测量GIS局部放电的窄带电磁波信号耦合方法及检测系统

摘要

本发明公开了一种测量GIS局部放电的窄带电磁波信号耦合方法及检测系统，包括以下步骤：⑴计算由GIS设备上金属环的浇注孔所辐射出的电磁波主模的截止频率fc；⑵以截止频率fc作为检测系统的中心频率，检测系统主要由窄带天线、滤波器、放大器和信号采集器依次通信连接而成；⑶将窄带天线正对浇注孔布置；⑷窄带天线将由浇注孔辐射出的电磁波信号转化成电压信号传送至滤波器，滤波器对该电压信号进行滤波并通过放大器放大处理后，由信号采集器接收该电压信号进行记录和分析。本发明在有效的窄带范围内的增益远远高于现有的宽带检测方法，而且避开了在宽频带范围内的干扰信号，大大提高了信噪比。完全达到了现场检测的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量GIS设备局部放电的窄带电磁波信号耦合方法，还涉及使用该窄带电磁波信号耦合方法的检测系统。

背景技术

随着社会对电力需求的不断增加，电力产业得到快速地发展，目前，大型输电 网络的安全运行已经成为电力行业关注的重大问题。研究表明，气体绝缘组合电 器（Gas Insulated Switchgear，以下简称GIS）和变压设备内部以绝缘故障为多，而 绝缘故障的先兆往往表现为局部放电，一般认为，高压设备中的局部放电严重影 响电场分布，导致电场畸变和绝缘材料腐蚀，最终引发绝缘击穿。GIS中的局部放 电通常表现为快速脉冲电流和由此激发的宽频带电磁波信号。电磁波信号的频率 范围可达到数GHz，甚至更高。通过耦合此电磁波信号可检测发生在GIS设备内部 的局部放电故障。为了提高信噪比，避免现场存在的电晕等复杂的干扰信号，现 有的检测系统的工作频带主要在特高频（Ultra High Frequency，以下简称UHF）频 段范围内，即：0.3～1.5GHz。近年来，GIS局部放电UHF检测技术在我国得到了大 力发展和应用。应用该技术多次发现了GIS内部局部放电缺陷，避免了GIS绝缘故 障的发生，为保证电力系统的安全可靠运行做出了重要贡献。

如图1～3所示，用于接收UHF电磁波的传感器安装于GIS设备内部（参见图1、2） 或安装于盆式绝缘子10外表面（参见图3）。UHF传感器1在GIS设备2内部或盆式 绝缘子外表面时，其接收到的电磁波信号频率非常宽。从信号频谱上看，在 300MHz～1.5GHz频率范围内都有能量分布。因此，现有的UHF传感器都采用宽频 带传感器，比如电容型传感器、等角螺旋天线、对数周期天线、领结型天线等； 现有的UHF放大器及滤波器也都采用宽频带工作模式。图2所示的检测系统包括耦 合器3、转换连接器4、UHF传感器1、电缆6和示波器7。图3所示的检测系统包括 宽带天线8和UHF检测仪9。

近年来，随着城市规划建设的发展和边远地区输电网的发展，为了节约变电 站占地面积和减少运行维护，新建变电站内采用的GIS设备越来越多。为了提高接 地可靠性、防止恶劣环境对绝缘子的腐蚀，越来越多的GIS设备上采用了带金属环 的绝缘子。金属环将整个绝缘子包裹起来。为了便于绝缘子浇注成形，金属环上 有一个浇注孔，用于浇入环氧材料。由于现有大多数GIS设备上未安装内置式UHF 传感器，而且因为金属环的阻挡，UHF电磁波只能经过浇注孔向外辐射。但是， 向外辐射的UHF信号极其微弱，利用现有的外置式宽带天线及检测系统，因检测系 统的灵敏度极低，仅能检测到100pC及以上的局部放电，不能达到现场检测的要求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种能够提高检测灵敏度和信噪比的测量GIS局 部放电的窄带电磁波信号耦合方法，可以达到现场检测GIS局部放电的要求。

本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现：一种测量GIS局部放电的窄 带电磁波信号耦合方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴计算由GIS设备上金属环的浇注孔所辐射出的电磁波主模的截止频率f_c；

⑵以截止频率f_c作为检测系统的中心频率，检测系统主要由窄带天线、滤波 器、放大器和信号采集器依次通信连接而成；

⑶将窄带天线正对浇注孔布置；

⑷窄带天线将由浇注孔辐射出的电磁波信号转化成电压信号传送至滤波器， 滤波器对该电压信号进行滤波并通过放大器放大处理后，由信号采集器接收该电 压信号进行记录和分析，完成对GIS局部放电的测量。

