CN104777443A - 一种局部放电特高频传感器的性能测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部放电特高频传感器性能测试装置，包括吉赫兹横电磁波小室、矢量网络分析仪、聚四氟乙烯盖板、数据处理计算机、校验天线和待测特高频传感器，使用矢量网络分析仪同时作为信号输入与输出端，性价比高且实施方便。本发明还提供了利用该测试装置进行的传感器性能测试方法，可以同时给出表征传感器性能的时域参数和频域参数，具有可靠、准确等特点。

Description

一种局部放电特高频传感器的性能测试装置与测试方法

技术领域

本发明属于电气设备绝缘状态监测技术领域，尤其涉及一种局部放电特高频传感器的性能测试装置与测试方法。

背景技术

局部放电与电力设备绝缘状态密切相关。长时间的局部放电可能会导致绝缘劣化甚至击穿，为此制造厂商和用户都非常重视电力设备局部放电的检测。特高频(ultra-high frequency,以下简称UHF)法是目前局部放电检测技术之中灵敏度最高的方法之一，普遍用于气体绝缘组合开关设备(gas insulatedswitchgear,以下简称GIS)的在线监测和现场带电检测，且被逐步推广到变压器、电力电缆等电力设备的局部放电检测中。

UHF检测技术使用UHF传感器将局部放电激发起的特高频电磁波信号转换成电压信号，以此获得局部放电的相关信息。UHF传感器是UHF法中的关键技术，其性能直接影响检测结果。为了判别不同UHF传感器的检测能力，需要相应的测试方法与装置。目前较常使用的脉冲测量系统中的有效高度参数为频变函数，无法清晰完整地描述UHF传感器在接收局部放电脉冲信号的时域行为特征，测量结果与传感器现场使用效果存在差距。其次，脉冲测量系统对脉冲源的要求很高，通常需要上升时间在亚纳秒级，且具有足够大的输出功率，而普通的脉冲信号发生器往往难以满足，这给测试平台的搭建和规范化带来困难。总而言之，目前特高频传感器仍缺少一种可靠、准确且性价比高的性能测试装置与方法。

吉赫兹横电磁波小室(Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell，以下简称GTEM小室)是由瑞典人D.Konigstein和D.Hansen在1987年发明的，由于GTEM Cell作为测试场地，与电磁兼容暗室、开阔场地、屏蔽室等相比，具有截止频率高、电磁泄漏小、测试空间大、造价较低等诸多优点，引起了世界各国的重视，在电磁兼容测量中得到了蓬勃的发展。GTEM传输室是截面为矩形的锥状结构，其后部是由吸波材料和电阻负载组成的复合终端负载。GTEM传输室克服了TEM传输室可用上限频率较低的局限性，其工作频率可达1GHz以上。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种局部放电特高频传感器的性能测试装置与测试方法，解决现有特高步传感器性能测试中存在的缺陷，通过利用矢量网络分析仪同时作为信号输入与输出端，能够同时给出频域参数和时域参数结果，具有可靠、准确、性价比高等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种局部放电特高频传感器的性能测试装置，其特点在于，包括吉赫兹横电磁波小室、矢量网络分析仪、聚四氟乙烯盖板、数据处理计算机、校验天线和待测特高频传感器；

所述的吉赫兹横电磁波小室(Gigahertz Transverse Electromagnetic,以下简称GTEM小室)为逐渐扩展的棱锥形腔体，锥顶部即输入端为同轴馈源头，在该同轴馈源头的内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板，锥底部即终端被微波吸收材料封闭且设置有与芯板相连的电阻面阵；

在GTEM小室金属外壁的上方开有一个圆形开孔作为测试点，该开孔上放置所述的聚四氟乙烯盖板，供所述的校验天线或待测特高频传感器摆放；

所述的矢量网络分析仪的第一端口接同轴馈源头，第二端口接待测特高频传感器或校验天线，该矢量网络分析仪的输出端接所述的数据处理计算机的输入端。

所述的校验天线为单极天线，由一根金属导体与圆形盖板构成，通过N型同轴连接器馈电。

所述的聚四氟乙烯盖板上均匀分布有多个通孔，通过螺栓固定于GTEM小室的圆形开孔上。

所述GTEM小室为电磁测试环境，呈四棱锥形，锥顶处为50Ω同轴馈源头，同轴馈源头内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板，与上板成5°角，锥底部设置有50Ω的电阻面阵和微波吸收材料进行阻抗匹配。

所述GTEM小室长4200mm，宽2200mm，高1400mm，在上板距离馈源头3000mm处开有一直径200mm的圆形开孔作为传感器测试点。，开孔周边均匀分布有25个直径6.5mm的通孔。

