频检测装置包括用于采集电压信号的传感器，标定系统还包括同轴腔体；同轴腔体由同轴的1个外圆柱体、1个内圆柱体、2个外圆锥体和2个内圆锥体组成，外圆柱体的中部开有测试窗；本发明还提供了利用该标定系统进行标定的方法。本发明使用匹配的同轴腔体替代GTEM小室对局部放电特高频检测装置进行标定，其结构简单并且实施方便。

Description

局部放电特高频检测装置的标定系统和标定方法

技术领域

本发明属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，尤其涉及一种局部放电特高频检测装置的标定系统和标定方法。

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。

常规的射频测试系统标定多采用扫频法，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。由于利用GTEM小室构造出模拟GIS腔体电场环境，采用的是参考测量法对待测系统进行检测，从理论上来说，只要测试环境能做到阻抗匹配、屏蔽外界干扰，电磁波的传播不发生折反射即可。因此，设计了一种匹配的同轴腔体替代GTEM小室作为测试背景环境，实现对UHF检测系统进行评价，而且同轴腔体的造价和结构相对于GTEM小室更为廉价和简单。

灵敏度和检测系统动态范围是局部放电检测装置的重要前提和核心指标之一，本发明的重点即在于提出了一种应用脉冲时域测量的UHF局部放电检测装置灵敏度和有效信号检测范围的量化标定评价系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种局部放电特高频检测装置的标定系统和标定方法，用于解决现有局部放电特高频检测装置的结构及其检测方法存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种局部放电特高频检测装置的标定系统包括标准天线、标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置，所述标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置顺序相连，所述待测局部放电特高频检测装置包括用于采集电压信号的传感器，其特征在于所述标定系统还包括同轴腔体；

所述同轴腔体由同轴的1个外圆柱体、1个内圆柱体、2个外圆锥体和2个内圆锥体组成，所述外圆柱体的底面周长和外圆锥体的底面周长相等，所述内圆柱体的底面周长和内圆锥体的底面周长相等，所述外圆柱体和内圆柱体的高相等，所述外圆锥体和内圆锥体的高相等；

所述2个外圆锥体分别扣合在外圆柱体的两个底面上形成外腔体，所述2个内圆锥体分别扣合在内圆柱体的两个底面上形成内腔体；外腔体的两个顶点分别与内腔体的两个顶点重合；

所述外圆柱体的中部开有测试窗；

所述同轴腔体的一个顶点用于接收标准脉冲源发出的输出电压。

所述同轴腔体的另一个顶点安装匹配电阻。

所述同轴腔体的内圆柱体和外圆柱体之间放置用于支撑内圆柱体的绝缘圆环，绝缘圆环的内环套在内圆柱体外壁，绝缘圆环的外环紧贴外圆柱体内壁。

所述同轴腔体的外圆柱体底面直径和同轴腔体的内圆柱体的底面直径的直径比为

其中，D为同轴腔体的外圆柱体的底面直径，d为同轴腔体的内圆柱体的底面直径，Z₀为第一设定特征阻抗，ε₀为真空介电常数。

所述同轴腔体的内圆锥体/外圆锥体的高满足公式

其中，

Z为第二设定特征阻抗，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，R为同轴腔体的外圆锥体的底面半径，r为同轴腔体的内圆锥体的底面半径，l为同轴腔体的内圆锥体/外圆锥体的高。

一种局部放电特高频检测装置的标定方法，其特征是所述标定方法包括：

步骤1：开启标准脉冲源，利用标准天线测量标准脉冲源不同输出电压下同轴腔体的测试窗处的场强，而后关闭标准脉冲源；

步骤2：将传感器放置在同轴腔体的测试窗处，并将传感器与待测局部放电特高频检测装置相连；

步骤3：开启标准脉冲源，逐步减小标准脉冲源的输出电压，直至待测局部放电特高频检测装置检测不到标准脉冲源的输出电压，此时同轴腔体的测试窗处的场强即为待测局部放电特高频检测装置的灵敏度；