本发明在有效的窄带范围内的增益远远高于现有的宽带检测方法，而且避开了 在宽频带范围内的干扰信号，大大提高了信噪比。完全达到了现场检测的要求。

作为本发明的一种推荐实施方式，所述窄带天线的中心频率为截止频率f_c， 工作带宽是50～150MHZ，窄带天线的增益相比与宽带天线大大提高，且抗干扰 能力强。所述滤波器的通带为f_c-50MHZ～f_c+50MHZ，进一步提高了信噪比，所述 信号采集器的模拟带宽的最小值至多为f_c-50MHZ。

本发明所述放大器的工作频宽为f_c-50MHZ～f_c+50MHZ，大大提高了检测灵敏 度。

作为本发明的一种实施方式，在步骤⑴中，所述浇注孔为矩形孔，截止频率 f_c的计算公式是：

$f_c=\frac{c}{2a\sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r}}---\left(1\right)$

其中，c为电磁波在真空中的波速；a为浇注孔的长，b为浇注孔的宽，ε_r， μ_r分别为浇注孔内所填充的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

作为本发明的另一种实施方式，在步骤⑴中，所述浇注孔为圆孔，截止频率 f_c的计算公式是：

$f_c=\frac{u_{11}^{\prime }c}{2\mathrm{\pi r}\sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r}}---\left(2\right)$

其中，c为电磁波在真空中的波速；u₁₁’为常数；r为浇注孔的半径；ε_r， μ_r分别为浇注孔内所填充的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

本发明的另一个目的在于提供一种使用上述测量GIS局部放电的窄带电磁波 信号耦合方法的检测系统。

本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现：一种使用上述测量GIS局部 放电的窄带电磁波信号耦合方法的检测系统，其特征在于：它主要由用于正对GIS 上金属环的浇注孔放置的窄带天线、滤波器、放大器和信号采集器组成，所述窄 带天线的电压信号输出端与滤波器的电压信号输入端连接，所述滤波器的电压信 号输出端与放大器的电压信号输入端连接，所述放大器的电压信号输出端与信号 采集器的电压信号输入端相连；所述窄带天线接收由浇注孔辐射出的电磁波信号 并将其转化为电压信号后传送至滤波器，经过滤波器滤波处理后再传送至放大器 进行信号放大，最后发送至信号采集器进行记录和分析。

所述窄带天线的中心频率为GIS设备上金属环的浇注孔所辐射出的电磁波主 模的截止频率f_c，窄带天线的工作带宽是50～150MHZ，窄带天线的增益相比于 宽带天线大大提高，且抗干扰能力强。所述滤波器的通带为f_c-50MHZ～f_c+50MHZ， 进一步提高了信噪比，所述信号采集器的模拟带宽的最小值至多为f_c-50MHZ。

本发明所述放大器的工作频宽为f_c-50MHZ～f_c+50MHZ，大大提高了检测灵敏度。

本发明所述浇注孔为矩形孔，截止频率f_c的计算公式是：

$f_c=\frac{c}{2a\sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r}}---\left(1\right)$

其中，c为电磁波在真空中的波速；a为浇注孔的长，b为浇注孔的宽，ε_r， μ_r分别为浇注孔内所填充的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

本发明所述浇注孔为圆孔，截止频率f_c的计算公式是：

$f_c=\frac{u_{11}^{\prime }c}{2\mathrm{\pi r}\sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r}}---\left(2\right)$

其中，c为电磁波在真空中的波速；u₁₁’为常数；r为浇注孔的半径；ε_r，μ_r 分别为浇注孔内所填充的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

本发明在有效的窄带范围内的增益远远高于现有的宽带检测方法，灵敏度高， 而且避开了在宽频带范围内的干扰信号，大大提高了信噪比。完全达到了现场检 测的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有用于接收UHF电磁波的传感器安装于GIS设备内的示意图；

图2是包含图1的内置式UHF传感器的检测系统在测量时的结构示意图；

图3是现有用于接收UHF电磁波的传感器安装于盆式绝缘子外表面的示意图；

图4是本发明实施例1计算矩形浇注孔截止频率的原理示意图；

图5是本发明实施例2计算圆形浇注孔截止频率的原理示意图；

图6是本发明检测系统测量时的示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明一种测量GIS局部放电的窄带电磁波信号耦合方法，包括以下步骤：

