暂态地电压检测仪性能等效测试方法研究
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国网甘肃省电力公司电力科学研究院、国网甘肃省电力公司电力经济技术研究院的研究人员刘康、温定筠、胡春江、吴玉硕、王海璐，在2017年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，暂态地电压检测技术已经成为高压开关柜状态检测的重要手段之一，然而由于行业内尚未出台相关标准对暂态地电压局部放电检测仪的技术性能进行规范，导致暂态地电压检测仪在选购、验收过程中出现测评难的问题。
本文针对此问题，详细分析了暂态地电压检测仪的工作原理和特性参数，提出了信号模拟测评法和模拟故障测评法两种测评对比方法，并通过实测，验证了测评方法的有效性。
暂态地电压检测法（TEV）作为一种新的局部放电检测方法，已经得到了广泛的应用。国家电网公司《配网设备状态检修试验规程》和《电力设备带电检测技术规范》中已经明确要求，开关柜要按一定周期，采用暂态地电压等先进的局部放电检测手段进行带电巡检。
然而面对众多产品，电网运维单位在采购检测设备时，急需一套测评手段，对不同产品和型号的检测仪进行性能对比测评，以便选用更优的设备[1]。
１ TEV检测仪主要功能及性能参数
一台TEV检测仪应该具备的基本功能有：a)通过对开关柜金属外壳暂态地电压的测量，能够实时显示TEV信号的幅值，单位为dB或dBmV；b）应增益调节功能和门限调节功能，实现对信号的放大识别和对干扰的排除；c）报警提示功能，并且报警提示阀值可进行修改。
随着暂态地电压检测技术的推广应用，以及检测设备的更新升级，现在市场上一些主流TEV检测仪都具有一些高级功能：a）定位功能，使用时间差技术定位局部放电信号源在测试平面上的位置；b）脉冲计数功能，显示100个工频周期（2s）内的脉冲数，每个工频周期内的脉冲数；c）图谱显示功能，显示脉冲信号在工频0～360°相位的分布情况[2]-[4]。
针对TEV检测仪的基本功能和高级功能，要对不同厂家和不同型号的仪器进行性能对比，则需对上述功能相关的参数进行检测，并且通过设置实际故障，验证仪器功能的有效性。
TEV检测仪主要参数有[5]：1）工作频带,该参数表征了仪器可以检测到信号的频率范围；2）信号线性度，反映了当被检测信号发生线性变化时，仪器检测结果的响应特性；3）放电源定位误差，表征了仪器对局部放电信号点定位位置与实际信号来源点位置的空间距离差；4）脉冲计数误差，表征仪器脉冲计数功能是否有效、准确，其值为100个工频周期（2s）内仪器检测脉冲数与实际发生脉冲数的差值。
2 信号模拟法测评
2.1 测试方法
设计如图1所示试验装置平台，可同时将两台暂态地电压检测仪分别放置于金属板两侧进行信号检测，信号发生器将产生正弦或脉冲电压信号，并将其直接注入金属板中部，示波器用于观察注入信号的频率和幅值[6]。
图1 信号测评试验装置原理
2.2 工作频带测试
按照图1原理接好测试线，将信号发生器输出的正弦信号幅值固定为500mV，发生信号初始频率设置为1MHz，并按步长1MHz逐渐增加，直至频率达到80MHz，频率增加过程中同时记录两台设备检测到的TEV值。
完成上述检测过程一次后，将信号发生器输出的正弦信号幅值上升至1000mV，再完成一次频率从1MHz至80MHz逐渐增加的检测过程，记录两台暂态地电压检测仪检测到的TEV值，最终绘制出两台仪器500mV信号幅值和1000mV信号幅值下的幅频特性曲线。
图2 500mV信号幅频曲线
图3 1000mV信号幅频曲线
从测试结果曲线可以看出，注入信号幅值为500mV信号时，设备I和设备II的启始频率都为1MHz，设备I的截止频率为82MHz，设备II的截止频率为125MHz。注入信号幅值为1000mV时，设备I的启始频率为1MHz，设备II的启始频率为3MHz，设备I和设备II的的截止频率依然为82MHz和126MHz。
设备I和设备II的产品说明书中传感器工作频带分别为：1MHz-80MHz和3MHz-100MHz。依据检测结果可以判定设备I产品实际性能与说明书相符，设备I工作频带实测明显大于产品说明书中标注。工作频带过大会导致抗干扰能力降低，另外从幅频曲线光滑度可以看出，设备I性能优于设备II性能。
2.3 线性度测试
