基于改进型UHF传感器的宽带VFTO测量方法

《Energies》：Broadband VFTO Measurement Method Based on Modified UHF Sensors

　　

气体绝缘开关设备（GIS）中隔离开关操作产生的特快速暂态过电压（VFTO）具有宽频带和陡上升沿，对电网安全稳定运行构成严重威胁。准确测量VFTO是电力设备绝缘保护设计的核心前提。针对现有GIS中广泛安装的超高频（UHF）传感器受内置电感限制而无法完整重构VFTO波形的问题，研究人员提出了一种基于改进型UHF传感器的宽带VFTO测量方法。通过修改UHF传感器结构并构建一个能够输出等效频率从1 kHz到10 MHz的宽带脉冲源，研究人员搭建并测试了基于UHF传感器的VFTO测量系统。结果表明，该测量系统在高频段（100 kHz~1 MHz）表现出优异的响应性能，但在低频段（~1 kHz）响应较差。通过引入基于高速运算放大器的电压跟随器阻抗变换模块，UHF测量系统能够准确重构750 kV GIS隔离开关分合操作过程中的VFTO波形。这种非接触式测量方案为在不改变GIS现有结构的情况下，对在役设备进行现场VFTO检测提供了一条极具前景且可靠的技术路径。

**论文解读：基于改进型UHF传感器的宽带VFTO测量方法**

**研究背景与现存问题**
随着全球电力系统电压等级的持续提升，气体绝缘开关设备（GIS）因其结构紧凑、运行可靠性高、抗外部环境干扰能力强等优势，成为超高压（UHV）变电站的核心设备之一。然而，GIS隔离开关在分合操作过程中，动、静触头间会发生多次击穿放电，从而产生特快速暂态过电压（VFTO）。VFTO波前上升时间通常为几纳秒至几十纳秒，其频谱覆盖从工频到数百兆赫兹的宽频带。VFTO不仅冲击GIS内部绝缘，还通过波的反射和折射对二次系统造成严重电磁干扰，导致误动作甚至损坏，对电网安全稳定运行构成重大风险。因此，准确测量VFTO波形是掌握其暂态特性、开展绝缘保护设计及评估设备运行状态的根本前提。

目前，VFTO测量技术主要分为侵入式和非侵入式两类。代表性侵入式装置包括窗口式VFTO传感器和内置电极式VFTO传感器，测量精度高，但需在设备设计阶段嵌入GIS腔体，无法应用于在役设备，且安装维护成本高、改造困难。非侵入式方案如套管末屏式传感器和基于盆式绝缘子的微分积分式传感器，虽避免了复杂安装和GIS强制性改造，但其电气参数受安装结构影响大，测量带宽无法满足实际工程需求。

另一方面，局部放电（PD）检测是评估GIS绝缘状态的核心技术手段，其中超高频（UHF）检测法因其非接触安装和强抗干扰能力成为工程应用最广泛的技术。UHF传感器本质上是宽带天线，可通过电容耦合捕获GIS内部的瞬态电磁信号，理论上具备测量VFTO的潜力。然而，常规UHF传感器中常并联分立物理谐振电感以抑制工频及低频干扰并实现阻抗匹配，这抬高了传感器低截止频率，使其难以覆盖VFTO信号中的低频分量。现有研究尝试通过调整天线等效电阻或优化贴片结构来扩展低频工作范围，但往往以牺牲高频性能为代价，无法平衡低、高频特性并满足VFTO的宽带测量需求。

**研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员提出了一种基于改进型UHF传感器的宽带VFTO测量方法。该方法通过去除UHF传感器中的内置谐振电感来实现结构改造，并建立基于改进型UHF传感器的VFTO测量系统。随后，构建一个能够输出等效频率从1 kHz到10 MHz的宽带脉冲源，用于测量系统的校准测试。在引入基于高速运算放大器的阻抗变换模块后，在750 kV GIS试验平台上开展了隔离开关分合操作过程中的VFTO现场测量，验证了该测量方法的有效性和工程应用价值。

主要结论如下：
- 常规UHF传感器的并联谐振电感是限制其低频响应的核心因素，去除该电感可消除其对低频信号的抑制效应。
- 校准测试表明，仅结构改造后的UHF传感器能有效测量10 kHz~1 MHz频段内的脉冲信号，但对1 kHz及以下的低频信号响应较差，且测量10 MHz左右高频信号时引入高频振荡。
- 引入基于高速运算放大器的电压跟随器阻抗变换模块后，UHF传感器测量系统的低截止频率大幅降低，同时不显著衰减高频响应，有效测量带宽覆盖1 kHz至10 MHz以上，完全覆盖VFTO信号的主要频谱范围，实现了低、高频性能的协调优化。
- 750 kV GIS试验平台上的现场测量结果表明，该宽带UHF测量方法能准确捕获隔离开关分合操作过程中产生的VFTO暂态波形，波形变化规律与暂态过电压的物理特征一致，验证了方法的准确性与工程适用性。
- 与常规侵入式VFTO测量方案相比，该研究方法采用非接触模式，无需改造GIS原有结构，改造成本低、安装维护方便，适用于在役GIS设备的现场VFTO检测。