所述聚四氟乙烯盖板直径为220mm，盖板上均匀分布有25个直径6.5mm的通孔，可通过螺栓固定于GTEM小室的圆形开孔上。

所述校验天线为单极天线，由一根金属导体与圆形盖板构成，通过N型同轴连接器馈电。

一种利用所述的测试装置进行局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口与校验天线相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，利用矢量网络分析仪测量第一端口到第二端口的正向传输系数S₂₁；

步骤二：根据校验天线的标准有效高度和步骤一中测量的正向传输系数S₂₁对测试装置进行校验；

步骤三：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口与待测特高频传感器相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，使待测特高频传感器位于开孔中央，此时利用矢量网络分析仪测量正向传输系数S₂₁；

步骤四：根据步骤三中测量的正向传输系数S₂₁，利用数据处理计算机计算得到表征传感器性能的频域参数，即传感器有效高度；

步骤五：根据步骤四中得到的频域参数，构成传感器因果有效高度，进而求取解析脉冲响应函数，从中提取表征传感器性能的时域参数。

所述的步骤二中的校验，即计算修正系数γ，公式如下：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{mean}\left(\frac{h{S}_{21}\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_s\left(\mathrm{\ω}\right)\·e^{-\mathrm{j\ωr}/c_0}}\right)$

式中，变量ω为测试时的角频率，h为芯板到上板的垂直距离，c₀为光速，r为传感器到同轴馈源头的距离，S₂₁为矢量网络分析仪测量第一端口到第二端口的正向传输系数，H_s为已知的单极天线理论有效高度，mean函数表示对所有测试角频率下的计算结果求平均值。

所述的步骤四中计算频域参数的方法为将步骤三中测得的待测传感器正向传输系数S₂₁代入以下公式：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{h{S}_{21}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\γ}\·e^{-\mathrm{j\ωr}/c_0}}$

式中H为待求传感器的频域参数。

所述的步骤五表征传感器性能的时域参数，包括包络峰值、包络宽度和振荡时间，时域参数的计算方法为：

构造因果有效高度函数H+：

$H^{+}\left(\mathrm{\ω}\right)\left\{\begin{array}{c}2H\left(\mathrm{\ω}\right),\mathrm{\ω}>0\\ 0,\mathrm{\ω}\≤0\end{array}\right.$

式中H为传感器的频域参数；

计算传感器离散形式的解析脉冲响应函数，公式如下：

$h^{+}\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{N\Δt}}\underset{n=0}{\overset{{N-1}^{`}}{\mathrm{\Σ}}}{H}^{+}\left(n\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}}$

式中，Δt为时间分辨率，k＝n＝1,2...,N,N为采样点数，H⁺为因果有效高度函数；

基于解析脉冲响应函数，提取以下时域参数：

包络峰值p：

包络宽度τ_FWHM：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{FWHM}}=t_1{|}_{\left|h^{+}\left(t_1\right)\right|=p/2}-t_2{|}_{t_2<t_1,\left|h^{+}\left(t_2\right)\right|=p/2}$

振荡时间τ_α：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=t_1{|}_{\left|h^{+}\left(t_1\right)\right|=\mathrm{\&alpha;p}}-t_2{|}_{t_2<t_1,\left|h^{+}\left(t_2\right)\right|=p}$

式中α为振荡的最小振幅与包络峰值的比值。

与现有技术相比，本发明的益效果是：使用矢量网络分析仪代替脉冲测量系统中作为信号输入的皮秒级脉冲信号发生器和作为信号接收的高速示波器，不仅解决了普通脉冲源难以满足要求的难题，而且简化了测量系统；使用了时域参数和频域参数共同表征特高频传感器性能，比以往使用有效高度的表征方式更加准确，更符合实际工程需要。

附图说明

图1是UHF传感器性能测试装置示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是校验天线结构示意图。

图中：1为数据处理计算机，2为矢量网络分析仪，3为GTEM小室，4为同轴馈源头，5为芯板，6为电阻面阵，7为微波吸收材料，8为聚四氟乙烯盖板，9为上板圆形开孔，10为待测特高频传感器或校验天线，11为金属导体，12为金属盖板，13为N型同轴连接器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明中的技术方案进一步进行说明。

如图1所示，本测试装置包括数据处理计算机1、矢量网络分析仪2、GTEM小室3、聚四氟乙烯盖板8和待测特高频传感器或校验天线10，其中，GTEM小室3信号输入端为同轴馈源头4，其内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板5，锥底部设置有50Ω的电阻面阵6和微波吸收材料7进行阻抗匹配，且在GTEM小室上板设有圆形开孔9。

使用时将矢量网络分析仪2的1端口接同轴馈源头4，2端口接待测特高频传感器或校验天线10，并通过聚四氟乙烯盖板8置于圆形开孔9上。

矢量网络分析仪2的作用是测量第一端口到第二端口的正向传输系数S₂₁，代表接收2端口匹配负载时，1端口到2端口的电压传输系数，正向传输系数S₂₁与传感器有效高度存在如下关系式：

