CN107462853A - 一种特高频局部放电检测***的标定方法 - Google Patents

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黎大健
张玉波
陈梁远
张磊
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苏星华
颜海俊
余长厅
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Abstract

本发明涉及局部放电检测技术领域，具体涉及一种特高频局部放电检测***的标定方法，本发明所使用的装置包括标定脉冲信号源、GTEM小室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机；本发明通过检测被检特高频传感器的频域等效高度、检测特高频局部放电检测***的灵敏度、检测特高频局部放电检测***的动态范围对特高频局部放电检测***进行标定，其检测结果表示为统一的量纲，反映了被测对象的物理本质；本发明在检测特高频传感器考虑了特高频传感器的安装结构，充分体现其工程实际检测能力；运用本发明检测特高频局部放电检测***时屏蔽效能高，测试结果稳定，受外界环境干扰小。

Description

一种特高频局部放电检测***的标定方法
技术领域
本发明涉及局部放电检测技术领域，具体涉及一种特高频局部放电检测***的标定方法。
背景技术
局部放电特高频在线检测是发现高压电力设备潜在绝缘缺陷公认的一种高灵敏度、高有效性检测技术。随着我国电力***状态检修工作开展的日益深入,局部放电特高频(UHF)检测技术在高压电气设备(GIS、电缆和电力变压器等)上的应用越来越广泛。特别是对于GIS而言，该技术已经成为最主要的一项在线监测手段，现阶段在全国范围内进入大规模推广应用阶段。然而，局部放电特高频(UHF)检测相关技术标准规范的建设滞后，迄今为止，国际上仍未形成一致和有效的评价方法，国内这方面则仍处于空白阶段。由于行业内缺乏统一的标准和科学有效的手段对特高频传感器和特高频局部放电检测装置的性能进行量化评价，产品水平参差不齐，不利于运行单位选型采购，无法有效保障入网检测设备的质量水平。工程实践发现大量已经安装的UHF传感器和特高频局部放电检测装置存在漏报和误报的情况，不仅造成投资浪费，而且造成了非常恶劣的影响，严重妨害了UHF局放技术的推广应用以及影响了状态检修工作的成效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种特高频局部放电检测***的标定方法，具体技术方案如下：
一种特高频局部放电检测***的标定方法所使用的装置包括标定脉冲信号源、GTEM小室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机；所述特高频局部放电检测***包括被检特高频传感器、被检特高频局部放电检测仪；该方法通过检测被检特高频传感器的频域等效高度、检测特高频局部放电检测***的灵敏度、检测特高频局部放电检测***的动态范围对特高频局部放电检测***进行标定，具体方法如下：
(1)检测被检特高频传感器的频域等效高度
1)将单极标准探针置于GTEM小室内部或者在GTEM小室顶部开设窗口并将单极标准探针安装于GTEM小室顶部的开口处；单极标准探针与高速数字示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接，测控计算机与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源与GTEM小室连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，单极标准探针经过耦合将其所在位置的电场强度转换为电压信号，通过高速数字示波器测量经过单极标准探针耦合的电压信号，并将检测到的电压信号传输至测控计算机计算反映单极标准探针的接收特性的频域等效高度并将计算结果保存在测控计算机中；在标定脉冲信号源的有效输出范围内调整标定脉冲信号源的输出电压UO，建立根据公式③得到标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系；
则单极标准探针的频域等效高度HL(ω)为：
其中，ZL为单极标准探针的特性阻抗，UL为是单极标准探针特性阻抗ZL上的电压，由高速数字示波器测量得到，UL(ω)是UL的FFT变换，表示单极标准探针特性阻抗ZL上的频率响应，EL(ω)为极化方向与天线平行的频域入射电场强度，he(ω)为单极标准探针开路响应下的频域有效长度；Z(ω)为单极标准探针的输入阻抗；ZL、Z(ω)、he(ω)为已知的参数；
2)将单极标准探针拆除，将被检特高频传感器置于上述步骤1)中单极标准探针所在的位置，被检特高频传感器与高速数字示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接，测控计算机与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源与GTEM小室连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入与上述步骤1)中同样的标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，被检特高频传感器经过耦合将其所在位置的电场强度转换为电压信号，通过高速数字示波器测量经过被检特高频传感器耦合的电压信号；
