李 婷，葉會(huì)生，李 欣，徐 晟

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410015)

高頻局部放電傳感器傳輸特性測(cè)試方法及試驗(yàn)研究

李 婷1，葉會(huì)生1，李 欣1，徐 晟2

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410015)

本文根據(jù)高頻局部放電傳感器關(guān)鍵傳輸特性參數(shù)的技術(shù)要求，探討了相應(yīng)傳輸特性參數(shù)的測(cè)試方法，建立了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。研究了接線方式對(duì)應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的影響，并開(kāi)展了不同廠家的高頻局部放電傳感器的測(cè)試對(duì)比研究。

高頻局部放電；傳輸阻抗；檢測(cè)頻帶；測(cè)試系統(tǒng)；傳感器

局部放電是電力設(shè)備絕緣介質(zhì)中的一種局部范圍內(nèi)的電氣放電，電力設(shè)備存在絕緣缺陷時(shí)容易發(fā)生局部放電。局部放電的產(chǎn)生通常伴隨著電脈沖、超聲波、電磁輻射、光、化學(xué)反應(yīng)，并引起局部發(fā)熱等現(xiàn)象，可以通過(guò)高頻脈沖電流檢測(cè)法、特高頻法、超聲波法等多種檢測(cè)手段進(jìn)行檢測(cè)〔1-2〕。高頻法是利用高頻電流傳感器檢測(cè)流過(guò)設(shè)備接地引下線或其他地電位連接線上的高頻脈沖電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的局放檢測(cè)，進(jìn)而掌握設(shè)備的絕緣狀況。

高頻局部放電傳感器通過(guò)Rogowski線圈的磁耦合作用檢測(cè)脈沖電流信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)與一次設(shè)備沒(méi)有直接的電氣連接，不影響一次設(shè)備的運(yùn)行，并且高頻電流傳感器安裝簡(jiǎn)單，靈敏度高。因而被廣泛應(yīng)用于變壓器、電纜等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)局放檢測(cè)中〔3-5〕。

局部放電信號(hào)微弱，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖電流檢測(cè)的關(guān)鍵在于良好的高頻局部放電傳感器性能。高頻局部放電傳感器生產(chǎn)廠家眾多、產(chǎn)品各異，各廠家的研究與制造水平參差不齊，而目前在電力行業(yè)缺乏對(duì)其傳輸性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)的測(cè)試方法與平臺(tái)，因而難以把握儀器的應(yīng)用效果，并對(duì)結(jié)果做出準(zhǔn)確的判斷。

1 高頻局放傳感器傳輸特性測(cè)試方法

1.1 傳輸特性參數(shù)

當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，將產(chǎn)生高頻的脈沖電流，脈沖電流經(jīng)電力設(shè)備的接地引下線流通，并在垂直于電流傳播方向的平面上產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過(guò)在電力設(shè)備的接地線上安裝高頻電流傳感器和相位信息傳感器，從局部放電產(chǎn)生的磁場(chǎng)中耦合能量，再經(jīng)線圈轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的方式，可以檢測(cè)判斷電力設(shè)備中的局部放電故障，其檢測(cè)原理如圖1所示〔6〕。

圖1 高頻局放帶電檢測(cè)示意圖

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備帶電檢測(cè)儀器技術(shù)規(guī)范第5部分:高頻法局部放電帶電檢測(cè)儀器技術(shù)規(guī)范》，高頻局放傳感器的關(guān)鍵傳輸特性參數(shù)及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)如下:

1)傳輸特性阻抗:傳輸特性阻抗指的是在某固定頻率正弦電流信號(hào)下，傳感器耦合輸出的電壓信號(hào)幅值與輸入電流信號(hào)幅值的比值，該指標(biāo)反映在工作頻帶內(nèi)某固定頻率輸入信號(hào)下傳感器的信號(hào)耦合能力。一般要求輸入頻率為10 MHz的正弦電流信號(hào)時(shí)，傳感器的傳輸阻抗值大于5 mV/mA。

2)檢測(cè)頻帶:檢測(cè)頻帶指的是對(duì)高頻局部放電傳感器進(jìn)行幅頻特性測(cè)試，通常內(nèi)幅值比峰值下降6 dB對(duì)應(yīng)的上下截止頻率之差。一般要求整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)頻帶在3～30 MHz范圍內(nèi)。

3)穩(wěn)定性:注入恒定幅值和頻率的正弦波信號(hào)，高頻局放傳感器連續(xù)工作1 h后，輸出的相應(yīng)幅值的變化不應(yīng)大于±10%。

1.2 測(cè)試原理

根據(jù)高頻局放傳感器的傳輸特性主要參數(shù)要求，其傳輸特性測(cè)試主要包括3個(gè)方面:傳輸特性阻抗測(cè)試、檢測(cè)頻帶測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試。

