基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法。該方法：1)將GIS上兩相鄰特高頻傳感器及傳感器間的GIS結構等效為二端口微波網絡；2)通過研究二端口微波網絡的散射參量，獲得GIS上安裝的兩相鄰傳感器間的散射參量S21，確定特高頻傳感器有效檢測頻帶內傳輸系數的平均值，進而實現特高頻局部放電在線檢測系統的現場校核；所述微波網絡分析儀在進行校核之前還可通過預先測量兩特高頻傳感器所在端口的散射參量S11，結合傳感器的特點判斷其工作狀態。本發明校核方法測量誤差小，檢測靈敏度高，抗干擾能力強，為特高頻局部放電在線監測裝置的現場校核提供參考依據。
【專利說明】
基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電氣設備在線監測與故障診斷領域，涉及一種基于散射參量的局放特 高頻檢測系統現場校核方法。
【背景技術】
[0002] 局部放電特高頻檢測技術因其靈敏度高、抗干擾能力強的獨特優勢，現已在變壓 器、GIS等設備上廣泛應用，然而，現場安裝的局部放電特高頻檢測系統由于以下原因往往 導致檢測效果不佳:1)實際應用中發現，對于不同的設備制造廠家，其傳感器及檢測系統性 能相差能夠達到5倍以上，部分特高頻傳感器及檢測系統靈敏度低;2)特高頻傳感器的有效 檢測范圍不足，無法完全覆蓋所要求的監測范圍，導致部分特高頻傳感器布置不合理;3)由 于惡劣的電磁環境、氣候環境、振動等因素導致部分特高頻傳感器及檢測裝置損傷、性能劣 化，從而使檢測效果下降;4)當前，特高頻檢測系統的靈敏度和性能好壞缺乏統一的量化評 價標準，導致部分檢測設備的質量和可靠性缺乏保障，致使部分現場運行的特高頻檢測系 統誤報率、漏報率問題突出。
[0003] 因此，要想保證GIS局部放電特高頻檢測工作的實效性，必須對待出廠或已投運的 特高頻檢測系統進行靈敏度校核，建立相關產品規范、建立科學合理的評價體系與校核規 范，這也是GIS局部放電特高頻檢測技術進一步發展的要求。當前，有關UHF檢測系統的現場 校核均是基于CIGRE TF15/33.03.05工作組推薦的方法，該方法的校核結果直接取決于注 入脈沖信號的參數指標、注入方式及傳感器性能，而實際校核中，應該采用什么樣的脈沖信 號源、注入方式及傳感器，有待研究確定。
[0004] 本專利提出一種應用微波網絡分析設備，對GIS上安裝的局部放電特高頻檢測系 統進行現場校核的方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法， 該方法測量誤差小，檢測靈敏度高，抗干擾能力強，為特高頻局部放電在線監測裝置的現場 校核提供參考依據。
[0006] 為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種基于散射參量的局放特高頻檢測系 統現場校核方法，采用微波網絡分析儀，對GIS上安裝的局部放電特高頻檢測系統進行現場 校核，具體包括如下步驟， S1:將GIS上兩相鄰特高頻傳感器C1、C2及C1、C2之間的GIS結構等效為二端口微波網 絡； S2:設置微波網絡分析儀工作于雙端口工作模式，設置測量參數，并進行校核，以消除 測量誤差； S3:將微波網絡分析儀的兩端口分別通過射頻同軸線纜與特高頻傳感器Cl、C2連接； S4:控制微波網絡分析儀執行二端口網絡傳輸系數測量，獲得特高頻傳感器Cl、C2間的 散射參量S21， 其i =呀|馬CO卜遍^ |琿(/>巧(/>私(/)| 其中，HKf)、H2(f)、HG⑴分別為特高頻傳感器C1、特高頻傳感器C2及Cl、C2之間的GIS 結構的傳遞函數； 根據上式確定特高頻傳感器C1、C2在300MHz~1500MHz內散射參量的平均值Sav，
其中，S21 (i)為第i個采樣點的散射參量，亦即插入損耗值;N為300MHz~1500MHz間總采 樣點數； 由Sav，即可表征特高頻傳感器C1、C2的布置能否檢測到兩傳感器間任意位置的缺陷放 電。
[0007] 在本發明一實施例中，所述微波網絡分析儀為安捷倫E5061B，其頻率范圍為： 100kHz~3GHz，輸出功率范圍：-45~10dBm，測量動態范圍大于120dB;3GHz以下頻段射頻線纜 的傳輸特性:VSWR5 1.15。
[0008] 在本發明一實施例中，所述微波網絡分析儀在進行校核之前，還能夠通過預先測 量特高頻傳感器Cl、C2所在端口的散射參量Sn，結合特高頻傳感器Cl、C2的特點判斷其工作 狀態。
