一种局部放电特高频传感器的性能测试装置与测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气设备绝缘状态监测技术领域，尤其涉及一种局部放电特高频传感 器的性能测试装置与测试方法。
【背景技术】
[0002] 局部放电与电力设备绝缘状态密切相关。长时间的局部放电可能会导致绝缘劣化 甚至击穿，为此制造厂商和用户都非常重视电力设备局部放电的检测。特高频（ultra-high frequency,以下简称UHF)法是目前局部放电检测技术之中灵敏度最高的方法之一，普遍 用于气体绝缘组合开关设备（gas insulated switchgear,以下简称GIS)的在线监测和现 场带电检测，且被逐步推广到变压器、电力电缆等电力设备的局部放电检测中。
[0003] UHF检测技术使用UHF传感器将局部放电激发起的特高频电磁波信号转换成电压 信号，以此获得局部放电的相关信息。UHF传感器是UHF法中的关键技术，其性能直接影响 检测结果。为了判别不同UHF传感器的检测能力，需要相应的测试方法与装置。目前较常使 用的脉冲测量系统中的有效高度参数为频变函数，无法清晰完整地描述UHF传感器在接收 局部放电脉冲信号的时域行为特征，测量结果与传感器现场使用效果存在差距。其次，脉冲 测量系统对脉冲源的要求很高，通常需要上升时间在亚纳秒级，且具有足够大的输出功率， 而普通的脉冲信号发生器往往难以满足，这给测试平台的搭建和规范化带来困难。总而言 之，目前特高频传感器仍缺少一种可靠、准确且性价比高的性能测试装置与方法。
[0004] 吉赫兹横电磁波小室（Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell，以下简称 GTEM小室）是由瑞典人D. Konigstein和D. Hansen在1987年发明的，由于GTEM Cell作为 测试场地，与电磁兼容暗室、开阔场地、屏蔽室等相比，具有截止频率高、电磁泄漏小、测试 空间大、造价较低等诸多优点，引起了世界各国的重视，在电磁兼容测量中得到了蓬勃的发 展。GTEM传输室是截面为矩形的锥状结构，其后部是由吸波材料和电阻负载组成的复合终 端负载。GTEM传输室克服了 TEM传输室可用上限频率较低的局限性，其工作频率可达IGHz 以上。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种局部放电特高频传感器的 性能测试装置与测试方法，解决现有特高步传感器性能测试中存在的缺陷，通过利用矢量 网络分析仪同时作为信号输入与输出端，能够同时给出频域参数和时域参数结果，具有可 靠、准确、性价比高等特点。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种局部放电特高频传感器的性能测试装置，其特点在于，包括吉赫兹横电磁波 小室、矢量网络分析仪、聚四氟乙烯盖板、数据处理计算机、校验天线和待测特高频传感 器；
[0008] 所述的吉赫兹横电磁波小室（Gigahertz Transverse Electromagnetic,以下简 称GTEM小室）为逐渐扩展的棱锥形腔体，锥顶部即输入端为同轴馈源头，在该同轴馈源头 的内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板，锥底部即终端被微波吸收材料封闭且设置有与 芯板相连的电阻面阵；
[0009] 在GTEM小室金属外壁的上方开有一个圆形开孔作为测试点，该开孔上放置所述 的聚四氟乙烯盖板，供所述的校验天线或待测特高频传感器摆放；
[0010] 所述的矢量网络分析仪的第一端口接同轴馈源头，第二端口接待测特高频传感器 或校验天线，该矢量网络分析仪的输出端接所述的数据处理计算机的输入端。
[0011] 所述的校验天线为单极天线，由一根金属导体与圆形盖板构成，通过N型同轴连 接器馈电。
[0012] 所述的聚四氟乙烯盖板上均匀分布有多个通孔，通过螺栓固定于GTEM小室的圆 形开孔上。
[0013] 所述GTEM小室为电磁测试环境，呈四棱锥形，锥顶处为50 Ω同轴馈源头，同轴馈 源头内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板，与上板成5°角，锥底部设置有50Ω的电阻 面阵和微波吸收材料进行阻抗匹配。
[0014] 所述GTEM小室长4200mm，宽2200mm，高1400mm，在上板距离馈源头3000mm处开有 一直径200mm的圆形开孔作为传感器测试点。，开孔周边均匀分布有25个直径6. 5mm的通 孔。
[0015] 所述聚四氟乙稀盖板直径为220mm，盖板上均勾分布有25个直径6. 5mm的通孔，可 通过螺栓固定于GTEM小室的圆形开孔上。
[0016] 所述校验天线为单极天线，由一根金属导体与圆形盖板构成，通过N型同轴连接 器馈电。
[0017] -种利用所述的测试装置进行局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特点在 于，该方法包括如下步骤：
[0018] 步骤一：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口 与校验天线相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，利用矢量网络分析仪 测量第一端口到第二端口的正向传输系数S 21;
