gis局部放電檢測(cè)超高頻傳感器特性的分析與實(shí)測(cè)

1傳感器的安裝是局部放電檢測(cè)的基礎(chǔ)高頻法測(cè)試氣體隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備（gis）中的局部放電。由于其強(qiáng)干燥性、易守端能定位局部負(fù)載，并能識(shí)別不同類(lèi)型的隔離缺陷，因此它深受gis制造商和用戶的喜愛(ài)。尤其是在gis生產(chǎn)、性能測(cè)試和長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)方面。由于超高頻法工作在超高頻波段,因此對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)提出了特殊的要求,如:要有足夠的靈敏度和足夠?qū)挼念l率響應(yīng)等。在該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是傳感器。目前,國(guó)外普遍采用將傳感器裝設(shè)在GIS內(nèi)部,傳感器為電容式探頭,國(guó)內(nèi)則采用外部天線,與內(nèi)部傳感器相比外部天線的靈敏度和抗干擾能力較差。本文研究的是內(nèi)部傳感器,利用安裝在不同位置的傳感器測(cè)量GIS中局部放電脈沖激發(fā)的電磁波,對(duì)局部放電源進(jìn)行定位和區(qū)分絕緣缺陷類(lèi)型等,可解決以往GIS在出廠和型式試驗(yàn)整體局部放電檢測(cè)時(shí)存在的局部放電超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時(shí)重復(fù)加壓測(cè)量、重復(fù)拆卸的弊端。傳感器的頻率響應(yīng)直接影響UHF法測(cè)量局部放電的靈敏度。本文用天線分布參數(shù)理論分析了傳感器的頻率響應(yīng)特性,并進(jìn)行了實(shí)測(cè)。2理論分析2.1圓板式和兩種傳感器目前,對(duì)檢測(cè)GIS局部放電的內(nèi)部傳感器主要有2種結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖中,1a為圓板式傳感器;1b為錐形傳感器。圓板電極半徑為a,且與安裝法蘭之間的間隙為Δp(11′)。圓板傳感器以導(dǎo)線作為引出線,而錐體傳感器則以同軸錐體作為引出線,其波阻抗與測(cè)量電纜一致。2.2傳感器參數(shù)的確定在進(jìn)行頻率響應(yīng)特性的理論分析中,先將傳感器圓板電極作為圓板天線,然后將輸出線及實(shí)際安裝在GIS法蘭上的情況考慮進(jìn)去以形成完整的模型。當(dāng)傳感器的特性尺寸與所測(cè)電磁波的波長(zhǎng)相近時(shí),應(yīng)采用天線理論。圖2表示傳感器的等值電路,在UHF波段,傳感器電極可表示開(kāi)路電壓為、阻抗為的接收天線,近似為電容Ca和電阻Ra的串聯(lián)。圖中取決于頻率,;為測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗(包括輸出引線的阻抗),;Ra和Ca取決于圓板天線的半徑a和間隙距離Δp。以2個(gè)特性參數(shù)α、β可計(jì)算Ra和Ca的數(shù)值Ra=α/β2;Ca=β/2π(1)α=s/f2;β=s/f(2)式中α、β與電極面積s/m2和電磁波頻率f/Hz有關(guān)。由本實(shí)驗(yàn)裝置所用傳感器a=6cm可得:當(dāng)f=3GHz時(shí),α=1.256×10-21;β=3.77×10-12;Ra=79.5Ω;Ca=0.6pF。當(dāng)f=1GHz時(shí),α=11.304×10-21;β=11.304×10-12;Ra=88.4Ω;Ca=1.8pF。2.2.1均勻傳輸線和安裝受限電纜模型如圖1(a)所示,此時(shí)應(yīng)考慮GIS法蘭形狀,傳感器引出線與法蘭側(cè)壁之間至傳感器輸出處(33’)構(gòu)成一長(zhǎng)度為lD的均勻傳輸線22’(其阻抗ZD≈250Ω),傳感器輸出電纜阻抗為50Ω,圖3為完整的等值回路。圖中從引出線末端33’處看,輸入阻抗式中c為光速。于是,對(duì)傳感器電極處,給定信號(hào)電壓時(shí)的頻率響應(yīng)可按下式計(jì)算:圖4為按上述模型計(jì)算所得的平板式傳感器在不同引出線(22’)長(zhǎng)度時(shí)的頻率響應(yīng)。