电气工程学报, 2019, 14(3): 61-66 doi: 10.11985/2019.03.009

UHF传感器固定角度和加装屏蔽罩对有效高度的影响 *

刘康1, 温定筠1, 包艳艳1, 王碧霞2, 陈博栋1, 田铭兴,2

1. 国网甘肃省电力公司电力科学研究院 兰州 730070

2. 兰州交通大学自动化与电气工程学院 兰州 730070

Effect of Fixed Angle and Outer Shielding Cover on Effective Height for UHF Sensor

LIU Kang1, WEN Dingjun1, BAO Yanyan1, WANG Bixia2, CHEN Bodong1, TIAN Mingxing,2

1. State Grid Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730070 China

2. College of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070 China;

通讯作者: 田铭兴,男,1968年生,博士,硕士研究生导师。主要研究方向为电机与电器。E-mail：tianmingxing@mail.lzjtu.cn

收稿日期: 2019-06-24   网络出版日期: 2019-09-25

基金资助: * 国家电网甘肃省电力公司科技资助项目.  52272217001H

Received: 2019-06-24   Online: 2019-09-25

作者简介 About authors

刘康,男,1988年生,硕士。主要研究方向为电气设备绝缘性能与状态评估。E-mail：swjtu3428@126.com

摘要

UHF检测法被广泛用于GIS设备放电检测,UHF传感器的性能影响检测结果可靠性。为避免因传感器性能不良造成的检测结果对现场工作指导性不强,需要对不同厂家、不同型号UHF定期开展参数检测工作。为避免不同试验人员获取的传感器有效高度值差异性较大问题,以长方形UHF传感器为对象,试验获取传感器长轴同GTEM小室表面孔之间夹角及传感器外表面加装屏蔽罩前后的有效高度值变化规律。试验结果表明,夹角为90°时对应的有效高度值最小,远小于国网公司规范规定的考核值8 mm,夹角为0°时对应的有效高度值最大,夹角为180°时的有效高度值略低于0°对应值,有效高度值随夹角变化的主要原因在于传感器具有方向性;传感器被屏蔽罩罩住时,有效高度值略有减小,同加屏蔽罩前的数值相比,减小幅值小于6%。研究结果为规范应用GTEM小室获取UHF传感器有效高度值的流程提供参考。

关键词： 固定角度 ; 屏蔽罩 ; 有效高度 ; UHF传感器

Abstract

Ultra-high frequency(UHF) detection method is widely used in discharge detection for GIS equipment, the performance of UHF sensor affects the reliability of detection results. In order to avoid the poor performance of the sensor, the test results are not very instructive to the field work, so it is necessary to carry out parameter detection periodically for different manufacturers and different models of UHF. In order to avoid the difference of the effective height of sensors obtained by different experimenters, rectangular UHF sensor is taken as the object, and the angle between the long axis of the sensor and the surface hole of GTEM chamber is obtained, and the change rule of the effective height before and after the shielding cover is installed on the outer surface of the sensor. The test results show that the effective height corresponding to the angle of 90°is the smallest, far less than the assessment value of 8 mm stipulated by the state grid corporation specification, the effective height corresponding to the angle of 0°is the largest, and the effective height value at the angle of 180°is slightly lower than the corresponding value of 0°. The main reason for the change of the effective height value with the angle is that the sensor has directivity. When the sensor is covered by a shield cover, the effective height decreases slightly, and the amplitude decreases by less than 6% compared with that before the shield cover. The research results provide a reference for standardizing the process of obtaining the effective height of UHF sensor by using GTEM cell.

Keywords： Installation angle ; shield cover ; effective height ; UHF sensor

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本文引用格式

刘康, 温定筠, 包艳艳, 王碧霞, 陈博栋, 田铭兴. UHF传感器固定角度和加装屏蔽罩对有效高度的影响 *. 电气工程学报[J], 2019, 14(3): 61-66 doi:10.11985/2019.03.009

LIU Kang. Effect of Fixed Angle and Outer Shielding Cover on Effective Height for UHF Sensor. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(3): 61-66 doi:10.11985/2019.03.009

1 引言

气体绝缘组合电器(Gas insulated switchgear,GIS)因体积小、运行稳定等优点而被广泛用在110 kV及以上变电站中[1],设备运行过程中的局部放电故障可能会导致停电故障,因此针对GIS设备开展局部放电检测工作至关重要 [2]。UHF传感器因灵敏度高、抗干扰能力强等特点而被广泛应用于GIS设备局部放电检测,UHF传感器性能的优劣直接影响检测结果的准确性及其参考价值[3],因此有必要对UHF传感器性能参数对局放检测结果的影响开展研究[4,5]。