该研究发表在《Energies》期刊上。

**主要关键技术方法**
研究人员采用了以下关键方法：（1）结构改造：去除UHF传感器内置并联谐振电感，以消除其对低频信号的抑制；（2）宽带脉冲源构建：利用高压电源、主放电电容、开关、前电阻、尾电阻及辅助电容组成放电回路，通过调节电阻和电容值，产生等效频率为1 kHz、10 kHz、1 MHz和10 MHz的四组脉冲信号，用于传感器校准测试；（3）阻抗变换模块：基于高速运算放大器设计电压跟随器电路，其输入阻抗高达10¹² Ω量级，输出阻抗低至数毫欧，用于扩展低端频率带宽并抑制高频振荡；（4）现场测试系统布局：将改进型UHF传感器安装在750 kV GIS隔离开关手孔处，通过同轴电缆引出信号，经阻抗变换模块处理后由示波器实时显示波形。

**研究结果**
**3. 改进型UHF传感器的宽带校准测试**
**3.1 改进型UHF传感器测试平台搭建**
采用750 kV全尺寸GIS隔离开关构建UHF传感器宽带校准测试实验平台。脉冲源向中心导体输出幅值和上升时间可调的脉冲波形，UHF传感器置于隔离开关金属法兰处，传感器感应板与外壳齐平，通过同轴电缆引出信号，示波器同时记录脉冲波形和传感器测量信号。通过调节脉冲源电路的前电阻、尾电阻和辅助电容，获得四组等效频率分别为1 kHz、10 kHz、1 MHz和10 MHz的脉冲信号进行传感器校准。

**3.2 UHF传感器宽带脉冲信号测试结果**
当等效频率为1 kHz的脉冲波施加于隔离开关中心导体时，UHF传感器在脉冲上升沿响应速度快，波形前端与施加脉冲吻合良好，但尾部等效频率较低，传感器获取波形衰减速率明显加快。对于10 kHz和1 MHz脉冲信号，UHF传感器实现了优异的波形跟踪效果，测量波形在上升沿、衰减过程和振荡特性上均有效还原了原始脉冲信号特征。对于10 MHz脉冲信号，传感器响应速度满足极快上升沿测量需求，但测量波形前端出现明显振荡，而尾部低频波形响应良好。

**3.3 校准测试结果分析与性能优化**
当脉冲波形等效频率为10 kHz时，传感器测量波形与原始信号的前沿时间均接近50 μs，等效电压分压比约22666；当等效频率为1 MHz时，前沿时间接近1 μs，后续振荡波频率约500 kHz，等效分压比约21000，整体分压比在20000左右，可用于测量MV级VFTO波形。对于10 MHz脉冲，分压比仍约20000，但引入的高频振荡可通过在传感器后端串联阻尼电阻匹配加以抑制。对于1 kHz及以下低频信号，传感器衰减过快，原因是等效电容过小导致时间常数过小、低截止频率过高。因此，在后端引入阻抗变换模块（电压跟随器电路）以增大输入阻抗、扩展低频测量带宽，并通过阻尼匹配抑制高频振荡。

**4. 750 kV隔离开关分合操作VFTO测量**
**4.1 现场测试系统与传感器布局**
UHF传感器安装在750 kV变电站隔离开关手孔处，现场测试系统由高压母线、外壳、手孔、感应电极、绝缘薄膜、同轴电缆、示波器、阻抗变换模块和移动电源组成。传感器感应电压信号经同轴电缆引出，传输至阻抗变换模块处理后由示波器实时显示波形。工频电压幅值为612 kV。

**4.2 UHF传感器测量结果**
隔离开关分闸操作过程中发生多次燃弧，每次燃弧后断口间母线残留电压，使得下一次燃弧时刻的电压差等于电源电压与残余电压之差。随着触头运动，间隙距离增大，击穿所需电压差升高，因此击穿频率逐渐降低，而击穿过电压持续升高。分闸过程中，断口两侧在击穿瞬间电气连通，母线电压等于击穿时刻电源侧电压，随后开关分开，母线保持该直流残余电压，直至开关对侧电压正弦变化形成足以击穿现有间隙的电压差ΔU，母线电压再次保持该时刻工频电压值，因此电源侧隔离开关电压波形在分闸操作中呈现阶梯上升趋势。