$H(\mathrm{\&omega;},r)=\frac{S_{21}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;r}{e^{-\mathrm{j\&omega;r}/c_0}A\left(\mathrm{\&omega;}\right)}---\left(1\right)$

式中：H为传感器有效高度，S₂₁为测量得到的正向传输系数，A为发射天线即GTEM小室的传递函数，c₀为光速；变量ω为角频率，变量r为传感器到馈源头的距离。

GTEM小室的传递函数由小室的结构决定，计算方法为：

$A\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{h}r---\left(2\right)$

式中：h为芯板对上板的垂直距离，γ为修正系数。由式(1)与式(2)得到正向传输系数S₂₁转换到有效高度的关系式：

$H\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{h{S}_{21}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{j\&omega;r}/c_0}}---\left(3\right)$

为获得修正系数γ，使用校验天线对测试装置进行校验。校验天线如图3所示，为单极天线。本发明实施例中使用的单极天线长50.0mm，直径为1.36mm。通过查表(Jr.Harrison,C.,The radian effective half-length of cylindrical antennas less than 1.3wavelengths long.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1963.11(6):p.657-660.)可得该单极天线的理论有效高度。校验前先对矢量网络分析仪2的连接线缆进行校准以消除其带来的影响。校验时将矢量网络分析仪2的1端口接同轴馈源头4，2端口接校验天线10，置于圆形开孔9上。校验时，矢量网络分析仪2的测量频段应包括300-1500MHz，在本实施例中测量频段为10-3000MHz，发射功率为10dBm。将测量的正向传输系数S₂₁结果、单极天线理论有效高度及GTEM小室结构参数代入式(4)中，经过计算机处理得到修正系数γ，从而完成测试装置的校验工作：

$\mathrm{\&gamma;}=\mathrm{mean}\left(\frac{h{S}_{21}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{H_s\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;e^{-\mathrm{j\&omega;r}/c_0}}\right)---\left(4\right)$

式中，S₂₁为矢量网络分析仪测量的正向传输系数，H_s为已知的单极天线理论有效高度，mean函数表示对所有测试角频率下的计算结果求平均值。在测试环境未发生变化的情况下，校验工作只需进行一次。

使用校验过的测试装置进行传感器性能参数测量时，将矢量网络分析仪2的1端口接同轴馈源头4，2端口接待测传感器10，并通过聚四氟乙烯盖板8置于圆形开孔9上。矢量网络分析仪设置与校验时相同，对正向传输系数S₂₁进行测量。将测量结果代入式(3)可计算得到传感器有效高度，即频域参数。

本发明还提供了一种获取特高频传感器时域性能参数的方法。频域参数通常只用于描述窄带天线的性能，难以直观反映UHF传感器在接收脉冲信号时的行为特征，无法有效表现传感器的时域响应特性。在UHF带电检测或者在线监测时，局部放电信号的时域波形往往比频域谱更加直观和可靠，时域波形的峰值也常被用来作为是否发生局部放电的重要判据，因而传感器的时域响应特性在实际应用中具有更高的参考价值。

首先构造因果有效高度函数H+：

$H^{+}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\left\{\begin{array}{c}2H\left(\mathrm{\&omega;}\right),\mathrm{\&omega;}>0\\ 0,\mathrm{\&omega;}\&le;0\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中H为传感器频域参数。进而可由下式获得传感器离散形式的解析脉冲响应函数：

$h^{+}\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{N\&Delta;t}}\underset{n=0}{\overset{{N-1}^{`}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}^{+}\left(n\right)e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}}---\left(6\right)$

式中Δt为时间分辨率，k＝n＝1,2...,N，N为采样点数，H⁺为因果有效高度函数。基于解析脉冲响应函数，提取以下时域参数：

1)包络峰值p

包络峰值定义为脉冲响应包络|h⁺(t)|的最大值，对于同一脉冲输入信号，包络峰值越大，传感器时域响应信号的峰值也越大。

2)包络宽度τ_FWHM

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{FWHM}}=t_1{|}_{\left|h^{+}\left(t_1\right)\right|=p/2}-t_2{|}_{t_2<t_1,\left|h^{+}\left(t_2\right)\right|=p/2}---\left(8\right)$

包络宽度定义为|h⁺(t)|的半高宽度，代表输入脉冲的拓宽程度，过大的包络宽度可能会延长传感器输出脉冲信号的上升时间，从而影响局部放电时延定位的准确性。

3)振荡时间τ_α

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=t_1{|}_{\left|h^{+}\left(t_1\right)\right|=\mathrm{\&alpha;p}}-t_2{|}_{t_2<t_1,\left|h^{+}\left(t_2\right)\right|=p}---\left(9\right)$

