特高频局放仪测评平台测评优化方案

5.3.1.1平台简介

广东电科院对特高频检测GIS局部放电的测试平台相关技术进行研究，基于GTEM小室采用脉冲时域参考法建立了特高频局部放电检测系统的测评平台。在该平台上采用频域有效高度表征传感器接收特性，采用瞬态电场强度表征检测系统的灵敏度和检测范围。对GTEM测评结果与GIS实体平台上的测量结果进行了对比研究，验证了该系统对于局部放电特高频检测装置测评评价的效果和合理性。

系统平台由测评脉冲信号源、GTEM小室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机、测控分析软件及各种线缆附件等构成。平台示意图及实物图如图5-35、图5-36所示。

图5-35 特高频局部放电传感器时域脉冲测评系统图

GTEM小室的全称是吉赫兹横电磁波室，它是根据同轴及非对称矩形传输线原理设计，其输入端多采用N型同轴接头，同轴接头内导体展平成为一块扇形板，称为芯板。在GTEM室内芯板和底板之间形成矩形均匀场区。GTEM小室终端采用50Ω无感电阻进行匹配，同时装有尖劈状的吸波材料以进一步消除终端反射。采用GTEM进行电磁测试是近年来国际电磁领域发展的一项新技术，由于其宽频带特性（从直流到微波），低造价（只相当电波暗室造价的百分之几），既可用于电磁辐射敏感度试验（EMS试验），又可用于电磁辐射试验（EMI试验），而且所用仪器配置简单、成本便宜，可用于快速和自动测试的特点，是射频测试中性能价格比最佳的一种测试方案。

图5-36 测评系统平台实物图

该测评平台的GTEM小室的尺寸规格为4m×2m×2.5m（L×W×H），电压驻波比在80～2000MHz的范围内小于1.5，输入阻抗为50Ω。在GTEM顶部的中间开了一个Φ180mm的测试窗口，并用聚四氟乙烯盖板覆盖，待测传感器放置于盖板上接收信号。

通过标准脉冲信号源向GTEM小室内注入标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场。被测传感器可置于GTEM小室内部，也可通过在GTEM小室顶部开窗方式安装。顶部开窗方式可以最大限度地减小被测天线传感器对于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。开窗位置选在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。

考虑到GTEM小室中的电场并非完全是均匀分布的，且任一点的电场E_i（t）也难以精确测量，使得直接准确测量传感器频域有效高度尚且存在一定难度。测评平台上使用时域参考测量法解决这一问题，其原理如图5-37所示。

图5-37 采用GTEM小室的参考测量法原理

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。在这里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V_I至GTEM，分别采用参考传感器和被测传感器测量GTEM内部产生的电场E_I，产生的电压输出分别为V_Or和V_Os。设GTEM小室的传递函数为H_cell，单极标准探针传感器的传递函数为H_ref，待测传感器的传递函数为H_sens，测量系统的传递特性为H_sys，则参考传感器和待测传感器的测量输出可分别表示为

由式（5-1）中的上下两式相除，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：

由式（5-2）知，利用参考传感器的传递函数H_ref，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GTEM小室的传输特性H_cell和测量系统的频响H_sys，因为其对于所有测量的影响都是一样的，并且在取比值时被消掉了。而且，这种测量技术对于入射波E_I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。

5.3.1.2测评指标

该测评平台可实现对内外置传感器特性、系统灵敏度及局部放电特高频动态范围进行测评，可对不同厂商不同型号的特高频局放仪的总体能力进行测评，给出了特高频局放仪的定量测评及综合评价方法。

1.传感器频响特性（等效高度）

设E（t）为GTEM小室内被测天线所在位置处的电场，u（t）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H（f），该参数反映了天线的接收能力的大小。

