图1 局部放电装置抗电磁干扰性能评估研究思路
Fig.1 Study on the evaluation of anti-electromagnetic interference performance of PD
摘要 变电站电磁干扰的存在严重影响现场局部放电检测的灵敏度与缺陷诊断的准确性，是局部放电状态检测的关键技术瓶颈之一。该文研究了干扰的来源及对于局部放电检测的影响，积累了较为完善的局部放电样本数据库。在此基础上提出高性能任意波形发生器还原典型局部放电的方案，建立通过干扰实景模拟的方式对局部放电特高频检测装置抗电磁干扰能力量化评估的平台，首次提出基于信噪比的原则对特高频检测装置抗电磁干扰能力量化评估的方法。该文提出的评价方法对于填补局部放电检测装置抗干扰性能量化评价的空白，完善局部放电状态检测技术标准具有工程实用价值。
关键词：局部放电 特高频 抗干扰 聚类分析
局部放电特高频（Ultra High Frequency, UHF）检测已经成为气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）、变压器、电缆等高压电力设备绝缘状态检测的一项关键技术[1]，尤其对突发性故障的早期发现比色谱及气体分析等方法有效得多。运行经验表明，现场局部放电（Partial Discharge, PD）检测的误报、漏报问题十分严重。变电站电磁干扰的存在严重影响现场局部放电检测的灵敏度与缺陷诊断的准确性，是局部放电状态检测的关键技术瓶颈之一。建立对局部放电检测装置抗电磁干扰能力科学的检验和考核方法，对于提升高电压电力设备的状态检测和运维水平至关重要[2-7]。
电网企业为了推动电力设备局部放电状态检测技术的发展，制定了一系列的标准和规范[8-13]。这些标准包括通用技术要求和专项要求两大部分。通用技术规范规定了包括带电检测和在线监测设备在环境适应性、电磁兼容性能等方面的一般性要求，这是保证设备能够在变电站环境下正常工作的基本条件；专项规范则规定了局部放电检测装置专有检测性能的要求和检验方法，如传感器耦合性能、检测系统灵敏度和动态范围、缺陷模式识别准确性等。其中，传感器耦合特性、系统灵敏度、动态范围反映了局部放电检测装置的核心硬件性能，是确保装置能够有效探测微弱放电和正确反映放电强度的关键指标；模式识别则表征了仪器对放电缺陷的诊断能力。然而，由于变电站现场电磁干扰的复杂性，特别是对局部放电检测中存在的电磁干扰特性缺乏系统的研究，导致现有标准对局部放电检测装置抗电磁干扰能力缺乏有效的考核办法，该领域的研究基本处于空白状态。局部放电装置抗电磁干扰性能评估研究思路如图1所示。
目前，业界已经针对变电站内电磁干扰展开了研究，对电磁干扰的来源、时频特征及其影响因素做了统计分析，分析表明，电压等级、地理位置、气象条件和环境都是电磁干扰类别及强度的影响因素，干扰也分为通信干扰和放电类干扰两类，干扰源来自通信基站、站内套管、绝缘子等设备[14]。
图1 局部放电装置抗电磁干扰性能评估研究思路
Fig.1 Study on the evaluation of anti-electromagnetic interference performance of PD
干扰数据库的建立经过了一个长期的积累过程，并且随着项目的进行将不断更新。湖南省电力公司《变电站设备带电局放与X射线检测技术应用深化研究》项目以及浙江电科院《局放装置电磁干扰研究及在线监测系统校核装置设计研究》项目都对变电站特高频电磁干扰做了深入研究，变电站的电磁干扰信号是不断变化的，特别是各种新型电力电子设备的投入使用都会产生干扰，本文结合前期研究积累建立了比较完备的特高频电磁干扰库。
1）通信干扰
通信信号在各变电站中是普遍存在的，站内安装的特高频局部放电监测设备对通信干扰的抑制效果较好，通信干扰往往不会引起设备报警。从通信信号频谱分布上来看，通信信号的主要频带分布在0.8～1GHz以及1.8～2GHz之间。图2给出了各变电站通信信号频带分布。
2）放电类干扰信号
通过现场测试、定位以及对信号的特征分析，放电类干扰主要有以下几种类型：沿面放电类干扰、悬浮放电类干扰、电晕放电类干扰和照明电源类干扰（钠灯）等。
对于空气中的放电类干扰来说，其频谱一般在300～900MHz范围内，偶尔能测试到1GHz以上的信号，低于设备内部放电信号的频率上限。从现场检测的结果分析，放电源离检测设备越远，幅值越小，信号的上升沿越大，甚至可达到ms级。几种典型的放电类干扰的时域特征见表1。
图2 各变电站通信信号频带分布
