一種局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試裝置與測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種局部放電特高頻傳感 器的性能測(cè)試裝置與測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 局部放電與電力設(shè)備絕緣狀態(tài)密切相關(guān)。長(zhǎng)時(shí)間的局部放電可能會(huì)導(dǎo)致絕緣劣化 甚至擊穿，為此制造廠商和用戶都非常重視電力設(shè)備局部放電的檢測(cè)。特高頻（ultra-high frequency,以下簡(jiǎn)稱UHF)法是目前局部放電檢測(cè)技術(shù)之中靈敏度最高的方法之一，普遍 用于氣體絕緣組合開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear,以下簡(jiǎn)稱GIS)的在線監(jiān)測(cè)和現(xiàn) 場(chǎng)帶電檢測(cè)，且被逐步推廣到變壓器、電力電纜等電力設(shè)備的局部放電檢測(cè)中。
[0003] UHF檢測(cè)技術(shù)使用UHF傳感器將局部放電激發(fā)起的特高頻電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓 信號(hào)，以此獲得局部放電的相關(guān)信息。UHF傳感器是UHF法中的關(guān)鍵技術(shù)，其性能直接影響 檢測(cè)結(jié)果。為了判別不同UHF傳感器的檢測(cè)能力，需要相應(yīng)的測(cè)試方法與裝置。目前較常使 用的脈沖測(cè)量系統(tǒng)中的有效高度參數(shù)為頻變函數(shù)，無(wú)法清晰完整地描述UHF傳感器在接收 局部放電脈沖信號(hào)的時(shí)域行為特征，測(cè)量結(jié)果與傳感器現(xiàn)場(chǎng)使用效果存在差距。其次，脈沖 測(cè)量系統(tǒng)對(duì)脈沖源的要求很高，通常需要上升時(shí)間在亞納秒級(jí)，且具有足夠大的輸出功率， 而普通的脈沖信號(hào)發(fā)生器往往難以滿足，這給測(cè)試平臺(tái)的搭建和規(guī)范化帶來(lái)困難。總而言 之，目前特高頻傳感器仍缺少一種可靠、準(zhǔn)確且性價(jià)比高的性能測(cè)試裝置與方法。
[0004] 吉赫茲?rùn)M電磁波小室（Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell，以下簡(jiǎn)稱 GTEM小室）是由瑞典人D. Konigstein和D. Hansen在1987年發(fā)明的，由于GTEM Cell作為 測(cè)試場(chǎng)地，與電磁兼容暗室、開闊場(chǎng)地、屏蔽室等相比，具有截止頻率高、電磁泄漏小、測(cè)試 空間大、造價(jià)較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，引起了世界各國(guó)的重視，在電磁兼容測(cè)量中得到了蓬勃的發(fā) 展。GTEM傳輸室是截面為矩形的錐狀結(jié)構(gòu)，其后部是由吸波材料和電阻負(fù)載組成的復(fù)合終 端負(fù)載。GTEM傳輸室克服了 TEM傳輸室可用上限頻率較低的局限性，其工作頻率可達(dá)IGHz 以上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種局部放電特高頻傳感器的 性能測(cè)試裝置與測(cè)試方法，解決現(xiàn)有特高步傳感器性能測(cè)試中存在的缺陷，通過利用矢量 網(wǎng)絡(luò)分析儀同時(shí)作為信號(hào)輸入與輸出端，能夠同時(shí)給出頻域參數(shù)和時(shí)域參數(shù)結(jié)果，具有可 靠、準(zhǔn)確、性價(jià)比高等特點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試裝置，其特點(diǎn)在于，包括吉赫茲?rùn)M電磁波 小室、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、聚四氟乙烯蓋板、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、校驗(yàn)天線和待測(cè)特高頻傳感 器；
[0008] 所述的吉赫茲?rùn)M電磁波小室（Gigahertz Transverse Electromagnetic,以下簡(jiǎn) 稱GTEM小室）為逐漸擴(kuò)展的棱錐形腔體，錐頂部即輸入端為同軸饋源頭，在該同軸饋源頭 的內(nèi)導(dǎo)體向錐底部延伸成三角形金屬芯板，錐底部即終端被微波吸收材料封閉且設(shè)置有與 芯板相連的電阻面陣；
[0009] 在GTEM小室金屬外壁的上方開有一個(gè)圓形開孔作為測(cè)試點(diǎn)，該開孔上放置所述 的聚四氟乙烯蓋板，供所述的校驗(yàn)天線或待測(cè)特高頻傳感器擺放；
[0010] 所述的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一端口接同軸饋源頭，第二端口接待測(cè)特高頻傳感器 或校驗(yàn)天線，該矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端接所述的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)的輸入端。