合闸操作过程中，传感器位于电源侧隔离开关与断路器之间。合闸时断路器先闭合，隔离开关后闭合，因此在两次击穿之间，隔离开关与断路器之间的母线处于悬浮电位，累积电荷无法消散，直流残余电压导致合闸过程中电压呈现阶梯变化。此外，合闸过程中动、静触头间隙逐渐缩小，击穿所需能量不断降低，故击穿电压随击穿次数增加而下降，叠加在工频电压上的脉冲信号幅值也逐渐减小。合闸操作完全完成后，母线电压变为电源侧工频正弦波。测量结果验证了改进型UHF传感器用于VFTO测量的有效性。

**4.3 与现有先进VFTO测量技术的对比讨论**
- **带宽性能**：传统内置电极式和窗口式VFTO传感器受内部GIS寄生电容限制，实际有效可测频段仅局限在数十kHz~5 MHz；常规外置积分-微分探头仅在数百kHz以上保持稳定响应，对10 kHz以下低频VFTO分量衰减严重。本研究的优化UHF传感器去除内置谐振电感并集成高速运放阻抗变换电路，实现了从工频及以下至数十甚至数百MHz频段的精确响应，完全覆盖750 kV隔离开关操作产生的VFTO全频谱。
- **测量精度**：内置传感器长期运行后电容参数漂移，测量误差可达8%~10%；无源外置探头在高频振荡记录时产生波形畸变，相对误差超过6%。校准测试表明，本传感器在全频段内相对误差控制在3%以内，对含尖峰的阶梯状VFTO波形的幅值和相位恢复与理论计算结果吻合良好。
- **现场实施便利性**：内置测量装置安装或维护需GIS停电、拆解罐体并重新充注SF₆气体，成本高且停电时间长；传统外置探头需固定安装在套管或盆式绝缘子上，对GIS设备现场安装布局有要求。本传感器采用非接触安装方式，置于GIS观察窗内，无需改造原设备，现场部署仅需5~10分钟，对在役GIS安全运行无影响，在工程通用性和便利性方面优势突出。

**讨论与结论**
讨论部分总结了与现有VFTO测量技术的对比，指出本方法在宽带响应、稳定测量精度和低损伤快速现场安装方面实现了均衡优势，有效解决了现有单一类型传感器无法同时满足全频谱采集和便捷带电测试的瓶颈。

**研究结论翻译**：
本文针对传统UHF传感器低频响应受限、无法满足VFTO宽带测量需求的问题，提出了一种结合结构改造与阻抗变换的宽带VFTO测量方法。与现有研究中报道的主流内置式和外置式VFTO测量装置不同，本传感器同时兼顾了宽带性能与非接触测量优势。通过实验室校准测试和现场实验得出以下主要结论：
（1）常规UHF传感器的并联谐振电感是限制其低频响应的核心因素，去除谐振电感消除了电感对低频信号的抑制效应。UHF传感器测量系统的校准测试结果表明，结构改造后的UHF传感器能有效测量10 kHz至1 MHz频段内的脉冲信号，但对1 kHz及以下的低频信号响应较差，且在测量10 MHz左右高频信号时引入高频干扰。
（2）引入基于高速运算放大器的电压跟随器阻抗变换模块后，UHF传感器测量系统的低截止频率大幅降低，同时不显著衰减系统高频响应，有效测量带宽覆盖1 kHz至10 MHz以上，完全涵盖VFTO信号的主要频谱范围，实现了低频与高频性能的协调优化。
（3）在750 kV GIS试验平台上获得的现场测量结果表明，该宽带UHF测量方法能准确捕获隔离开关分合操作过程中产生的VFTO暂态波形，波形变化规律与暂态过电压的物理特征一致，验证了该方法的准确性和工程适用性。
（4）与常规侵入式VFTO测量方案相比，本研究方法采用非接触模式，无需改造GIS设备原有结构，改造成本低、安装维护方便，适用于在役GIS设备的现场VFTO检测。后续研究将进一步优化传感器天线结构与阻抗变换电路之间的参数匹配，扩展测量系统的频带极限，同时改进现场环境下的抗干扰措施和精度校准方法，以推动该技术的工程实用化。本研究提出的测试方案克服了传统VFTO传感器的各自技术瓶颈，为运行中GIS设备的现场VFTO检测提供了一条可靠的测试路径。