[0009] 在本發明一實施例中，所述射頻同軸線纜采用低損耗、屏蔽效能高的線纜。
[0010] 在本發明一實施例中，所述微波網絡分析儀的測量參數為輸出功率：10dBm，掃描 頻段:100MHz~2100MHz，掃描方式:線性掃描，掃描點數:1001。
[0011] 相較于現有技術，本發明具有以下有益效果:本發明方法解決了傳統特高頻檢測 系統現場校核方法中注入脈沖信號參數指標難確定的難題，基于GIS真型平臺，在對比研究 經GIS典型結構后檢測到的不同缺陷放電信號頻譜與對應結構傳感器間的S 21參量的基礎 上，確定了典型結構間傳感器的傳輸系數能有效反映局放特高頻信號經典型結構衰減后的 頻譜，得出了在滿足5pC檢測靈敏度要求時的S 21參量的特征值，該特征值可用S21參量在有 效檢測頻帶的平均值來表征;該校核方法測量誤差小，檢測靈敏度高，抗干擾能力強，為特 高頻局部放電在線監測裝置的現場校核提供參考依據。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核原理示意圖。
[0013] 圖2為本發明散射參量測量原理圖。
[0014] 圖3為基于等效注入脈沖的現場校核方法示意圖。
[0015]圖4為一實施例的校核設備連接圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0017] 本發明的一種基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法，采用微波網絡 分析儀，對GIS上安裝的局部放電特高頻檢測系統進行現場校核，具體包括如下步驟， S1:將GIS上兩相鄰特高頻傳感器C1、C2及C1、C2之間的GIS結構等效為二端口微波網 絡； S2:設置微波網絡分析儀工作于雙端口工作模式，設置測量參數(為輸出功率：lOdBm， 掃描頻段：100MHz~2100MHz，掃描方式:線性掃描，掃描點數：1001 )，并進行校核，以消除測 量誤差； S3:將微波網絡分析儀的兩端口分別通過射頻同軸線纜(采用低損耗、屏蔽效能高的線 纜)與特高頻傳感器Cl、C2連接； S4:控制微波網絡分析儀執行二端口網絡傳輸系數測量，獲得特高頻傳感器Cl、C2間的 散射參量S21， 其中，HKf)、H2(f)、HG⑴分別為特高頻傳感器Cl、特高頻傳感器C2及Cl、C2之間的GIS 結構的傳遞函數； 根據上式確定特高頻傳感器C1、C2在300MHz~1500MHz內散射參量的平均值Sav，
其中，S21 (i)為第i個采樣點的散射參量，亦即插入損耗值;N為300MHz~1500MHz間總采 樣點數； 由Sav，即可表征特高頻傳感器C1、C2的布置能否檢測到兩傳感器間任意位置的缺陷放 電。
[0018] 所述微波網絡分析儀為安捷倫E5061B，其頻率范圍為：100kHz~3GHz，輸出功率范 圍：-45~lOdBm，測量動態范圍大于120dB; 3GHz以下頻段射頻線纜的傳輸特性:VSWR < 1.15。
[0019] 所述微波網絡分析儀在進行校核之前，還能夠通過預先測量特高頻傳感器C1、C2 所在端口的散射參量Sn，結合特高頻傳感器Cl、C2的特點判斷其工作狀態。
[0020] 以下具體講述本發明的實現過程。
[0021] 本發明提出了一種應用微波網絡分析設備，對GIS上安裝的局部放電特高頻檢測 系統進行現場校核的方法。具體內容如下： (1) 微波網絡分析儀要可靠接地，將校核需要用到的射頻線纜與微波網絡分析儀可靠 連接，設定合適的測量參數(輸出功率：10dBm，掃描頻段：100MHz~2100MHz，掃描方式:線性 掃描，掃描點數:1001 )，連接校準器進行校準； (2) 測量傳感器所在端口的反射系數，記錄保存各測試數據，結合傳感器特點判斷傳感 器的工作狀態； (3) 在各傳感器正常工作的前提下，測量兩兩傳感器之間的散射參數S21，記錄保存各 測試數據； (4) 計算各散射參數S21在300MHz~1500MHz頻段內的平均衰減量Sav，與-75dB的閾值相 比較，進而對傳感器的布置方式進行校核。
[0022] 在進行校準工作前，需要對各傳感器的工作狀態進行判定。傳感器的反射系數能 反映其性能，微波網絡分析儀可以直接獲得傳感器饋電端口的反射系數，再結合傳感器的 特點即可判定傳感器的工作狀態。在各傳感器正常工作的前提下，就可對傳感器的布置狀 況進行校核。