目前电力科学研究院等科研单位广泛应用GTEM小室检测UHF传感器有效高度、灵敏度等参数[5]。GTEM小室是同轴线结构的变形,它是一种封闭式结构,主要包括接头、主体和负载三部分,接头部分实质上是同轴线接头并且与内导体相连[6];主体部分包括屏蔽门、内导体、外壳,内导体是一个大小渐变的平板,外导体呈喇叭状;负载部分主要包括电阻阵面与吸波材料[6]。GTEM小室内部为喇叭渐变结构,避免了电磁波在小室内部产生反射和谐振,并且内部的球面波近似看成是平面波,使得测试区域的横电磁波比较均匀。因此,GTEM小室能够较好地模拟空间电磁环境[7,8,9,10,11]。

目前各电力公司用于局放检测的UHF传感器厂家众多,参数差异大,这就导致应用不同厂家的传感器对同一放电现象进行检测会得出不同的检测结果。Judd等[12,13,14]应用GTEM小室开展UHF传感器性能参数测试,证明了传感器的性能可用有效高度表示。有效高度反映了传感器将电场信号转化为电压信号的能力[13]。传感器检测时需要将其固定在GTEM小室开孔外表面,文献[15]基于GTEM小室标定了UHF传感器的灵敏度和有效高度,通过这两个指标可对传感器的性能评定。

同一线生产部门交流后发现,即便是针对同一传感器,不同的人员检测时可能会得出不同的有效高度值,该问题的存在不利于工作流程的标准化。针对上述问题,利用厂家将传感器送往电科院检测的机会,采用试验方法探索影响UHF传感器有效高度参数的主要影响因素。本文选择某厂家送检的长方体型传感器为测试对象,应用符合国网公司规定要求的GTEM小室,测量不同安装角度及传感器外侧加装屏蔽罩时的有效高度值变化情况。在分析试验结果的基础上提出了传感器有效高度测试工作标准化建议。本文研究结果可为制定UHF传感器参数检测与评价作业指导书提供参考。

2 测试平台与测试方法

2.1 测试平台与参数

测试平台接线原理如图1所示。图1中小室的尺寸(长、宽、高)为4 200 mm×2 200 mm×1 400 mm。由图1可知,图1中小室高度和宽度自右向左依次递减,用于放置待测传感器的开孔直径大于等于150 mm,开孔位置距离右侧边缘的距离小于1 400 mm,因为该处附近的场强相对比较均匀。小室输入阻抗50 Ω,驻波比小于1.5。

图1

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图1   GTEM测试平台示意图


单针探测传感器外观及理论实测高度曲线如图2所示。该小室频率范围为0~2 GHz。标准脉冲源可向小室内注入的电压范围为0~200 V,本文试验中注入电压幅值为20 V,输出阻抗50 Ω,脉冲上升沿小于等于300 ps,脉冲重复频率为50~200 Hz,输出电压波形为双指数脉冲。高速示波器的采样频率为20 Gs/s,带宽4 GHz。

图2

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图2   单级探针


综上所述,本文所用GTEM小室满足国家电网公司关于电力设备带电检测仪器性能检测方案中规定的相关指标要求。

2.2 测试步骤

测量原理如图3所示,依据参考传感器的有效高度,计算待测传感器有效高度,计算过程如式(1)~(3)所示。

${{H}_{\text{ref}}}={{U}_{\text{Mr}}}/{{E}_{\text{in}}}$
${{H}_{\text{sens}}}={{U}_{\text{Ms}}}/{{E}_{\text{in}}}$
${{H}_{\text{sens}}}=({{U}_{\text{Ms}}}/{{U}_{\text{Mr}}}){{H}_{\text{ref}}}$

式中,Ein为入射场强,单位V/m;UMr、UMs单位为V,Href标准单位为m,现场中通常用mm表示。

图3

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图3   传感器平均有效高度测量原理


测试步骤如下所述。

(1) 在GTEM小室测试窗口处放置单极探针参考传感器,合理配置示波器,打开标定脉冲信号源,使脉冲信号源输出脉冲信号至GTEM小室,建立脉冲电磁场,调整示波器,记录并保存标准单极探针输出的电压波形。

(2) 在GTEM小室测试窗口处将单极标准探针更换为待测传感器,调整示波器,读取示波器纵坐标量程,并在测控软件中设置参数。

(3) 运行测控软件,按照软件内置时域参考法获得待测传感器的频域等效高度曲线,以及300~1 500 MHz频段内的平均有效高度。

(4) 标定信号源发出的是周期性重复脉冲,所以测试系统根据记录次数可以获得多条测试曲线,分析系统自动对这些测试结果进行统计平均,计算偏差,并以该平均值作为最终的传感器平均有效高度测试结果。