步骤4：逐步增加标准脉冲源的输出电压，直至待测局部放电特高频检测装置检测到的标准脉冲源的输出电压不再增加，即待测局部放电特高频检测装置检测到的标准脉冲源的输出电压饱和，此时同轴腔体的测试窗处的场强即为待测局部放电特高频检测装置的饱和值。

所述待测局部放电特高频检测装置检测不到标准脉冲源的输出电压是指待测局部放电特高频检测装置检测到的输出信号的信噪比VSWR＜2。

本发明使用匹配的同轴腔体替代GTEM小室对局部放电特高频检测装置进行标定，其结构简单并且实施方便。

附图说明

图1是局部放电特高频检测装置的标定系统结构图；

图2是同轴腔体构成的同轴波导系统示意图；

图3是同轴腔体的内圆锥体和外圆锥体结构图；

图4是一端装有匹配电阻的同轴腔体结构图；

图5是标准脉冲源输出波形图；

图中，1-同轴腔体，2-测试窗，3-传感器，4-绝缘圆环，5-匹配电阻，6-N型头。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是局部放电特高频检测装置的标定系统结构图。如图1所示，本发明提供的局部放电特高频检测装置的标定系统包括标准天线、标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置。其中，标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置顺序相连，待测局部放电特高频检测装置包括用于采集电压信号的传感器3。测控计算机用于控制标准脉冲源发出输出电压，还用于接收待测局部放电特高频检测装置发出的输出电压，并根据输出电压对待测局部放电特高频检测装置进行标定。标准脉冲源用于向同轴腔体发出输出电压。

该标定系统还包括同轴腔体1，同轴腔体1由同轴的1个外圆柱体、1个内圆柱体、2个外圆锥体和2个内圆锥体组成。外圆柱体的底面周长和外圆锥体的底面周长相等，内圆柱体的底面周长和内圆锥体的底面周长相等，外圆柱体和内圆柱体的高相等，外圆锥体和内圆锥体的高相等。2个外圆锥体分别扣合在外圆柱体的两个底面上形成外腔体，2个内圆锥体分别扣合在内圆柱体的两个底面上形成内腔体；外腔体的两个顶点分别与内腔体的两个顶点重合。同轴腔体的一个顶点用于接收标准脉冲源发出的输出电压。内圆柱体和两个内圆锥体可以通过在内圆柱体的两端留有的螺纹拧上，外圆柱体和2个外圆锥体是在两者交接的地方向外焊接出一圈法兰连接上。

外圆柱体的中部开有测试窗，用于放置标准天线和传感器3。待测局部放电特高频检测装置用于检测同轴腔体1的测试窗2处的电压信号并发送至测控计算机。

在本发明中，同轴腔体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待测局部放电特高频检测装置的工作频带。同轴腔体的外圆柱体和外圆锥体是由钢制材料制成的，同轴腔体的内圆柱体和内圆锥体是由铝制材料制成的。根据GIS的结构特点，可将同轴腔体的内圆柱体和外圆柱体视为由两个同轴导体构成的同轴波导系统，如图2所示。

同轴波导系统中，对于TEM波，系数k_c=0，截止波长λ_c=∞，第一特征阻抗为：

$Z_0=\frac{U}{I}=\frac{\mathrm{\η}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{D}{d}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0}}\ln \frac{D}{d}---\left(1\right)$

式中ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.86×10^-12F/m，D为同轴腔体的外径，也即外圆柱体的底面的直径，d为同轴腔体的内径，也即内圆柱体的底面的直径。因此，同轴腔体的外圆柱体底面直径和同轴腔体的内圆柱体的底面直径的直径比为 $\frac{D}{d}={\left(\frac{Z_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0}}{60}\right)}^e.$

