CN109298368A - 一种局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统及方法，包括GTEM小室、射频信号源、射频功率放大器、同轴接头、电场探头、电场测量模块、单极标准探针、测控计算机、高速示波器，在GTEM小室上方开有测试窗口，单极标准探针传递函数已知。以单极标准探针测量位置所处电场为基准，利用电场探头测量不同位置的电场值与电场基准相比较，得出相应的补偿量，对被测特高频传感器所处位置的电场进行补偿计算，得到被测传感器补偿量，从而削弱测试位置不同造成的电场不均匀对被测特高频传感器等效高度的影响，进一步提高了特高频传感器等效高度测量准确度。

Description

一种局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统及方法
技术领域
本发明属于仪器仪表检测技术领域，涉及一种局部放电特高频传感器性能检测的问题，尤其涉及一种局部放电特高频传感器等效高度的补偿测量系统及方法。
背景技术
局部放电是电力变压器、GIS等设备绝缘评估的重要手段，随着我国电力系统状态检修工作开展的日益深入，局部放电特高频检测技术以其灵敏度高、抗干扰能力强且可用于局部放电识别等优点，广泛应用于变压器、GIS等电气设备局放检测中。局部放电特高频传感器作为特高频法检测和诊断GIS设备局部放电故障的核心部件，其耦合PD电磁信号性能的优劣决定了实施特高频诊断技术的成败。
目前，英国思克莱德大学的Judd等人提出的基于GTEM小室的特高频传感器性能校验方法应用较为广泛，已经成为英国National Grid公司检验UHF传感器的标准方法。国内方面，众多学者完善了基于GTEM小室的UHF传感器性能校验方法，并提出了较为完整的测试方案。中国专利文献201210330955.4《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》，提出了一种利用GTEM小室对特高频传感器在一定频带内平均等效高度的测量方法。中国专利文献201510788661.X《GIS局部放电UHF传感器等效高度的扫频参考标定方法》，通过扫频信号源向GTEM小室内注入幅值一定的正弦波电压信号，根据扫频参考法计算得到待测传感器的频域等效高度的曲线。中国专利文献201510131413.8《一种局部放电特高频传感器性能测试装置与测试方法》，利用矢量网络分析仪同时作为信号输入与输出端，能够同时给出特高频传感器频域和时域等效高度。以上文献均采用参考传感器和被测传感器，利用GTEM小室顶部测试窗口检测被测传感器等效高度的时域或频域值，该方法能够避免参考传感器和被测传感器放入GTEM小室对其内部电场造成影响，但是，由于小室顶部测试窗口并非传统均匀电场测试区域，不同测试位置电场变化明显，必须对参考传感器和被测传感器位置电场进行精确测量，才能保证特高频传感器等效高度测量的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统及方法，能够较为准确的提供特高频传感器测试位置的电场强度，对现有GTEM小室测量特高频传感器等效高度的方法进行补偿，提高其测量准确性。
为解决上述技术问题，本发明包括GTEM小室、射频信号源、射频功率放大器、同轴接头、电场探头、电场测量模块、单极标准探针、测控计算机、高速示波器、位置固定及测量装置，所述GTEM小室上方开有测试窗口，所述单极标准探针、电场探头和被测特高频传感器通过位置固定装置置于测试窗口中心处，并由测量装置记录其移动位置尺寸；所述单极标准探针与高速示波器连接、所述被测特高频传感器与高速示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接；所述电场探头与电场测量模块连接，电场测量模块与测控计算机连接；所述测控计算机与射频信号源连接、射频功率放大器、同轴接头连接，同轴接头连接到GTEM小室。
所述单极标准探针、电场探头和被测特高频传感器可沿垂直于小室顶板面的轴向上下移动。
所述单极标准探针为尺寸、传递函数已知的短单极探针。
所述位置固定装置包括设置在支撑杆顶部的支撑架，支撑杆上设有可沿其上下滑动的固定环，固定环上均布有朝向圆心位置的三个紧固夹板，其中一个紧固夹板上安装有可上下移动的测量装置；所述测量装置为钢直尺。
该局部放电特高频传感器等效高度补偿测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将单极标准探针通过位置固定装置安装到小室上方测试窗口处，将GTEM小室测试窗口位置设为0，窗口下方为负，窗口上方为正，以小室顶部测试窗口中心为轴线，用测量装置记录单极标准探针距离GTEM小室测试窗口位置数据为y0；
