GIS局部放电特高频传感器有效高度的比对测试

舒胜文，陈金祥，陈 彬，叶兆平，陈敏维，游 浩

（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007）

0 引言

特高频UHF（Ultra-High Frequency）法以其检测频率高、频带宽、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，在气体绝缘金属封闭式开关设备GIS（Gas Insulated Switchgear）的局部放电状态检测中得到了广泛应用［1-8］。近年来，用于GIS局部放电检测的UHF传感器（以下简称UHF传感器）质量参差不齐、配置不佳和耦合性能下降导致的检测失效（误报警、漏报警）事例越来越多，严重制约了整个GIS局部放电UHF检测行业的健康发展［9-10］。因此，为了提高GIS局部放电UHF检测技术在现场应用的有效性，有必要深入开展UHF传感器耦合性能的校核研究［11］。

在UHF传感器耦合性能的校核方面，Judd等最早提出了利用横电磁波TEM（Transverse Electro-Magnetic）小室测量UHF传感器有效高度的方法，初步证明了利用TEM小室对UHF传感器进行标定的可行性［12-13］。然而，TEM小室的可用频率上限只有几百MHz，难以突破GHz，因而其应用范围受到了一定的限制，难以有效覆盖UHF传感器的工作频带。Konigstein等提出的吉赫兹横电磁波GTEM（Gigahertz Transverse ElectroMagnetic）小室将TEM小室改造成矩形锥同轴线结构，将工作频率提高到2 GHz甚至更高，从而克服了传统的TEM小室可用频率上限低的缺点［14］。Judd等在总结之前经验的基础上，将传统的TEM小室改造成了GTEM小室，并实现了基于时域脉冲参考法的UHF传感器有效高度标定方法，取得了较好的效果［15-16］。国内的华北电力大学、广东电科院［17-19］等基于Judd提出的方法，对国内外多个厂家的UHF传感器的有效高度进行了测量。可以看出，目前对于UHF传感器有效高度的标定主要是基于时域脉冲参考法。而在计量领域，对电场传感器的标定通常采用传统的扫频方法。从原理上，频域有效高度是UHF传感器固有的频响特性，与检测方法无关。然而，在实际的GTEM小室中测试时，由于GTEM小室自身的驻波特性及电磁波信号的反射等原因，时域脉冲参考法与传统的扫频参考法对GIS局部放电UHF传感器有效高度测量结果的一致性问题还有待深入研究。此外，GTEM小室尺寸对测试结果的影响也缺乏有效的评估。综上所述，目前已有的UHF传感器有效高度测试方法和结果尚缺乏必要的横向和纵向比对。

针对上述问题，本文建立了基于GTEM750小室的UHF传感器有效高度标定平台，采用0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度和该频段内有效高度大于等于2 mm的百分比表征UHF传感器的耦合性能；基于构建的GTEM750小室，采用时域脉冲和扫频参考法对UHF传感器的有效高度进行了比对测试，并将测试结果与某GTEM1500小室的测试结果进行了比对；基于GTEM750小室，利用时域脉冲参考法讨论了UHF传感器的类型、工装、安装角度对有效高度测试结果的影响。本文研究旨在通过对UHF传感器的耦合性能进行入网和定期校核，提升GIS局部放电UHF检测技术的现场应用水平。

1 测试原理和方法

1.1 UHF传感器有效高度的定义

采用频域有效高度来标定UHF传感器的耦合性能，其值为UHF传感器输出电压Uo（f）与入射电场 EI（ f）的比值，即：

其中，输出电压 Uo（f）的单位为 V，入射电场 EI（f）的单位为V／m，故有效高度Hsens（f）的单位为m。由于Hsens（f）一般较小，通常其单位取为mm。

1.2 UHF传感器有效高度的参考标定法

本文基于GTEM小室同时实现了UHF传感器有效高度的时域脉冲和扫频参考法标定。由于有效高度是在频域内定义的，所以时域脉冲参考法需要对时域波形进行傅里叶变换。图1为有效高度参考标定法的实现原理图。