Fig.2 Frequency distribution of communication signals in each substation
表1 几种典型的放电类干扰的时域特征
Tab.1 Time domain characteristics of several typical pulseinterference signals
干扰放电类型脉冲持续时间/ns上升沿/ns下降沿/ns半波宽度/ns 沿面112～2301～613～1304～219 悬浮56～20010～5930～17512～37 电晕98～2505～5063～19437～108 照明电源110～2203～8534～10517～76 电力电子器件80～4 01032～2 08046～1 30041～1 500
窄带通信干扰属于功率信号，单从幅度上而言对局部放电的检测影响较大，但因其能量集中在中心频率的窄带范围内，而局部放电属于宽频的能量信号，因此除了常规的屏蔽措施外，检测时通过硬件的滤波或选频测量即可有效地降低或消除其干扰的影响。
规则类或随机脉冲类干扰信号与局部放电信号在频域上相似，除了屏蔽之外，难以通过常规的滤波措施消除其影响。考虑到时域上局部放电信号具有典型的相位统计规律，通过相位统计特征可降低此类干扰的影响。
放电类干扰与被测设备局部放电信号属于“同根同源”，均为宽带能量信号，同样除了屏蔽之外，常规滤波措施对其无效。对于多种放电类干扰叠加的情况，因放电信号的来源、传播路径不同而造成的时域波形和频谱差异，可通过聚类分离方法降低其影响。
天线（UHF传感器）是收发电磁波信号的核心元件，其接收特性将直接决定局部放电UHF信号的检测和解析。考虑到单极探针结构简单且具有频率无关性，这里以单极探针为例说明天线接收电磁波信号的原理。
在频域范围内，接收天线的等效电路如图3所示。天线被等效成有内阻抗
的源，感应电动势
为传感器的开路电压，
为端接负载，则接收天线的感应电动势为
（1）式中，
为从
方向投射来的平面波；
为天线的实效高度，是一个等效元天线的长度；
为用最大辐射方向的场值归一化的天线方向。
图3 接收天线等效电路
Fig.3 Receive antenna equivalent circuit
根据互易定理，在作为发射天线时，此等效元天线上电流按实际天线输入端电流
均匀分布，并且在远区最大辐射方向上能产生与等效元天线相等的电场；设长度为短偶极天线在整个收电磁波频谱内满足
，则线上电流可表示为
（2）式中，
为天线输入端电流。
以开路电压作为系统对入射场的响应，系统的传递函数
为
（3）式中，
为对
求导；
为自由空间的电磁波速。当满足时，
。可见，系统传递函数具有频率无关性，满足不失真传递条件。当开路电压
时，逆变换得到系统时域响应为
（4）采用开路电压可以不失真地测得入射场波形。此时，单极探针的输入阻抗近似为
（5）
式中，电容
，
为单极探针直径（mm）。由式（5）可知，为很大的阻抗。因此，当端接负载为电容
时，负载上的电压为
（6） 此时，
将基本上重现入射场波形。根据天线的互易定理，同一副天线既可作为接收天线也可作为发射天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，即传递函数是不变的。实验中，假设采集信号和发射信号的方向角固定不变，则传感器的传递函数是一个常值，忽略误差，设实验中采用的特高频传感器传递函数均为
，信号重构过程如图4所示。
图4 信号重构过程
Fig.4 Signal reconstruction process
图4中，特高频传感器UHF作为发射天线，将产生电场强度为
的电磁场。局部放电源产生的电磁场为
，为用于采集数据的特高频传感器的传递函数，
为存入示波器的局部放电电压波形，局部放电电压波形经过任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator, AWG）重新输出，输出波形为
，通过特高频传感器辐射出去，产生的电磁场为。假设同一类型特高频传感器UHF1和UHF2的传递函数相等，则与的关系为
（7）信号发生器输出信号波形与传感器输出电磁场的关系为
（8）
由于信号发生器的波形重构功能，使其可以输出同输入电压波形相同的波形，即
，则有
（9）即平台将基本重现采集到的局部放电信号。
根据现场电磁干扰信号的实测，结合局部放电监测装置的工作特点和易受影响侧程度，将电磁干扰划分为四种类型：窄带通信干扰、规则脉冲与随机脉冲干扰、单一放电类脉冲干扰和多类型混叠干扰。这四种干扰可以覆盖现场检测中可能发生的全部典型类型。