设被检特高频传感器所在位置的电场强度为E(t)，其FFT变换为E(ω)，被检特高频传感器输出的电压信号为u(t)，由高速数字示波器测量得到，其FFT变换为U(ω)，H(ω)为被检特高频传感器的接收特性的频域等效高度，则
E(ω)＝EL(ω)； ④
联立公式①、公式②、公式④、公式⑤得
(2)检测特高频局部放电检测***的灵敏度及动态范围
将被检特高频传感器置于上述检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中单极标准探针所在的位置，被检特高频局部放电检测仪与被检特高频传感器连接，测控计算机与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源与GTEM小室连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入标定信号US，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，被检特高频传感器经过耦合将其所在位置的电场强度EI(ω)转换为电压信号U(ω)，被检特高频局部放电检测仪检测到电压信号U(ω)，测控计算机记录此时标定脉冲信号源的输出电压UO'；在标定脉冲信号源的有效输出范围内调整标定脉冲信号源的输出电压UO'，当被检特高频局部放电检测仪检测到电压信号U(ω)能以信噪比不小于2反映标定脉冲信号源向GTEM小室注入的标定信号US时，根据检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中得到的标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系得到最小瞬态电场强度峰值Eimin即为特高频局部放电检测***的灵敏度；
3)不断增大标定脉冲信号源的输出电压UO'，直到被检特高频局部放电检测仪检测到的电压信号达到饱和时，根据检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中得到的标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系得到最小瞬态电场强度峰值Eimax，则特高频局部放电检测***的动态范围为
进一步，所述单极标准探针的高度为20-25mm，直径为1-1.5mm。
进一步，所述检测被检特高频传感器的频域等效高度中，测控计算机对计算得到的结果进行统计平均，以频域等效高度的平均值作为最终计算结果。
进一步，所述测控计算机通过USB串口与USB控制线与标定脉冲信号源连接。
进一步，所述测控计算机通过以太网口与高速数字示波器连接。
进一步，所述在GTEM小室顶部开设窗口具体是在GTEM小室顶部靠近终端1/4-1/2的区域内开设窗口。
本发明提供了一种特高频局部放电检测***的标定方法，其检测结果表示为统一的量纲，反映了被测对象的物理本质；本发明在检测特高频传感器考虑了特高频传感器的安装结构，充分体现其工程实际检测能力；运用本发明检测特高频局部放电检测***时屏蔽效能高，测试结果稳定，受外界环境干扰小；本发明采用的单极标准探针对被测电场强度影响小，且接收特性已知，而且单极标准探针在接收瞬变场信号时具有不失真检测的特点。本发明实现了对UHF检测传感器接收特性、特高频局部放电检测***的核心性能指标进行了科学合理的量化评价考核，并进行大量的测试应用，取得了良好的应用效果，有效推动了局放检测技术的发展，为促进行业健康有序发展和电网安全稳定运行奠定了扎实的技术基础。
附图说明
图1为本发明中检测被检特高频传感器的频域等效高度的装置的连接结构示意图；
图2为本发明中检测特高频局部放电检测***的灵敏度及动态范围的装置的连接结构示意图；
图3是本发明中的单极标准探针的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，一种特高频局部放电检测***的标定方法所使用的装置包括标定脉冲信号源、GTEM小室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机；所述特高频局部放电检测***包括被检特高频传感器、被检特高频局部放电检测仪；该方法通过检测被检特高频传感器的频域等效高度、检测特高频局部放电检测***的灵敏度、检测特高频局部放电检测***的动态范围对特高频局部放电检测***进行标定，具体方法如下：
(1)检测被检特高频传感器的频域等效高度
1)GTEM小室采取顶部开窗方式可以最大限度的减小被检特高频传感器对于GTEM内部场的影响，不仅接近于在高压设备上的实际安装方式，而且测量结果更准确。开设窗口的位置选在GTEM小室靠近终端1/3左右的区域，此处空间开阔且场强分布较均匀；
在GTEM小室顶部距离终端1/3左右的区域内开设窗口并将单极标准探针安装于开设的窗口处并关好GTEM小室的屏蔽门做好屏蔽；单极标准探针与高速数字示波器的CH1通道通过同轴电缆连接，高速数字示波器通过数据线与测控计算机的以太网口连接，测控计算机通过USB串口与USB控制线与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源通过同轴电缆与GTEM小室的输入端连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入标定信号，标定信号在GTEM小室内建立脉冲电磁场，同时设置高速数字示波器至合适的采集状态，单极标准探针经过耦合将其所在位置的电场强度转换为电压信号并触发高速数字示波器进行采集，通过高速数字示波器测量经过单极标准探针耦合的电压信号，并将检测到的电压信号传输至测控计算机计算反映单极标准探针的接收特性的频域等效高度并将计算结果保存在测控计算机中；在标定脉冲信号源的有效输出范围内调整标定脉冲信号源的输出电压UO，建立根据公式③得到标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系；