对于TM波，同轴波导TM_min模的截止波长为

${\mathrm{\λ}}_c\left({\mathrm{TM}}_{\min }\right)\≈\frac{D-d}{n}---\left(2\right)$

对于TE波，同轴波导TE_min模的截止波长为

${\mathrm{\λ}}_c\left({\mathrm{TM}}_{m1}\right)\≈\frac{\mathrm{\π}}{2m}(D+d)---\left(3\right)$

公式（2）和（3）中，D为同轴腔体的外径，d为同轴腔体的内径，n＝1,2,3,...，m＝1,2,3,...。

由上述分析可得，任意频率的TEM波都可以在同轴波导系统内传播，而TE和TEM波各自存在截止频率，只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波导系统中传播，且二者的截止频率f取决于同轴波导系统的尺寸和传输媒质。

待测局部放电特高频信号在GIS腔内传播时会发生谐振，为了模拟构建电磁波在GIS腔内传播的环境，并尽量消除折反射及谐振，本发明在同轴波导系统两端加锥形匹配端（即两端各加装1个内圆锥体和外圆锥体），形成了同轴腔体。

对于高为l的同轴波导锥形匹配端，如图3所示，第二特征阻抗为：

$Z=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}\ln \frac{\tan ({\mathrm{\θ}}_1/2)}{\tan ({\mathrm{\θ}}_2/2)}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}\ln \frac{R}{r}\frac{l+\sqrt{r^2+l^2}}{l+\sqrt{R^2+l^2}}---\left(4\right)$

公式（4）中，ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.86×10^-12F/m；μ₀为真空磁导率，μ₀＝8.85×10^-12F/m，θ₁和θ₂分别为外圆锥体和内圆锥体的半角。R是外圆锥体的底面半径，R＝D/2；r是内圆锥体的底面半径，r＝d/2，l是内圆锥体/外圆锥体的高。因此，内圆锥体/外圆锥体的高l满足

且

根据真实的GIS腔体尺寸和50Ω的匹配要求，即公式（2）和（4）的第一特征阻抗和第二特征阻抗，可以设定Z₀＝Z＝50Ω。根据最终设定的第一特征阻抗和第二特征阻抗，可以确定同轴腔体的外圆柱体底面直径D和同轴腔体的内圆柱体的底面直径d，还可以确定内圆锥体/外圆锥体的高l。由于同轴腔体的一个顶点用于接收标准脉冲源发出的输出电压，为了减少反射，可以如图4所示，在同轴腔体的另一个顶点安装50Ω匹配电阻5。为了增加接收脉冲信号的效果，可以在同轴腔体用于接收输出电压的顶点加装N型头6。

为了支撑内圆柱体并不影响电磁波的传播，可以如图4那样，在同轴腔体内放置绝缘圆环，绝缘圆环的内环套在内圆柱体外壁，绝缘圆环的外环紧贴外圆柱体内壁。绝缘圆环使用环氧树脂材料制成。

本发明还提供了一种局部放电特高频检测装置的标定方法，通过标准脉冲源产生一定占空比脉冲电压信号u_i(t)，该信号连接到同轴腔体的输入端并在其内部产生电场E_i(t)，局部放电特高频检测装置输出信号S(t)，当从S(t)波形图上能够明显的分辨出注入的脉冲标定信号时，认为局部放电特高频检测装置能够测量相应情况下的入射场E_i(t)，这里以S(t)的信噪比VSWR≥2为局部放电特高频检测装置能否明显分辨输出信号的标准。

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；脉冲源内阻与同轴腔体的阻抗匹配；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，使得待测局部放电特高频检测装置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%。