2.2.2普通ts阻抗相關(guān)數(shù)學(xué)模型如圖1(b)所示,錐形傳感器由圓形電極和一同軸錐體引出線(11’至22’)構(gòu)成,由22’到傳感器輸出端33’之間有一段很短的引線,圖5為完整的等值回路。特性阻抗Z(z)由式(6)給出:式中D為法蘭孔直徑;d(z)為錐體直徑,z為錐體某一點(diǎn)至電極處的距離(z=0→lk);D=14cm;d(0)=2a=12cm;d(lk)=0.5cm;lk=7cm。一般實(shí)際制作的錐形傳感器的Z(z)為一常數(shù)且等于測(cè)量電纜波阻抗。22’處的輸入阻抗由式(7)求得:式中;在33’處看輸入阻抗于是錐體傳感器的頻率響應(yīng)為:圖6為按上述模型計(jì)算所得的錐形傳感器在不同錐體長(zhǎng)度時(shí)的頻率響應(yīng)。2.2.3傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)靈敏度的影響由圖4、圖6所示的UHF傳感器的頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可以看出:(1)被測(cè)信號(hào)頻率對(duì)2種結(jié)構(gòu)傳感器的頻率響應(yīng)有很大的影響,也就是說(shuō),傳感器的靈敏度主要取決于被測(cè)信號(hào)的頻率,它在UHF頻段內(nèi)是非線性的,且對(duì)某些頻率特別“敏感”,對(duì)某些頻率響應(yīng)很小。2種實(shí)驗(yàn)用的傳感器尺寸,在約1.5GHz左右靈敏度最低;在約0.35GHz及2.5GHz左右靈敏度最高。從微波理論來(lái)看,特定尺寸的天線接收相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波時(shí)靈敏度較高。也就是說(shuō),實(shí)際上天線尺寸決定了其最佳靈敏度的中心頻率。(2)傳感器結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)靈敏度產(chǎn)生影響,2種傳感器相比,在大部分頻率范圍內(nèi),錐體傳感器的靈敏度高于平板式傳感器的靈敏度。尤其是最大靈敏度,錐體傳感器的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平板式的。這主要是由于傳感器錐體阻抗與測(cè)量電纜匹配的緣故。(3)傳感器的尺寸對(duì)靈敏度的影響較大,其尺寸不同出現(xiàn)最高靈敏度的頻率亦不同。以錐體傳感器為例,錐體長(zhǎng)度變長(zhǎng),出現(xiàn)最高靈敏度的頻率降低。這一結(jié)果對(duì)傳感器設(shè)計(jì)十分有用,根據(jù)已有研究結(jié)果,一般GIS中絕緣缺陷產(chǎn)生的頻譜在700MHz至1GHz范圍內(nèi),因此在設(shè)計(jì)傳感器時(shí),可以通過(guò)合理地選取傳感器的尺寸使得傳感器的最佳靈敏度出現(xiàn)在該頻率范圍內(nèi)。這樣可提高用UHF法檢測(cè)GIS局部放電的整體靈敏度。圖7為當(dāng)lD=2cm;lk=8cm;a=4cm時(shí)錐體傳感器的頻率響應(yīng),由圖可知在700MHz至1GHz的范圍內(nèi),傳感器靈敏度較高,這一結(jié)果具有重要的工程意義。3傳感器輸出信號(hào)的測(cè)量圖8為測(cè)量傳感器頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,同軸母線兩端均以波阻抗等于母線波阻抗的錐形過(guò)渡至射頻插座。傳感器的安裝模擬實(shí)際GIS母線。裝置母線長(zhǎng)8米且兩端匹配,與所測(cè)電磁波波長(zhǎng)相比,可認(rèn)為是無(wú)限長(zhǎng)的,即電磁波的傳播特性不受母線長(zhǎng)度的影響。另外,該母線是實(shí)際GIS用母線,故試驗(yàn)結(jié)果可靠性更高。由輸入端輸入變頻信號(hào),用示波器測(cè)量傳感器輸出信號(hào)。如上所述,實(shí)際GIS中局部放電激發(fā)的電磁波的頻譜主要在0.7GHz至1GHz范圍內(nèi),故傳感器的頻率響應(yīng)測(cè)量至1GHz。圖9為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中圖9(a)為平板式傳感器,lD=6cm;a=5cm。圖9(b)為錐體傳感器,lk=7cm;lD=2cm;a=5cm。與圖6相比,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致,兩者所得最佳靈敏度的相對(duì)誤差約為8%。4uhf傳感器靈敏度影響因素(1)利用天線理論分析