则单极标准探针的频域等效高度HL(ω)为：
其中，ZL为单极标准探针的特性阻抗，UL为是单极标准探针特性阻抗ZL上的电压，由高速数字示波器测量得到，UL(ω)是UL的FFT变换，表示单极标准探针特性阻抗ZL上的频率响应，EL(ω)为极化方向与天线平行的频域入射电场强度，he(ω)为单极标准探针开路响应下的频域有效长度；Z(ω)为单极标准探针的输入阻抗；ZL、Z(ω)、he(ω)为已知的参数；Z(ω)、ZL为50欧姆，he(ω)可由查文献数据表获得。
2)如图1所示，将单极标准探针拆除，将被检特高频传感器置于上述步骤1)中单极标准探针所在的位置并关好GTEM小室的屏蔽门做好屏蔽，被检特高频传感器与高速数字示波器的CH1通道通过同轴电缆连接，高速数字示波器通过数据线与测控计算机的以太网口连接，测控计算机通过USB串口与USB控制线与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源通过同轴电缆与GTEM小室的输入端连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入与上述步骤1)中同样的标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，同时设置高速数字示波器至合适的采集状态，被检特高频传感器经过耦合将其所在位置的电场强度转换为电压信号，通过高速数字示波器测量经过被检特高频传感器耦合的电压信号，并将检测结果传输至测控计算机中计算结果并保存；
设被检特高频传感器所在位置的电场强度为E(t)，其FFT变换为E(ω)，被检特高频传感器输出的电压信号为u(t)，由高速数字示波器测量得到，其FFT变换为U(ω)，H(ω)为被检特高频传感器的接收特性的频域等效高度，由于同样的标定信号在相同的位置产生同样大小的电场强度，则
E(ω)＝EL(ω)； ④
联立公式①、公式②、公式④、公式⑤得
测控计算机对上述计算得到的结果进行统计平均，以频域等效高度的平均值作为最终计算结果。对于同样的入射电场强度而言，特高频传感器输出信号的电压越高，则表示其耦合能力越强，即频域等效高度越大，特高频传感器的频域等效高度本质上反映的就是其在不同频率下的增益特性。
(2)检测特高频局部放电检测***的灵敏度及动态范围
如图2所示，将被检特高频传感器置于上述检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中单极标准探针所在的位置并关好GTEM小室的屏蔽门做好屏蔽，被检特高频局部放电检测仪与被检特高频传感器连接，测控计算机通过USB串口与USB控制线与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源通过同轴电缆与GTEM小室的输入端口连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入标定信号US，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，被检特高频传感器经过耦合将其所在位置的电场强度EI(ω)转换为电压信号U(ω)，被检特高频局部放电检测仪检测到电压信号U(ω)，测控计算机记录此时标定脉冲信号源的输出电压UO'；在标定脉冲信号源的有效输出范围内调整标定脉冲信号源的输出电压UO'，当被检特高频局部放电检测仪检测到电压信号U(ω)能以信噪比不小于2反映标定脉冲信号源向GTEM小室注入的标定信号US时，根据检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中得到的标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系得到最小瞬态电场强度峰值Eimin即为特高频局部放电检测***的灵敏度；
3)不断增大标定脉冲信号源的输出电压UO'，直到被检特高频局部放电检测仪检测到的电压信号达到饱和时，根据检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中得到的标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系得到最小瞬态电场强度峰值Eimax，则特高频局部放电检测***的动态范围为
如图3所示，本实施例中的单极标准探针的高度h为25mm，直径d为1.3mm，其对被测电场强度影响小，且接收特性已知，而且单极标准探针在接收瞬变场信号时具有不失真检测的优点。单极标准探针的频域等效高度HL(ω)的测量结果具体如表1所示：
表1单极标准探针的频域等效高度测量结果
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种特高频局部放电检测***的标定方法，其特征在于：该方法所使用的装置包括标定脉冲信号源、GTEM小室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机；所述特高频局部放电检测***包括被检特高频传感器、被检特高频局部放电检测仪；该方法通过检测被检特高频传感器的频域等效高度、检测特高频局部放电检测***的灵敏度、检测特高频局部放电检测***的动态范围对特高频局部放电检测***进行标定，具体方法如下：