线性度测试仍按图1所示接线，设置信号发生器输出固定频率的正弦信号，正弦信号幅值从50mV开始，按照步长50mV依次增加到4000mV，记录检测设备对应显示的TEV值，最终绘制出幅值曲线图。本次测试选取3MHz、30MHz、60MHz三个固定频率，重复进行三次测试，对两台设备进行同时测试，测试结果如图4、图5所示。
图4 设备I幅值曲线图
图5 设备II幅值曲线图
根据检测结果曲线可以知，两设备30MHz频率时，检测值明显高于60MHz时检测值，3MHz频率时检测值最低，这与工作频率测试结果也相互对应。从曲线光滑程度可以明显看出，设备I的线性度性能明显优于设备II。
2.4 脉冲计数测量
脉冲数反映了固定时间内局部放电发生的次数，而局放次数可以间接的反应开关柜内部局部放电的严重程度。测试时，信号发生器产生上升沿脉冲信号注入金属板，两台设备同时使用脉冲计数功能进行计数，脉冲信号频率从10KHz—60KHz依次按步长1000Hz增加，同时记录两台暂态地电压仪的检测值，并绘制出理论值与实测值对比曲线，如图6、图7所示。
图6 设备I脉冲计数测试曲线
图7 设备II脉冲计数测试曲线
图6检测曲线显示，当信号频率达到42kHz时，设备I实测脉冲数趋向稳定，传感器检测不到更多的脉冲信号。而从图7中曲线可以看出，当信号频率大于32kHz时，设备II实测脉冲数有下降趋势。
3 模拟故障法测评
暂态地电压检测仪在通过实验室参数测评后，基本可以判断出不同生产厂商产品性能参数之间的差异。但综合考虑现场情况，为考评暂态地电压局放检测仪现场性能表现，本文通过多次现场实际测评，总结提出了一套适用现场综合测评的方法。
3.1 测试方法
高压开关柜中常见的局部放电类型有以下几种：尖刺放电、悬浮放电、沿面放电、内部放电。图8所示，1～4号柜中分别放置4种不同类型的放电模型，保证每台开关柜都可靠接地，本文选取尖端放电为例进行实测，将故障模拟装置放置于开关柜下方，加压回路可按图9所示进行接线，其中T1为调压器，T2为试验变压器，CX为放电模拟故障。
图8 设置的故障类型
图9 开关柜故障模拟加压回路
通过逐步增加试验电压，且不超过故障模型的耐受电压。在开关柜正面上、中、下三个位置进行暂态地电压测量，并对不同仪器的测量数据进行分类记录，最终实现对暂态地电压测试仪的典型故障识别能力、放电点定位功能、便携性、操作性等其他进行实测对比。
通常信号的幅度在远离放电源后会逐步衰减，但内部反射和沿不同路径的衰减程度不同，使的仅仅多个位置的幅值来定位还是不够准确。现有暂态地电压检测仪通常带有双通道定位功能，可利用双传感器接收到放电脉冲信号的时间差来确定放电位置。
理论上，目前较先进的信号采集电路已经能够分辨出信号之间的纳秒级的差别，因此，采用时间差来定位放电源是可能的，但具体设备功能的实效性，还需通过故障模拟定位来测评。
测试方法如图10所示，将两传感器分别放置于放电位置同侧或两侧，使用定位功能分别进行10次定位，定位位置与实际放电位置空间差小于60cm认为成功定位。
图10 暂态地电压检测仪定位功能测试
3.2 实测结果
表1 仪器实测结果
表1为本次对比实测结果。结果显示，在相同环境背景下，设备II比设备I的灵敏度要高，可知设备I的抗干扰性能要优于设备II。当电压升高到12kV时，在开关柜上、中、下三个检测点，设备I检测值与设备II检测值都明显高于未加电压时背景值，说明均已经检测到放电信号。
电压继续升高，当试品电压达到50kV时，设备I检测到最大值为44dB,设备II检测到最大值为50dB（最大量程为50dB），设备I三个检测位置中，下部检测点值明显大于上部和中部。设备II由于检测值已超过最大量程，无法明确分辨出最大值位置。
表2 仪器定位实测结果
表2为定位功能实测结果，可以看出当两传感器在同侧时，设备I和设备II的成功率分别60%和50%，当传感器在放电源两侧时，设备I和设备II的成功率同时增大，分别为70%和80%，就本次测试中能达到最高定位成功率而言，设备II表现略优于设备I。
4 结论
结合高压开关暂态地电压检测仪的工作原理，本文提出了两种针对仪器技术参数和性能测评的试验方法：
1）信号模拟测评法，可以准确测量出暂态地电压检测仪的工作频带、线性度、脉冲计数等参数。建议重点用在仪器验收阶段使用。
2）模拟故障测评法，具有比较直观、可操作性强的优点，可以对暂态地电压检测仪的功能性，实用性，以及抗干扰能力进行检验，建议用在仪器采购阶段使用。