图1 参考法的实现原理图Fig.1 Schematic diagram of reference method

图1中，通过标定信号源注入电压UI至GTEM小室，在GTEM小室内部建立电场EI，参考UHF传感器和待测UHF传感器耦合输出的电压分别为Uor和Uos，经过测量系统后输出的电压分别为UMr和UMs。设GTEM小室的传递函数为Hcell，参考UHF传感器的传递函数（有效高度）为Href，待测UHF传感器的传递函数（有效高度）为Hsens，测量系统的传递特性为Hsys，则参考和待测UHF传感器的测量系统输出可分别表示为：

由式（2）可推导得到：

由式（3）可知，通过测量待测UHF传感器和参考UHF传感器在同一电压下的频率响应特性，根据参考UHF传感器的有效高度，即可计算得到待测UHF传感器的有效高度。

2 测试平台和步骤

2.1 平台接线图

图2所示为UHF传感器有效高度标定平台的接线图。基于时域脉冲（扫频）参考法的UHF传感器有效高度测试平台由脉冲（扫频）信号源、GTEM小室、参考UHF传感器、高速数字示波器、测控计算机和标定软件及各种线缆附件等构成。

2.2 平台设备和参数

GTEM小室根据隔板到地板的高度可分为不同的型号，其中高度通常取 250、500、750、1000、1250、1500、1750、2000 mm。本文主要比对了GTEM750和GTEM1500这2种小室对UHF传感器有效高度测量结果的影响。待测UHF传感器共5个，分别编号为S1—S5。GTEM750、GTEM1500平台的设备名称及其主要技术参数如下。

图2 测试平台接线图Fig.2 Wiring diagram of test platform

（1）GTEM750平台的设备主要有GTEM750小室和力科示波器，其中，GTEM750小室的尺寸为4.2 m×2.2 m×1.4 m，电压驻波比不超过1.5；力科示波器的带宽为 4 GHz，采样率为 40 GS／s。

（2）GTEM1500平台的设备主要有GTEM1500小室和安捷伦示波器，其中，GTEM1500小室的尺寸为6.95m×3.58m×2.55m，电压驻波比不超过1.5；安捷伦示波器的带宽为4GHz，采样率为20GS／s。

（3）两平台共用设备有脉冲信号源、艾法斯扫频信号源、参考传感器、同轴电缆线及附件、测控计算机和标定软件。

a.脉冲信号源的电压输出范围为0.5～200V，重复频率为 200Hz，20%～80%Um（Um为脉冲幅值）的脉冲上升沿时间不过350 ps。

b.艾法斯扫频信号源的频率范围为9kHz～2.01 GHz，最大输出功率为13dBm。

c.参考UHF传感器采用半径为0.65mm、长度为25mm的单极标准探针。

d.长同轴电缆线为10m，短同轴电缆线为3m，采用N-BNC、N-SMA转接头。

e.测控计算机的内存为4GB，主频为1.7GHz。

f.标定软件采用Labview开发，可以自动计算、保存、打印结果。

2.3 平台性能

采用网络分析仪测试GTEM750小室馈电端口的电压驻波比及时域反射（TDR）阻抗，结果分别如图3和4所示。图4中，l为测试点距馈电端口的距离。

由图3的测试结果可以看出，GTEM750小室在0.3～1.5 MHz频段内的电压驻波比均可满足小于1.5的要求（依据IEC61000-4-20标准），驻波比出现振荡是由GTEM小室端口的感容特性引起的，微小的变化不会影响实际测试。

由图4可知，GTEM750小室在后2／3区域内的TDR阻抗均可以满足（50±5）Ω的要求（依据IEC 61000-4-20标准）。

图3 GTEM750小室电压驻波比测试结果Fig.3 Measured VSWR of GTEM750 cell

图4 GTEM750小室TDR阻抗测试结果Fig.4 Measured TDR impedance of GTEM750 cell

3 测试结果及分析

3.1 方法验证

针对高度为50mm的单极标准探针天线，分别采用基于GTEM750小室的时域脉冲和扫频参考法测试其频域有效高度曲线，结果如图5所示，为方便比对，图5中还给出了其理论计算曲线。