以实际操作中选用的一种标准脉冲源为例进行说明，其规格参数如下：

（1）标准脉冲波形为双指数充放电波形；

（2）波形输出幅度稳定：2V～100V可调，幅值误差不超过±5%；

（3）发生器输出阻抗50Ω；

（4）脉冲上升沿≤1000ps,半波宽度不大于3ns，实测波形如图5所示。

以上只是对标准脉冲源要求的一个实例化，标准脉冲源具体的参数在满足以上要求的情况下做相应的调整。

传统的脉冲电流法测量局部放电的视在放电量（pC)，而UHF检测法检测的是局部放电产生的电磁波信号，信号强度受放电通道长度、放电过程快慢、放电源与检测传感器的相对位置、传播路径等各种不确定因素影响，无法与放电量对应。目前，各种局放UHF检测设备提供的检测值的单位有mV、dB、dBm等，缺乏统一的单位，不利于做对比评价。

从特高频局部放电检测的原理来看，特高频传感器耦合的是由局部放电辐射出的脉冲电磁波信号。因此，本发明提出如下局部放电特高频检测装置灵敏度的定义：在一定的环境背景噪声条件下，局部放电特高频检测装置所能分辨的最小脉冲电场强度峰值为其灵敏度。

基于上述分析，本发明提出的一种局部放电特高频检测装置的标定方法包括如下步骤：

步骤1：开启标准脉冲源，利用标准天线测量标准脉冲源不同输出电压下同轴腔体的测试窗处的场强，而后关闭标准脉冲源。

根据局部放电特高频检测装置灵敏度定义，在同样的测试环境条件下，局部放电特高频检测装置所能分辨出的脉冲场强峰值越小，则表明局部放电特高频检测装置越能有效的检测微弱的局放信号，即其自身的信噪比和灵敏度均越优越。因此，为了更加方便直观的评价局部放电特高频检测装置的灵敏度，首先要对标定系统进行标定。

本发明利用标准天线对同轴腔体内的电场强度进行标定。设E(t)为同轴腔体内标准天线所在位置处的场强，u(t)为标准天线输出的电压信号。标准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，即可得到标准天线的传递函数H(f)：

$H\left(f\right)=\frac{U\left(f\right)}{E\left(f\right)}---\left(5\right)$

式中，U(f)为输出电压u(t)的FFT变换，E(f)为入射电场E(t)的FFT变换，H(f)即为标准天线的传递函数，该函数反映了标准天线的接收能力。由于电压的单位为V，电场单位为V/mm，所以H(f)的量纲为mm，故此也可称其为频域有效高度。

对标准脉冲源在其有效输出范围内各输出电压下同轴腔体内的场强进行标定，建立标准脉冲源输出电压与同轴腔体检测点场强的映射关系，具体可通过公式(6)由标准天线的输出U_o来反推。

$E_i=\frac{U_o}{H_{\mathrm{ref}}}---\left(6\right)$

式（6）中，U_o是标准天线的输出电压u_o(t)的FFT变换值，H_ref为标准天线的频响曲线（由标准天线的生产厂家给出），由E_i即可求得入射场的时域波形E_i(t)。

步骤2：将传感器放置在同轴腔体的测试窗处，并将传感器与待测局部放电特高频检测装置相连。

步骤3：开启标准脉冲源，逐步减小标准脉冲源的输出电压，直至待测局部放电特高频检测装置检测不到标准脉冲源的输出电压，此时同轴腔体的测试窗处的场强即为待测局部放电特高频检测装置的灵敏度。

由于在本实施例中以输出信号S(t)的信噪比VSWR≥2作为能否明显分辨输出信号的标准，因此当待测局部放电特高频检测装置检测到的输出信号S(t)的信噪比VSWR＜2时，认为待测局部放电特高频检测装置检测不到标准脉冲源的输出电压。根据公式（6），可以计算出此时同轴腔体的测试窗处的场强，该结果为待测局部放电特高频检测装置的灵敏度。

步骤4：逐步增加标准脉冲源的输出电压，直至待测局部放电特高频检测装置检测到的标准脉冲源的输出电压不再增加，即待测局部放电特高频检测装置检测到的标准脉冲源的输出电压饱和，此时同轴腔体的测试窗处的场强即为待测局部放电特高频检测装置的饱和值。