1)傳輸特性阻抗測(cè)試

傳輸特性的測(cè)試原理如圖2所示:采用信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，通過(guò)同軸電纜串接阻值為50 Ω的匹配電阻。同時(shí)將同軸電纜穿心接入待測(cè)高頻局放傳感器，用示波器測(cè)量傳感器輸出的電壓信號(hào)及同軸電纜中流過(guò)的電流信號(hào)，其中，電流信號(hào)通過(guò)測(cè)量匹配電阻兩端的電壓獲得。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出10 MHz的正弦信號(hào)，計(jì)算示波器測(cè)量的電壓信號(hào)幅值與換算得到的電流信號(hào)幅值的比值，即得到被測(cè)傳感器的傳輸特性阻抗。

圖2 高頻局放傳感器傳輸特性測(cè)試原理圖

2)檢測(cè)頻帶測(cè)試

檢測(cè)頻帶測(cè)試仍然采用如圖2所示的接線方式，但可不必測(cè)量匹配電阻兩端的電壓。保持信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)的幅值不變，緩慢改變信號(hào)頻率，記錄各頻率下傳感器輸出的電壓幅值。找出傳感器輸出電壓幅值從最大值下降到0.501倍(-6 dB)時(shí)的上下截止頻率，即可得到傳感器的檢測(cè)頻帶。

3)穩(wěn)定性測(cè)試

穩(wěn)定性測(cè)試的接線方式如圖2所示。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出恒定幅值與頻率的正弦信號(hào)，將傳感器連續(xù)工作1 h，記錄傳感器初始及連續(xù)工作1 h后的輸出值。

2 高頻局放傳感器傳輸特性測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照高頻局放傳感器傳輸特性的測(cè)試方法，研制了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)ζ渲饕獋鬏斕匦詤?shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包含示波器，信號(hào)源及高頻校驗(yàn)箱。測(cè)試系統(tǒng)包含外置信號(hào)源與內(nèi)置信號(hào)源，方便于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主要設(shè)備簡(jiǎn)介

1)外置信號(hào)源

本文采用任意波形發(fā)生器作為測(cè)試系統(tǒng)的外置信號(hào)源，為滿足測(cè)試對(duì)信號(hào)源的要求，選取的任意波形發(fā)生器基本參數(shù)如下:

①信號(hào)輸出幅值在0～10 V可調(diào)；

②信號(hào)頻率范圍在0～120 MHz可調(diào)；

③具備任意波形信號(hào)導(dǎo)入、輸出的功能。

2)示波器

測(cè)試系統(tǒng)采用的示波器基本參數(shù)如下:

①模擬帶寬為2.5 GGHz；

②采樣率為10 GS/s。

3)高頻校驗(yàn)箱

為滿足測(cè)試需求，本文研制了高頻校驗(yàn)箱。高頻校驗(yàn)箱中內(nèi)置阻值為±1%50 Ω的無(wú)感電阻，箱體表面預(yù)留信號(hào)輸入孔及匹配電阻電壓輸出孔，并依據(jù)高頻局部放電傳感器的一般尺寸設(shè)計(jì)了傳感器安裝桿，便于傳感器的安裝。同時(shí)在箱內(nèi)內(nèi)置峰峰值為1 V，頻率可變的正弦交流源，通過(guò)箱體表面預(yù)留的按鈕可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的高頻校驗(yàn)箱可突破現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的限制，實(shí)現(xiàn)靈活、快速的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

3 高頻局放傳感器傳輸特性試驗(yàn)研究

本文采用外置信號(hào)源進(jìn)行傳感器的傳輸特性試驗(yàn)研究，分別對(duì)3種不同廠家的高頻局放傳感器進(jìn)行傳輸特性測(cè)試，其中傳感器A為進(jìn)口儀器，傳感器B與傳感器C為國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。

3.1 接線方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

傳感器的檢測(cè)頻帶是傳感器性能的重要指標(biāo)之一。按照如圖2所示的高頻局放傳感器傳輸特性的測(cè)試方法，在進(jìn)行傳感器傳輸特性參數(shù)的測(cè)量過(guò)程中需要利用示波器測(cè)量傳感器輸出電壓信號(hào)與輸入電流信號(hào)。簡(jiǎn)單的接線方法是同時(shí)連接傳感器輸出端及匹配電阻電壓輸出至示波器不同通道，依次對(duì)被測(cè)傳感器的傳輸阻抗、檢測(cè)頻帶與穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)量。而實(shí)際在進(jìn)行檢測(cè)頻帶測(cè)試時(shí)只需獲取被測(cè)傳感器的輸出電壓信號(hào)，并入測(cè)量回路的匹配電阻電壓測(cè)量回路可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

