一、GIS局部放电检测为什么需要外置式UHF传感器？
气体绝缘开关设备（GIS）具有结构紧凑、绝缘性能好、运行可靠性高等特点，广泛应用于变电站及各类高压输配电系统。但在长期运行过程中，受绝缘材料老化、金属颗粒、表面缺陷以及制造和装配工艺等因素影响，GIS内部可能产生局部放电（Partial Discharge，PD）。
局部放电虽然通常不会立即造成设备绝缘击穿，但持续发展可能引起绝缘性能下降，严重时甚至导致设备故障。因此，及时发现和监测GIS内部的局部放电信号，是电力设备状态检修和绝缘故障预警的重要环节。
目前，特高频（UHF）检测技术是GIS局部放电监测中常用的方法之一。局部放电发生时，会产生一定频率范围的电磁波信号，通过UHF传感器捕获这些信号，可以对设备内部的放电活动进行检测和分析。
传统GIS局放检测通常采用内置式UHF传感器，将传感器安装在GIS设备内部。这种方式具有较好的信号耦合能力和抗外界干扰性能，但也会增加设备设计、制造和安装成本，并对GIS内部结构及设备紧凑化设计提出要求。
相比之下，外置式UHF局放传感器可以安装在GIS设备外部，通过检测设备内部局部放电产生并从结构缝隙或特定开口泄漏出来的电磁波，实现对GIS内部放电活动的监测。
其中，GIS盆式绝缘子与金属外壳连接处的法兰区域，是研究外置式UHF传感器信号采集的重要位置。
不过，外置式检测也面临两个关键问题：
- GIS内部局部放电产生的电磁波经过结构传播和泄漏后，外部可检测到的信号强度可能较低。
- 外置传感器直接暴露在设备外部环境中，容易受到周围电磁噪声的影响。
因此，如何提高外置式UHF局放传感器的检测灵敏度，同时降低外部噪声干扰，是GIS局部放电在线监测技术需要重点解决的问题。
二、GIS外置式UHF局放传感器的结构与工作原理
1. GIS内部局放电磁波如何向外传播？
GIS内部发生局部放电时，会产生宽频带电磁波。这些电磁波在GIS金属外壳内部传播，并可能通过盆式绝缘子法兰等结构区域向外泄漏。
当UHF传感器安装在GIS外壳外部，并靠近绝缘子法兰位置时，就有机会捕获这些泄漏的电磁波信号。
因此，外置式UHF局放检测并不是直接测量局部放电电流，而是通过接收放电产生的电磁波，实现对GIS内部绝缘状态的间接检测。
传感器的安装位置、天线结构、频率响应以及与GIS法兰之间的耦合方式，都会影响最终的检测效果。
2. 四种典型UHF天线结构
针对GIS外部安装空间和信号接收需求，研究中对四种不同结构的天线进行了测试，包括三种试制天线和一种市售天线。
（1）螺旋天线
螺旋天线采用圆形平面开口结构，属于圆极化天线，具有较宽的频率响应范围。
试验所采用的螺旋天线开口直径为228mm，标称工作频率范围为0.8～2.0GHz。
这种天线可以覆盖较宽的频率范围，但由于其圆形开口面较大，安装时不容易与GIS法兰表面完全贴合。
（2）同轴波导转换器天线
这种天线通过同轴结构向矩形波导激励TE10模式，属于典型的波导转换结构。
试验天线的波导尺寸为54.6mm×109.2mm，长度为90mm，馈电点位于开口面向内45mm的位置。
其特点是具有明显的频率选择性，在约1.2GHz以上频率范围内，天线增益迅速提高。
（3）薄型平面缝隙天线
这种天线采用背腔结构，内部设置平面缝隙，通过缝隙接收电磁波信号。
试验天线的谐振腔尺寸为80mm×150mm，厚度为10mm，缝隙宽度为3mm、长度为110mm。
其结构相对扁平，便于靠近GIS法兰区域安装。
（4）薄型曲面缝隙天线
与平面缝隙天线相比，薄型曲面缝隙天线对开口面进行了曲面设计，使其能够更好地贴合GIS法兰结构。
试验中，该天线谐振腔尺寸为80mm×150mm，中心厚度为10mm，缝隙宽度为3mm，缝隙在平面上的投影长度为150mm。
这种结构能够改善天线与法兰之间的耦合条件，在外置式GIS局放检测中具有较好的应用潜力。
三、UHF局放传感器灵敏度测试：安装距离对检测效果有什么影响？
传感器灵敏度是评价GIS外置式局部放电检测性能的重要指标。
为了比较不同天线的检测能力，试验采用245kV GIS母线作为测试对象，通过信号发生器向GIS内部注入一定频率范围的正弦波信号，再由安装在盆式绝缘子法兰外部的天线接收信号。