[0023]另外，由于現場噪聲水平及靜電干擾不可忽略，各校核設備除設置可靠接地外還 應主要從以下兩方面排除測量誤差： A、 由于GIS不同結構對UHF信號的衰減程度不一樣，不同類型的傳感器及安裝結構也會 造成信號傳感差異，因此應用此方法做現場校核時應將微波網絡分析儀的輸出功率調大， 推薦設置lOdBm; B、 現場傳感器相隔較遠，射頻線纜長度一般在10m以上，所以需要使用低損耗，屏蔽效 能較好的線纜，同時還要將線纜作為微波網絡分析儀的一部分，校準時考慮在內。
[0024] 1、基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核原理 基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核原理如圖1所示。校核系統由微波網絡 分析設備、安裝在GIS人手孔處的內置式特高頻傳感器(C^CshGIS典型結構及射頻同軸線 纜構成。測量過程中，首先在微波網絡分析儀雙端口工作模式下，結合測試要求設置合適的 測量參數，并對其包括測試線纜在內的部件進行測量前的校準，已達到消除測量誤差的目 的;然后，把微波網絡分析儀的兩個端口分別通過射頻同軸線路與&、&傳感器可靠相連，控 制微波網絡分析設備執行二端口網絡傳輸系數測量，并對測量后的S 21參量數據進行分析， 確定S21參量在有效檢測頻帶的平均值，進而給出局放特高頻檢測系統現場校核結果。微波 網路測量設備已采取電磁屏蔽措施，以減少外界電磁干擾對系統校核的影響；信號傳輸線 纜均采用屏蔽性能好、衰減小的同軸線纜，以降低測量現場環境中電磁干擾的影響;根據實 際運行需求，采取相應人身及設備安全防護措施。
[0025] 2、局放特高頻檢測系統現場校核方法 2.1散射參量測量原理 散射參量測量基本原理如圖2所示，
其端口信號分別為(ai，bi)和(a 2，b2) ;an為第n個端口的歸一化入射波電壓，bn為第n個 端口的歸一化反射波電壓。只要微波網絡滿足線性網絡的要求，散射矩陣[S]的各參量就滿 足圖2中所示的關系式，S21即為需要測量的散射參量，亦即正向傳輸系數。
[0026] 2.2校核系統參數 基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核一般推薦采用微波網絡分析儀實現，其 頻率范圍、輸出功率范圍、動態范圍以及射頻線纜的傳輸特性要符合局放特高頻檢測及現 場運行條件的要求。實際現場校核中采用的微波網絡分析儀為安捷倫E5061B，其頻率范圍 為：100kHz~3GHz，輸出功率范圍：-45~10dBm，測量動態范圍大于120dB;射頻線纜的傳輸特 性:VSWRS 1.15(3GHz 以下頻段）。
[0027] 3基于S21參量的5pC檢測靈敏度表征 3.1基于S21參量校核特高頻傳感器性能的可行性 對于GIGRE工作組推薦的基于等效注入脈沖的現場校核方法，其物理過程如圖3所示。 首先，在安裝&的氣室內設置局部放電缺陷，使其在外施電壓的作用下產生5pC(GIS設備合 格標準)的局部放電，此時采用CdPUHF檢測設備測量此時的UHF信號，并記錄信號幅值A。然 后，去除缺陷模型，采用注入源輸出一定幅值的脈沖信號VKt)經傳感器&向615腔內激發出 模擬局放信號，另一側傳感器C2親合經兩傳感器間GIS結構傳播衰減后的模擬局放信號，米 集輸出電壓信號V〇(t)，調整信號源輸出電壓幅值，直到V〇(t)幅值也為A，記錄此時的Vdt) 幅值B。這一物理過程可表示為式（1)。
[0028] U〇 (/) = U, (/>^ (/>ffG {fyH2 (/) (1) 式中：山(〇為注入脈沖信號時域波形Vi(t)的快速傅里葉變換，UcXf)經傳感器(：2檢測 到信號V。(t)的快速傅里葉變換，Hi(f)、H2 (f)、HC(f)分別為注入傳感器、檢測傳感器及注入 傳感器與檢測傳感器間GIS結構的傳遞函數。
[0029] 變換式(1)可得到兩傳感器間的傳遞函數Hs(f)，見式(2)。
(2) 由式(2)可知:Hs(f)反映了兩傳感器及GIS結構的傳遞特性，且與傳感器的安裝布置方 式有關，能更好的反映兩傳感器間的頻域響應，通過微波網絡分析儀可以測得。
[0031] 3.2等效5pC放電量的靈敏度表征 散射參量S21表征的是信號在兩端口微波網絡中的插入損耗，即該兩端口微波網絡對 不同頻率信號的傳播特性。由式(2)可知兩傳感器間插入損耗可表示為式(3)所示的散射參 量S2i(單位為dB)。而兩傳感器間在300MHz~1500MHz內的平均衰減量S av(單位為dB)可表示 為式(4)，式中：S21 (i)為第i個采樣點的插入損耗值，N為300MHz~1500MHz間總采樣點數。