图5 50 mm单极探针天线的有效高度曲线Fig.5 Effective height curve of 50 mm monopole probe antenna

通过图5所示的频域有效高度曲线可以得到该单极标准探针天线在0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度及在该频段上有效高度大于等于2 mm的百分比p≥2、有效高度最大值及标准差，如表1所示。

表1 50 mm单极探针天线的有效高度参数Table 1 Effective height parameters of 50 mm monopole probe antenna

由图5及表1可以看出，基于时域脉冲参考法和扫频参考法的50 mm高单极标准探针天线的频域有效高度测试结果与理论计算值相符合，2种方法求得的平均有效高度与理论值的偏差均小于0.7 mm；2种方法求得的0.3～1.5 GHz之间有效高度的最大值与理论值的偏差均小于1.5 mm；试验测试数据与理论计算数据的标准差非常接近，说明3组数据的一致性较好，从而验证了方法的有效性。

3.2 不同平台和方法的结果比对

图6为时域脉冲参考法和扫频参考法得到的待测UHF传感器典型时域电压波形和幅频特性曲线。据此可由前述方法计算得到待测UHF传感器的有效高度。

图6 不同方法得到的传感器时域和频域输出结果Fig.6 Time-domain sensor output and frequencydomain sensor output by different methods

图7为分别基于GTEM750和GTEM1500小室的测试平台，采用时域脉冲参考法和扫频参考法获得的UHF传感器S2的频域有效高度曲线。由此可以得到该UHF传感器在0.3～1.5GHz之间的平均有效高度及在该频段上有效高度大于等于2mm的百分比，如表2所示。

图7 不同平台和方法的有效高度曲线比对Fig.7 Comparison of effective height curve among different methods and platforms

表2 不同平台和方法的有效高度参数比对Table 2 Comparison of effective height parameters among different methods and platforms

由图7可以看出，基于不同平台和方法测试得到的UHF传感器S2频域有效高度曲线趋势基本一致。由表2可知，基于不同平台和方法测试得到的UHF传感器S2在0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度偏差不超过±0.5 mm，该频段内有效高度大于等于2 mm的百分比偏差不超过±2%。同理，可对剩余的待测UHF传感器进行测试，结果表明：基于不同平台和方法测试得到的UHF传感器S1—S5在0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度偏差均不超过±1 mm，该频段内有效高度大于等于2 mm的百分比偏差不超过±3%。

3.3 不同类型UHF传感器的结果比对

基于GTEM750小室的测试平台和时域脉冲参考法，对UHF传感器S1—S5在0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度进行测试，结果如表3所示。

表3 不同类型传感器的有效高度参数比对Table 3 Comparison of effective height parameters among different sensor types

从表3可知，不同厂家和类型的UHF传感器有效高度测试结果差异很大，0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度最大相差超过2倍。若按0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度需大于等于8 mm的要求，UHF传感器S2、S3、S4均不合格。这也说明了开展UHF传感器耦合性能校核的必要性。

3.4 不同工装的结果比对

在进行UHF传感器有效高度的实验室测试时，通常将UHF传感器置于绝缘板上，即进行开域场测量。实际运行中的GIS局部放电UHF测量结构包含裸盆子和浇注孔2种工装［20］。对UHF传感器S1和S4在绝缘板、裸盆子和浇注孔（45 mm×20 mm）3种工装下的有效高度进行了测量比对，结果如表4所示。

表4 不同工装传感器的有效高度参数比对Table 4 Comparison of effective height parameters among different installation modes

