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【摘 要】本文针对GIS内部结构比较复杂的现状，通过对超声波在变压器内部不同介质的折、反射规律的研究，找出超声波信号的大小与变压器内部结构相关联的规律，进而初步确定设备内部结构的变化情况。
【关键词】GIS；同轴圆锥传输线；UHF；特高频仿真；研究
GIS设备内部故障的信号截取主要是通过高灵敏度超声或特高频传感器实现的，通过内部关键原始特征数据的分析，初步显示出设备内部结构的影像图。
UHF特高频局部放电检测法以其灵敏度高、抗干扰能力强、可识别故障类型和可定位的优点，广泛应用于GIS、电缆和电力变压器的在线监测中。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，但是目前缺乏统一的标准和科学有效的手段对UHF 传感器和检测系统的性能进行标定和评价，造成电网中的在线监测装置质量参差不齐，严重威胁到整个在线监测产业的健康发展。
本文主要通过对GIS内部的特高频信号进行研究，设计了同轴圆锥形匹配腔体作为测量环境，在此基础上利用时域参考测量法建立了特高频局部放电检测系统的标定平台，提出了采用频域有效高度、检测系统最小可测脉冲场强峰值和最大饱和场强峰值作为分别表征传感器接收特性、检测系统的灵敏度和检测范围的量化指标，最后对两种类型的传感器进行了标定，标定的结果符合传感器的使用特点，并在对比测量了同一套UHF检测装置的灵敏度。
1 基本概念
UHF传感器作为局放检测系统的始端，其性能对于检测系统的灵敏度起着至关重要的影响。
由于局部放电产生的UHF信号为瞬态脉冲型式，包含高达数GHz的丰富的频谱分量，扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态信号的接收能力。而且扫频测量系统所必需的扫频信号源等设备极其昂贵，因此对局放传感器和系统进行测试并不适合。
2 基于同轴圆锥传输线的脉冲时域参考测量法
当GIS内部发生局部放电时，激励出的UHF信号可分为主次模波和高次模波，即TEM、TE和TM波。
2.1 同轴波导电磁波信号传播规律
根据GIS的结构特点，可视为由两个同轴导体构成的同轴波导系统，同轴波导系统中，对于TEM波，系数，截止波长，特征阻抗为：
式（2-1）
对于TM波，同轴波导TMmin模的截止波长为
； 式（2-2）
对于TE波，同轴波导TEmin模的截止波长为
式（2-3）
公式（2-1）、（2-2）、（2-3）中D、d、分别为同轴导体内外径、介质相对介电常数；n，m=1，2，3，…
由上述可得，任意频率的TEM波都可以再同轴波导系统内传播；而TE和TEM波各自存在截止频率，只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波导系统中传播，且二者的截止频率f取决于同轴波导系统的尺寸和传输媒质。
2.2 锥形匹配结构
UHF信号在GIS腔内传播时会发生谐振，为了模拟构建电磁波在GIS腔内传播的环境，并尽量消除折反射及谐振，在同轴波导两端加锥形匹配端。
对于长度为的同轴波导锥形匹配端，匹配阻抗为：
式（2-4）
式中，为真空介电常数，为真空磁导率，、为匹配锥的圆锥内、外半角。
根据真实的GIS腔体尺寸和50Ω的匹配要求，最终设计：母线外径，外壳内径为，在腔体首、末两端分别加锥形匹配，锥体的长度，为了减少反射，其中末端的锥体加载了一个R=50Ω的匹配电阻如图1所示。
图1 锥形匹配的同轴腔
2.3 测量原理
