陶诗洋，程  序，王文山，任志刚，吴麟琳，李明忆

　　（国网北京电科院，北京100075）

　　摘  要： 为了开展GIS特高频局部放电传感器现场检验工作，笔者通过利用陡脉冲源注入信号法与传递特性试验法在现场进行了试验研究工作，试验结果表明两种方法在现场开展特高频内置传感器校验的可行性，并具有很好的相关性，通过试验得出不同结构GIS安装的特高频内置传感器对信号的衰减特性，并提出了对于现场特高频传感器优化布置的建议。

　　关键词： 局部放电；特高频检测；灵敏度；检验方法；气体绝缘组合电器

0 引言

　　为保证气体绝缘组合电器(Gas Insulated Substation，GIS)可靠运行，及时发现设备存在的潜在隐患，目前GIS广泛采用特高频局部放电在线监测装置进行局放缺陷的实时监测，目前绝缘在发生贯穿性击穿前，通常会产生局部放电，因此通过监测局部放电可有效预防绝缘故障[1-8]。

　　随着GIS局部放电特高频在线监测装置的广泛运用，为保证在线监测装置的准确性、灵敏性和有效性，需对局部放电特高频检测系统的性能进行检验[9-11]，目前普遍采用 CIGRE草案中建议的检验方法[12-15]。CIGRE草案建议的方法为通过记录5 pC真实放电下特高频内置传感器信号幅值，之后利用脉冲发生器从相邻的内置传感器注入脉冲信号，记录与5 pC真实放电响应特性相同下脉冲发生器幅值。此方法目前由于仍在讨论阶段，存在以下几个问题，不利于现场推广应用。一是没有明确规定5 pC的放电量为何种放电类型的放电，而且5 pC的真实放电不易实现和模拟，不利于此种方法的推广应用；二是针对不同厂家、不同电压等级的GIS结构均不相同，在实验室难以对其进行模拟试验，不利于此种方法的应用与推广。三是针对不同气室特高频传感器的布置方式均不同，而被测传感器的灵敏度特性需要能够兼顾其相邻传感器之间的范围，此种校验方法尽管考虑了传感器附近区域的检测灵敏度，但对现场装置布置方式的校验不具备指导意义。

　　本文通过搭建GIS现场检验系统，建立基于GIS内置特高频传感器的现场校验方法，并在已安装特高频内置传感器GIS上开展灵敏度特性校验研究，针对不同结构设备与不同布置方式传感器开展现场检验试验，从而验证此种方法的有效性。

1 试验准备

　　为了检验GIS内置特高频局部放电传感器灵敏度，本次实验考核了进线端相邻特高频内置传感器、断路器两端相邻特高频内置传感器、母线相邻两特高频传感器间的灵敏度。实验主要的检测仪器有：陡脉冲信号发生器、特高频内置传感器、40 dB功率放大器(放大器频谱图如图1所示)、高速示波器和网络分析仪。

　　本文采用陡脉冲信号发生器激发模拟特高频局放电磁波信号，信号源脉冲上升沿约700 ps，重复频率200 Hz，电压幅值范围为0至200 V，脉冲宽度为2 ns，波形及频域谱图如图2所示。实验中示波器的设置为：采样率为10 GS/s，带宽为2 GHz，时间窗为100 ns/div，耦合方式为DC 50 。网络分析仪的设置为：频带为5 Hz～3 GHz，扫描点为1 601，扫描时间为5 s，延迟时间2 ms，输出功率10 dBm。

2 方案设计

　　试验通过陡脉冲信号源在特高频相邻传感器输入陡脉冲信号，在相邻传感器通过40 dB信号放大器和示波器检测响应信号，脉冲信号源输出电压从200 V逐渐减小，直到示波器读取波形信噪比等于2时，记录此时脉冲源的输出电压，检测不同输入信号幅值下相邻传感器检测到的注入信号，同时，利用网络分析仪测量两相邻传感器之间的传递特性，比较不同GIS结构下传感器响应特性的变化情况，从而对已安装的传感器进行有效性的现场检验，试验接线如图3、4所示。

　　2.1 进线端相邻特高频传感器灵敏度考核方案

　　试验现场GIS进线端在三相套管处和其相邻串内仓体均安装了特高频局放传感器，分别为A1、B1、C1和A2、B2、C2号传感器，各传感器位置如图3、4所示，本项试验主要考核套管至串内段GIS两侧传感器的有效性，信号注入试验接线图如图3所示，传递特性试验设备接线图如图4所示。两传感器间结构如表1所示。陡脉冲信号通过A1、B1、C1特高频传感器向GIS腔体注入，并通过A2、B2、C2特高频传感器检测该注入信号。随后，利用网络分析仪测量相邻传感器的两端口网络特性。

　　2.2 断路器两侧相邻特高频传感器灵敏度考核方案

　　试验现场GIS断路器两侧均安装了特高频传感器，分别为A2、B2、C2和A3、B3、C3号传感器，各传感器位置如图3、4所示，本项试验主要考核GIS断路器两侧传感器的有效性，信号注入试验接线图如图3所示，传递特性试验设备接线图如图4所示。两传感器间结构如表2所示。陡脉冲信号通过A2、B2、C2特高频传感器向GIS腔体注入，A3、B3、C3特高频传感器检测该注入信号。随后，利用网络分析仪测量相邻传感器的两端口网络特性。