从表4可以看出，裸盆子式UHF传感器的平均有效高度约为绝缘板式UHF传感器的平均有效高度的1.5倍，浇注孔式UHF传感器的平均有效高度约为绝缘板式UHF传感器的平均有效高度的50%。这是因为裸盆子式工装更容易形成有效的电磁泄漏窗口，绝缘板式工装的电磁信号更发散；而对于带有浇注孔的屏蔽式工装，因电磁泄漏口很小，所以信号受到了不同程度的衰减，UHF传感器不能有效地接收到相应频段的信号，其有效高度相对裸盆子式UHF传感器的有效高度显著降低，降低幅度与浇注孔的尺寸有关。因此，当电磁泄漏窗口大小为合适的中间值时，有效高度测试值最高。

3.5 不同安装角度的结果比对

在实际测试中，由于条件的限制使得UHF传感器无法较理想地被安装于各种工装上。以UHF传感器S1、S3和S4为测试对象，采用裸盆子式工装，基于GTEM750小室的时域脉冲参考法，分别测试UHF传感器在 0°、90°、180°安装角度下的平均有效高度和有效高度大于2 mm的百分比，结果如表5所示。

表5 不同安装角度下传感器的有效高度参数比对Table 5 Comparison of effective height parameters among different installation angles

由表5可知，不同的安装角度对UHF传感器的有效高度有显著的影响。0°和180°安装角度下UHF传感器的有效高度基本一致，而在90°安装角度下UHF传感器有效高度明显下降，相差1.5～6倍。这一结论证明了UHF传感器具有方向性。

4 结论

本文基于GTEM小室，建立了UHF传感器有效高度的时域脉冲和扫频参考测试平台，并验证了其有效性。通过大量的比对测量，得到了以下结论。

a.基于不同平台和方法测试得到的UHF传感器在0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度偏差在±1 mm以内，该频段内有效高度大于等于2 mm的百分比偏差在±3%以内。

b.不同厂家和类型的UHF传感器的有效高度测试结果差异很大，0.3～1.5 GHz之间的平均有效高度最大相差超过2倍。

c.裸盆子式UHF传感器的平均有效高度约为绝缘板式UHF传感器的平均有效高度的1.5倍，浇注孔式UHF传感器的平均有效高度约为绝缘板式UHF传感器的平均有效高度的50%。因此，当电磁泄漏窗口大小为合适的中间值时，有效高度测试值最高。

d.不同的安装角度对UHF传感器有效高度有显著的影响，0°和180°安装角度下UHF传感器的有效高度基本一致，而在90°安装角度下UHF传感器的有效高度明显下降，相差1.5～6倍，证明了UHF传感器具有方向性。

参考文献：

［1］胡岳，司良奇，张卫东，等.自主脉冲标定式特高频局部放电带电检测相位同步方法［J］. 电力自动化设备，2013，33（11）：44-48.HU Yue，SI Liangqi，ZHANG Weidong，et al.Phase synchronization based on independentreference pulse foronline UHF PD detection［J］.Electric Power Automation Equipment，2013，33（11）：44-48.

［2］刘卫东，刘尚合.基于小波分解与滑动峰态的微弱放电信号联合检测方法［J］. 电力自动化设备，2016，36（11）：152-156，164.LIU Weidong，LIU Shanghe.Weak partial discharge signal detection based on wavelet decomposition and sliding kurtosis［J］.Electric Power Automation Equipment，2016，36（11）：152-156，164.

［3］彭超，雷清泉.局部放电超高频信号时频特性与传播距离的关系［J］. 高电压技术，2014，39（2）：348-353.PENG Chao，LEI Qingquan.Relationship between characteristic in time and frequency domain of partial discharge ultra-high frequency signals and the radiation distance［J］.High Voltage Engineering，2014，39（2）：348-353.

［4］廖瑞金，段炼，汪可，等.基于时频分析和2DNMF的局部放电模式识别［J］. 电力自动化设备，2013，33（3）：20-25.LIAO Ruijin，DUAN Lian，WANG Ke，et al.Partial discharge pattern recognition based on time-frequency anslysis and 2DNMF［J］.Electric Power Automation Equipment，2013，33（3）：20-25.

［5］HIKITA M，OHTSUKA S，WADA J，et al.Study of partial discharge radiated electromagnetic wave propagation characteristics in an actual 154kV model GIS［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19（1）：8-17.