(1)检测被检特高频传感器的频域等效高度
1)将单极标准探针置于GTEM小室内部或者在GTEM小室顶部开设窗口并将单极标准探针安装于GTEM小室顶部的开口处；单极标准探针与高速数字示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接，测控计算机与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源与GTEM小室连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，单极标准探针经过耦合将其所在位置的电场强度转换为电压信号，通过高速数字示波器测量经过单极标准探针耦合的电压信号，并将检测到的电压信号传输至测控计算机计算反映单极标准探针的接收特性的频域等效高度并将计算结果保存在测控计算机中；在标定脉冲信号源的有效输出范围内调整标定脉冲信号源的输出电压UO，建立根据公式③得到标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系；
则单极标准探针的频域等效高度HL(ω)为：
其中，ZL为单极标准探针的特性阻抗，UL为是单极标准探针特性阻抗ZL上的电压，由高速数字示波器测量得到，UL(ω)是UL的FFT变换，表示单极标准探针特性阻抗ZL上的频率响应，EL(ω)为极化方向与天线平行的频域入射电场强度，he(ω)为单极标准探针开路响应下的频域有效长度；Z(ω)为单极标准探针的输入阻抗；ZL、Z(ω)、he(ω)为已知的参数；
2)将单极标准探针拆除，将被检特高频传感器置于上述步骤1)中单极标准探针所在的位置，被检特高频传感器与高速数字示波器连接，高速数字示波器与测控计算机连接，测控计算机与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源与GTEM小室连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入与上述步骤1)中同样的标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，被检特高频传感器经过耦合将其所在位置的电场强度转换为电压信号，通过高速数字示波器测量经过被检特高频传感器耦合的电压信号；
设被检特高频传感器所在位置的电场强度为E(t)，其FFT变换为E(ω)，被检特高频传感器输出的电压信号为u(t)，由高速数字示波器测量得到，其FFT变换为U(ω)，H(ω)为被检特高频传感器的接收特性的频域等效高度，则
E(ω)＝EL(ω)；④
联立公式①、公式②、公式④、公式⑤得
(2)检测特高频局部放电检测***的灵敏度及动态范围
将被检特高频传感器置于上述检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中单极标准探针所在的位置，被检特高频局部放电检测仪与被检特高频传感器连接，测控计算机与标定脉冲信号源连接，标定脉冲信号源与GTEM小室连接；
标定脉冲信号源向GTEM小室注入标定信号US，在GTEM小室内建立脉冲电磁场，被检特高频传感器经过耦合将其所在位置的电场强度EI(ω)转换为电压信号U(ω)，被检特高频局部放电检测仪检测到电压信号U(ω)，测控计算机记录此时标定脉冲信号源的输出电压UO'；在标定脉冲信号源的有效输出范围内调整标定脉冲信号源的输出电压UO'，当被检特高频局部放电检测仪检测到电压信号U(ω)能以信噪比不小于2反映标定脉冲信号源向GTEM小室注入的标定信号US时，根据检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中得到的标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系得到最小瞬态电场强度峰值Eimin即为特高频局部放电检测***的灵敏度；
3)不断增大标定脉冲信号源的输出电压UO'，直到被检特高频局部放电检测仪检测到的电压信号达到饱和时，根据检测被检特高频传感器的有效频域高度的步骤1)中得到的标定脉冲信号源的输出电压UO与单极标准探针所在位置的电场强度EI(ω)的映射关系得到最小瞬态电场强度峰值Eimax，则特高频局部放电检测***的动态范围为
2.根据权利要求1所述的一种特高频局部放电检测***的标定方法，其特征在于：所述单极标准探针的高度为20-25mm，直径为1-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种特高频局部放电检测***的标定方法，其特征在于：所述检测被检特高频传感器的频域等效高度中，测控计算机对计算得到的结果进行统计平均，以频域等效高度的平均值作为最终计算结果。
4.根据权利要求1所述的一种特高频局部放电检测***的标定方法，其特征在于：所述测控计算机通过USB串口与USB控制线与标定脉冲信号源连接。
5.根据权利要求1所述的一种特高频局部放电检测***的标定方法，其特征在于：所述测控计算机通过以太网口与高速数字示波器连接。
6.根据权利要求1所述的一种特高频局部放电检测***的标定方法，其特征在于：所述在GTEM小室顶部开设窗口具体是在GTEM小室顶部靠近终端1/4-1/2的区域内开设窗口。
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