特高频局放传感器 智能配电房用特高频局放传感器环境适应性试验

智能配电房用特高频局放传感器环境适应性试验

作者有话说

智能配电房传感器目前还没有规范的技术标准，产品质量存在风险，阻碍了配电房建设的发展。为规范企业生产技术，提高产品质量，亟需对智能配电房传感器的关键技术进行研究，并形成相应的技术标准体系。本文开展了智能配电房用特高频局放传感器的环境适应性试验研究，具体包括高温试验、低温试验、振动耐久试验和冲击耐受试验。

引言

随着配电网的快速发展，电网企业对供电可靠性的要求越来越高，建设智能配电网已经成为大势所趋。其中，智能配电房作为智能配电网系统中的关键节点，担负着为用户分配电力的重担。智能配电房通过智能传感器对各种监测及报警数据进行分析，实时反映现场运行情况，防止因环境改变、非授权活动、设备状态变化等引起的事故，满足对远程运维的可靠管控。目前，智能传感器行业的标准仍是空白，生产厂家繁杂，产品集成度低、功耗高、寿命低、信息隔阂，因而其性能在很多方面不能满足技术要求，不适合用于开展智能配电房建设，严重阻碍配电房智能化改造成效。因此，为保证智能配电网的方向性，推进配电网建设，亟待开展对智能配电房传感器的标准体系和关键技术研究。本文对智能配电房用特高频局放传感器的环境适应性试验进行了研究。

1 智能配电房环境监测系统组成

监测系统由各类智能传感器（温湿度传感器、位移传感器、烟雾传感器、水浸传感器等）、终端和后台等部分组成。传感器自身带有的感应元件，可以和与其配对的终端模块通信，用于感知配电房内设备运行状态、环境状态、安防状态等信息。信号到达终端模块后，终端服务器通过GPRS网络与云端服务器连接，并把数据打包发至数据中心，数据中心对数据进行存储并做实时分析。最后应用端通过与云端服务器连接对数据进行展示和报警。其中，智能传感器在配电房监测中起着重要作用。

2 特高频局放传感器

变压器随着时间的推移会逐渐老化产生故障，并伴随着局部放电现象。通过对变压器局部放电进行测试和监测，可以获得电介质的绝缘状况并推测出电气设备的绝缘寿命。因此，对变压器的局部放电进行监测有着重要意义。特高频法近年来被广泛应用于电力设备的局部放电监测，其检测频段较高，具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点。特高局放频传感器作为特高频法的重要组成部分，在变压器局部放电监测中越来越被广泛应用。目前常用的特高频局放传感器有阿基米德螺旋天线、平面螺旋天线、盘锥天线、Hilbert分形天线、套筒天线和屏蔽谐振式环天线等，采用特高频传感方式对电力、冶金、铁路等系统GIS设备的局部放电进行监测。

3 特高频局放传感器环境适应性试验验证

3.1 测试项目和试验设备

本文测试的项目包括高温试验、低温试验、振动耐久试验和冲击耐受试验。使用到的仪器设备有温度试验箱、计时器、振动试验装置和冲击试验装置。每个测试项目参与试验的样品50个，型号XD5-3，样品外观良好，无破损、铭牌齐全。

3.2 高、低温试验

高、低温试验是环境试验的常规测试项目。安装于智能配电房的特高频局放传感器环境温度条件见表1。试验所用设备如图1所示。

表1 环境温度条件

图1 温度试验箱

1.低温试验

1）试验目的：验证产品在低温条件下的适应性。

2）依据GB/T 2423.1-2008中的规定，按试验Ad进行。试验过程见表2。

表2 低温试验

3）试验结果

经测试，在低温试验后仍能正常工作的传感器数量如图1所示。

图2 低温试验结果

由图2可以看出，经过-30℃、-40℃、-50℃的低温试验后，仍能正常工作的传感器样品数量分别为50、49、10。因此，可以得出该传感器能承受的最低温度为-40℃。