通过标准脉冲源向同轴腔内注入标定信号，在同轴腔内建立脉冲电磁场。被测传感器可置于同轴腔内部，也可通过在同轴腔顶部开窗方式安装。开窗位置选在同轴腔靠近终端1/2左右的区域，此处尽量避免了反射回来的电磁波的影响。
设为同轴腔内被测天线所在位置处的电场，为天线输出的电压信号。天线的作用即是将入射电场转换为电压信号输出，根据入射电场和输出电压的关系，即可得到天线的传递函数，该参数反映了天线的接收能力的大小：
式 （2-5）
式中，为输出电压的FFT变换，为入射电场的FFT变换，即为天线传感器的传递函数，由于电压的单位为V，电场单位为V/mm，所以的量纲为mm，故此也可称其为频域有效高度。对于同样的入射电场而言，天线输出信号的电平越高，则表示其耦合能力越强，也即有效高度越大。除了频域有效高度外，反映天线接收性能的参数还有方向图、增益和极化特性等。考虑到在高压设备中传感器的实际安装方式，天线的方向图和极化方向已不具有实质意义，而频域有效高度本质上反映的就是其在不同频率下的增益特性，故此这里将天线的频域有效高度是表征其性能的关键的指标。
考虑到同轴腔中的电场并非完全是均匀分布的，且任一点的电场也难以精确测量，使得直接依据（2-1）式来准确测量传感器频域有效高度尚且存在一定难度。为此本文课题提出了时域参考测量法以解决这一难题，其原理如图2所示。
图2 采用同轴腔的参考测量法原理
所谓时域参考测量法，即是通过参考传感器特性来间接表示被测传感器特性的一种方法。参考传感器的选择至关重要，要求其对被测电场影响小，且接收特性已知。
具体步骤为：通过标定信号源注入脉冲电压至同轴腔，分别采用参考传感器和被测传感器测量同轴腔内部产生的电场，产生的电压输出分别为和。设同轴腔的传递函数为，参考天线传感器的传递函数为，待测传感器的传递函数为，测量系统的传递特性为，则参考传感器和待测传感器的测量输出可分别表示为
式（2-6）
由（2-6）中的上下两式左右相除，可得到用参考传感器的传递函数来表示待测传感器传递函数的表达式， 式（2-7）
由（2-7）式知，利用参考传感器的传递函数，参考传感器和被测传感器对于注入脉冲信号的电压响应，即可求得待测传感器的传递函数特性。参考法的好处在于不必知道同轴腔的传输特性和测量系统的频响，因为其对于所有测量的影响都是一样的，并且在取比值时被约掉了。而且，这种测量技术对于入射波的波形畸变也不敏感，因为其作用对于两种方式测量信号的影响都是相同的。
3 检测评价系统平台的建立
基于同轴腔的脉冲时域参考测量标定系统由标定脉冲信号源、同轴腔、参考传感器、高速数字示波器、测控计算机、测控分析软件及各种线缆附件等构成。
3.1 标定脉冲信号源
标准脉冲信号源是标定系统的关键组件之一，为了达到检测的一致性，要求能产生稳定、可控的纳秒级陡电压脉冲。
本课题采用的信号源由华北电力大学自主研制，基于电容充放电的原理设计，主要性能参数为：双指数电压脉冲波形，空载输出电压峰值：2V-100V，程控可调，步进1V；上升沿（20%-80%）<900ps，半波宽度20ns；内阻50Ω。信号源在50V空载输出经过20dB的衰减的实测波形如图3所示。
图3 标定信号源实测波形
3.2 参考天线
这里选择短单极探针作为参考天线，原因在于短单极探针尺寸小，对被测电场影响小，且短单极探针在接收瞬变电场时具有不失真检测的特点；同时其结构简单，其理论接收特性研究得比较透彻，因此适合作为局放检测传感器的参考天线。
本系统制作的探针传感器参数为：半径r=0.65mm，高度h=25mm，接地平板厚度d=2mm，直径Φ=150mm，其具体结构和等效电路如图4所示。
（a）单极天线 （b） 等效电路
图4 单极探针的结构及等效电路
根据理论计算得到针电极半径r=0.65mm，探针长度为h=25mm的单极探针在不同频率下的频域有效高度He和阻抗值。
