陶詩洋，程 序，王文山，任志剛，吳麟琳，李明憶
（國網北京電科院，北京100075）
摘 要： 為了開展GIS特高頻局部放電傳感器現場檢驗工作，筆者通過利用陡脈沖源注入信號法與傳遞特性試驗法在現場進行了試驗研究工作，試驗結果表明兩種方法在現場開展特高頻內置傳感器校驗的可行性，并具有很好的相關性，通過試驗得出不同結構GIS安裝的特高頻內置傳感器對信號的衰減特性，并提出了對于現場特高頻傳感器優化布置的建議。
關鍵詞： 局部放電；特高頻檢測；靈敏度；檢驗方法；氣體絕緣組合電器
0 引言
為保證氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Substation，GIS)可靠運行，及時發現設備存在的潛在隱患，目前GIS廣泛采用特高頻局部放電在線監測裝置進行局放缺陷的實時監測，目前絕緣在發生貫穿性擊穿前，通常會產生局部放電，因此通過監測局部放電可有效預防絕緣故障[1-8]。
隨著GIS局部放電特高頻在線監測裝置的廣泛運用，為保證在線監測裝置的準確性、靈敏性和有效性，需對局部放電特高頻檢測系統的性能進行檢驗[9-11]，目前普遍采用 CIGRE草案中建議的檢驗方法[12-15]。CIGRE草案建議的方法為通過記錄5 pC真實放電下特高頻內置傳感器信號幅值，之后利用脈沖發生器從相鄰的內置傳感器注入脈沖信號，記錄與5 pC真實放電響應特性相同下脈沖發生器幅值。此方法目前由于仍在討論階段，存在以下幾個問題，不利于現場推廣應用。一是沒有明確規定5 pC的放電量為何種放電類型的放電，而且5 pC的真實放電不易實現和模擬，不利于此種方法的推廣應用；二是針對不同廠家、不同電壓等級的GIS結構均不相同，在實驗室難以對其進行模擬試驗，不利于此種方法的應用與推廣。三是針對不同氣室特高頻傳感器的布置方式均不同，而被測傳感器的靈敏度特性需要能夠兼顧其相鄰傳感器之間的范圍，此種校驗方法盡管考慮了傳感器附近區域的檢測靈敏度，但對現場裝置布置方式的校驗不具備指導意義。
本文通過搭建GIS現場檢驗系統，建立基于GIS內置特高頻傳感器的現場校驗方法，并在已安裝特高頻內置傳感器GIS上開展靈敏度特性校驗研究，針對不同結構設備與不同布置方式傳感器開展現場檢驗試驗，從而驗證此種方法的有效性。
1 試驗準備
為了檢驗GIS內置特高頻局部放電傳感器靈敏度，本次實驗考核了進線端相鄰特高頻內置傳感器、斷路器兩端相鄰特高頻內置傳感器、母線相鄰兩特高頻傳感器間的靈敏度。實驗主要的檢測儀器有：陡脈沖信號發生器、特高頻內置傳感器、40 dB功率放大器(放大器頻譜圖如圖1所示)、高速示波器和網絡分析儀。
本文采用陡脈沖信號發生器激發模擬特高頻局放電磁波信號，信號源脈沖上升沿約700 ps，重復頻率200 Hz，電壓幅值范圍為0至200 V，脈沖寬度為2 ns，波形及頻域譜圖如圖2所示。實驗中示波器的設置為：采樣率為10 GS/s，帶寬為2 GHz，時間窗為100 ns/div，耦合方式為DC 50 。網絡分析儀的設置為：頻帶為5 Hz～3 GHz，掃描點為1 601，掃描時間為5 s，延遲時間2 ms，輸出功率10 dBm。
2 方案設計
試驗通過陡脈沖信號源在特高頻相鄰傳感器輸入陡脈沖信號，在相鄰傳感器通過40 dB信號放大器和示波器檢測響應信號，脈沖信號源輸出電壓從200 V逐漸減小，直到示波器讀取波形信噪比等于2時，記錄此時脈沖源的輸出電壓，檢測不同輸入信號幅值下相鄰傳感器檢測到的注入信號，同時，利用網絡分析儀測量兩相鄰傳感器之間的傳遞特性，比較不同GIS結構下傳感器響應特性的變化情況，從而對已安裝的傳感器進行有效性的現場檢驗，試驗接線如圖3、4所示。
2.1 進線端相鄰特高頻傳感器靈敏度考核方案
試驗現場GIS進線端在三相套管處和其相鄰串內倉體均安裝了特高頻局放傳感器，分別為A1、B1、C1和A2、B2、C2號傳感器，各傳感器位置如圖3、4所示，本項試驗主要考核套管至串內段GIS兩側傳感器的有效性，信號注入試驗接線圖如圖3所示，傳遞特性試驗設備接線圖如圖4所示。兩傳感器間結構如表1所示。陡脈沖信號通過A1、B1、C1特高頻傳感器向GIS腔體注入，并通過A2、B2、C2特高頻傳感器檢測該注入信號。隨后，利用網絡分析儀測量相鄰傳感器的兩端口網絡特性。
2.2 斷路器兩側相鄰特高頻傳感器靈敏度考核方案
試驗現場GIS斷路器兩側均安裝了特高頻傳感器，分別為A2、B2、C2和A3、B3、C3號傳感器，各傳感器位置如圖3、4所示，本項試驗主要考核GIS斷路器兩側傳感器的有效性，信號注入試驗接線圖如圖3所示，傳遞特性試驗設備接線圖如圖4所示。兩傳感器間結構如表2所示。陡脈沖信號通過A2、B2、C2特高頻傳感器向GIS腔體注入，A3、B3、C3特高頻傳感器檢測該注入信號。隨后，利用網絡分析儀測量相鄰傳感器的兩端口網絡特性。