步骤2：通过射频信号源和射频功率放大器向GTEM小室注入频率范围300MHz～3GHz电压信号UI(f)，在小室内部建立电场，单极标准探针耦合输出电压Uor(f)，单极标准探针经高速示波器传输到测控计算机输出电压信号为UMr(f)；
步骤3：根据步骤1中单极标准探针的位置数据y0，将电场探头安装在单极标准探针相同的位置y0处，向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，记录电场探头输出电场值EI(f)，则单极标准探针等效高度可表示为
步骤4：以GTEM小室测试窗口位置为原点0，窗口下方为负，窗口上方为正，沿小室顶部测试窗口中心轴线将电场探头移动到位置y1，向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，记录电场探头输出电场值E1(f)，位置y1处电场与单极标准探针位置y0处电场相比，可以算出补偿量同样的，按照该步骤移动电场探头位置y2，并计算对应的补偿量以此类推，由一组(y1、y2、y3...yn)位置，测量得到一组电场值(E1(f)、E2(f)、E3(f)...En(f))，并计算得到对应的一组(Δγ1(f)、Δγ2(f)、Δγ3(f)...Δγn(f))；
步骤5：将被测特高频传感器通过位置固定装置安装到小室上方测试窗口处，用测量装置记录被测特高频传感器距离GTEM小室测试窗口位置数据ys，根据位置数据ys，找出(y1、y2、y3...yn)中与其相减绝对值最小的量，即(|ys-y1|、|ys-y2|、|ys-y3|...|ys-yn|)中的最小值，设|ys-yi|＝min(|ys-y1|、|ys-y2|、|ys-y3|...|ys-yn|)，则ys≈yi，将yi对应Δγi(f)的作为被测特高频传感器补偿量，即Δγs(f)＝Δγi(f)；
步骤6：向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，被测特高频传感器所处位置处ys的电场Es(f)＝Ei(f)，其耦合输出电压Uos(f)，经测量系统输出电压为UMs(f)，当被测传感器位于y0时，所处电场为EI(f)，其等效高度为由于被测传感器位于ys处，所处电场为Ei(f)＝Δγi(f)·EI(f)，被测特高频传感器测得的等效高度与Hsens(f)相比有误差，其表达式为因此，Hsens(f)＝Δγs(f)·H′sens(f)；
步骤7：设GTEM小室传递函数为Hcell，高速示波器、线缆等测量系统的传递函数为Hsys，则单极标准探针和被测特高频传感器输出电压可表示为由此推导得到结合步骤6，得到被测特高频传感器等效高度为
与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：
本发明以单极标准探针测量位置所处电场为基准，利用电场探头测量不同位置的电场值与电场基准相比较，得出相应的补偿量，对被测特高频传感器所处位置的电场进行补偿计算，削弱了测试位置不同造成的电场不均匀对被测特高频传感器等效高度的影响，进一步提高了特高频传感器等效高度测量准确度。
附图说明
下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明的实施例局部放电特高频传感器等效高度补偿测量方法原理图；
图2为位置固定及测量装置安装在GTEM小室测试窗口实施例示意图；
图3为固定及测量装置一种实施例示意图。
具体实施方式
参照附图，该局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统包括GTEM小室、射频信号源、射频功率放大器、同轴接头、电场探头、电场测量模块、单极标准探针、测控计算机、高速示波器，位置固定及测量装置。在GTEM小室上方开有测试窗口，单极标准探针、电场探头和被测特高频传感器通过位置固定装置置于测试窗口中心处，单极标准探针、电场探头和被测特高频传感器可沿垂直于小室顶板面的轴向上下移动，移动位置尺寸由测量装置下来。单极标准探针与高速示波器连接、被测特高频传感器与高速示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接。电场探头与电场测量模块连接，电场测量模块与测控计算机连接；测控计算机与射频信号源连接、射频功率放大器、同轴接头连接，同轴接头连接到GTEM小室。单极标准探针为尺寸、传递函数已知的短单极探针。电场测量模块与电场探头相连，两者配合使用，用于测量电场强度，电场测量模块可以是频谱仪、场强仪，量值是μV/m作单位。