式中，U（f）为输出电压u（t）的快速傅里叶变换；E（f）为入射电场E（t）的快速傅里叶变换；H（f）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H（f）的量纲为mm，故此也可称其为频域等效高度。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。实际上除了频域等效高度外，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，而频域等效高度本质上反映的就是其在不同频率下的增益特性，故此天线的频域等效高度是表征其性能的关键的指标。传感器（等效高度）频响特性测试流程如下：将待测传感器和参考传感器均安装到指定的测量窗口位置并做好屏蔽，传感器输出分别经同轴低损耗电缆连接至高速数字示波器的CH2和CH3通道，将标准脉冲发生器的串口控制线连接至计算机，并将标准脉冲发生器的输出用同轴电缆接至GTEM的输入端，将其分路输出连接至示波器的CH1作为同步信号，测试系统通过串口指令控制标准脉冲发生器输出脉冲电压信号，同时设置示波器至合适的采集状态，标定信号在GTEM小室内建立脉冲电场，传感器耦合该信号。标定信号的分路作为同步源触发示波器进行采集，各路数据通过示波器的数据线上传至分析系统，按照式（5-3）计算传感器的频域特性曲线。(www.xing528.com)

由于标定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，并以该平均结果作为最终的传感器频响测试结果。

2.灵敏度

将待测传感器安装到指定的测量窗口位置并做好屏蔽，按待测系统的要求接好线，将标准脉冲发生器的串口控制线连接至计算机，并将标准脉冲发生器的输出用同轴电缆接至GTEM的输入端，测试系统通过串口指令控制标准脉冲发生器输出脉冲电压信号，同时设置示波器至合适的采集状态，标定信号在GTEM小室内建立脉冲电场，传感器耦合该信号，根据待测系统的检测结果，判定在该量程下检测系统是否检测到该信号，如果检测信噪比大于3，则认为可检测到该信号，选择下一个量程，测试系统会自动将标定源发出的信号进行衰减，重新进入待测系统灵敏度确认流程，直至待测系统完全无法接收为止，平台系统软件将最后待测系统可以检测的场强值作为该系统的检测灵敏度并予以记录。

3.动态范围

测试流程与灵敏度的测试流程基本一致，所不同的是，在测量最大瞬态电场强度峰值的时候是不断地增大信号源的输出，由测试人员判定检测系统检测到的信号是否达到饱和，达到饱和后将最后待测系统检测的场强值作为该系统的动态响应的上限值并予以记录。

5.3.1.3测评案例

使用平台对传感器等效高度进行测评。将待测传感器和参考传感器均安装到指定的测量窗口位置并做好屏蔽；传感器输出分别经同轴低损耗电缆连接至高速数字示波器的CH2和CH3通道；将标准脉冲发生器的串口控制线连接至计算机，并将标准脉冲发生器的输出用同轴电缆接至GTEM的输入端，将其分路输出连接至示波器的CH1作为同步信号；测试系统通过串口指令控制标准脉冲发生器输出脉冲电压信号，同时设置示波器至合适的采集状态；标定信号在GTEM小室内建立脉冲电场，传感器耦合该信号；测评信号的分路作为同步源触发示波器进行采集，各路数据通过示波器的数据线上传至分析系统；计算传感器的频域特性曲线。

1.不同用途传感器测评

在GTEM室上对国内某厂商生产的两种传感器进行了等效高度检测，两种传感器分别为用于变压器局放监测和GIS内置式局放监测，两种传感器监测主机相同。变压器局部放电特高频传感器等效高度曲线测试结果如图5-38所示。GIS内置式局部放电特高频传感器等效高度曲线检测结果如图5-39所示。

图5-38 变压器传感器等效高度曲线检测

分析图5-38可得出变压器局部放电特高频传感器平均等效高度为2.19mm。由图5-39可得到GIS内置式局部放电特高频传感器平均等效高度为4.57mm。

由上述检测结果比较可以看出，同一厂商局放仪不同用途特高频传感器等效高度之间依然存在差异。

图5-39 GIS传感器等效高度曲线检测

2.不同厂商传感器接收特性研究

利用上述的平台对国内、国外（代理）的多个厂商的局部放电特高频监测设备的传感器的等效高度进行了检测，传感器的安装及连接方式与之前相同。测评各厂商传感器平均等效高度，结果如图5-40、图5-41所示。

图5-40 主流厂商传感器等效高度测试数据

图5-41 主流厂商传感器等效高度统计图

由统计的数据可以看出大部分厂商的传感器的等效高度满足要求，但厂商1的传感器性能优异。