2. 高温试验

1）试验目的：验证产品在高温条件下的适应性。

2）依据GB/T 2423.2-2008中的规定，按试验Bd进行。试验过程见表3。

表3 高温试验

3）试验结果

经测试，在高温试验后仍能正常工作的传感器数量如图3所示。

图3 高温试验结果

由图3可以看出，经过45℃、55℃和65℃高温试验后，仍能正常工作的传感器样品数量分别为50、50、23。因此，可以得出该传感器能承受的最高温度为55℃。

以上高、低温试验结果可以为特高频局放传感器标准体系中温度的严酷等级制定提供依据。

3.3 振动耐久试验

振动试验是评定产品在预期的使用环境中耐受振动能力而对受振动的实物或模型进行的试验。

1）试验目的：验证产品在运行过程中对振动环境的适应性。

2）试验过程：按照GB/T 11287规定的试验要求和方法，将样品放置在振动台上，加速度峰值依次设置为5 m.s-2、10m.s-2和15m.s-2，每一轴线方向的扫频循环数为20。试验过程如图4所示。

图4 振动耐久试验

3）实验结果

图5 振动耐久试验结果

由图5可以看到，经过加速度峰值分别为5 m.s-2、10m.s-2和15m.s-2的振动耐久试验，试验后样品未发生紧固件松动、机械损坏且仍可正常工作的样品数量分别为50、50和38。因此，特高频局放传感器进行振动耐久试验能承受的最大加速度峰值为10 m.s-2。

3.4 冲击耐受试验

1）试验目的：验证产品在运行过程中对冲击环境的适应性。

2）试验过程：按照GB/T 14537规定的试验要求和方法，将样品放置在冲击试验台上，加速度峰值依次设置为140 m.s-2、150 m.s-2、160 m.s-2，脉冲的持续时间为11ms，每个方向上的脉冲数为3个。试验过程如图6所示。

图6 冲击耐久试验

3）实验结果

图7 冲击耐久试验结果

由图7可以看到，经过加速度峰值分别为140m.s-2、150m.s-2和160m.s-2的冲击耐受试验，试验后样品未发生紧固件松动、机械损坏且仍可正常工作的样品数量分别为50、50和31。因此，特高频局放传感器冲击耐受试验能承受的最大加速度峰值为150m.s-2。

4 总结

本文对智能配电房用特高频局放传感器环境适应性进行了研究。开展了高温试验、低温试验、振动耐久试验和冲击耐受试验。该传感器可以承受的最高温度为55℃，最低温度为-40℃，振动耐久试验可以承受的最大加速度峰值为10m.s-2，冲击耐受试验可以承受的最大加速度峰值为150m.s-2。本文的研究不仅为智能配电房用特高频局放传感器的标准体系建立提供数据支撑，对产品的研制和广泛应用也有一定的指导意义。有利于规范智能传感器生产技术和市场秩序，提高产品质量，进而推动智能配电网的建设质量和运行可靠性。

作者： 庞莹

单位： 上海市质量监督检验技术研究院

简介： 庞莹，工程师，主要从事电子电器产品安全与性能检测技术相关研究工作。

引用本文： 庞莹.智能配电房用特高频局放传感器环境适应性试验研究[J].环境技术,2022,40(04):38-41.

东莞供电局研究者研制出一种新型局部放电特高频传感器

局部放电现象是电气设备绝缘材料劣化的主要表现形式，研究如何有效地检测局部放电信号以减少电力设备绝缘击穿事故的发生，对电力设备的安全运行具有重要意义。广东电网有限责任公司东莞供电局的何俊达、廖肇毅、陈冰心在2024年第一期《电气技术》上撰文，针对现有外置式局部放电传感器应用于上海思源气体绝缘全封闭组合电器（GIS）盆式绝缘子存在的问题，研制一种新型天线连接器（AC）型局部放电特高频传感器，并给出其结构设计。实验结果表明，本文设计的传感器的监测带宽、灵敏度等性能优良，能够有效提高局部放电检测的灵敏度，与常规外置式局部放电传感器相比，其检测强度提升了约30dB。

气体绝缘全封闭组合电器（gas insulated switchgear, GIS）主要由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线等封闭组成，内部被充满一定压力的绝缘气体，在输电和配电系统中承担断路、隔离和接地等功能。