［6］HIKITA M，OHTSUKA S，WADA J，et al.Propagation characteristics of PD-induced electromagnetic wave in 66 kV GIS model tank with L branch structure［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18（5）：1678-1685.

［7］胡岳，司良奇，张卫东，等.局部放电超高频脉冲分段采集及相角计算方法［J］. 电力自动化设备，2013，33（6）：70-74，93.HU Yue，SI Liangqi，ZHANG Weidong，et al.Segmental acquisition of partial discharge UHF pulses and its phase angle calculation［J］.Electric Power Automation Equipment，2013，33（6）：70-74，93.

［8］GAO Wensheng，DING Dengwei，LIU Weidong，et al.Investigation of the evaluation of the PD severity and verification of the sensitivity of partial-discharge detection using the UHF method in GIS［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29（1）：38-47.

［9］HOSHINO T，MARUYAMA S，NOJIMA K，et al.A unique sensitivity verification combined with real-time partial-discharge identification method［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（3）：1890-1896.

［10］ITO T，KAMEI M，UETA G，et al.Improving the sensitivity verification method of the UHF PD detection technique for GIS［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18（6）：1847-1853.

［11］CIGRE TF 15／33.03.05.Partial discharge detection system for GIS：sensitivity verification for the UHF method and the acoustic method［J］.Electra，1999（183）：74-87.

［12］JUDD M D，FARISH O，PEARSON J S.UHF couplers for gasinsulated substations：a calibration technique［J］.IEE Proceedings-Science，Measurement and Technology，1997，144（3）：117-122.

［13］JUDD M D，FARISH O，HAMPTON B F.Broadband couplers for UHF detection of partial discharge in gas-insulated substation［J］.IEE Proceedings-Science，Measurement and Technology，1995，142（3）：237-243.

［14］KOENIGSTEIN D，HANSEN D.A new family of TEM-cells with enlarged bandwidth and optimized working volume［C］∥Proceedings of 7th international symposium on EMC.Zurich，Swiss：［s.n.］，1987：127-132.

［15］JUDD M D，FARISH O.A pulsed GTEM system for UHF sensor calibration［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1998，47（4）：875-880.

［16］JUDD M D，YANG L，HUNTER I B，et al.Partial discharge monitoring for power transformers using UHF sensors part 1：sensors and signal interpretation［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2005，21（2）：5-14.

［17］李兴旺，卢启付，唐志国，等.GIS局部放电特高频传感器接收特性表征研究［J］. 广东电力，2013，26（9）：55-60.LI Xingwang，LU Qifu，TANG Zhiguo，et al.Study on receiving characteristics of the UHF sensor for GIS partial discharge［J］.Guangdong Electric Power，2013，26（9）：55-60.

［18］李兴旺，卢启付，唐志国，等.GIS局部放电特高频传感器灵敏度研究［J］. 高电压技术，2012，38（增刊）：1-4.LI Xingwang，LU Qifu，TANG Zhiguo，et al.Study on sensitivity of UHF sensors for GIS partial discharge detection［J］.High Voltage Engineering，2012，38（Supplement）：1-4.

［19］王增彬，吕鸿，李兴旺，等.基于网络分析仪的GIS局部放电在线监测特高频传感器现场校核技术［J］. 广东电力，2014，27（11）：90-96.WANG Zengbin，LÜ Hong，LIXingwang，etal.Spotcheck technology for GIS partial discharge on-line monitoring ultrahigh frequency sensor based on network analyzer［J］.Guangdong Electric Power，2014，27（11）：90-96.

［20］王亮，郑书生，李成榕，等.GIS浇注孔传播内部局部放电UHF电磁波的特性［J］. 电网技术，2014，38（1）：241-247.WANG Liang，ZHENG Shusheng，LI Chengrong，et al.Distribution of electric field strength and spectral characteristic of UHF signal of partial discharge inside GIS at resin sprue of metal ring［J］.Power System Technology，2014，38（1）：241-247.