为了验证单极探针的理论数据的正确性，在中国计量院采用扫频方式进行了对比测量，给出了单极探针在100M-2GHz范围内的理论和实测结果，两条曲线的相关系数为97.39%，表明参考法所测结果与理论值具有较好的一致性，如图5所示。
图5 单极探针理论与实测传感器频响曲线对比
4 标定系统平台量化评价指标
对于局部放电在线检测而言，传感器耦合性能、检测系统的灵敏度、最大可检测信号的范围以及系统的抗干扰性能最为关键。从硬件角度来讲，前三项是检测系统的核心。
4.1 传感器频域有效高度
传感器频域有效高度反映了天线对不同频率的电磁场耦合的性能。为了比较方便起见，这里以被测传感器在有效接收频带（或标称设计频带）平均有效高度来评价传感器性能的优劣。
4.2 检测系统灵敏度的标定
传统的脉冲电流法测量局部放电的视在放电量（pC），而UHF检测法检测的是局部放电产生的电磁波信号，信号强度受放电通道长度、放电过程快慢、放电源与检测传感器的相对位置、传播路径等各种不确定因素影响，无法与放电量对应。目前，各种局放UHF检测设备提供的检测值的单位有mV、dB、dBm等，缺乏统一的单位，不利于做对比评价。因此，特高频法检测灵敏度标定尚且是一个未解的难题。
从特高频局部放电检测的原理来看，特高频传感器耦合的是由局部放电辐射出的脉冲电磁波信号。因此，本课题提出如下检测系统灵敏度的定义：在一定的环境背景噪声条件下局部放电特高频检测所能分辨的最小脉冲电场强度峰值。
根据上述检测系统灵敏度定义，在同样的测试环境条件下，检测系统所能分辨出的脉冲场强峰值越小，则表明检测系统越能有效的检测微弱的局放信号，即其自身的信噪比和灵敏度均越优越。
4.3 检测系统最大可检测信号的标定
检测系统最大可检测信号反映了其接收UHF信号强度的上限，超出该水平的信号将导致检测系统发生饱和，从而无法反映出信号的实际强度，进而导致对放电故障的诊断失败。
检测系统最大可检测信号以其最大饱和场强峰值来表征：在一定的环境条件下，局部放电特高频检测系统所能反映的最大脉冲场强峰值，为标准信号源输出增大至某一值，检测系统检测到的信号达到饱和，此时对应的同轴腔测试窗口处的场强峰值。
5 测试结果及分析
对于传感器的测试验证，笔者选取了两种类型的传感器：一种为用于UHF测量的等角螺旋天线，另一种为用于VFTO测量的电容分压器型传感器，分别以A、B为代号。
本文同时也研究了利用GTEM小室对UHF检测装置进行标定，本课题不再就此做过多论述。测试选取了同一套UHF检测装置，分别在GTEM小室上和同轴腔测量了其最小灵敏度和最大可测信号以做对比。
两种传感器有效高度曲线如图6所示。
图6 传感器有效高度曲线对比
国内外传感器定义的工作频段大多是300M-1500MHz，这里统计了在这个频段内频域有效高度>2mm所占的比重，如表1所示。
上述结果表明，两种传感器的性能差异非常明显，传感器A在低频段的有效高度要低于传感器B，而在1GHz以上的频段内要高于B，这和传感器A主要用于测量高频信号，传感器B主要用于测量低频信号的功能相符，频域有效高度这一参数非常直观的展示出了两种传感器性能的差异。
6 结论
通过对传感器和检测系统的标定和对比测试，验证了本文提出的标定方法的有效性，实现对UHF检测装置性能合理的量化标定和评价。
参考文献：
[1]邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器，1997（4）.
[2]钱勇，黄成军，江秀臣，等.给予超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望[J].电网技术，2005（1）.