考虑到UHF频段的电磁干扰信号均通过辐射方式作用到传感器上，而不同干扰源传播到传感器的位置、方向和路径不尽相同。因此，采用GIS实体模型用来模拟现场设备环境，电磁干扰信号模拟时采用多个辐射源在不同位置布置。图5为GIS局部放电检测设备抗电磁干扰性能的标准化模拟测试平台。其核心包括计算机、信号发生器、功率放大器、GIS实体模型、发射传感器5、6和接收传感器7。
图5 GIS局部放电UHF带电检测抗电磁干扰性能标准化考核评价平台
1—计算机 2—信号发生器 3—功率放大器 4—待测局部放电检测仪 5—噪声传感器 6—内置UHF传感器 7—单极探针 8—GIS实体模型
Fig.5 GIS local discharge UHF live detection anti-electromagnetic interference performance standardization evaluation platform
信号发生器的设计基于泰克的任意波形发生器AWG70002A，软件平台基于Labview开发。真实的局部放电环境中，局部放电脉冲信号的幅值和时间间隔都是变化的，因此，需要大量的局部放电数据作为支撑，来还原真实的局部放电信号。AWG70002A任意波形发生器采样率高达16GSa/s，存储深度2G，带宽达到10GHz。存储深度越高，可保存的波形样本点就越多，带宽越高，输出信号频谱也就越完整。采用高性能任意波形发生器可保证输出的信号与原始局部放电信号具有较小的差异。
计算机作为控制主机，通过网络串口与任意波形发生器建立通信，在计算机中存储有各类典型电磁干扰数据，通过计算机控制数据导入任意波形发生器。通过上位机软件控制信号的选择与输出功能。
信号输出模式如图6所示。样本库保存的电磁干扰信号以TXT格式为例，第一列为时间信息，第二列为幅值信息，根据采样时的设置，保存的一个文档中分为5 000段，每一段数据的采样点固定。5 000段波形之间的时间间隔Dt是不同的，即时序是不同的，但是在工频电压作用下的特高频局部放电信号时序具有典型的相位特征。为了保留局部放电信号的工频相位特征，将5 000段波形分别放在任意波形发生器序列模式下的各子序列中，通过程序提取局部放电信号的时间序列，调制的方波信号将按照一定的时间顺序触发各序列段波形的输出，实现了输出局部放电信号具有工频相位特征，便可用于局部放电特高频检测系统的放电模式识别校验。
图6 信号输出模式
Fig.6 Signal output mode
信号发生器包含1路窄带通信模拟通道和3路脉冲放电/干扰模拟通道。对于放电/脉冲类干扰，控制系统可根据用户菜单选择，同时加载放电/干扰库中的三种数据样本文件下发到任意波形发生器进行脉冲类信号的重构。此外，还可通过外接功率放大器或移动发射天线的位置来扩大信号强度调节范围。控制系统脉冲发生软件界面如图7所示。
图7 控制系统脉冲发生软件界面
Fig.7 Control system pulse generation software interface
局部放电检测装置抗干扰性能考核，是建立在装置的灵敏度、动态范围等基本性能合格的基础上的高级功能考核。从定量的角度而言，无论放电信号还是干扰信号，其强度如果在检测系统动态范围以内，能否有效提取放电信号的关键在于信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）高低。本文针对局部放电检测中可能会出现的上述四种典型干扰情况，基于信噪比原则构建了三种考核等级，这三种等级的划分是根据实际变电站检测可能出现的情况来划分的，之前未有相关的评测标准，具体分级标准如下：
Ⅰ级：
，表征的是局部放电信号略高于干扰信号水平，可通过调节阈值提取有用信号，但通过提高阈值将造成局部放电信号图谱失真的典型情况。
Ⅱ级：
，表征的是局部放电信号与干扰信号水平相当，难以直接通过阈值设置提取有用信号的典型情况。
Ⅲ级：
，表征了局部放电信号从幅度上被干扰信号完全淹没，不采用针对性的抗干扰措施根本无法正常实施检测的典型情况。
以现场实测各类电磁干扰信号的峰值强度Vp作为基准，根据上述信噪比级别，分别调节模拟信号发生装置各通道的输出水平，基于参考单极探针接收相应信号，通过示波器观测信号幅值，可以计算得到被测位置的电场强度。同一位置理论电场强度不变，将单极探针更换为待测传感器，即可实现对待测传感器的输入信号进行量化。考虑工程因素误差控制在±10%以内，局部放电检测装置抗电磁干扰能力量化分级见表2。
