一種新型便攜式局部放電檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

一種新型便攜式局部放電檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

0局部放電超高頻天線利用氣體隔離裝置（gis）的優(yōu)點(diǎn)，體積小，可靠性高，越來越被廣泛應(yīng)用于電氣系統(tǒng)。然而,當(dāng)GIS發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大發(fā)生巨大經(jīng)濟(jì)損失,且維修時(shí)間長,影響面積大,后果嚴(yán)重。國際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)的調(diào)查表明,GIS發(fā)生故障的主要原因是各種絕緣問題。由于絕緣狀態(tài)信息可由局部放電信號(hào)表征,其中超高頻(UHF)法針對(duì)局部放電在空間激發(fā)的超高頻(0.3~3GHz)電磁波信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào),可避開電力系統(tǒng)及外界的干擾信號(hào)。通過超高頻信號(hào)不僅能檢測(cè)到GIS中是否存在缺陷,而且能判斷出絕緣故障的發(fā)生及嚴(yán)重程度。傳感器分為內(nèi)置傳感器和外置傳感器兩類。內(nèi)置傳感器靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng),但已投運(yùn)的GIS無法安裝內(nèi)置傳感器;外置天線不影響GIS內(nèi)部電場(chǎng)、安裝方便,故外置天線更有利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。常用的局部放電檢測(cè)外置超高頻天線由于其中心頻率較低,不能兼顧帶寬和增益,不利于接受高次模波信息,從而不能全面地反映局部放電情況。鑒于此,本文研制了一種用于GIS局部放電超高頻檢測(cè)的體積小、頻帶寬的類似背腔的TEM喇叭天線。經(jīng)過CST(CSTMICROWAVESTUDIO)仿真和對(duì)實(shí)驗(yàn)室GIS缺陷模擬裝置的實(shí)測(cè)表明,天線高頻性能良好,可用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)及缺陷判定。1達(dá)賴?yán)锏膬?yōu)化1.1基于信號(hào)模型的天線參數(shù)的優(yōu)化喇叭天線可以視為張開的波導(dǎo),且具有較高的定向性?；拘问降臋M向電磁波(TEM)喇叭天線(見圖1)由兩片薄金屬板構(gòu)成,每個(gè)板等為帶有角尖的三角形,兩薄板以一定角度分離;傳輸線和天線在角尖處連接。多年來,TEM喇叭天線已作為高功率超寬帶天線被廣泛用于輻射和接收脈沖信號(hào);通過對(duì)基本結(jié)構(gòu)的修改,其性能已得到了優(yōu)化。例如,通過改變板塊形狀和加載阻抗負(fù)載的形式來對(duì)這些天線設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化(見圖2)。假定一平行波導(dǎo)頭的TEM喇叭,d(y)、d(w)分別為沿y方向變化的平板分離距離和平板寬度,板間的特征阻抗可表示為Z(y)=d(y)w(y)η。(1)Ζ(y)=d(y)w(y)η。(1)可見特征阻抗由開口形狀決定,其中η=μ0/ε0?????√=120πΩ≈377Ωη=μ0/ε0=120πΩ≈377Ω。沿y方向任意點(diǎn)的特征阻抗可表示為:Z(y)=Z0eαy,0≤y≤l;(2)α=1lln(ηZ0)。(3)Ζ(y)=Ζ0eαy,0≤y≤l;(2)α=1lln(ηΖ0)。