基于分形天線的輸電線路等電位帶電作業電位轉移電弧電磁輻射特性測量

黎鵬， 蔣建紅， 吳泳聰， 吳田， 方春華， 普子恒

(1.三峽大學 湖北省輸電線路工程技術研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；3.南方電網科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080)

0 引 言

等電位帶電作業是避免輸電線路停電檢修、保障正常供電的重要技術手段[1-3]。電位轉移是等電位帶電作業中的重要環節，是指作業人員通過導電手套或其它工具在距離帶電體一定距離時，迅速進入或者退出等電位的過程[4-5]。相關研究表明：電位轉移過程會出現明顯拉弧現象，產生高幅值、高能量的放電脈沖，其輻射出的寬頻帶、高強度的電磁輻射噪聲可能會影響周圍智能設備的正常穩定工作[5-8]。因此，研究電位轉移電弧的電磁輻射特性具有重要的實際意義。

利用天線對電弧產生的電磁輻射特性進行測量，在弓網電弧和故障電弧檢測等方面得到了廣泛應用。文獻[9]搭建了模擬弓網電弧試驗平臺，利用分形天線測量了弓網電弧的電磁輻射特性，輻射信號主要集中在頻段0～160 MHz，在18 MHz達到輻射脈沖峰值。文獻[10]采用環形天線和對數周期天線對弓網電弧的電磁干擾信號進行了測量，研究發現，干擾信號的集中頻段為30～300 MHz，在頻段30～60 MHz內最嚴重。文獻[11-12]分析了電流、接觸壓力、列車運行速度對弓網電弧電磁干擾頻率帶寬的影響規律。文獻[13]采用多款天線結合線路實測及實驗室半實物仿真試驗，研究了弓網離線電弧電磁頻譜特性。文獻[14]通過時頻分析天線獲得了弓網電弧電磁輻射信號的頻率分布范圍、特征頻率、輻射強度等信息，為抑制電弧電磁干擾提供了理論依據。文獻[15]基于三階Hilbert天線試驗分析了模擬接頭松動時，串聯故障電弧的電磁輻射信號特性。文獻[16]采用喇叭天線研究不同間隙電弧的電磁輻射特性，指出直流電弧電磁輻射分布在高頻到超高頻，屬于寬帶輻射。文獻[17]利用4階Hilbert天線研究了不同電流突變情況下直流電弧的電磁輻射特性。文獻[18]利用分形天線采集了直流故障電弧的電磁輻射信號，發現直流故障電弧存在36～41 MHz的特征頻率，且與氣壓、電極直徑、形狀均無關。文獻[19]利用天線檢測了故障電弧的電磁輻射信號，發現電弧起始和發展階段頻譜不同。文獻[20]利用天線就金具電暈放電橫向特性和極化特性進行了研究，初步測量了絕緣子電暈放電輻射電磁波的頻譜范圍為30～90 MHz。可見，利用天線可對電弧的電磁輻射信號進行較好地測量，但目前針對輸電線路帶電作業電位轉移電弧電磁輻射特性的研究卻未見相關報道。

本文根據輸電線路等電位帶電作業電位轉移電弧的特點，設計4階Hilbert分形天線，搭建模擬輸電線路帶電作業電位轉移電弧試驗平臺，對轉移電弧的電磁輻射特性進行了測量，并通過頻譜特性分析獲得電磁輻射信號的頻帶分布，研究可為實際輸電線路帶電作業電位轉移電弧的電磁干擾研究提供參考。

1 4階Hilbert天線設計

1.1 天線仿真模型

分形天線具有獨特的空間填充性，使得在較小的物理范圍內實現較大的電氣長度，有效擴展了天線帶寬，減小了天線尺寸[21]，此外自相似性通常與天線的多頻特性相關[22]。因此，4階Hilbert分形天線可以實現天線的小型化和多頻段設計[18]。圖1為三階Hilbert分形天線模型，由平行導線、短路終端和附加導線三個部分組成[23]。其分形曲線的維數可表示為

圖1 三階Hilbert模型

(1)

式中n為Hilbert分形曲線的階數。

當分形階數分別為3、4時，對應的維度分別為1.694和1.834。維數取值范圍為1～2，當階數趨于很大時，分形曲線的計算維度將無限接近于2。電弧電磁輻射的相關研究表明：電弧電磁輻射頻段主要集中在0～500 MHz之間。

天線仿真模型由三層組成，1～3層分別為：導線層、介質層和接地層，在HFSS軟件中求解模式選擇模式驅動，設置掃頻范圍為0～500 MHz，掃描步進為0.2 MHz，選用介電常數為4.6的FR4環氧樹脂作為天線的介質層，導線層和接地層材質均選用良導體銅。天線采用同軸線饋電的方式，同軸線穿過介質層將導線層和接地層相連實現天線饋電，由于同軸線位于天線內部，所以選用集總端口激勵方式。只有定義了輻射邊界條件，HFSS軟件才能實現天線的遠區計算，通常設置輻射邊界與天線模型的間隔為1/4個波長[24]。導體寬度、導體厚度和介質厚度等參數對天線的性能均有影響[25]，通過參數掃描確定天線的整體尺寸為165×165 mm2，導體層導線寬度為2 mm，介質層厚度為1.6 mm，4階Hilbert天線具體模型如圖2所示。