[0019] 步骤二：根据校验天线的标准有效高度和步骤一中测量的正向传输系数S21对测 试装置进行校验；
[0020] 步骤三：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口 与待测特高频传感器相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，使待测特高 频传感器位于开孔中央，此时利用矢量网络分析仪测量正向传输系数S 21;
[0021] 步骤四：根据步骤三中测量的正向传输系数S21，利用数据处理计算机计算得到表 征传感器性能的频域参数，即传感器有效高度；
[0022] 步骤五：根据步骤四中得到的频域参数，构成传感器因果有效高度，进而求取解析 脉冲响应函数，从中提取表征传感器性能的时域参数。
[0023] 所述的步骤二中的校验，即计算修正系数γ，公式如下：
【主权项】
1. 一种局部放电特高频传感器的性能测试装置，其特征在于，包括吉赫兹横电磁波小 室、矢量网络分析仪、聚四氟乙烯盖板、数据处理计算机、校验天线和待测特高频传感器； 所述的吉赫兹横电磁波小室为逐渐扩展的棱锥形腔体，锥顶部即输入端为同轴馈源 头，在该同轴馈源头的内导体向锥底部延伸成三角形金属芯板，锥底部即终端被微波吸收 材料封闭且设置有与芯板相连的电阻面阵； 在GTEM小室金属外壁的上方开有一个圆形开孔作为测试点，该开孔上放置所述的聚 四氟乙烯盖板，供所述的校验天线或待测特高频传感器摆放； 所述的矢量网络分析仪的第一端口接同轴馈源头，第二端口接待测特高频传感器或校 验天线，该矢量网络分析仪的输出端接所述的数据处理计算机的输入端。
2. 根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器性能测试装置，其特征在于，所述的 校验天线为单极天线，由一根金属导体与圆形盖板构成，通过N型同轴连接器馈电。
3. 根据权利要求1所述的局部放电特高频传感器性能测试装置，其特征在于，所述的 聚四氟乙烯盖板上均匀分布有多个通孔，通过螺栓固定于GTEM小室的圆形开孔上。
4. 一种利用权利要求1-3任一所述的测试装置进行局部放电特高频传感器的性能测 试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 步骤一：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口与校 验天线相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，利用矢量网络分析仪测量 第一端口到第二端口的正向传输系数S21; 步骤二：根据校验天线的标准有效高度和步骤一中测量的正向传输系数S21对测试装 置进行校验； 步骤三：将矢量网络分析仪的第一端口与GTEM小室的同轴馈源头相连，第二端口与待 测特高频传感器相连，并通过聚四氟乙烯盖板安装于GTEM小室的开孔上，使待测特高频传 感器位于开孔中央，此时利用矢量网络分析仪测量正向传输系数S21; 步骤四：根据步骤三中测量的正向传输系数S21，利用数据处理计算机计算得到表征传 感器性能的频域参数，即传感器有效高度； 步骤五：根据步骤四中得到的频域参数，构成传感器因果有效高度，进而求取解析脉冲 响应函数，从中提取表征传感器性能的时域参数。
5. 根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，所述 的步骤二中的校验，即计算修正系数Y，公式如下：
式中，变量《为测试时的角频率，h为芯板到上板的垂直距离，C(l为光速，r为传感器到 同轴馈源头的距离，S21为矢量网络分析仪测量第一端口到第二端口的正向传输系数，1为 已知的单极天线理论有效高度，mean函数表示对所有测试角频率下的计算结果求平均值。
6. 根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，所述 的步骤四中计算频域参数的方法为将步骤三中测得的待测传感器正向传输系数S21代入以 下公式：
式中H为待求传感器的频域参数。
7.根据权利要求4所述的局部放电特高频传感器的性能测试方法，其特征在于，所述 的步骤五中表征传感器性能的时域参数，包括包络峰值、包络宽度和振荡时间，时域参数的 计算方法为： 构造因果有效高度函数H+:
式中H为传感器的频域参数； 计算传感器离散形式的解析脉冲响应函数，公式如下：
式中，At为时间分辨率，k=n= 1，2. . .，N，N为采样点数，H+为因果有效高度函数； 基于解析脉冲响应函数，提取以下时域参数： 包络峰值P:
包络宽度tfwhm:
振荡时间ta:
式中a为振荡的最小振幅与包络峰值的比值。
【专利摘要】本发明公开了一种局部放电特高频传感器性能测试装置，包括吉赫兹横电磁波小室、矢量网络分析仪、聚四氟乙烯盖板、数据处理计算机、校验天线和待测特高频传感器，使用矢量网络分析仪同时作为信号输入与输出端，性价比高且实施方便。本发明还提供了利用该测试装置进行的传感器性能测试方法，可以同时给出表征传感器性能的时域参数和频域参数，具有可靠、准确等特点。
【IPC分类】G01R35-00
【公开号】CN104777443
【申请号】CN201510131413
【发明人】陈孝信, 钱勇, 许永鹏, 舒博, 张一鸣, 魏翀, 盛戈皞, 江秀臣
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月25日