测试频率范围为0～2.7GHz，并通过频谱分析仪记录各天线的输出频谱。
为了分析安装位置对检测效果的影响，分别设置三个测试距离：
- 0mm：传感器开口面与GIS法兰表面贴合。
- 10mm：传感器距离法兰表面10mm。
- 300mm：传感器距离法兰表面300mm。
通过比较不同安装距离下的输出频谱，可以分析天线与GIS法兰之间的耦合关系。
试验结果表明，除螺旋天线外，其他几种天线在逐渐远离法兰表面时，整体检测增益呈下降趋势，这种变化在较低频率区域更加明显。
这说明传感器的安装位置对外置式UHF局放检测具有重要影响。
1. 静电耦合对检测灵敏度的影响
外置式UHF传感器接收GIS内部局放信号，主要涉及两种耦合机制：
一是电磁耦合，即传感器接收从GIS内部通过法兰开口等区域泄漏出来的电磁波。
二是静电耦合，即传感器与GIS内部电磁场之间形成电容性耦合，从而获得部分信号响应。
在较低频率区域，静电耦合的影响更加明显。
这也解释了为什么某些天线即使自身自由空间频率响应并不突出，但在紧贴GIS法兰安装时，仍然能够获得较好的检测灵敏度。
因此，评价GIS外置式UHF局放传感器时，不能只看天线本身的增益和频率响应，还需要考虑其实际安装状态以及与GIS金属结构之间的耦合关系。
2. 曲面结构为什么具有优势？
薄型曲面缝隙天线的设计重点，是让天线开口面能够更好地贴合GIS盆式绝缘子法兰端面。
与传统平面天线相比，曲面结构能够改善传感器与安装表面的接触条件，增强静电耦合效果。
测试结果显示，薄型曲面缝隙天线在约0.43GHz处，其相对于内部电极传感器的灵敏度比首次超过1。
在0.4GHz以上的频率范围内，其灵敏度表现整体优于其他试验天线。
这说明天线结构设计与安装适配性，对于外置式UHF局放检测效果具有直接影响。
四、GIS外置式UHF传感器如何降低外部电磁噪声？
在变电站实际运行环境中，GIS周围可能存在多种电磁干扰源，例如开关操作产生的瞬态干扰、邻近电气设备产生的电磁辐射，以及其他高频噪声。
由于外置式传感器安装在GIS金属外壳外部，因此不仅需要接收内部局放信号，还需要尽量避免将外部噪声误认为局放信号。
为研究这一问题，试验通过对数周期天线模拟外部噪声源，并将其设置在距离被测传感器约1m的位置，向传感器附近辐射电磁波。
通过比较不同天线在不同安装距离下的噪声输出，分析其抗干扰能力。
1. 传感器与法兰之间的间隙会影响抗干扰性能
试验发现，螺旋天线与薄型平面缝隙天线对外部噪声的响应存在明显差异。
螺旋天线采用较大的圆形平面开口，即使天线中心区域与法兰接触，其周围部分仍可能与法兰之间存在间隙。
这使外部电磁噪声更容易通过反射和耦合进入天线。
而薄型平面缝隙天线能够让整个开口面更充分地贴合法兰表面，因此在一定程度上降低了外部噪声的影响。
试验还发现，对于薄型平面缝隙天线及其他两种线极化天线，在较高频率区域，传感器与法兰之间保留一定距离时，部分频段的噪声输出反而更高。
这与外部噪声通过GIS金属外壳反射后进入天线的传播机制有关。
因此，外置式UHF传感器的安装设计，不能简单理解为距离越近越好，还需要综合考虑天线结构、频率范围和外部噪声传播路径。
2. 背腔结构对噪声抑制的作用
试验中的几种天线均采用背后共振腔结构。
背腔结构能够改善天线的方向性和电磁场分布，并对来自天线背面的部分干扰信号形成抑制作用。
通过对比不同天线的噪声测试结果可以看出，天线开口面与GIS法兰之间的贴合程度，以及背腔结构的设计，都会影响最终的抗干扰性能。
对于GIS外置式局放传感器而言，合理设计背腔结构、减少安装间隙，是提高信号质量的重要方向。
五、外置式UHF传感器与内置式传感器的性能对比
内置式UHF传感器通常安装在GIS内部，能够直接接收设备内部传播的局放电磁波，因此在信号耦合方面具有一定优势。
外置式UHF传感器则通过接收GIS结构外部泄漏的电磁波，或者利用与GIS结构之间的静电耦合获取信号。
为了更加客观地评价不同传感器的性能，试验将外置式天线与传统内部圆盘电极传感器进行了对比。
1. 灵敏度对比
试验通过对指定频率范围内的输出频谱进行积分，定义相应的灵敏度，并计算外置天线与内部电极传感器之间的灵敏度比。
其中，灵敏度比大于1，表示在该试验定义下，外置天线的积分输出高于内部电极传感器。