振荡时间定义为脉冲响应包络从峰值p下降至某一范围α·p的时间，α为振荡的最小振幅与包络峰值的比值。本实施例中α为0.25，长时间的振荡使得脉冲能量分散，脉冲波形失真，从而加大局部放电辨识难度。

性能良好的UHF传感器应该具有较高的包络峰值、较窄的包络宽度和较短的振荡时间。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种局部放电特高频传感器的性能测试装置，其特征在于，包括吉赫兹横电磁波小室、矢量网络分析仪、聚四氟乙烯盖板、数据处理计算机、校验天线和待测特高频传感器；

所述的吉赫兹横电磁波小室为逐渐扩展的棱锥形腔体，锥顶部即输入端为同轴馈源头，在该同轴馈源头的内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板，锥底部即终端被微波吸收材料封闭且设置有与芯板相连的电阻面阵；

在GTEM小室金属外壁的上方开有一个圆形开孔作为测试点，该开孔上放置所述的聚四氟乙烯盖板，供所述的校验天线或待测特高频传感器摆放；

所述的矢量网络分析仪的第一端口接同轴馈源头，第二端口接待测特高频传感器或校验天线，该矢量网络分析仪的输出端接所述的数据处理计算机的输入端。

2.根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器性能测试装置，其特征在于，所述的校验天线为单极天线，由一根金属导体与圆形盖板构成，通过N型同轴连接器馈电。

3.根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器性能测试装置，其特征在于，所述的聚四氟乙烯盖板上均匀分布有多个通孔，通过螺栓固定于GTEM小室的圆形开孔上。

4.一种利用权利要求1-3任一所述的测试装置进行局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口与校验天线相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，利用矢量网络分析仪测量第一端口到第二端口的正向传输系数S₂₁；

步骤二：根据校验天线的标准有效高度和步骤一中测量的正向传输系数S₂₁对测试装置进行校验；

步骤三：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口与待测特高频传感器相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，使待测特高频传感器位于开孔中央，此时利用矢量网络分析仪测量正向传输系数S₂₁；

步骤四：根据步骤三中测量的正向传输系数S₂₁，利用数据处理计算机计算得到表征传感器性能的频域参数，即传感器有效高度；

步骤五：根据步骤四中得到的频域参数，构成传感器因果有效高度，进而求取解析脉冲响应函数，从中提取表征传感器性能的时域参数。

5.根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，所述的步骤二中的校验，即计算修正系数γ，公式如下：

$\mathrm{\&gamma;}=\mathrm{mean}\left(\frac{{\mathrm{hS}}_{21}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{H_s\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;e^{-\mathrm{j\&omega;r}/c_0}}\right)$

式中，变量ω为测试时的角频率，h为芯板到上板的垂直距离，c₀为光速，r为传感器到同轴馈源头的距离，S₂₁为矢量网络分析仪测量第一端口到第二端口的正向传输系数，H_s为已知的单极天线理论有效高度，mean函数表示对所有测试角频率下的计算结果求平均值。

6.根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，所述的步骤四中计算频域参数的方法为将步骤三中测得的待测传感器正向传输系数S₂₁代入以下公式：

$H\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{{\mathrm{hS}}_{21}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{j\&omega;r}/c_0}}$

式中H为待求传感器的频域参数。

7.根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，所述的步骤五中表征传感器性能的时域参数，包括包络峰值、包络宽度和振荡时间，时域参数的计算方法为：

构造因果有效高度函数H+：

$H^{+}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\left\{\begin{array}{c}2H\left(\mathrm{\&omega;}\right),\mathrm{\&omega;}>0\\ .0,\mathrm{\&omega;}\&le;0\end{array}\right.$

式中H为传感器的频域参数；

计算传感器离散形式的解析脉冲响应函数，公式如下：

$h^{+}\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{N\&Delta;t}}\underset{n=0}{\overset{N-1`}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}^{+}\left(n\right)e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}}$

式中，Δt为时间分辨率，k＝n＝1,2...,N,N为采样点数，H⁺为因果有效高度函数；

基于解析脉冲响应函数，提取以下时域参数：

包络峰值p：

$p=\max \left|h^{+}\left(t\right)\right|$

包络宽度τ_FWHM：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{FWHM}}=t_1{|}_{\left|h^{+}\left(t_1\right)\right|=p/2}-t_2{|}_{t_2<t_1,|h^{+}\left(t_2\right)\text{|=p/2}}$

振荡时间τ_α：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=t_1{|}_{\left|h^{+}\left(t_1\right)\right|=\mathrm{\&alpha;p}}-t_2{|}_{t_2<t_1,|h^{+}\left(t_2\right)\text{|=p}}$

式中α为振荡的最小振幅与包络峰值的比值。