本文以傳感器A為例，設(shè)置信號(hào)源輸出電壓峰峰值為1 V，在100～60 MHz頻段范圍內(nèi)改變頻率(100～1 MHz范圍內(nèi)以100 kHz的步長(zhǎng)改變頻率；1～60 MHz內(nèi)以1 MHz為步長(zhǎng)改變頻率)，分別進(jìn)行2種接線方式下的檢測(cè)頻帶測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。其中接線方式2如圖3所示，匹配電阻電壓輸出口與高頻局部放電傳感器的輸出均通過(guò)同軸電纜連接至示波器；接線方式1則只測(cè)量傳感器輸出電壓。

由測(cè)試結(jié)果可知，采用接線方式1與采用接線方式2測(cè)得的傳感器幅頻響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，說(shuō)明匹配電阻電壓測(cè)量回路的存在影響檢頻帶的測(cè)試。采用接線方式2測(cè)試時(shí)，由于匹配電阻電壓測(cè)量回路對(duì)磁場(chǎng)的影響，傳感器的輸出電壓偏低，并且隨頻率的上升而呈現(xiàn)振蕩變化的趨勢(shì)。因此為減小接線方式影響，在進(jìn)行檢測(cè)頻帶測(cè)試時(shí)應(yīng)注意斷開(kāi)匹配電阻電壓輸出端與示波器的連接。

3.2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

主要對(duì)3類(lèi)傳感器進(jìn)行傳輸阻抗與檢測(cè)頻帶測(cè)試。采用接線方式2測(cè)試傳輸阻抗，信號(hào)源輸出峰峰值為1 V，頻率為10 MHz的正弦波。采用接線方式1測(cè)試檢測(cè)頻帶，信號(hào)源的設(shè)置同3.1節(jié)所述，在100～160 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試獲得的傳輸阻抗見(jiàn)表1，檢測(cè)頻帶測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

表1 傳輸阻抗測(cè)試結(jié)果mV/mA

圖5 檢測(cè)頻帶測(cè)試結(jié)果

根據(jù)傳輸阻抗的測(cè)試結(jié)果，傳感器A滿足傳輸阻抗大于5 mV/mA的要求；傳感器B與傳感器C傳輸阻抗均偏低，小于5 mV/mA。

根據(jù)檢測(cè)頻帶測(cè)試結(jié)果，傳感器A的下限截止頻率為2 MHz，上限截止頻率大于150 MHz；傳感器B的檢測(cè)頻帶為50～80 MHz；傳感器C的檢測(cè)頻帶為600～89 MHz。3類(lèi)傳感器均具有優(yōu)良的幅頻響應(yīng)特性，滿足檢測(cè)頻帶在3～30 MHz范圍內(nèi)的要求，但傳感器A的頻率響應(yīng)特性明顯優(yōu)于B，C傳感器。

綜合測(cè)試結(jié)果，傳感器A的傳輸特性優(yōu)于B，C傳感器。

4 結(jié)束語(yǔ)

為規(guī)范高頻局部放電傳感器的生產(chǎn)與使用，提高高頻法在局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用效果，建立傳感器傳輸特性的測(cè)試手段十分必要。本文通過(guò)對(duì)高頻局部放電傳感器的傳輸特性測(cè)試方法的研究，建立了高頻局部放電傳感器傳輸特性的測(cè)試平臺(tái)，并開(kāi)展了高頻局部放電傳感器傳輸特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。研究成果為開(kāi)展高頻局部放電傳感器的傳輸性能檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

〔1〕庫(kù)欽斯基.高壓電氣設(shè)備局部放電〔M〕.北京:水利電力出版社，1984.

〔2〕郭俊，吳廣寧，張血琴，等.局部放電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展〔J〕.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(2):29-34.

〔3〕王昌長(zhǎng)，郭恒，朱德恒等.在線檢測(cè)電力設(shè)備局部放電的電流傳感器系統(tǒng)的研究〔J〕.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1990(2):42-46.

〔4〕肖勇，龐軍，周波，等.超聲波與高頻脈沖電流相結(jié)合的變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法〔J〕.四川電力技術(shù)，2011，34 (6):53-55.

〔5〕韓正一.高頻電流傳感器頻率特性的應(yīng)用研究〔J〕.電工技術(shù)，2012(1):45-47.

〔6〕國(guó)家電網(wǎng)公司.電力設(shè)備高頻局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則:Q/GDW 11400—2015〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2015.

Test method and experiment research of transmission performance test for high-frequency partial discharge sensors

LI Ting1，YE Huisheng1，LI Xin1，XU Sheng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

According to the technical requirement of key transmission parameters of high frequency partial discharge sensor，this paper studies relevant testing methods and establishes calibration system.The impact of connection mode on test results of the test system is researched.Moreover，test results of high-frequency partial discharge sensors of different manufactures are compared and studied.

high-frequency partial discharge；transfer impedance；detection band；test system；sensor

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0039-04

李婷(1990)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.009

2015-12-29 改回日期:2016-02-24

李欣(1987)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓計(jì)算、過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別、防雷與接地等研究。