(3)式中,Z0=50Ω;平板分離距離d(y)=2f(y),可用金屬板沿y方向的結(jié)構(gòu)變化的方程f(y)表示。以基本形式的TEM喇叭匹配50Ω同軸電纜的饋線,則饋源應(yīng)設(shè)在平行波導(dǎo)頭y=0處;若是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的喇叭,其則需要找到該設(shè)計(jì)方案的匹配饋點(diǎn)位置。1.2天線的抗壓強(qiáng)度作為一種特殊的加載形式,有國外學(xué)者對(duì)介質(zhì)填充形式的喇叭特性進(jìn)行了研究。為使導(dǎo)行波的反射最小化,降低天線駐波比,在喇叭轉(zhuǎn)換區(qū)域,即介于平行波導(dǎo)與自由空間口徑間的喇叭段可制成近似指數(shù)率逐漸錐削,同時(shí)也可降低副瓣電平。減小天線的整體尺寸,天線的輻射性能會(huì)受到較大影響,故采用了介質(zhì)加載的形式加以補(bǔ)償,但在縮小喇叭天線體積的同時(shí)也降低了天線效率、增加了天線質(zhì)量。設(shè)加載的材料相對(duì)介電常數(shù)為εr,相對(duì)磁導(dǎo)率為μr,電磁波波速、波長為υ、λ,光速為c,則天線接收的電磁波頻率f為f=vλ=c/εrμr√λ。(4)f=vλ=c/εrμrλ。(4)天線填充介質(zhì)后可接收波長更短的電磁波,當(dāng)λ≤λc(截止波長)時(shí),可通過喇叭傳導(dǎo)。因此介質(zhì)加載的天線可以接收更多高次模波信號(hào),在天線小尺寸的情況下保持接收電磁波信號(hào)有較好的帶寬和增益。1.3微帶天線的振幅電路普通的微帶貼片天線帶寬窄,其貼片與接地面之間的距離遠(yuǎn)小于工作波長,可近似認(rèn)為電磁波的傳播被束縛在貼片與接地面之間。而增大此距離,當(dāng)達(dá)到或者大于半波長時(shí),電磁波便不再局限于介質(zhì)內(nèi),能量從貼片末端輻射和接收,形成準(zhǔn)TEM天線。微帶天線可等效為具有高品質(zhì)因素的并聯(lián)諧振電路,因此要獲得適當(dāng)?shù)膸拰?shí)質(zhì)上是通過設(shè)計(jì)天線的諧振性來達(dá)到的。若天線在諧振頻率上與饋線匹配,ρ為一個(gè)任意指定的駐波比值,則微帶貼片天線駐波比≤ρ的相對(duì)帶寬可表示為Br=ρ?1ρ√Q。(5)Br=ρ-1ρQ。(5)微帶天線的品質(zhì)因素Q降低,可使得儲(chǔ)存在天線結(jié)構(gòu)中的能量更多轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠芰?有效拓寬頻帶。這可以通過增加介質(zhì)基板厚度或者采用異形介質(zhì)基板來實(shí)現(xiàn)。異形基板通常采用階梯形和劈形結(jié)構(gòu),實(shí)際上是通過增加介質(zhì)基板厚度來展寬頻帶,而且在基板薄端饋電,可減小探針長度,減少感應(yīng)電抗對(duì)天線效率的影響。劈形介質(zhì)微帶結(jié)構(gòu)見圖3。劈形介質(zhì)微帶天線的中心頻率為fc=αc2lcosθεr√。(6)fc=αc2lcosθεr。(6)式中,θ=arcsin((h1-h2)/L);α是一個(gè)附帶因子,與輻射邊緣附近產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)。本文天線設(shè)計(jì)中,構(gòu)造了多段不同斜率的立體微帶結(jié)構(gòu)也旨在拓寬頻帶。1.4寬帶和輻射效率比較背腔結(jié)構(gòu)是將天線放在有背襯的空腔內(nèi),與沒有背腔的天線相比在帶寬和輻射效率方面都有更好的性能。背腔加載天線的腔體深度一般取天線工作頻帶中心頻率處波長的1/4,腔體中多填充吸波材料,故會(huì)損失輻射功率,降低增益,且質(zhì)量較大。