GIS 局部放電檢測的有源外置UHF 傳感器設(shè)計*

申 晨，汪 沨，何榮濤

0 引 言

氣體絕緣開關(guān)裝置［1］(gas insulated switchgear，GIS)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造質(zhì)量要求高，雖然其較少發(fā)生故障，但是故障一旦發(fā)生，檢修工作繁雜，檢修時間長，停電影響范圍大［2，3］。研究表明，局部放電是引起高壓GIS 絕緣事故的主要誘因［4，5］，因此，局部放電在線監(jiān)測是GIS 狀態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容，對GIS 的安全穩(wěn)定運行具有重要意義［6，7］。

現(xiàn)有的GIS 局部放電傳感器有以下幾個缺點:1)內(nèi)置傳感器雖然噪聲較低，但是因為改變了GIS 的結(jié)構(gòu)而對運行安全產(chǎn)生影響，且不利于推廣使用［8］;2)外置傳感器接收到的信號弱，噪聲大［8］;3)傳感器體積大，不利于安裝。

近年來，隨著微波集成電路和空間功率合成技術(shù)的日益成熟，有源集成天線因其頻帶寬、增益大、噪聲小的特點引起了廣泛的關(guān)注［7～12］。

本文針對GIS 局部放電監(jiān)測，對有源集成天線技術(shù)進行了研究，設(shè)計了外置有源傳感器。本文設(shè)計主要具有以下4 個優(yōu)點:1)有利于減小傳感器尺寸，便于現(xiàn)場安裝;2)通過有源放大，達到高增益、寬頻帶的要求;3)降低傳感器系統(tǒng)整體噪聲，其靈敏度高;4)改善平衡天線與不平衡饋線連接的平衡性，匹配損耗小。

1 天線與有源電路設(shè)計

有源集成天線(AIA)是將射頻前端的輻射單元和有源電路集成在同一介質(zhì)板上，使輻射單元和有源電路成為一個整體安裝在屏蔽罩內(nèi)，從而避免平衡電線的平衡和不平衡轉(zhuǎn)換帶來的匹配損耗。其次，由于局部放電信號為振蕩衰減信號，其包絡(luò)信號蘊含判斷局部放電的主要信息，類似調(diào)制(AM)，通過傳輸線傳輸RF 信號的衰減遠大于傳輸IF信號的衰減。另外，在天線附近進行信號放大，有利于提高信噪比，降低在傳輸線引入噪聲的不利影響。

1.1 天線的設(shè)計

局部放電激發(fā)的電磁波頻帶較寬，通常認為在300 MHz ～1.5 GHz，為了消除工業(yè)環(huán)境中電暈放電等較低頻干擾(300 MHz 以下)，選擇通帶頻率為400 MHz 以上的寬帶天線作為設(shè)計目標。同時，考慮到現(xiàn)場實際情況，GIS的盤式絕緣子寬度在20 cm 以內(nèi)，因此，天線寬度須小于20 cm。本設(shè)計選用帶寬較寬的蝶形平面天線，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 蝶形天線結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of bowtie antenna

借助三維電磁仿真軟件HFSS 15 對天線進行建模和仿真優(yōu)化，以確定天線尺寸的最優(yōu)參數(shù)。選擇襯底材料是FR4 介質(zhì)板，介電常數(shù)為4.4，長為140 mm，寬為70 mm，厚h 為1.6 mm。

對天線的長度L 和寬度w 進行參數(shù)掃描分析。圖2(a)是不同長度對應(yīng)的VSWR 曲線，由曲線可以看出:天線臂長對其最低頻率影響較大。

圖2 天線長度和寬度對駐波比的影響Fig 2 Influence of length and width of antenna on VSWR

圖2 是不同寬度對應(yīng)的VSWR 曲線，寬度越大則天線最低頻率越低、曲線起伏越平緩，但是天線太寬將導(dǎo)致傳感器體積過大，不利于安裝使用。在實際應(yīng)用中，應(yīng)考慮安裝要求等實際情況進行天線的設(shè)計。

1.2 對數(shù)檢波有源電路設(shè)計

天線獲得的局部放電產(chǎn)生的電磁波信號頻率高達上GHz［8～11］，若直接采集，則后續(xù)電路研發(fā)成本高、數(shù)據(jù)量大，不適合實時監(jiān)測。而反映局部放電能量的包絡(luò)信號頻率僅為2 ～10 MHz，因此，通過檢波取信號包絡(luò)可保留局部放電判斷需要的相位和幅值信息的同時降低模擬信號頻率。

本設(shè)計使用ADI 公司的均值響應(yīng)(RrueRms)功率檢波器，內(nèi)置包絡(luò)檢波器，可以精確地測量調(diào)制信號的波峰因數(shù)(CF)。功率檢波器使用多個相同的線性放大器級聯(lián)來分段線性逼近對數(shù)函數(shù)，其核心是8 級梯級鏈，每級放大器有8 dB 的增益和3.5 GHz 的3 dB 帶寬。

信號沿著信號鏈進行，當行至某些放大器時，信號變得過大以至于發(fā)生飽和，這些放大器的輸出為其飽和電壓。每級限幅放大器的輸出經(jīng)各級檢波器檢波后由加法器相加，再經(jīng)低通濾波器濾波，最后以對數(shù)形式進行輸出。

