gis內(nèi)置圓板傳感器天線頻率響應(yīng)特性分析

gis內(nèi)置圓板傳感器天線頻率響應(yīng)特性分析

1gis局部放電的檢測(cè)方法氣體隔離站（gis）具有與開(kāi)敞站無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視電氣系統(tǒng)。但由于在加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)裝配及長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,GIS內(nèi)部不可避免地會(huì)不同程度地存在各種絕緣缺陷,從而引發(fā)局部放電,進(jìn)而導(dǎo)致絕緣事故。因此,對(duì)GIS進(jìn)行局部放電檢測(cè)有重要意義。GIS局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間僅為ns級(jí)的脈沖電流,典型波形如圖1所示,其等值頻率為GHz數(shù)量級(jí)。提取信號(hào)中的超高頻成分,即UHF法,有利于排除常規(guī)電氣法中難以避開(kāi)的電暈等干擾。UHF法的關(guān)鍵技術(shù)是使用高靈敏度的傳感器,目前,國(guó)外普遍采用將傳感器裝設(shè)在GIS內(nèi)部,傳感器多為電容式探頭,大部分研究者采用電容圓板式傳感器。國(guó)內(nèi)則采用外部天線感應(yīng),與內(nèi)部傳感器相比外部天線感應(yīng)的靈敏度和抗干擾能力較差。本文利用實(shí)驗(yàn)室GIS模擬裝置,設(shè)計(jì)制作了內(nèi)置圓板式傳感器,從超高頻信號(hào)的特點(diǎn)上分析了傳感器的耦合特性及靈敏度,在此基礎(chǔ)上研制出具有更高靈敏度的圓環(huán)式傳感器,并對(duì)GIS模擬裝置內(nèi)金屬突出物缺陷激發(fā)的局部放電脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。2局部放電的歸規(guī)范由于GIS內(nèi)部發(fā)生的局部放電持續(xù)時(shí)間極短,GIS的同軸結(jié)構(gòu)相當(dāng)于是一個(gè)良好的波導(dǎo),脈沖不僅以橫電磁波方式傳播,而且還會(huì)以橫電場(chǎng)波和橫磁場(chǎng)波的方式傳播。為了接收局部放電脈沖激發(fā)的電磁波,用金屬電極構(gòu)成電容耦合。電極置于GIS外殼內(nèi)部,結(jié)構(gòu)如圖2所示,電場(chǎng)E包括以同軸傳輸線形式傳輸?shù)浇饘亳詈想姌O的橫波電場(chǎng)E1及以波導(dǎo)形式傳輸?shù)诫姌O的縱波電場(chǎng)E2。內(nèi)電極也可以看成是一個(gè)接收天線,激發(fā)局部放電的缺陷就是一個(gè)發(fā)射天線。局部放電信號(hào)激發(fā)的電磁波以GIS內(nèi)電極和接地外殼作為邊界條件。在同軸波導(dǎo)內(nèi)由局放脈沖激勵(lì)了一定模式的電磁波以后,波導(dǎo)內(nèi)壁上形成按一定規(guī)律分布的電流,圖3表示了橫電波TE11模和橫磁波TM01模在同軸波導(dǎo)壁上的電流分布,圖3b為波導(dǎo)內(nèi)半徑。安裝內(nèi)置電極檢測(cè)局放信號(hào),需在GIS內(nèi)壁開(kāi)圓孔或縫隙。當(dāng)縫隙切斷電流線時(shí),表面電流的一部分繞過(guò)縫隙繼續(xù)以傳導(dǎo)電流形式流通,另一部分以位移電流的形式通過(guò)縫隙,如圖4所示,這就相當(dāng)于在縫隙兩邊沿之間加了電場(chǎng)波源。由于縫隙上形成的電場(chǎng)分布向空間輻射,根據(jù)天線理論,可以將這一縫隙看成是縫隙天線。內(nèi)置傳感器不僅耦合波導(dǎo)內(nèi)部的電磁波,也會(huì)接收安裝處形成的縫隙天線所激發(fā)的電磁波。3內(nèi)傳感器天線模型的分析與優(yōu)化3.1圓板傳感器結(jié)構(gòu)本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室GIS模擬裝置,設(shè)計(jì)制作了圓板式內(nèi)置傳感器,結(jié)構(gòu)如圖5所示。GIS內(nèi)部的局部放電用UHF法檢測(cè)時(shí),傳感器天線模型分析較電容耦合模型合理,這已為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者所證明。本文建立了圓板式天線計(jì)算模型,并對(duì)模型進(jìn)行理論計(jì)算。該模型由圓板電極和一小段信號(hào)引線組成,這種結(jié)構(gòu)下的傳感器可以看成是一個(gè)圓板天線。天線阻抗Za近似為電容Ca和電阻Ra的串聯(lián),即Za=Ra+jXa;ZL為測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗(包括輸出引線的阻抗),ZL=RL+jXL。