2由復(fù)合結(jié)構(gòu)的tem喇叭天線特征組成2.1天線的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)天線的整體結(jié)構(gòu)為半封閉式天線。除喇叭開口面外的其他所有面為金屬面,背腔內(nèi)填滿介質(zhì),同軸饋電。由于喇叭部分填充介質(zhì)的介電系數(shù)比立體微帶部分的大,故而可以將其看作一個(gè)介質(zhì)加載背腔TEM喇叭天線,見圖4。綜合超高頻頻段檢測(cè)方法和天線尺寸的要求,本天線喇叭部分的設(shè)計(jì)中心頻率約940MHz。天線的外殼做背腔,腔體的尺寸為:129mm×90mm,腔體深度60mm。鏡像等效后喇叭口徑為w×d=125mm×(2×85)mm。w×d=125mm×(2×85)mm。由于外殼需要是全金屬,所以設(shè)計(jì)上不同于一般的空氣微帶天線。半TEM喇叭加載的材料相對(duì)介電常數(shù)選擇為εr=6~7;立體微帶加載的材料相對(duì)介電常數(shù)選擇為ε′r=2,采用結(jié)合了階梯形和劈形的復(fù)合結(jié)構(gòu),使天線具備多頻特性。在頻率高端,立體微帶與腔體壁形成了準(zhǔn)TEM喇叭形式,仍然能保持較好的輻射特性,故該天線能工作在較寬的頻帶范圍。2.2頻率對(duì)電抗的影響CST仿真結(jié)果顯示,天線中心頻率約為930MHz,與設(shè)計(jì)值稍有偏差。這與仿真模型的理想化和近似化處理以及喇叭的張角變化有關(guān)。當(dāng)加在天線上的頻率約930MHz時(shí),天線達(dá)到近似全波諧振,此時(shí)饋電點(diǎn)的電壓和電流是同相的,饋電點(diǎn)的電抗接近于0,阻抗值為純電阻。駐波比曲線的波動(dòng)可以看作是電抗在感性和容性之間交替變換。頻率較低端不僅輸入電抗值隨頻率的提高正負(fù)變換,而且震蕩幅值也逐漸減小,輸入電阻在頻譜上是震蕩收斂的,阻值逐漸趨近于50Ω;頻率升高到一定范圍內(nèi),輸入阻抗近似為純電阻,天線有理想的駐波比。從圖5可見,在880~980MHz之間駐波比<2:1,其引起的附加損失忽略不計(jì),可認(rèn)為是完全匹配。從圖6可見,存在較明顯的4λ/2諧振,且天線在1.8GHz附近頻率有較好的駐波比。在很多情況下,天線的阻抗值是未知的,但測(cè)得的電壓駐波比可以作為代替,并用VSWR計(jì)算出反射系數(shù)的模。實(shí)測(cè)的駐波比選擇從0.045~3GHz頻率范圍見圖7,測(cè)試的結(jié)果顯示在780~900MHz,1.25~1.65GHz,2.15~2.3GHz等頻段有理想的駐波比,600MHz以下的頻段駐波比較差。其總體反映的低反射頻段和駐波比曲線走勢(shì)與仿真結(jié)果一致。2.3ct仿真遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)增益立體方向圖實(shí)際增益(realizedgain)gre是指計(jì)及理論增益gth及反射功率和饋線損耗在內(nèi)的天線增益,可表示為gre=(1?S211)gth。gre=(1-S112)gth。微波網(wǎng)絡(luò)理論中定義,二端口網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)S11是端口2完全匹配時(shí)端口1的反射系數(shù)(反射波與入射波之比),故單口饋電天線的S11參數(shù)可表示反射損耗。CST仿真遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)增益立體方向圖,如圖8所示。凡場(chǎng)點(diǎn)所在的距離遠(yuǎn)大于天線尺寸和波長時(shí),場(chǎng)波瓣圖的形狀就與距離無關(guān),通常認(rèn)為這類波瓣圖符合遠(yuǎn)場(chǎng)條件。對(duì)1~3GHz輻射方向仿真,隨著頻率的增高,遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射性能增強(qiáng),gre有較顯著的提高。