[0011] 所述的校驗(yàn)天線為單極天線，由一根金屬導(dǎo)體與圓形蓋板構(gòu)成，通過N型同軸連 接器饋電。
[0012] 所述的聚四氟乙烯蓋板上均勻分布有多個(gè)通孔，通過螺栓固定于GTEM小室的圓 形開孔上。
[0013] 所述GTEM小室為電磁測(cè)試環(huán)境，呈四棱錐形，錐頂處為50 Ω同軸饋源頭，同軸饋 源頭內(nèi)導(dǎo)體向錐底部延伸成三角形金屬芯板，與上板成5°角，錐底部設(shè)置有50Ω的電阻 面陣和微波吸收材料進(jìn)行阻抗匹配。
[0014] 所述GTEM小室長(zhǎng)4200mm，寬2200mm，高1400mm，在上板距離饋源頭3000mm處開有 一直徑200mm的圓形開孔作為傳感器測(cè)試點(diǎn)。，開孔周邊均勻分布有25個(gè)直徑6. 5mm的通 孔。
[0015] 所述聚四氟乙稀蓋板直徑為220mm，蓋板上均勾分布有25個(gè)直徑6. 5mm的通孔，可 通過螺栓固定于GTEM小室的圓形開孔上。
[0016] 所述校驗(yàn)天線為單極天線，由一根金屬導(dǎo)體與圓形蓋板構(gòu)成，通過N型同軸連接 器饋電。
[0017] -種利用所述的測(cè)試裝置進(jìn)行局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試方法，其特點(diǎn)在 于，該方法包括如下步驟：
[0018] 步驟一：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一端口與GTEM小室的同軸饋源頭相連，第二端口 與校驗(yàn)天線相連，并通過聚四氟乙烯蓋板安裝于GTEM小室的開孔上，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 測(cè)量第一端口到第二端口的正向傳輸系數(shù)S 21;
[0019] 步驟二：根據(jù)校驗(yàn)天線的標(biāo)準(zhǔn)有效高度和步驟一中測(cè)量的正向傳輸系數(shù)S21對(duì)測(cè) 試裝置進(jìn)行校驗(yàn)；
[0020] 步驟三：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一端口與GTEM小室的同軸饋源頭相連，第二端口 與待測(cè)特高頻傳感器相連，并通過聚四氟乙烯蓋板安裝于GTEM小室的開孔上，使待測(cè)特高 頻傳感器位于開孔中央，此時(shí)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量正向傳輸系數(shù)S 21;
[0021] 步驟四：根據(jù)步驟三中測(cè)量的正向傳輸系數(shù)S21，利用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)計(jì)算得到表 征傳感器性能的頻域參數(shù)，即傳感器有效高度；
[0022] 步驟五：根據(jù)步驟四中得到的頻域參數(shù)，構(gòu)成傳感器因果有效高度，進(jìn)而求取解析 脈沖響應(yīng)函數(shù)，從中提取表征傳感器性能的時(shí)域參數(shù)。
[0023] 所述的步驟二中的校驗(yàn)，即計(jì)算修正系數(shù)γ，公式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試裝置，其特征在于，包括吉赫茲?rùn)M電磁波小 室、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、聚四氟乙烯蓋板、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、校驗(yàn)天線和待測(cè)特高頻傳感器； 所述的吉赫茲?rùn)M電磁波小室為逐漸擴(kuò)展的棱錐形腔體，錐頂部即輸入端為同軸饋源 頭，在該同軸饋源頭的內(nèi)導(dǎo)體向錐底部延伸成三角形金屬芯板，錐底部即終端被微波吸收 材料封閉且設(shè)置有與芯板相連的電阻面陣； 在GTEM小室金屬外壁的上方開有一個(gè)圓形開孔作為測(cè)試點(diǎn)，該開孔上放置所述的聚 四氟乙烯蓋板，供所述的校驗(yàn)天線或待測(cè)特高頻傳感器擺放； 所述的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一端口接同軸饋源頭，第二端口接待測(cè)特高頻傳感器或校 驗(yàn)天線，該矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端接所述的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電特高頻傳感器性能測(cè)試裝置，其特征在于，所述的 校驗(yàn)天線為單極天線，由一根金屬導(dǎo)體與圓形蓋板構(gòu)成，通過N型同軸連接器饋電。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電特高頻傳感器性能測(cè)試裝置，其特征在于，所述的 聚四氟乙烯蓋板上均勻分布有多個(gè)通孔，通過螺栓固定于GTEM小室的圓形開孔上。