研究结果表明：
- 薄型曲面缝隙天线在约0.43GHz处，灵敏度比首次超过1。
- 在0.4GHz以上的频率范围内，薄型曲面缝隙天线整体表现出较高的灵敏度。
- 同轴波导转换器天线在约1.2GHz以上频率区域具有明显优势。
在1.2～2.7GHz范围内，同轴波导转换器天线的灵敏度比高于1。
这表明，不同结构的UHF天线具有不同的频率响应特点，实际选型需要结合GIS设备的电磁波泄漏特性和现场噪声频谱进行判断。
2. 信噪比对比
灵敏度高并不意味着实际检测效果一定好。
如果传感器在接收局放信号的同时，也接收了大量外部噪声，那么最终的信号识别能力仍可能受到影响。
因此，还需要考虑信噪比（SNR）。
试验以内部电极传感器的信噪比为基准，对不同外置天线的相对信噪比进行比较。
结果显示，研究中试制的三种天线，其相对信噪比约为内部电极传感器的0.3～0.4倍。
螺旋天线的相对信噪比则更低。
另外，采用GIS法兰之间电压测量的方法，其相对信噪比约为0.15～0.21倍。
这一结果说明，外置式UHF传感器虽然能够获得较好的局放信号灵敏度，但在复杂电磁环境中，其抗噪声能力与内置式传感器仍存在一定差距。
因此，GIS外置式局放在线监测系统不能只关注传感器的信号接收能力，还需要通过合理的频段选择、信号处理和安装设计，提高有效信号与背景噪声之间的区分能力。
六、GIS外置式UHF局放传感器的选型与安装建议
结合上述试验结果，在实际工程应用中，GIS外置式UHF局放传感器的选型和安装可以重点考虑以下几个方面。
1. 根据GIS结构选择传感器安装位置
优先考虑盆式绝缘子法兰、结构开口等可能存在电磁波泄漏的区域。
安装前应结合GIS设备结构图纸和现场条件，确认传感器是否具备可靠的安装空间，以及是否能够与目标区域形成有效耦合。
2. 关注天线与安装表面的贴合程度
传感器安装间隙会影响信号耦合和噪声响应。
对于采用背腔结构的外置式UHF天线，应尽可能保证设计要求的安装贴合状态，避免因机械间隙、安装倾斜等因素影响检测效果。
3. 根据现场频谱特点选择工作频段
不同结构的天线具有不同的频率响应特征。
如果现场低频段噪声较强，可以考虑具有较明显高频选择性的天线结构；如果需要兼顾较宽频率范围内的局放信号，则需要综合评估天线带宽、灵敏度和噪声水平。
不能仅凭某一个频率点的增益判断传感器整体性能。
4. 重视信号处理与抗干扰设计
实际GIS局放在线监测系统通常需要结合传感器、信号调理电路、采集单元和后台分析软件共同工作。
可以根据现场情况采用频段筛选、背景噪声分析、脉冲特征提取、多传感器数据对比等方法，提高局放信号识别的可靠性。
对于存在较强外部干扰的变电站环境，还应通过现场测试验证监测系统的抗干扰能力。
5. 结合设备类型制定监测方案
GIS外置式UHF局放检测适用于具备相应电磁波泄漏条件的设备结构，但不同GIS型号、绝缘子结构和安装环境之间可能存在差异。
因此，工程应用中应结合设备电压等级、结构特点、历史缺陷和现场噪声情况，制定相应的传感器布置和监测方案。
七、总结：外置式UHF局放检测的发展方向
GIS外置式UHF局部放电检测技术，为GIS绝缘状态监测提供了一种不需要将传感器安装在设备内部的技术思路。
通过对不同天线结构的灵敏度和抗噪声性能进行比较，可以得到以下结论：
- GIS盆式绝缘子法兰区域是外置式UHF局放传感器值得重点研究的安装位置。
- 天线与GIS法兰之间的耦合状态会直接影响信号接收效果，安装间隙需要合理控制。
- 薄型曲面缝隙天线在试验中表现出较好的灵敏度，特别是在0.4GHz以上的频率范围内。
- 同轴波导转换器天线在1.2～2.7GHz频段具有较好的灵敏度表现，适合结合现场噪声情况进行频段选择。
- 外置式UHF传感器仍需重点解决外部电磁噪声干扰问题，不能仅以灵敏度作为评价依据。
随着电力设备状态检修和智能化运维需求不断提高，UHF局放传感器的结构优化、信号采集及智能分析技术将继续发挥重要作用。
珠海华网科技持续开展电力设备局部放电检测与在线监测技术研发，围绕GIS、开关柜、环网柜等设备的局放监测需求，提供特高频、暂态地电压、超声波及脉冲电流等多种检测技术与产品，为电力设备绝缘状态评估和故障预警提供技术支持。