如圖3 所示，蝶形天線接收到的局部放電信號直接饋入檢波器，數(shù)據(jù)信號頻率為輸入信號的信號頻率，約為2 ～10 MHz，包絡(luò)信號經(jīng)由超高速脈沖放大器緩沖輸出，加強信號在容性負載上的傳輸能力。

圖3 有源電路圖Fig 3 Diagram of active circuit

2 傳感器的設(shè)計與制作

為安裝便捷，要求局部放電檢測用的傳感器長度L 小于15 cm，寬度w 小于8 cm。以蝶形天線長度L 與寬度w 為參數(shù)，以中心頻率為900 MHz，駐波比小于2 為目標，對蝶形天線進行優(yōu)化分析(Optimetrics)，最后得到天線L 為11 cm，w 為6 cm，w0為0.21 cm。

通過仿真結(jié)果(圖4(a))可以看出:所設(shè)計天線中心頻率為900 MHz，駐波比小于2 的頻率范圍為730 MHz ～1.05 GHz。

天線增益表示用該天線代替各向同性輻射器時，在給定方向上輻射功率增加的最大倍數(shù)。仿真得到的內(nèi)置蝶形天線三維增益方向圖如圖4(b)所示。

從圖中可以觀察到天線的最大增益為4.43 dB，在整個頻帶內(nèi)天線的增益較高，有利于局放信號的檢測。

圖4 天線仿真結(jié)果Fig 4 Simulation results of antenna

將天線與有源電路制作在同一塊以FR4 為基底材料的介質(zhì)板上，天線接收到的信號直接饋入有源電路(圖5(a))，有源電路的輸出由SMB 座引出，通過同軸電纜連接至外屏蔽罩的N 頭或BNC 接頭上，完成整個傳感器的制作(圖5(b))。

圖5 天線和傳感器實物圖Fig 5 Physical map of antenna and sensor

3 屏蔽與加載電阻對傳感器的影響

為屏蔽外界干擾，實際檢測時局部放電傳感器需要安置在屏蔽罩內(nèi)，通過使用Agilent E5061B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行分析，從天線饋電點處饋電單獨對天線測試，實驗發(fā)現(xiàn)，屏蔽罩對傳感器的駐波比產(chǎn)生了很大的影響，如圖6所示。設(shè)計采用加大天線與金屬腔間距和增加吸波材料減少屏蔽罩對電磁波的反射，使入射的電磁波轉(zhuǎn)換成熱能而損耗掉。

為了更好地削弱由于天線末端與自由空間失配引起的反射波能量，從而避免脈沖信號的拖尾振蕩。設(shè)計使用4 只150 Ω 電阻器在天線四角與屏蔽罩連接，加載電阻器對天線末端電流進行吸收，以改善低頻段駐波比特性。

實驗結(jié)果表明:通過加大天線與屏蔽腔的距離和增加吸波材料使駐波比有了較明顯的改善;通過加載電阻器吸收末端電流，傳感器低頻特性得到了改善。

4 傳感器測試

為測試本套傳感器在工業(yè)環(huán)境下實際監(jiān)測的準確性，在許繼(廈門)智能電力設(shè)備股份有限公司進行測試，采用150 kV 無局放電源，通過升壓變壓器、耦合電容器、測量阻抗、保護電阻器和110 kV 三相共筒式GIS 腔體，構(gòu)成測試系統(tǒng)裝置(圖7(a))，以CY3R4—V1 局部放電監(jiān)測儀進行測試。在GIS 母線管右端內(nèi)導(dǎo)體表面放置一個9.61 mm 長的金屬尖端模擬缺陷(如圖7(b))，后充入0.4 MPa 的SF6氣體。

圖6 天線駐波比測試Fig 6 VSWR test of antenna

圖7 測試環(huán)境Fig 7 Test environment

升壓變壓器逐漸升壓直至出現(xiàn)局放，停止升壓。監(jiān)測儀接收到的信號圖譜如圖8(b)所示。使用錄波模式記錄測量波形信號如圖8(c)所示。

觀察局放信號圖譜發(fā)現(xiàn)，當剛開始提升電壓時，無局放發(fā)生(圖8(a))，電壓加到80 kV 以上時，具有明顯的局放特征(圖8(b))。觀察局部放電波形信號，可以看到局部放電脈沖包絡(luò)明顯，受干擾小(圖8(c))。實驗監(jiān)測結(jié)果表明:設(shè)計的有源外置UHF 傳感器能很好地監(jiān)測GIS 內(nèi)局部放電，滿足局放檢測的要求。

5 結(jié) 論

1)仿真和測試表明:設(shè)計用于局部放電監(jiān)測的蝶形天線中心頻率為900 MHz，駐波比小于2 的頻帶為730 MHz ～1.05 GHz。

2)測試研究了屏蔽罩對天線的影響，并通過加大距離和增加吸波材料改善了傳感器性能。

3)現(xiàn)場實驗表明:所研制的有源集成RF 功率傳感器體積小，抗干擾能力強，信號強度大，適合GIS 局部放電的檢測。

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圖8 測試結(jié)果Fig 8 Test result

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