GIS中电场分布不均匀，局部电场强度过高导致绝缘体中局部范围内发生放电、击穿的情况叫做局部放电现象。引起局部放电现象的原因主要为绝缘缺陷，包括绝缘子表面金属污染物、悬浮电极等。短时存在的局部放电不会影响电气设备的绝缘性能，但长时间的局部放电会导致绝缘体局部损伤，甚至会在一定条件下击穿绝缘介质。局部放电是绝缘介质劣化的主要表现，对GIS进行定期局部放电带电检测能够了解设备的绝缘状况，并及时确定设备损坏程度，对电力设备的安全稳定运行具有重要意义。

上海思源GIS的盆式绝缘子在电气设备中广泛应用，该款盆式绝缘子的局部放电测试窗口尺寸为45mm×20mm，存在局部放电测试窗口长度较小的情况，只能无损辐射1 600MHz以上的特高频信号，该频段的特高频信号超过了GIS特高频局部放电在线监测装置的监测频带范围，造成特高频信号衰减快、监测装置监测灵敏度低、覆盖范围不足的问题。

针对该款GIS的结构特征，本文设计一种天线连接器（antenna connector, AC）型GIS局部放电特高频传感器，能在一定频段内实现可靠监测GIS内的局部放电信号，满足局部放电在线监测的有效性和覆盖范围要求，提高监测的可靠性和灵敏度。

1 局部放电测试窗口的特高频信号频率响应测试

1.1 实验场景设计

本文针对东莞某站220kV GIS开展特高频信号频率响应试验，测试对象为GIS主母线盆式绝缘子，其局部放电测试窗口尺寸为45mm×20mm。信号注入源设备为射频源，输出信号幅值为0dB、频率可任意调整的特高频信号。在1号盆式绝缘子的局部放电测试窗口，采用原有外置式特高频传感器耦合注入，并在相邻2号盆式绝缘子的局部放电测试窗口采用外置式特高频传感器接收信号。现场测试传感器布置如图1所示，频率衰减曲线如图2所示。

图1 现场测试传感器布置

图2 频率衰减曲线

1.2 数据分析

对上述特高频检测信号进行衰减分析可以看出，在1700MHz附近，长度45mm的局部放电测试窗口具有较好的频率响应特性。结合缝隙天线传播特性：只有波长小于缝隙天线波长的电磁波才能无损传播，即只有满足频率大于下限截止频率的电磁波信号才能从缝隙天线无损传播。因此，该款思源GIS盆式绝缘子局部放电测试窗口只能无损辐射出1600MHz以上的特高频信号。

然而，该频率下的信号衰减快，造成现有安装的GIS在线监测装置监测灵敏度低、覆盖范围不足，存在局部放电信号漏报的潜在风险，因此亟须根据该款GIS盆式绝缘子的结构特征，设计一种新型的GIS局部放电特高频传感器，以满足GIS局部放电在线监测灵敏度、有效性和覆盖范围的要求。

2 AC型传感器的设计

2.1 盆式绝缘子AC型传感器的结构设计

上海思源GIS的每个盆式绝缘子外部都带有金属铝环，预留长度较小的局部放电测试窗口，盆子靠近金属铝环附近有一个浇注在环氧树脂内的金属辅助电极，通过三个弹簧和螺钉连接到金属铝环上，螺钉对该位置进行密封。该辅助电极的作用是补偿或均匀静电分布，以及消除环氧材料和铝环之间可能存在的气穴的影响。

本文根据上述GIS盆式绝缘子的结构特征和金属辅助电极的特性，设计一种AC型局部放电特高频传感器。取辅助电极的一个接地点连接特高频传感器耦合电极，此时传感器、连接的辅助电极和金属屏蔽环结构组成一个特高频局部放电传感器，通过连接的传感器、金属辅助电极和金属屏蔽环形成特高频耦合天线耦合GIS内产生的特高频局部放电信号，通过传感器耦合特高频信号后将信号引出至GIS金属屏蔽环的外部，再通过三通接头实现特高频信号与同轴电缆的连接，同时三通的另一端加装过电压保护器，实现工频信号的接地和特高频信号的有效传输。