作者简介：
温可明（1970.7—），男，籍贯：广东广州市，职称：电力工程技术高级工程师，研究方向：高电压技术。
【关键词】GIS；同轴圆锥传输线；UHF；特高频仿真；研究
GIS设备内部故障的信号截取主要是通过高灵敏度超声或特高频传感器实现的，通过内部关键原始特征数据的分析，初步显示出设备内部结构的影像图。
UHF特高频局部放电检测法以其灵敏度高、抗干扰能力强、可识别故障类型和可定位的优点，广泛应用于GIS、电缆和电力变压器的在线监测中。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，但是目前缺乏统一的标准和科学有效的手段对UHF 传感器和检测系统的性能进行标定和评价，造成电网中的在线监测装置质量参差不齐，严重威胁到整个在线监测产业的健康发展。
本文主要通过对GIS内部的特高频信号进行研究，设计了同轴圆锥形匹配腔体作为测量环境，在此基础上利用时域参考测量法建立了特高频局部放电检测系统的标定平台，提出了采用频域有效高度、检测系统最小可测脉冲场强峰值和最大饱和场强峰值作为分别表征传感器接收特性、检测系统的灵敏度和检测范围的量化指标，最后对两种类型的传感器进行了标定，标定的结果符合传感器的使用特点，并在对比测量了同一套UHF检测装置的灵敏度。
1 基本概念
UHF传感器作为局放检测系统的始端，其性能对于检测系统的灵敏度起着至关重要的影响。
由于局部放电产生的UHF信号为瞬态脉冲型式，包含高达数GHz的丰富的频谱分量，扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态信号的接收能力。而且扫频测量系统所必需的扫频信号源等设备极其昂贵，因此对局放传感器和系统进行测试并不适合。
2 基于同轴圆锥传输线的脉冲时域参考测量法
当GIS内部发生局部放电时，激励出的UHF信号可分为主次模波和高次模波，即TEM、TE和TM波。
2.1 同轴波导电磁波信号传播规律
根据GIS的结构特点，可视为由两个同轴导体构成的同轴波导系统，同轴波导系统中，对于TEM波，系数，截止波长，特征阻抗为：
式（2-1）
对于TM波，同轴波导TMmin模的截止波长为
； 式（2-2）
对于TE波，同轴波导TEmin模的截止波长为
式（2-3）
公式（2-1）、（2-2）、（2-3）中D、d、分别为同轴导体内外径、介质相对介电常数；n，m=1，2，3，…
由上述可得，任意频率的TEM波都可以再同轴波导系统内传播；而TE和TEM波各自存在截止频率，只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波导系统中传播，且二者的截止频率f取决于同轴波导系统的尺寸和传输媒质。
2.2 锥形匹配结构
UHF信号在GIS腔内传播时会发生谐振，为了模拟构建电磁波在GIS腔内传播的环境，并尽量消除折反射及谐振，在同轴波导两端加锥形匹配端。
对于长度为的同轴波导锥形匹配端，匹配阻抗为：
式（2-4）
式中，为真空介电常数，为真空磁导率，、为匹配锥的圆锥内、外半角。
根据真实的GIS腔体尺寸和50Ω的匹配要求，最终设计：母线外径，外壳内径为，在腔体首、末两端分别加锥形匹配，锥体的长度，为了减少反射，其中末端的锥体加载了一个R=50Ω的匹配电阻如图1所示。
图1 锥形匹配的同轴腔
2.3 测量原理
通过标准脉冲源向同轴腔内注入标定信号，在同轴腔内建立脉冲电磁场。被测传感器可置于同轴腔内部，也可通过在同轴腔顶部开窗方式安装。开窗位置选在同轴腔靠近终端1/2左右的区域，此处尽量避免了反射回来的电磁波的影响。