参照图2，位置固定及测量装置中的位置固定装置包括设置在支撑杆2顶部的支撑架1，三支支撑杆2在支撑架1下方均布，支撑杆2上设有可沿其上下滑动的固定环3，固定环3上均布有朝向圆心位置的三个紧固夹板4，其中一个紧固夹板4上安装有可上下移动的测量装置5，位置固定及测量装置中的测量装置5为钢直尺。紧固夹板5可沿固定环径向移动，三个紧固夹板5向圆心位置夹紧需要固定的物体，也可将物体放置于紧固夹板上方。钢直尺作为位置测量装置安装在其中一个紧固夹板上，可上下滑动，也可取下，与测试窗口垂直，能够测量被固定物体距离测试窗口的位置尺寸。
具体测试步骤如下：
步骤1：将单极标准探针安装到小室上方测试窗口处，用位置固定及测量装置将其固定，GTEM小室测试窗口位置设为0，窗口下方为负，窗口上方为正，以小室顶部测试窗口中心轴线，用位置固定及测量装置记录单极标准探针距离GTEM小室测试窗口位置数据为y0。
步骤2：通过射频信号源和射频功率放大器向GTEM小室注入频率范围300MHz～3GHz电压信号UI(f)，在小室内部建立电场，单极标准探针耦合输出电压Uor(f)，单极标准探针经高速示波器、线缆等测量系统传输到测控计算机输出电压信号为UMr(f)。
步骤3：根据步骤1中单极标准探针的位置数据y0，将电场探头安装在单极标准探针相同的位置y0处，向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，记录电场探头输出电场值EI(f)，则单极标准探针等效高度可表示为
步骤4：以GTEM小室测试窗口位置为原点0，窗口下方为负，窗口上方为正，沿小室顶部测试窗口中心轴线将电场探头移动到位置y1，向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，记录电场探头输出电场值E1(f)，位置y1处电场与单极标准探针位置y0处电场相比，可以算出补偿量同样的，按照该步骤移动电场探头位置y2，并计算对应的补偿量以此类推，由一组(y1、y2、y3...yn)位置，测量得到一组电场值(E1(f)、E2(f)、E3(f)...En(f))，并计算得到对应的一组(Δγ1(f)、Δγ2(f)、Δγ3(f)...Δγn(f))。
步骤5：将被测特高频传感器安装到小室上方测试窗口处，用位置固定及测量装置将其固定，并用位置固定及测量装置记录被测特高频传感器距离GTEM小室测试窗口位置数据ys，根据位置数据ys，找出(y1、y2、y3...yn)中与其相减绝对值最小的量，即(|ys-y1|、|ys-y2|、|ys-y3|...|ys-yn|)中的最小值，设|ys-yi|＝min(|ys-y1|、|ys-y2|、|ys-y3|...|ys-yn|)，则ys≈yi，将yi对应Δγi(f)的作为被测特高频传感器补偿量，即Δγs(f)＝Δγi(f)。
步骤6：向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，被测特高频传感器所处位置处ys的电场Es(f)＝Ei(f)，其耦合输出电压Uos(f)，经测量系统输出电压为UMs(f)。当被测传感器位于y0时，所处电场为EI(f)，其等效高度为由于被测传感器位于ys处，所处电场为Ei(f)＝Δγi(f)·EI(f)，被测特高频传感器测得的等效高度与Hsens(f)相比有误差，其表达式为因此，Hsens(f)＝Δγs(f)·H′sens(f)，由于H′sens(f)中Uos(f)为理论值无法实际测得，下面通过单极标准探针和被测特高频传感器实际输出电压UMr和UMs，对被测特高频传感器等效高度Hsens(f)进行推导。
步骤7：设GTEM小室传递函数为Hcell，高速示波器、线缆等测量系统的传递函数为Hsys，则单极标准探针和被测特高频传感器输出电压可表示为由此推导得到结合步骤6，得到被测特高频传感器等效高度为

Claims (6)

1.一种局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统，其特征是包括GTEM小室、射频信号源、射频功率放大器、同轴接头、电场探头、电场测量模块、单极标准探针、测控计算机、高速示波器、位置固定及测量装置，所述GTEM小室上方开有测试窗口，所述单极标准探针、电场探头和被测特高频传感器通过位置固定及测量装置置于测试窗口中心处，并测量其移动位置尺寸；所述单极标准探针与高速示波器连接、所述被测特高频传感器与高速示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接；所述电场探头与电场测量模块连接，电场测量模块与测控计算机连接；所述测控计算机与射频信号源连接、射频功率放大器、同轴接头连接，同轴接头连接到GTEM小室。