⑴计算由GIS设备上金属环18的浇注孔所辐射出的电磁波主模的截止频率 f_c；在本实施例中，GIS设备是某厂家生产的252kVGIS。该GIS绝缘子19上的浇 注孔15近似为矩形，参见图4，根据电磁波理论，在矩形波导内部的主模为TE₁₀波，其截止频率的计算公式是：

$f_c=\frac{c}{2a\sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r}}---\left(1\right)$

其中，c为电磁波在真空中的波速，即：3×10⁸m/s；a为浇注孔的长，b为浇 注孔的宽，ε_r，μ_r分别为浇注孔内所填充的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

矩形波导截面为矩形，其尺寸（长×宽）为：0.045m×0.020m。其内部浇注 材料的相对磁导率μ_r为1，相对介电常数ε_r为3.8。令a=0.045m，b=0.020m；c=3 ×10⁸m/s，μ_r=1，ε_r=3.8。根据公式（1）计算截止频率，得到：f_c=1.71GHz。

确定检测系统的检测频带是1.66～1.76GHz。

⑵以截止频率f_c作为检测系统的中心频率，检测系统主要由窄带天线11、滤波 器12、放大器13和信号采集器14依次通信连接而成，窄带天线11的中心频率为截 止频率f_c=1.71GHz，一般在1.5GHz以上，窄带天线的工作带宽是100MHZ，这种窄 带天线具有较强的方向性和增益，窄带天线的增益相比于宽带天线大大提高，且 抗干扰能力强。滤波器的通带为1.66～1.76GHz，在截止频率处增益为-3dB，阻带 增益为-20dB，进一步提高了信噪比。放大器的工作频宽为1.66～1.76GHz，在截止 频率处增益为3dB，通带增益为20dB，大大提高了检测灵敏度。

在本实施例中，信号采集器采用美国力科公司的Wavemaster8620A型示波器， 其模拟带宽可达0-6GHz。即信号采集器的模拟带宽的最小值至多为f_c-50MHZ。

⑶测量时，将窄带天线11正对浇注孔布置；

⑷窄带天线11将由浇注孔辐射出的电磁波信号转化成电压信号传送至滤波器 12，该电压信号由滤波器12进行滤波并通过放大器13放大处理后，由信号采集器 14接收该电压信号进行记录和分析，测试结果表明，对GIS内部5pC的局部放电的 输出幅值为10mV。因此，本发明可用于在浇注孔处检测GIS内部的局部放电。

本发明在有效的窄带范围内的增益远远高于现有的宽带检测方法，灵敏度高， 而且避开了在宽频带范围内的干扰信号，大大提高了信噪比。完全达到了现场检 测的要求。

如图6所示，使用上述测量GIS局部放电的窄带电磁波信号耦合方法的检测 系统17，它主要由用于正对GIS上金属环的浇注孔放置的窄带天线11、滤波器 12、放大器13和信号采集器14组成，窄带天线11的电压信号输出端与滤波器 12的电压信号输入端连接，滤波器12的电压信号输出端与放大器13的电压信号 输入端连接，放大器13的电压信号输出端与信号采集器14的电压信号输入端相 连；窄带天线11接收由浇注孔辐射出的电磁波信号并将其转化为电压信号后传送 至滤波器12，经过滤波器12滤波处理后再传送至放大器13进行信号放大，最后 发送至信号采集器14进行记录和分析。

其中，窄带天线的中心频率为GIS设备上金属环的浇注孔所辐射出的电磁波 主模的截止频率f_c=1.71GHz，窄带天线的工作带宽是100MHZ，滤波器的通带为 f_c-50MHZ～f_c+50MHZ，即为1.66～1.76GHz，在截止频率处增益为-3dB，阻带增益 为-20dB；信号采集器的模拟带宽为0-6GHz，放大器的工作频宽为 f_c-50MHZ～f_c+50MHZ，即为1.66～1.76GHz，在截止频率处增益为3dB，通带增益 为20dB。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：如图5所示，浇注孔16为圆孔，圆波 导截面为圆形，根据电磁波理论，在圆形波导内部的主模为TE₁₁波，截止频率f_c的计算公式是：

$f_c=\frac{u_{11}^{\prime }c}{2\mathrm{\pi r}\sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r}}---\left(2\right)$

其中，c为电磁波在真空中的波速；u₁₁’为常数取值1.841；r为浇注孔的半 径；ε_r，μ_r分别为浇注孔内所填充的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技 术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明窄带天线 的工作带宽是50～150MHZ，因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或 变更，均落在本发明权利保护范围之内。