设为同轴腔内被测天线所在位置处的电场，为天线输出的电压信号。天线的作用即是将入射电场转换为电压信号输出，根据入射电场和输出电压的关系，即可得到天线的传递函数，该参数反映了天线的接收能力的大小：
式 （2-5）
式中，为输出电压的FFT变换，为入射电场的FFT变换，即为天线传感器的传递函数，由于电压的单位为V，电场单位为V/mm，所以的量纲为mm，故此也可称其为频域有效高度。对于同样的入射电场而言，天线输出信号的电平越高，则表示其耦合能力越强，也即有效高度越大。除了频域有效高度外，反映天线接收性能的参数还有方向图、增益和极化特性等。考虑到在高压设备中传感器的实际安装方式，天线的方向图和极化方向已不具有实质意义，而频域有效高度本质上反映的就是其在不同频率下的增益特性，故此这里将天线的频域有效高度是表征其性能的关键的指标。
考虑到同轴腔中的电场并非完全是均匀分布的，且任一点的电场也难以精确测量，使得直接依据（2-1）式来准确测量传感器频域有效高度尚且存在一定难度。为此本文课题提出了时域参考测量法以解决这一难题，其原理如图2所示。
图2 采用同轴腔的参考测量法原理
所谓时域参考测量法，即是通过参考传感器特性来间接表示被测传感器特性的一种方法。参考传感器的选择至关重要，要求其对被测电场影响小，且接收特性已知。
具体步骤为：通过标定信号源注入脉冲电压至同轴腔，分别采用参考传感器和被测传感器测量同轴腔内部产生的电场，产生的电压输出分别为和。设同轴腔的传递函数为，参考天线传感器的传递函数为，待测传感器的传递函数为，测量系统的传递特性为，则参考传感器和待测传感器的测量输出可分别表示为
式（2-6）
由（2-6）中的上下两式左右相除，可得到用参考传感器的传递函数来表示待测传感器传递函数的表达式， 式（2-7）
由（2-7）式知，利用参考传感器的传递函数，参考传感器和被测传感器对于注入脉冲信号的电压响应，即可求得待测传感器的传递函数特性。参考法的好处在于不必知道同轴腔的传输特性和测量系统的频响，因为其对于所有测量的影响都是一样的，并且在取比值时被约掉了。而且，这种测量技术对于入射波的波形畸变也不敏感，因为其作用对于两种方式测量信号的影响都是相同的。
3 检测评价系统平台的建立
基于同轴腔的脉冲时域参考测量标定系统由标定脉冲信号源、同轴腔、参考传感器、高速数字示波器、测控计算机、测控分析软件及各种线缆附件等构成。
3.1 标定脉冲信号源
标准脉冲信号源是标定系统的关键组件之一，为了达到检测的一致性，要求能产生稳定、可控的纳秒级陡电压脉冲。
本课题采用的信号源由华北电力大学自主研制，基于电容充放电的原理设计，主要性能参数为：双指数电压脉冲波形，空载输出电压峰值：2V-100V，程控可调，步进1V；上升沿（20%-80%）<900ps，半波宽度20ns；内阻50Ω。信号源在50V空载输出经过20dB的衰减的实测波形如图3所示。
图3 标定信号源实测波形
3.2 参考天线
这里选择短单极探针作为参考天线，原因在于短单极探针尺寸小，对被测电场影响小，且短单极探针在接收瞬变电场时具有不失真检测的特点；同时其结构简单，其理论接收特性研究得比较透彻，因此适合作为局放检测传感器的参考天线。
本系统制作的探针传感器参数为：半径r=0.65mm，高度h=25mm，接地平板厚度d=2mm，直径Φ=150mm，其具体结构和等效电路如图4所示。
（a）单极天线 （b） 等效电路
图4 单极探针的结构及等效电路
根据理论计算得到针电极半径r=0.65mm，探针长度为h=25mm的单极探针在不同频率下的频域有效高度He和阻抗值。
为了验证单极探针的理论数据的正确性，在中国计量院采用扫频方式进行了对比测量，给出了单极探针在100M-2GHz范围内的理论和实测结果，两条曲线的相关系数为97.39%，表明参考法所测结果与理论值具有较好的一致性，如图5所示。