2.3 母線上相鄰兩特高頻傳感器靈敏度考核方案
試驗現場GIS母線均按照一定間距安裝了特高頻傳感器，分別為A4、B4、C4和A5、B5、C5號傳感器，各傳感器位置如圖3、4所示，本項試驗主要考核GIS母線相鄰兩傳感器的有效性，信號注入試驗接線圖如圖3所示，傳遞特性試驗設備接線圖如圖4所示。兩傳感器間結構如表3所示。陡脈沖信號通過A4、B4、C4特高頻傳感器向GIS腔體注入，并通過A5、B5、C5特高頻傳感器檢測該注入信號。隨后，利用網絡分析儀測量相鄰傳感器的兩端口網絡特性。
3 試驗結果分析
3.1 變壓器進線端相鄰特高頻傳感器信號注入試驗
如圖5所示為A、B、C三相最小檢測注入信號時域波形圖，A、B相最小可檢測到90 V的注入陡脈沖信號，C相最小可檢測到140 V注入陡脈沖信號，三相傳感器所檢測到的最小幅值均在3 V左右。
圖6所示為A、B、C檢測到的信號強度隨注入電壓幅值變化趨勢圖，當注入相同的電壓值時，B相檢測到的幅值最大，同時A相檢測的幅值大于C相。A相在注入200 V時檢測到的幅值反而小于注入180 V時檢測到的幅值，這可能是測量誤差引起的，可知檢測到的幅值隨注入電壓增大基本呈線性關系，且A與B斜率基本一致，可能的原因是AB相的GIS腔體結構一致，只是長度不同，C相斜率偏差較大的原因可能是由于C相母線過長，導致檢測到的信號信噪比降低誤差增大。
如圖7所示為A、B、C三相檢測到的注入信號相鄰傳感器頻譜分布圖，由測量結果可知A相、B相檢測到的信號頻譜主要分布在450～750 MHz、950 MHz～1.15 GHz兩個頻段內，C相檢測到的信號頻譜主要分布在450～750 MHz和1 GHz附近，這是由于C相腔體過長造成高次諧波截止頻率降低造成，A、B、C三相在1.2～2 GHz間最大衰減約10 dB，主要原因是由于放大器在1.2～2 GHz頻帶的傳輸幅頻特性下降造成的。
圖8為網分測試的A、B、C三相兩傳感器之間的S12參數頻譜圖，可知網分測試的三相的S21參數的頻譜覆蓋范圍基本相同，其中A、B相信號響應峰值明顯大于C相，這與注入信號結果是一致。
圖9為A2傳感器檢測到的注入信號頻譜與網分測量的S21傳遞參數的對比圖，由圖可見注入信號的頻譜和S21參數頻譜在450～750 MHz和950 MHz～1.15 GHz覆蓋范圍一致，在1.2～1.7 GHz兩者存在明顯的差異，注入信號和S21參數的底噪水平相差約12 dB，這主要是由于注入信號時使用的放大器在1.2～2 GHz的傳輸幅頻特性引起。
3.2 斷路器兩側相鄰特高頻傳感器靈敏度測試分析
圖10為在A2、B2、C2傳感器處在注入200 V陡脈沖信號時相鄰A3、B3、C3號傳感器檢測到的信號譜圖。可見在信號源最大輸出200 V電壓情況下，斷路器另外一端相鄰特高頻傳感器檢測到的信號與背景信號相同，同時網絡分析儀也檢測不到相關信號，證明此種傳感器布置方法在200 V的陡脈沖激勵下無法完成校驗工作。
3.3 母線上相鄰兩特高頻傳感器靈敏度測試分析
圖11為在A4傳感器處注入不同大小信號在A5傳感器處檢測信號幅值變化趨勢圖，由圖可見檢測到的信號隨注入信號的增大基本成線性增大，具有橋型結構的母線兩側的傳感器最小能檢測到50 V注入信號。
圖12為A相與注入信號相鄰的傳感器檢測到的信號的頻譜分布圖，可知相鄰傳感器檢測到的注入信號的頻譜主要分布在500 MHz～1.2 GHz范圍內，信號通過GIS腔體后在600 MHz、700 MHz和800 MHz處有很大的衰減。
4 結論
(1)信號注入實驗結果表明，進線與母線相鄰傳感器檢測到的信號幅值隨注入信號電壓增大呈線性增大，增大的比例是一定的，利用陡脈沖注入信號法可以在固定發射信號幅值下進行相鄰特高頻傳感器的靈敏度檢測，為現場校驗工作提供實踐依據。
(2)對于相似結構的GIS兩傳感器間倉體注入信號法與傳遞特性法試驗中，由于UHF信號的傳播結構尺寸一致，檢測到的信號頻譜覆蓋范圍基本一致，但檢測信號會隨結構數量與倉體長度的增加會逐漸減小。
(3)在信號源輸出最大的情況下，斷路器兩側相鄰特高頻傳感器在200 V陡脈沖信號下無法檢測到注入信號，而在母線上兩相鄰傳感器可檢測到最小50 V注入信號，在進線上相鄰傳感器可檢測到最小90 V的信號，所以在傳感器布置上應根據不同結構和長度GIS倉體進行優化設計，綜合考慮不同部件的缺陷發生率與重要程度進行傳感器的布置。
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