4. 一種利用權(quán)利要求1-3任一所述的測(cè)試裝置進(jìn)行局部放電特高頻傳感器的性能測(cè) 試方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： 步驟一：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一端口與GTEM小室的同軸饋源頭相連，第二端口與校 驗(yàn)天線相連，并通過聚四氟乙烯蓋板安裝于GTEM小室的開孔上，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量 第一端口到第二端口的正向傳輸系數(shù)S21; 步驟二：根據(jù)校驗(yàn)天線的標(biāo)準(zhǔn)有效高度和步驟一中測(cè)量的正向傳輸系數(shù)S21對(duì)測(cè)試裝 置進(jìn)行校驗(yàn)； 步驟三：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一端口與GTEM小室的同軸饋源頭相連，第二端口與待 測(cè)特高頻傳感器相連，并通過聚四氟乙烯蓋板安裝于GTEM小室的開孔上，使待測(cè)特高頻傳 感器位于開孔中央，此時(shí)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量正向傳輸系數(shù)S21; 步驟四：根據(jù)步驟三中測(cè)量的正向傳輸系數(shù)S21，利用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)計(jì)算得到表征傳 感器性能的頻域參數(shù)，即傳感器有效高度； 步驟五：根據(jù)步驟四中得到的頻域參數(shù)，構(gòu)成傳感器因果有效高度，進(jìn)而求取解析脈沖 響應(yīng)函數(shù)，從中提取表征傳感器性能的時(shí)域參數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試方法，其特征在于，所述 的步驟二中的校驗(yàn)，即計(jì)算修正系數(shù)Y，公式如下：
式中，變量《為測(cè)試時(shí)的角頻率，h為芯板到上板的垂直距離，C(l為光速，r為傳感器到 同軸饋源頭的距離，S21為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量第一端口到第二端口的正向傳輸系數(shù)，1為 已知的單極天線理論有效高度，mean函數(shù)表示對(duì)所有測(cè)試角頻率下的計(jì)算結(jié)果求平均值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試方法，其特征在于，所述 的步驟四中計(jì)算頻域參數(shù)的方法為將步驟三中測(cè)得的待測(cè)傳感器正向傳輸系數(shù)S21代入以 下公式：
式中H為待求傳感器的頻域參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部放電特高頻傳感器的性能測(cè)試方法，其特征在于，所述 的步驟五中表征傳感器性能的時(shí)域參數(shù)，包括包絡(luò)峰值、包絡(luò)寬度和振蕩時(shí)間，時(shí)域參數(shù)的 計(jì)算方法為： 構(gòu)造因果有效高度函數(shù)H+:
式中H為傳感器的頻域參數(shù)； 計(jì)算傳感器離散形式的解析脈沖響應(yīng)函數(shù)，公式如下：
式中，At為時(shí)間分辨率，k=n= 1，2. . .，N，N為采樣點(diǎn)數(shù)，H+為因果有效高度函數(shù)； 基于解析脈沖響應(yīng)函數(shù)，提取以下時(shí)域參數(shù)： 包絡(luò)峰值P:
包絡(luò)寬度tfwhm:
振蕩時(shí)間ta:
式中a為振蕩的最小振幅與包絡(luò)峰值的比值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種局部放電特高頻傳感器性能測(cè)試裝置，包括吉赫茲?rùn)M電磁波小室、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、聚四氟乙烯蓋板、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、校驗(yàn)天線和待測(cè)特高頻傳感器，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同時(shí)作為信號(hào)輸入與輸出端，性價(jià)比高且實(shí)施方便。本發(fā)明還提供了利用該測(cè)試裝置進(jìn)行的傳感器性能測(cè)試方法，可以同時(shí)給出表征傳感器性能的時(shí)域參數(shù)和頻域參數(shù)，具有可靠、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。
【IPC分類】G01R35-00
【公開號(hào)】CN104777443
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510131413
【發(fā)明人】陳孝信, 錢勇, 許永鵬, 舒博, 張一鳴, 魏翀, 盛戈皞, 江秀臣
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日