圖2 天線仿真模型

1.2 天線性能分析

首先對天線性能參數駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)、回波損耗(S11)和輸出阻抗進行分析。分形天線駐波比的仿真結果如圖3所示，結果顯示0～500 MHz的頻率范圍內，存在多個VSWR<5 dB的頻段，其傳輸功率達到55.6%[17]。因此，設計的天線具有合適的駐波比水平和良好的寬頻特性，能夠滿足電弧電磁輻射帶寬的檢測要求。

圖3 駐波比結果

研究發現，天線的輸入阻抗和諧振頻率會隨著饋電點位置的改變而發生變化，因此，通過適當調節饋電點位置，使天線輸入阻抗約為50 Ω，達到與饋線阻抗匹配，提高天線功率傳輸的效率[17]。Hilbert天線的一個巨大優勢就在于通過改變非中心的饋電點位置能夠改變輸出阻抗[26]。文獻[14]對4階Hilbert分形天線饋電點位置進行了討論，最終確定饋電點在圖2所示位置。天線回波損耗和輸出阻抗的仿真結果分別如圖4和圖5所示，由仿真結果可知，該天線在0～500 MHz之間存在多個諧振頻點，在通過高頻同軸電纜與示波器相連時，可與同軸電纜實現良好的阻抗匹配。

圖5 輸出阻抗

1.3 天線PCB制作

根據上述天線參數，制作4階Hilbert分形天線，天線PCB實物的正反面如圖6所示。實際使用過程中，在天線饋電點安裝SMA母頭，通過阻值為50 Ω的同軸電纜與示波器相連即可。

圖6 4階Hilbert天線實物

2 帶電作業電位轉移模擬試驗

2.1 試驗平臺及布置

輸電線路帶電作業電位轉移模擬試驗平臺主要包括工頻電壓試驗回路和電位轉移裝置，具體布置如圖7所示，圖中包括：調壓器、工頻試驗變壓器、模擬導線、電位轉移裝置、平板電極、分壓器以及采集裝置等。工頻變壓器最大輸出電壓為100 kV，模擬導線直徑和長度為3 cm和1 m、兩端設有均壓球。其中模擬導線用于模擬高壓導線，平板電極用于模擬穿屏蔽服的工作人員，轉移電極用于模擬工作人員手持的轉移棒。

圖7 試驗平臺與裝置

模擬導線和平板電極的具體布置如圖8所示，模擬導線放置于環氧樹脂絕緣支架上，其與大地之間的距離為H；平板電極同樣固定于環氧樹脂支架，通過調節其與導體之間的距離h來模擬轉移距離(作業人員與高壓導線之間的距離)的變化。轉移電極與模擬導線之間的距離d(模擬轉移棒與高壓導線之間的距離)可根據需要進行調整。同時，為了減小電位轉移裝置對導線與平板電極之間電場的影響，轉移棒放置方向垂直于模擬導線。阻容分壓器變比為10 000∶1，用于測量變壓器的實時輸出電壓，天線用于采集電弧的電磁信號，測量范圍為0～500 MHz。

圖8 具體布置

2.2 電位轉移電流的測量

進出等電位時，等電位人員和測量裝置處于中間和高電位，存在強電磁干擾，并且脈沖電流信號的頻率高，對測量裝置的抗干擾能力和采樣率都有較高的要求[4]。因此，采用無感同軸分流器和光纖光柵隔離采集系統對電位轉移電流進行測量，其測量系統如圖9所示。

圖9 電位轉移電流測量系統

將同軸分流器串入轉移電極與平板電極之間，當模擬導線與轉移電極之間產生電弧時，模擬導線與平板電極之間的電容Ca存儲的能量(電荷)會通過電弧-同軸分流器釋放，從而形成瞬態電流，即電位轉移電流。為盡可能減小同軸分流器對轉移電流的影響，無感同軸分流器的電阻取為5 mΩ，實測值為4.695 mΩ。

由于同軸分流器位于高壓側，暴露于強電磁干擾環境中，為了減少電磁輻射干擾對轉移電流測量的影響，將同軸分流器的輸出信號通過同軸電纜與光纖光柵隔離采集系統(包括變送器和接收器，兩者通過光纖相連)相連，最后將接收器的輸出信號接至示波器即可。光柵隔離系統的帶寬可達20 MHz，示波器型號為DPO405B，最大采樣率可達2.5 G/s，存儲容量可達20 M。