局部放电特高频检测装置最大可检测信号反映了其接收UHF信号强度的上限，超出该水平的信号将导致检测系统发生饱和，从而无法反映出信号的实际强度，进而导致对放电故障的诊断失败。

局部放电特高频检测装置最大可检测信号以其最大饱和场强峰值来表征：在一定的环境条件下，局部放电特高频检测装置所能反映的最大脉冲场强峰值，为标准脉冲源输出电压增大至某一值，局部放电特高频检测装置检测到的信号达到饱和，此时同轴腔体的测试窗处的场强为其最大脉冲场强峰值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种局部放电特高频检测装置的标定系统，包括标准天线、标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置，所述标准脉冲源、测控计算机和待测局部放电特高频检测装置顺序相连，所述待测局部放电特高频检测装置包括用于采集电压信号的传感器，其特征在于所述标定系统还包括同轴腔体；

所述同轴腔体由同轴的1个外圆柱体、1个内圆柱体、2个外圆锥体和2个内圆锥体组成，所述外圆柱体的底面周长和外圆锥体的底面周长相等，所述内圆柱体的底面周长和内圆锥体的底面周长相等，所述外圆柱体和内圆柱体的高相等，所述外圆锥体和内圆锥体的高相等；

所述2个外圆锥体分别扣合在外圆柱体的两个底面上形成外腔体，所述2个内圆锥体分别扣合在内圆柱体的两个底面上形成内腔体；外腔体的两个顶点分别与内腔体的两个顶点重合；

所述外圆柱体的中部开有测试窗；

所述同轴腔体的一个顶点用于接收标准脉冲源发出的输出电压。

2.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于所述同轴腔体的另一个顶点安装匹配电阻。

3.根据权利要求1或2所述的标定系统，其特征在于所述同轴腔体的内圆柱体和外圆柱体之间放置用于支撑内圆柱体的绝缘圆环，绝缘圆环的内环套在内圆柱体外壁，绝缘圆环的外环紧贴外圆柱体内壁。

4.根据权利要求3所述的标定系统，其特征在于所述同轴腔体的外圆柱体底面直径和同轴腔体的内圆柱体的底面直径的直径比为

其中，D为同轴腔体的外圆柱体的底面直径，d为同轴腔体的内圆柱体的底面直径，Z₀为第一设定特征阻抗，ε₀为真空介电常数。

5.根据权利要求3所述的标定系统，其特征在于所述同轴腔体的内圆锥体/外圆锥体的高满足公式其中，

Z为第二设定特征阻抗，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，R为同轴腔体的外圆锥体的底面半径，r为同轴腔体的内圆锥体的底面半径，l为同轴腔体的内圆锥体/外圆锥体的高。

6.一种使用如权利要求1-5任意一项权利要求所述的标定系统进行标定的方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：开启标准脉冲源，利用标准天线测量标准脉冲源不同输出电压下同轴腔体的测试窗处的场强，而后关闭标准脉冲源；

步骤2：将传感器放置在同轴腔体的测试窗处，并将传感器与待测局部放电特高频检测装置相连；

步骤3：开启标准脉冲源，逐步减小标准脉冲源的输出电压，直至待测局部放电特高频检测装置检测不到标准脉冲源的输出电压，此时同轴腔体的测试窗处的场强即为待测局部放电特高频检测装置的灵敏度；

步骤4：逐步增加标准脉冲源的输出电压，直至待测局部放电特高频检测装置检测到的标准脉冲源的输出电压不再增加，即待测局部放电特高频检测装置检测到的标准脉冲源的输出电压饱和，此时同轴腔体的测试窗处的场强即为待测局部放电特高频检测装置的饱和值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述待测局部放电特高频检测装置检测不到标准脉冲源的输出电压是指待测局部放电特高频检测装置检测到的输出信号的信噪比VSWR＜2。

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