2.根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统，其特征是所述单极标准探针、电场探头和被测特高频传感器可沿垂直于小室顶板面的轴向上下移动。
3.根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统，其特征是所述单极标准探针为尺寸、传递函数已知的短单极探针。
4.根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统，其特征是所述位置固定及测量装置包括设置在支撑杆(2)顶部的支撑架(1)，支撑杆(2)上设有可沿其上下滑动的固定环(3)，固定环(3)上均布有朝向圆心位置的三个紧固夹板(4)，其中一个紧固夹板(4)上安装有可上下移动的测量装置(5)。
5.根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器等效高度补偿测量系统，其特征是所述测量装置(5)为钢直尺。
6.根据权利要求1—5任一项所述的局部放电特高频传感器等效高度补偿测量方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1：将单极标准探针通过位置固定装置安装到小室上方测试窗口处，将GTEM小室测试窗口位置设为0，窗口下方为负，窗口上方为正，以小室顶部测试窗口中心为轴线，用测量装置记录单极标准探针距离GTEM小室测试窗口位置数据为y0；
步骤2：通过射频信号源和射频功率放大器向GTEM小室注入频率范围300MHz～3GHz电压信号UI(f)，在小室内部建立电场，单极标准探针耦合输出电压Uor(f)，单极标准探针经高速示波器传输到测控计算机输出电压信号为UMr(f)；
步骤3：根据步骤1中单极标准探针的位置数据y0，将电场探头安装在单极标准探针相同的位置y0处，向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，记录电场探头输出电场值EI(f)，则单极标准探针等效高度可表示为
步骤4：以GTEM小室测试窗口位置为原点0，窗口下方为负，窗口上方为正，沿小室顶部测试窗口中心轴线将电场探头移动到位置y1，向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，记录电场探头输出电场值E1(f)，位置y1处电场与单极标准探针位置y0处电场相比，可以算出补偿量同样的，按照该步骤移动电场探头位置y2，并计算对应的补偿量以此类推，由一组(y1、y2、y3...yn)位置，测量得到一组电场值(E1(f)、E2(f)、E3(f)...En(f))，并计算得到对应的一组(Δγ1(f)、Δγ2(f)、Δγ3(f)...Δγn(f))；
步骤5：将被测特高频传感器通过位置固定装置安装到小室上方测试窗口处，用测量装置记录被测特高频传感器距离GTEM小室测试窗口位置数据ys，根据位置数据ys，找出(y1、y2、y3...yn)中与其相减绝对值最小的量，即(|ys-y1|、|ys-y2|、|ys-y3|...|ys-yn|)中的最小值，设|ys-yi|＝min(|ys-y1|、|ys-y2|、|ys-y3|...|ys-yn|)，则ys≈yi，将yi对应Δγi(f)的作为被测特高频传感器补偿量，即Δγs(f)＝Δγi(f)；
步骤6：向GTEM小室中注入与步骤2中相同的电压信号UI(f)，被测特高频传感器所处位置处ys的电场Es(f)＝Ei(f)，其耦合输出电压Uos(f)，经测量系统输出电压为UMs(f)，当被测传感器位于y0时，所处电场为EI(f)，其等效高度为由于被测传感器位于ys处，所处电场为Ei(f)＝Δγi(f)·EI(f)，被测特高频传感器测得的等效高度与Hsens(f)相比有误差，其表达式为因此，Hsens(f)＝Δγs(f)·H′sens(f)；
步骤7：设GTEM小室传递函数为Hcell，高速示波器、线缆等测量系统的传递函数为Hsys，则单极标准探针和被测特高频传感器输出电压可表示为由此推导得到结合步骤6，得到被测特高频传感器等效高度为
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