　　2.3 母线上相邻两特高频传感器灵敏度考核方案

　　试验现场GIS母线均按照一定间距安装了特高频传感器，分别为A4、B4、C4和A5、B5、C5号传感器，各传感器位置如图3、4所示，本项试验主要考核GIS母线相邻两传感器的有效性，信号注入试验接线图如图3所示，传递特性试验设备接线图如图4所示。两传感器间结构如表3所示。陡脉冲信号通过A4、B4、C4特高频传感器向GIS腔体注入，并通过A5、B5、C5特高频传感器检测该注入信号。随后，利用网络分析仪测量相邻传感器的两端口网络特性。

3 试验结果分析

　　3.1 变压器进线端相邻特高频传感器信号注入试验

　　如图5所示为A、B、C三相最小检测注入信号时域波形图，A、B相最小可检测到90 V的注入陡脉冲信号，C相最小可检测到140 V注入陡脉冲信号，三相传感器所检测到的最小幅值均在3 V左右。

　　图6所示为A、B、C检测到的信号强度随注入电压幅值变化趋势图，当注入相同的电压值时，B相检测到的幅值最大，同时A相检测的幅值大于C相。A相在注入200 V时检测到的幅值反而小于注入180 V时检测到的幅值，这可能是测量误差引起的，可知检测到的幅值随注入电压增大基本呈线性关系，且A与B斜率基本一致，可能的原因是AB相的GIS腔体结构一致，只是长度不同，C相斜率偏差较大的原因可能是由于C相母线过长，导致检测到的信号信噪比降低误差增大。

　　如图7所示为A、B、C三相检测到的注入信号相邻传感器频谱分布图，由测量结果可知A相、B相检测到的信号频谱主要分布在450～750 MHz、950 MHz～1.15 GHz两个频段内，C相检测到的信号频谱主要分布在450～750 MHz和1 GHz附近，这是由于C相腔体过长造成高次谐波截止频率降低造成，A、B、C三相在1.2～2 GHz间最大衰减约10 dB，主要原因是由于放大器在1.2～2 GHz频带的传输幅频特性下降造成的。

　　图8为网分测试的A、B、C三相两传感器之间的S12参数频谱图，可知网分测试的三相的S21参数的频谱覆盖范围基本相同，其中A、B相信号响应峰值明显大于C相，这与注入信号结果是一致。

　　图9为A2传感器检测到的注入信号频谱与网分测量的S21传递参数的对比图，由图可见注入信号的频谱和S21参数频谱在450～750 MHz和950 MHz～1.15 GHz覆盖范围一致，在1.2～1.7 GHz两者存在明显的差异，注入信号和S21参数的底噪水平相差约12 dB，这主要是由于注入信号时使用的放大器在1.2～2 GHz的传输幅频特性引起。

　　3.2 断路器两侧相邻特高频传感器灵敏度测试分析

　　图10为在A2、B2、C2传感器处在注入200 V陡脉冲信号时相邻A3、B3、C3号传感器检测到的信号谱图。可见在信号源最大输出200 V电压情况下，断路器另外一端相邻特高频传感器检测到的信号与背景信号相同，同时网络分析仪也检测不到相关信号，证明此种传感器布置方法在200 V的陡脉冲激励下无法完成校验工作。

　　3.3 母线上相邻两特高频传感器灵敏度测试分析

　　图11为在A4传感器处注入不同大小信号在A5传感器处检测信号幅值变化趋势图，由图可见检测到的信号随注入信号的增大基本成线性增大，具有桥型结构的母线两侧的传感器最小能检测到50 V注入信号。

　　图12为A相与注入信号相邻的传感器检测到的信号的频谱分布图，可知相邻传感器检测到的注入信号的频谱主要分布在500 MHz～1.2 GHz范围内，信号通过GIS腔体后在600 MHz、700 MHz和800 MHz处有很大的衰减。

4 结论

　　(1)信号注入实验结果表明，进线与母线相邻传感器检测到的信号幅值随注入信号电压增大呈线性增大，增大的比例是一定的，利用陡脉冲注入信号法可以在固定发射信号幅值下进行相邻特高频传感器的灵敏度检测，为现场校验工作提供实践依据。

　　(2)对于相似结构的GIS两传感器间仓体注入信号法与传递特性法试验中，由于UHF信号的传播结构尺寸一致，检测到的信号频谱覆盖范围基本一致，但检测信号会随结构数量与仓体长度的增加会逐渐减小。

　　(3)在信号源输出最大的情况下，断路器两侧相邻特高频传感器在200 V陡脉冲信号下无法检测到注入信号，而在母线上两相邻传感器可检测到最小50 V注入信号，在进线上相邻传感器可检测到最小90 V的信号，所以在传感器布置上应根据不同结构和长度GIS仓体进行优化设计，综合考虑不同部件的缺陷发生率与重要程度进行传感器的布置。

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