Ca和Ra的數(shù)值分別為式中α,β——與電極面積S和電磁波頻率f相關(guān)的參數(shù)在進(jìn)行天線分析時(shí),應(yīng)考慮GIS法蘭形狀,傳感器信號(hào)引線與法蘭側(cè)壁組成的一段長(zhǎng)為Dl的均勻傳輸線(其阻抗?≈200DZ),圖6為等效回路。式中c——光速因此,對(duì)傳感器電極處,信號(hào)輸入U(xiǎn)0與傳感器響應(yīng)輸出U2的傳遞函數(shù)為計(jì)算所得到的傳感器頻率響應(yīng)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比較基本相同。圓板傳感器頻率響應(yīng)在300MHz～3GHz范圍內(nèi)近似為一條上升的直線,即在超高頻段保持線性;信號(hào)源頻率越高,傳感器增益越大,即圓板天線接收信號(hào)的能力越強(qiáng)。3.2圓板天線的頻率響應(yīng)特性研究表明,半徑大小和引線長(zhǎng)度對(duì)圓板天線頻率響應(yīng)有很大影響。當(dāng)半徑不斷增大時(shí),其頻率響應(yīng)曲線的形狀發(fā)生了改變,由一條上升的直線變成了一條有波峰存在、上升直線和下降直線連接而成的曲線,波峰也不斷向較低頻率方向移動(dòng),如圖7所示;在檢測(cè)頻段范圍(目前檢測(cè)頻帶寬度一般低于1GHz)內(nèi),圓板天線增益隨其半徑的增大而增大。因此,圓板半徑越大,接收信號(hào)的能力越強(qiáng)。圖8表明了在圓板半徑一定時(shí)不同引線長(zhǎng)度下的頻率響應(yīng)特性。引線長(zhǎng)度對(duì)圓板天線頻率響應(yīng)有明顯影響,當(dāng)引線不斷增長(zhǎng)時(shí),圓板天線頻率響應(yīng)曲線的形狀發(fā)生了明顯改變,由一條上升的直線變成了一條有波峰和波谷存在的曲線,波峰和波谷不斷向較低頻率方向移動(dòng);在1GHz頻段范圍內(nèi),圓板天線增益隨引線的增長(zhǎng)而上升。另外,從理論分析可知,圓板式傳感器響應(yīng)靈敏度太小,雖然增大圓板直徑可以提高靈敏度,但為了不影響GIS工作電場(chǎng),直徑不能太大,為此,作者設(shè)計(jì)制作了圓環(huán)式內(nèi)置傳感器用于GIS局部放電檢測(cè)(其頻率響應(yīng)特性優(yōu)于內(nèi)置圓板傳感器,限于篇幅,參數(shù)計(jì)算和特性分析略),結(jié)構(gòu)如圖9所示。4局部放能量檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室GIS模擬裝置中,用圓板傳感器和圓環(huán)傳感器進(jìn)行了局部放電脈沖信號(hào)實(shí)測(cè)。GIS模擬裝置內(nèi)充有0.5MPa的SF6與N2混合氣體(體積比VSF6:VN2=4:1),模擬缺陷為固定在GIS內(nèi)導(dǎo)體上的金屬突出物,圓環(huán)傳感器和圓板傳感器軸向?qū)ΨQ于缺陷,試驗(yàn)接線如圖10所示。試驗(yàn)時(shí),從電容分壓器低壓臂取工頻信號(hào),用于判斷局部放電信號(hào)在工頻上相位;傳感器耦合信號(hào)經(jīng)高頻同軸電纜傳輸,不加任何前置放大器,由示波器(WavePro950)直接測(cè)量,分別檢測(cè)局部放電的放電相位和一個(gè)局部放電脈沖信號(hào)的波形,實(shí)測(cè)局部放電信號(hào)如圖11所示。圖11a分別表示圓板和圓環(huán)兩種傳感器檢測(cè)到的局部放電信號(hào)及工頻相位,由圖可見(jiàn),兩種傳感器均能檢測(cè)到出現(xiàn)在工頻電壓幅值處的局放信號(hào),且在相同條件下圓環(huán)傳感器感應(yīng)放電脈沖信號(hào)的靈敏度比圓板傳感器強(qiáng)。圖11b記錄了傳感器對(duì)單個(gè)局部放電脈沖信號(hào)的反映,圓板傳感器可以檢測(cè)到陡度為2ns的局部放電脈沖信號(hào),圓環(huán)傳感器可以檢測(cè)到陡度為1ns的局部放電脈沖信號(hào)。圖11c分別為圓板檢測(cè)系統(tǒng)和圓環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的局放脈沖信號(hào)100次的頻譜平均波形。在沒(méi)有進(jìn)行信號(hào)放大的條件下,由局部放電的頻譜可以看出,1GHz檢測(cè)范圍內(nèi)均存在局部放電信號(hào)能量分布,但其能量主要分布在高頻段(HF)及甚高頻段(VHF),即在頻率為3～300MHz范圍內(nèi)。由圖11b、11c可以得出結(jié)論,圓環(huán)傳感器在超高頻段檢測(cè)到的局放能量比圓板傳感器更強(qiáng),檢測(cè)頻帶更寬。5傳感器優(yōu)化試驗(yàn)(1)根據(jù)天線理論,內(nèi)置傳感器不僅耦合波導(dǎo)內(nèi)部的電磁波,也會(huì)接收安裝處形成的縫隙天線所激發(fā)的電磁波。(2)為了提高檢測(cè)頻帶的響應(yīng)增益,可以增