表2 局部放电检测装置抗电磁干扰能力量化分级
Tab.2 Quantitative classification of PD immunity
类型等级局部放电信号干扰信号信噪比 四类ⅠVp±10%0.5Vp±10%10.5 ⅡVp±10%Vp±10%11 ⅢVp±10%2Vp±10%12
对于任何一种干扰类型，以被检测装置能否通过滤波等各类技术手段实现电磁干扰信号的抑制，或从脉冲干扰信号中有效分离出待检测设备内部放电信号，作为判别其是否合格的依据[15-20]。此外，考虑到现场检测信噪比（1
2）远非电磁干扰的极限，且具体情况差异极大，为进一步量化评价检测装置抗干扰性能的优劣，提出了在上述三个等级的基础上评分的模型。
（10）式中，Score为被测装置抗干扰能力的评分；SNR为设备内部局部放电信号幅值与干扰信号幅值之比；k为拟合的修正因子。
该模型构造的基本原则是：当被测装置恰好通过Ⅰ级干扰条件的考核时（即SNR=2），其抗干扰性能得分为60分；被测装置所能通过的信噪比（SNR）条件越低，其得分越高，满分为100分。由此计算得到k=0.255。
根据该原则，当被测装置满足SNR=1条件下的抗干扰测试时，得分为77分；当SNR=0.5时，得分为88分；当信噪比趋近于0时，被测装置得分趋近于100分；当被测装置可通过滤波等技术手段，完全抑制窄带通信干扰或规则脉冲与随机脉冲干扰时，评分为100分。通过这种方式，不仅实现了对被测装置的量化分级，而且可以给出各种信噪比情况下的量化评分，从而对于被测设备给出更为准确的评价。
以某厂家特高频局部放电检测仪作为被测对象，采用该平台进行了测试验证。整个测试流程如下：
（1）按图5进行系统接线，将模拟局部放电信号发生器的输出通道1作为放电信号接至6位置内置UHF传感器上；通道2作为干扰信号接至高压套管接线端；通道3作为干扰信号接至向空间发射的7位置噪声传感器；通道4可根据测试需要作为窄带通信干扰或规则脉冲与随机脉冲干扰，输出接至向空间发射的7位置噪声传感器。
（2）图5中5位置放置参考单极探针，分别接至示波器的CH1、CH2、CH3测量通道，测量此时的环境背景噪声，如有明显干扰信号，应当采取屏蔽措施，确保检测环境中的信号不会对检测造成影响。
（3）通过软件控制模拟信号发生器发出信号，通过示波器进行测量，确保图5中5测点的信号在单极探针的检测灵敏度范围内。按表3中的设定条件调节输出通道的输出强度，按照四种典型干扰类型，分别控制局部放电类信号和干扰类信号单独发射，记录模拟信号发生器输出数值，记录5测点单极探针经示波器余辉模式采集到的峰值Vp。
（4）将单极探针替换为待测局部放电检测装置的传感器，按照四种典型干扰类型，控制模拟信号发生器同时发出两或三种信号。依据步骤（3）的结果，调节输出信号的大小，控制信噪比。观测局部放电仪的检测结果，如果局部放电仪能够正确提取出局部放电信号，可进一步增大干扰信号输出的强度，直到局部放电检测装置无法正确提取局部放电信号为止，记录局部放电检测装置最终可识别信噪比。
根据最终可识别信噪比计算被检测装置的抗干扰性能评分；改变模拟干扰信号通道信号的输出模式，得到不同干扰情况下的分项评分，加和取平均值得出该装置的平均分值并得出评价等级。被测局部放电检测仪抗电磁干扰性能评价结果见表3。
表3 局部放电检测仪抗电磁干扰性能评价结果
Tab.3 Evaluation results of anti-electromagnetic interference performance of PD detector
典型干扰类型模拟类型最终检测信噪比各项得分平均得分评价等级 窄带通信干扰放电类：通信干扰通信干扰完全抑制10086.5Ⅲ 规则脉冲与随机脉冲干扰放电类：规则脉冲1277 单一放电类脉冲干扰放电类：放电类1392 多类型混叠干扰放电类：放电类：通信干扰脉冲类或规则脉冲类12277
实测结果表明，该局部放电检测装置平均得分为86.5分，评价等级为Ⅲ级，对干扰的分离提取能力较强，能够满足实际现场测量的需要。
本文研究了干扰的来源及对于局部放电检测的影响，积累了较为完善的局部放电样本数据库。在此基础上提出了高性能任意波形发生器还原典型局部放电的方案。建立了通过干扰实景模拟的方式对局部放电特高频检测装置抗电磁干扰能力量化评估的平台。首次提出基于信噪比的原则对特高频检测装置抗电磁干扰能力量化评估的方法。经过实际测试，初步验证了该平台对局部放电特高频检测装置抗电磁干扰性能进行评估的可行性与应用效果。本文提出的评价方法对于填补局部放电检测装置抗干扰性能量化评价的空白，完善局部放电状态检测技术标准具有工程实用价值。