(3) (4) 采用式(3)計算出的衰減量不僅包含了傳感器間GIS結構對UHF電磁信號的衰減，還包 含兩傳感器對UHF電磁信號的衰減，傳感器的傳遞特性可在GTEM小室上通過微波網絡分析 儀測得。注入脈沖校核方法中實際與5pC放電等效的是經一側傳感器注入的電磁信號經GIS 結構到另一側傳感器衰減后的結果，正是式(3)表示的三個衰減量的累加效果，故可以用微 波網絡分析儀測量兩傳感器間在300MHz~1500MHz頻段內的散射參量S 21，進而由式(4)求取 平均衰減量Sav來表征兩傳感器的布置能否檢測到兩傳感器間任意位置的缺陷放電。
[0033]對于圖4所示本發明一實施例的校核設備測量回路，傳感器C3安裝氣室設置尖刺 缺陷模型，加壓控制其視在放電量為5pC，經傳感器心由示波器檢測到的UHF信號幅值為-67dBm，微波網絡分析儀測得的傳感器C3&間在300MHz~1500MHz頻段內的平均衰減量S avS-82dB。而對于一個靈敏度為-70dBm的檢測系統，當兩傳感器間在300MHz~1500MHz頻段內的 平均衰減量S av不小于_85dB時，任一傳感器仍能檢測到兩傳感器間任意位置尖刺5pC放電。 在相同視在放電量下，氣隙缺陷福射的UHF信號幅值最低，自由金屬顆粒福射的UHF信號最 強，而氣隙UHF信號幅值比尖刺放電低約lOdBm。所以，要使兩傳感器間能有效檢測到的5pC 的各類缺陷放電，兩傳感器間在有效檢測頻帶(如300MHz~1500MHz)內的平均衰減量Sav應不 小于-75dB。基于GIS真型試驗平臺的校核試驗驗證了該閾值的合理性。
[0034]以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作 用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法，其特征在于:采用微波網 絡分析儀，對GIS上安裝的局部放電特高頻檢測系統進行現場校核，具體包括如下步驟， SI:將GIS上兩相鄰特高頻傳感器Cl、C2及Cl、C2之間的GIS結構等效為二端口微波網 絡； S2:設置微波網絡分析儀工作于雙端口工作模式，設置測量參數，并進行校核，以消除 測量誤差； S3:將微波網絡分析儀的兩端口分別通過射頻同軸線纜與特高頻傳感器Cl、C2連接； S4:控制微波網絡分析儀執行二端口網絡傳輸系數測量，獲得特高頻傳感器Cl、C2間的 散射參量S21，其中，H1 (f)、H2 (f)、Hg(f)分別為特高頻傳感器Cl、特高頻傳感器C2及Cl、C2之間的GIS 結構的傳遞函數； 根據上式確定特高頻傳感器Cl、C2在300MHz~1500MHz內散射參量的平均值Sav，其中，S21(i)為第i個采樣點的散射參量，亦即插入損耗值;N為300MHz~1500MHz間總采 樣點數； 由Sav，即可表征特高頻傳感器C1、C2的布置能否檢測到兩傳感器間任意位置的缺陷放 電。2. 根據權利要求1所述的基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法，其特征 在于:所述微波網絡分析儀為安捷倫E5061B，其頻率范圍為：IOOkHz~3GHz，輸出功率范圍：-45~IOdBm，測量動態范圍大于120dB; 3GHz以下頻段射頻線纜的傳輸特性:VSWR < 1.15。3. 根據權利要求1所述的基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法，其特征 在于:所述微波網絡分析儀在進行校核之前，還能夠通過預先測量特高頻傳感器Cl、C2所在 端口的散射參量S 11，結合特高頻傳感器Cl、C2的特點判斷其工作狀態。4. 根據權利要求1所述的基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法，其特征 在于:所述射頻同軸線纜采用低損耗、屏蔽效能高的線纜。5. 根據權利要求1所述的基于散射參量的局放特高頻檢測系統現場校核方法，其特征 在于:所述微波網絡分析儀的測量參數為輸出功率：IOdBm，掃描頻段：IOOMHz~2100MHz，掃 描方式:線性掃描，掃描點數:1001。
【文檔編號】G01R35/00GK105891761SQ201610443326
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】葉兆平, 舒勝文, 黃友聰, 陳敏維, 陳曄, 李志華, 傅智為, 李超
【申請人】國網福建省電力有限公司, 國家電網公司, 國網福建省電力有限公司電力科學研究院, 國網福建省電力有限公司檢修分公司