gis局部放电检测超高频传感器特性的分析与实测

gis局部放电检测超高频传感器特性的分析与实测

1传感器的安装是局部放电检测的基础高频法测试气体隔离开关设备（gis）中的局部放电。由于其强干燥性、易守端能定位局部负载，并能识别不同类型的隔离缺陷，因此它深受gis制造商和用户的喜爱。尤其是在gis生产、性能测试和长期在线监测方面。由于超高频法工作在超高频波段,因此对检测系统提出了特殊的要求,如:要有足够的灵敏度和足够宽的频率响应等。在该系统中最关键的是传感器。目前,国外普遍采用将传感器装设在GIS内部,传感器为电容式探头,国内则采用外部天线,与内部传感器相比外部天线的灵敏度和抗干扰能力较差。本文研究的是内部传感器,利用安装在不同位置的传感器测量GIS中局部放电脉冲激发的电磁波,对局部放电源进行定位和区分绝缘缺陷类型等,可解决以往GIS在出厂和型式试验整体局部放电检测时存在的局部放电超过标准规定值时重复加压测量、重复拆卸的弊端。传感器的频率响应直接影响UHF法测量局部放电的灵敏度。本文用天线分布参数理论分析了传感器的频率响应特性,并进行了实测。2理论分析2.1圆板式和两种传感器目前,对检测GIS局部放电的内部传感器主要有2种结构,如图1所示。图中,1a为圆板式传感器;1b为锥形传感器。圆板电极半径为a,且与安装法兰之间的间隙为Δp(11′)。圆板传感器以导线作为引出线,而锥体传感器则以同轴锥体作为引出线,其波阻抗与测量电缆一致。2.2传感器参数的确定在进行频率响应特性的理论分析中,先将传感器圆板电极作为圆板天线,然后将输出线及实际安装在GIS法兰上的情况考虑进去以形成完整的模型。当传感器的特性尺寸与所测电磁波的波长相近时,应采用天线理论。图2表示传感器的等值电路,在UHF波段,传感器电极可表示开路电压为、阻抗为的接收天线,近似为电容Ca和电阻Ra的串联。图中取决于频率,;为测量仪器的输入阻抗(包括输出引线的阻抗),;Ra和Ca取决于圆板天线的半径a和间隙距离Δp。以2个特性参数α、β可计算Ra和Ca的数值Ra=α/β2;Ca=β/2π(1)α=s/f2;β=s/f(2)式中α、β与电极面积s/m2和电磁波频率f/Hz有关。由本实验装置所用传感器a=6cm可得:当f=3GHz时,α=1.256×10-21;β=3.77×10-12;Ra=79.5Ω;Ca=0.6pF。当f=1GHz时,α=11.304×10-21;β=11.304×10-12;Ra=88.4Ω;Ca=1.8pF。2.2.1均匀传输线和安装受限电缆模型如图1(a)所示,此时应考虑GIS法兰形状,传感器引出线与法兰侧壁之间至传感器输出处(33’)构成一长度为lD的均匀传输线22’(其阻抗ZD≈250Ω),传感器输出电缆阻抗为50Ω,图3为完整的等值回路。图中从引出线末端33’处看,输入阻抗式中c为光速。于是,对传感器电极处,给定信号电压时的频率响应可按下式计算:图4为按上述模型计算所得的平板式传感器在不同引出线(22’)长度时的频率响应。2.2.2普通ts阻抗相关数学模型如图1(b)所示,锥形传感器由圆形电极和一同轴锥体引出线(11’至22’)构成,由22’到传感器输出端33’之间有一段很短的引线,图5为完整的等值回路。特性阻抗Z(z)由式(6)给出:式中D为法兰孔直径;d(z)为锥体直径,z为锥体某一点至电极处的距离(z=0→lk);D=14cm;d(0)=2a=12cm;d(lk)=0.5cm;lk=7cm。一般实际制作的锥形传感器的Z(z)为一常数且等于测量电缆波阻抗。22’处的输入阻抗由式(7)求得:式中;在33’处看输入阻抗于是锥体传感器的频率响应为:图6为按上述模型计算所得的锥形传感器在不同锥体长度时的频率响应。2.2.3传感器结构对灵敏度的影响由图4、图6所示的UHF传感器的频率响应计算结果可以看出:(1)被测信号频率对2种结构传感器的频率响应有很大的影响,也就是说,传感器的灵敏度主要取决于被测信号的频率,它在UHF频段内是非线性的,且对某些频率特别“敏感”,对某些频率响应很小。2种实验用的传感器尺寸,在约1.5GHz左右灵敏度最低;在约0.35GHz及2.5GHz左右灵敏度最高。从微波理论来看,特定尺寸的天线接收相应波长的电磁波时灵敏度较高。也就是说,实际上天线尺寸决定了其最佳灵敏度的中心频率。(2)传感器结构也会对灵敏度产生影响,2种传感器相比,在大部分频率范围内,锥体传感器的灵敏度高于平板式传感器的灵敏度。尤其是最大灵敏度,锥体传感器的灵敏度远远高于平板式的。这主要是由于传感器锥体阻抗与测量电缆匹配的缘故。(3)传感器的尺寸对灵敏度的影响较大,其尺寸不同出现最高灵敏度的频率亦不同。以锥体传感器为例,锥体长度变长,出现最高灵敏度的频率降低。这一结果对传感器设计十分有用,根据已有研究结果,一般GIS中绝缘缺陷产生的频谱在700MHz至1GHz范围内,因此在设计传感器时,可以通过合理地选取传感器的尺寸使得传感器的最佳灵敏度出现在该频率范围内。这样可提高用UHF法检测GIS局部放电的整体灵敏度。图7为当lD=2cm;lk=8cm;a=4cm时锥体传感器的频率响应,由图可知在700MHz至1GHz的范围内,传感器灵敏度较高,这一结果具有重要的工程意义。3传感器输出信号的测量图8为测量传感器频率响应的实验装置,同轴母线两端均以波阻抗等于母线波阻抗的锥形过渡至射频插座。传感器的安装模拟实际GIS母线。装置母线长8米且两端匹配,与所测电磁波波长相比,可认为是无限长的,即电磁波的传播特性不受母线长度的影响。另外,该母线是实际GIS用母线,故试验结果可靠性更高。由输入端输入变频信号,用示波器测量传感器输出信号。如上所述,实际GIS中局部放电激发的电磁波的频谱主要在0.7GHz至1GHz范围内,故传感器的频率响应测量至1GHz。图9为实验结果,其中图9(a)为平板式传感器,lD=6cm;a=5cm。图9(b)为锥体传感器,lk=7cm;lD=2cm;a=5cm。与图6相比,试验结果与计算结果基本一致,两者所得最佳灵敏度的相对误差约为8%。4uhf传感器灵敏度影响因素(1)利用天线理论分析