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Research on Quantitative Evaluation on Anti-Electromagnetic Interference Capability of Ultra High Frequency Partial Discharge Detection Instrument
Abstract The existence of electromagnetic interference in substations seriously affects the sensitivity of on-site partial discharge detection and the accuracy of defect diagnosis. It is one of the key technical bottlenecks for partial discharge state detection. In this paper, the source of interference and its influence on partial discharge detection are studied, and a relatively complete database of partial discharge samples is accumulated. Based on this, a high performance arbitrary waveform generator is proposed to restore the typical partial discharge. A platform of quantitative evaluation for the anti-electromagnetic interference capability of the partial discharge UHF detection device is established by means of interference real-time simulation. Based on the principle of signal-to-noise ratio, a method for quantitative evaluation of the anti-electromagnetic interference capability of UHF detection devices is proposed for the first time. The evaluation method proposed in this paper has a practical value for improving the quantitative evaluation of the anti-interference performance of the partial discharge detection device and perfecting the partial discharge state detection technology standard.
keywords：Partial discharge, ultra high frequency, anti-interference, cluster analysis
中图分类号：TM930.1
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190502
邹 阳 男，1987年生，博士，高级工程师，研究方向为断路器、组合电器。E-mail: zouyang-1987@163.com
唐志国 男，1977年生，博士，副教授，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断。E-mail: tangzhyguo@163.com（通信作者）
收稿日期 2019-04-29
改稿日期 2019-09-19
国家电网公司总部科技资助项目，局部放电带电检测仪器功能检验对比方法研究与应用（52182018000K）。
（编辑 陈 诚）