當(dāng)天線輻射電磁波的頻率從1GHz提高到2.5GHz,其gre也從0.316dB增加至5.07dB,頻率增至3GHz時(shí)雖增益雖有所下降,但3.97dB也能滿足接收電磁信號(hào)對(duì)增益的需要。隨著頻率的增高,天線的方向性逐漸變差,后向波瓣畸變。特別的,當(dāng)頻率達(dá)到3GHz時(shí),增益有所下降,主瓣分為兩個(gè)波瓣,這可能是由于在此頻率下天線可以接收和輻射更高次模波。實(shí)測(cè)增益(gmes)如表1所示。圖8為實(shí)測(cè)的方向圖,采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng),即同心圓的距離是以信號(hào)電壓的對(duì)數(shù)值來取定的。這種坐標(biāo)增大了副瓣的顯著度,可很好地體現(xiàn)出天線的全向性。方向圖圖9中,大約在45°和315°處為半功率-3dB點(diǎn),半功率波束寬度(HPBW)為90°,全方向內(nèi)方向性差異<15dB。并且頻率<1GHz時(shí),方向性也隨著工作頻率的提高而逐漸增強(qiáng)。3局部放電輻射測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,在GIS模擬缺陷裝置中充以氣壓為0.3MPa的SF6氣體,用喇叭天線進(jìn)行檢測(cè),局放信號(hào)波形用高速數(shù)字示波器(TektronixOscilloscope7104,帶寬1GHz,最大采樣頻率20GHz,存儲(chǔ)深度48MB)記錄波形,并將Rogowski線圈的電流感應(yīng)信號(hào)作為對(duì)比參考(見圖10)。實(shí)驗(yàn)用針板放電模擬缺陷局部放電,在起始放電電壓下,同時(shí)用5GHz采樣頻率對(duì)Rogowski線圈和喇叭天線的饋線電壓進(jìn)行數(shù)字采集。小型喇叭天線測(cè)得的信號(hào)幅值較小,但是可以檢測(cè)到清晰的局部放電信號(hào),能夠滿足局放檢測(cè)的需要,具有較高靈敏度。人體效應(yīng)可能會(huì)使小天線靈敏度變壞,把人體看成具有反射系數(shù)的半無限大平面反射體,當(dāng)天線上的電流方向平行于人體時(shí),由鏡像效應(yīng)產(chǎn)生相反的電流,使電場(chǎng)減弱,磁場(chǎng)增強(qiáng)。手持使用小型喇叭天線時(shí),應(yīng)注意天線方向,使其E面(TEM喇叭結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)線所在平面,如圖2中y-z平面)盡量垂直于人體。同理,當(dāng)小天線被放置在接地金屬面上或GIS腔體表面上時(shí),也應(yīng)使其E面垂直于金屬面,以獲得最大的信號(hào)幅值。對(duì)模擬缺陷加壓至5kV,同時(shí)用微帶貼片天線(中心頻率390MHz,相對(duì)帶寬25.6%,實(shí)測(cè)最大增益5.38dB)與介質(zhì)填充喇叭天線接收局部放電輻射的電磁信號(hào)。如圖11所示,其中上方波形為微帶天線所測(cè)測(cè)得的信號(hào),信號(hào)最大幅值22mV;下方波形為小型喇叭天線信號(hào),最大幅值31mV。喇叭天線體積較微帶天線小,最大增益不如微帶,但是其帶寬大于微帶天線,接收超高頻信號(hào)更多頻帶的能量,折反射電磁波能量較少,測(cè)得的信號(hào)衰減較快,實(shí)驗(yàn)接收到的UHF信號(hào)幅值也更高。4u3000新型喇叭結(jié)構(gòu)通過對(duì)小型準(zhǔn)TEM喇叭天線進(jìn)行原理分析和CST仿真,測(cè)試分析了該天線的輻射特性。并對(duì)比在實(shí)驗(yàn)室與微帶貼片天線的測(cè)量效