2.3 传感器放置角度

传感器具有方向性,传感器放在GTEM小室小孔外表面时,方形传感器长轴线同孔的夹角如图4所示,图中所示角度为18°,后续测试中的角度间隔值为18°。

图4

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图4   传感器角度示意图


加装屏蔽罩时外观及屏蔽罩尺寸如图5所示,屏蔽罩高度为283 mm,内径为260 mm,外径为280 mm,开孔孔径为260 mm;孔径与屏蔽罩内径一致。

图5

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图5   实测传感器固定示意图


3 测试结果与分析

按照第2.2节所述步骤,以某厂家生产的长方形传感器为例,传感器放置角度变化时的有效高度参数如表1所示。两次测试的时间间隔为20 min,间隔期间脉冲源不向小室内注入脉冲,测试时室温度为21~24℃,空气相对湿度为42%~53%,测试地海拔高度约为1 500 m。

表1   有效高度

角度/(°)最大有效高度/mm平均有效高度/mm最大有效高度对应的频率/MHz
026.20312.263976
1822.73210.258976
3618.6688.500976
5413.4675.990976
724.6702.270957
903.9302.010957
10811.5404.8701 015
12613.6406.260976
14422.56010.3001 015
16225.00011.7801 015
18025.78011.490996

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有效高度值随安装角度的变化趋势如图6所示。由图6可知,当安装角度从0°增加到90°过程中,有效高度最大值和平均值均随角度的增加而减小,安装角度由0°增加到180°时,有效高度值逐步增加,安装角度为180°时对应的有效高度值略低于0°,差值小于6%。下降相对值最大处位于72°和108°,原因在于该处的有效高度绝对值较小,因此微小的变化量将会导致相对值较大。

图6

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图6   有效高度随安装角度的变化趋势


鉴于上述试验结果,建议在制定传感器有效高度检测标准化作业指导书中需要明确记录某传感器的有效高度参数时,需要标注该传感器在用GTEM小室测试时的固定角度,在有效高度最大值和最小值处应用不同颜色油漆笔表明安装方向和位置,同时在记录表格中做详细说明,避免不同人员操作时,由于安装角度等因素不同,给出不同的测试结果。

不同安装角度下的有效高度对应的最大值如图7所示,最大值频率范围为957~1 015 MHz,976 MHz处出现最大值的次数为5次。

图7

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图7   不同安装角度对应的频率


由于传感器的有效高度反映了其将输入场强转化为电压幅值的能力,本文测试时注入小室内的电压幅值仅为20 V,其所产生的场强值也较小,因此外界的干扰可能会对有效高度值结果产生较大的影响,用金属屏蔽罩将传感器完全罩住可在一定程度上减小外界的干扰,以不加屏蔽罩时的数据为基准,加屏蔽罩后测试所得的值同基准值之间的差值如图8所示。

图8

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图8   传感器外加装屏蔽罩后有效高度值变化趋势


由图8可知,绝对差值最大值小于0.7 mm,相对差值最大值小于6%。不同安装角度处的绝对差值和相对差值的变化程度并不相同,原因在于当固定角度为90°时,其绝对数值较小,当绝对差值不变或变化不大时,由于分母小,因此导致相对值增大。

针对有效高度值会随传感器在开孔处安装角度的变化而改变和在传感器外加屏蔽罩后有效高度值会减小这一现象,选择其他两个厂家的4只传感器用同样的方法进行了测试,测试结果表明

(1) 有效高度在0°和180°最大,90°最小,因此中国电力科学研究院在针对不同厂家生产的长方形UHF传感器进行检测时,仅需要测试0°、180°和90°三个角度处的有效高度值即可。多次测量获得的有效高度值存在一定的分散性,因此在某一角度下的测试次数应不小于5次,剔除坏值后取5个有效数据的平均值表征该传感器在某一安装角度下的有效高度,在给出有效高度值的同时,应给出标准差,以反映多次测量结果的分散性。

(2) 屏蔽罩半径不变,高度增加3 mm,或高度不变,半径增加5 mm时分别测量安装角度为0°和180°的有效高度值,同未加屏蔽罩时的对应值相比,数值均有所下降,下降幅值均小于0.8 mm。在屏蔽罩完全罩住长方形UHF传感器后,屏蔽罩高度和直径的增加对有效高度下降值的影响变化不明显。

4 结论

本文利用GTEM小室,开展了一种外观为长方体型的UHF传感器安装角度及外侧屏蔽罩对有效高度值影响规律的试验,结论如下。

(1) 固定角度为90°时的有效高度平均值最低,该值低于国网公司考核指标值8 mm,固定角度为0°时对应的值为12.26 mm,180°时的值接近12 mm,该值超考核指标约50%。不同安装角度处的有效高度值不同系传感器具有方向性这一特点所致。

(2) 以不加屏蔽罩时的数据为基准,用屏蔽罩完全罩住传感器时的有效高度值略有下降,下降幅度不超过6%。

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