该款传感器适配所有相同尺寸结构的盆式绝缘子，在一定频段内能够有效检测设备内的局部放电信号，下限截止频率理论计算值可达400MHz，在GIS特高频局部放电在线监测装置检测频带要求的300～1500MHz范围内，而且感应本体不采用电阻、电容等电子器件，在安装过程中不会引起GIS电场畸变和危及本体安全。AC型传感器结构如图3所示，AC型传感器检测原理如图4所示。

2.2 盆式绝缘子AC型传感器的安装位置

上海思源GIS盆式绝缘子外部都带有金属铝环，预留3个接地的辅助电极螺钉，选取其中一个辅助电极的接地点作为特高频传感器的安装位置，AC型传感器安装示意图如图5所示。

图3 AC型传感器结构

图4 AC型传感器检测原理

图5 AC型传感器安装示意图

3 传感器性能测试

为了验证AC型传感器的频率响应特性和灵敏度，本文针对东莞某站220kV GIS展开与常规外置式传感器的频率响应特性、灵敏度和动态范围对比试验。

3.1 GIS填充氮气情况下的测试

对现场一段充氮气的分支母线，在右侧盆式绝缘子采用AC型传感器注入特高频信号，在左侧盆式绝缘子上安装一个AC型传感器并在局部放电测试窗口位置安装常规外置式传感器，测试现场如图6所示，测试数据见表1。

图6 测试现场

表1 AC型传感器和外置式传感器测试数据

对上述测试数据进行对比分析，在GIS充氮气的情况下，同一盆子上安装的AC型传感器信号幅值比原有外置式传感器信号幅值提升了约16dB，等同于提升了6.3倍的信号强度。

3.2 GIS填充SF 6 气体情况下的测试

对同一盆子进行信号注入和信号监测试验，在同一盆子安装2个AC型传感器，在盆子局部放电测试窗口安装常规外置式传感器，将AC-2传感器和常规外置式传感器信号接入特高频局部放电在线监测装置。同一盆子的传感器安试验信号源为射频信号发生器通过AC型传感器的耦合信号，信号幅值为0dBmW，通过AC-1传感器耦合注入信号，在600～1600MHz频率范围内，每隔100MHz选取一个测试频点，不同频率信号下 的性能比较见表2。

图7 同一盆子的传感器安装示意图

通过上述测试数据可知，在GIS充SF6气体的情况下，相对于原有外置式传感器，AC型传感器信号幅值可提升约30dB，灵敏度、频率响应特性均得到较大幅度的提升。

3.3 传感器平均有效高度测试

在检验规范DL/T 1432.4规定的吉赫兹横电磁波（gigahertz transverse electromagnetic, GTEM）小室测试条件下，分别对思源盆子局部放电测试窗口的常规外置式局部放电传感器与AC型传感器进行频率响应特性和平均有效高度试验，得到外置式传感器局部放电测试窗口有效高度曲线如图8所示，AC型传感器有效高度曲线如图9所示。

表2 不同频率信号下的性能比较

图8 外置式传感器局部放电测试窗口有效高度曲线

图9 AC型传感器有效高度曲线

通过上述测试数据可知，常规外置式传感器应用于局部放电测试窗口与AC型传感器应用的平均有效高度分别为1.8mm、11.3mm，说明本文设计的AC型传感器性能优于常规外置式传感器，满足DL/T 1498.4提出的平均有效高度应大于6mm的要求。

3.4 传感器脉冲重复率测试

将AC型传感器信号接入特高频局部放电在线监测装置，按照DL/T 1694.1要求进行脉冲重复率测试，实验结果表明本文设计的AC型传感器满足最大允许误差一般不超过±20%的要求。脉冲重复率测试结果见表3。

表3 脉冲重复率测试结果

4 结论

本文设计的新型GIS局部放电特高频传感器充分考虑了阻抗匹配、信号衰减、密封、绝缘与接地安全等基本要求，测试数据和工程应用效果表明，该款新型传感器能够有效提升特高频局部放电监测的灵敏度、频带范围、覆盖范围和可靠性，有利于更早地监测到GIS微弱的局部放电信号。

本工作成果发表在2024年第1期《电气技术》，论文标题为“一种新型局部放电特高频传感器性能分析”，作者为何俊达、廖肇毅、陈冰心。

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