图5 单极探针理论与实测传感器频响曲线对比
4 标定系统平台量化评价指标
对于局部放电在线检测而言，传感器耦合性能、检测系统的灵敏度、最大可检测信号的范围以及系统的抗干扰性能最为关键。从硬件角度来讲，前三项是检测系统的核心。
4.1 传感器频域有效高度
传感器频域有效高度反映了天线对不同频率的电磁场耦合的性能。为了比较方便起见，这里以被测传感器在有效接收频带（或标称设计频带）平均有效高度来评价传感器性能的优劣。
4.2 检测系统灵敏度的标定
传统的脉冲电流法测量局部放电的视在放电量（pC），而UHF检测法检测的是局部放电产生的电磁波信号，信号强度受放电通道长度、放电过程快慢、放电源与检测传感器的相对位置、传播路径等各种不确定因素影响，无法与放电量对应。目前，各种局放UHF检测设备提供的检测值的单位有mV、dB、dBm等，缺乏统一的单位，不利于做对比评价。因此，特高频法检测灵敏度标定尚且是一个未解的难题。
从特高频局部放电检测的原理来看，特高频传感器耦合的是由局部放电辐射出的脉冲电磁波信号。因此，本课题提出如下检测系统灵敏度的定义：在一定的环境背景噪声条件下局部放电特高频检测所能分辨的最小脉冲电场强度峰值。
根据上述检测系统灵敏度定义，在同样的测试环境条件下，检测系统所能分辨出的脉冲场强峰值越小，则表明检测系统越能有效的检测微弱的局放信号，即其自身的信噪比和灵敏度均越优越。
4.3 检测系统最大可检测信号的标定
检测系统最大可检测信号反映了其接收UHF信号强度的上限，超出该水平的信号将导致检测系统发生饱和，从而无法反映出信号的实际强度，进而导致对放电故障的诊断失败。
检测系统最大可检测信号以其最大饱和场强峰值来表征：在一定的环境条件下，局部放电特高频检测系统所能反映的最大脉冲场强峰值，为标准信号源输出增大至某一值，检测系统检测到的信号达到饱和，此时对应的同轴腔测试窗口处的场强峰值。
5 测试结果及分析
对于传感器的测试验证，笔者选取了两种类型的传感器：一种为用于UHF测量的等角螺旋天线，另一种为用于VFTO测量的电容分压器型传感器，分别以A、B为代号。
本文同时也研究了利用GTEM小室对UHF检测装置进行标定，本课题不再就此做过多论述。测试选取了同一套UHF检测装置，分别在GTEM小室上和同轴腔测量了其最小灵敏度和最大可测信号以做对比。
两种传感器有效高度曲线如图6所示。
图6 传感器有效高度曲线对比
国内外传感器定义的工作频段大多是300M-1500MHz，这里统计了在这个频段内频域有效高度>2mm所占的比重，如表1所示。
上述结果表明，两种传感器的性能差异非常明显，传感器A在低频段的有效高度要低于传感器B，而在1GHz以上的频段内要高于B，这和传感器A主要用于测量高频信号，传感器B主要用于测量低频信号的功能相符，频域有效高度这一参数非常直观的展示出了两种传感器性能的差异。
6 结论
通过对传感器和检测系统的标定和对比测试，验证了本文提出的标定方法的有效性，实现对UHF检测装置性能合理的量化标定和评价。
参考文献：
[1]邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器，1997（4）.
[2]钱勇，黄成军，江秀臣，等.给予超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望[J].电网技术，2005（1）.
作者简介：
温可明（1970.7—），男，籍贯：广东广州市，职称：电力工程技术高级工程师，研究方向：高电压技术。