2.3 具體試驗步驟

1)按圖7、圖8所示搭建試驗回路，調整模擬導線對地高度H為85 cm，將平板電極置于導線正下方，其與導線之間距離h為20 cm；轉移電極置于導線與平板電極之間，其與導線之間的距離d根據需要調整。

2)無感同軸分流器輸入端分別與轉移電極和平板電極相連，輸出端接光纖光柵隔離采集系統；Hilbert天線放置于試驗平臺一側，其離轉移電極的距離為3 m，同時為了提高天線測量準確性，調整天線正面中心與轉移電弧平齊。所有輸出信號均通過同軸電纜與示波器相連，示波器的采樣頻率設置為100或250 MHz。

3)采用均勻升壓法升高電壓，當轉移電極與導線之間出現穩定的電弧放電時，停止施加電壓，同步采集施加的工頻電壓U、電位轉移電流I和天線電磁輻射信號。

3 試驗結果與分析

3.1 電位轉移電流特性分析

調整轉移電極與模擬導線之間的距離d為3 cm，當施加電壓U為35 kV(有效值)左右，出現穩定電弧。同軸分流器和分壓器采集的轉移電流和電壓波形如圖10所示。可以看出，轉移電極與導線間隙均在電壓峰值時發生擊穿，擊穿時導線電壓出現小幅度跌落，同時會出現尖峰脈沖，這可能與間隙擊穿瞬間產生的電磁干擾有關。由電位轉移電流波形可知，每個電壓周期(20 ms)最多出現一個電流脈沖，整個燃弧過程轉移電流峰值最大達到3 200 A左右，平均值接近3 000 A。對圖10中虛線區域內的脈沖進行局部放大，可以看出，單次燃弧過程中，轉移電流呈衰減振蕩，持續時間為1 μs左右。

圖10 導線電壓及電位轉移電流波形

保持d為3 cm不變，提高模擬導線電壓至40 kV(有效值)左右時，得到轉移電流波形如圖11所示。

圖11 電位轉移電流波形

圖11中電位轉移脈沖波形特征與圖10基本一致，但脈沖數量明顯增加，每個電壓周期至少有1個電流脈沖，部分周期在電壓峰值附近甚至出現了兩次連續電弧放電過程(2個電流脈沖)；同時，轉移電流峰值也有所增大，最大值和平均值分別為3 500和3 100 A。可見導線施加電壓增大后，轉移電極與導線之間的間隙更容易擊穿，放電頻率與電流脈沖峰值均明顯增大。對圖11中虛線區域的波形進行局部放大，其變化規律與圖10基本相同，轉移電流脈沖仍呈衰減振蕩，振蕩時間仍在1 μs左右。

3.2 電位轉移電弧電磁輻射特性分析

4階Hilbert天線的頻率測量范圍為0～500 MHz，而轉移電弧電磁輻射信號的頻帶分布是未知，因此，設置示波器采樣頻率分別為100和250 MHz進行測量。當施加電壓有效值為35 kV時，獲得不同采樣頻率下轉移電流與電磁輻射信號波形分別如圖12和圖13所示。

圖12 轉移電流與電磁輻射信號(采樣率100 M)

由圖12和圖13可知，改變采樣頻率后，轉移電流與電磁輻射信號波形隨時間的變化規律基本類似，僅在脈沖數量上有差異，即采樣頻率增大，采樣時間縮短，故采集到的脈沖數量也相應減少。同時，對圖12中的電磁輻射脈沖②與對應的轉移電流脈沖進行局部放大，具體如圖14所示，可以看出，轉移電流與電磁輻射脈沖變化趨勢一致，兩者上升沿、下降沿基本對應，即轉移電流脈沖與電磁輻射信號脈沖在時間上具有一致性，且衰減振蕩周期相同。出現轉移電流脈沖的同時也會產生較大幅值的電磁輻射信號，但電磁輻射信號脈沖數量要多于轉移電流，這主要與轉移電流信號采集系統的采樣頻率較低有關；試驗過程中，采用光纖光柵隔離采集系統對轉移電流信號進行采集，但其最大采集頻率只有20 MHz，可能會造成一些低強度高頻率的轉移電流脈沖未被采集，從而導致轉移電流脈沖數量較電磁輻射脈沖少。

圖14 轉移電流脈沖與電磁輻射脈沖

為研究電磁輻射脈沖信號的頻譜特性，對圖12和圖13中的典型電磁輻射脈沖①～③分別進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)，得到采樣頻率分別為100和250 MHz時，轉移電弧電磁輻射脈沖的頻譜變化規律，具體如圖15和圖16所示。可以看出：轉移電弧的電磁輻射信號在頻域上為脈沖波形，在0～125 MHz范圍內均有分布；當采樣頻率為100 MHz時，電磁輻射的頻域幅值整體差異較小，而當采樣率為250 MHz時，幅值差異較大；在0～50 MHz范圍內幅值較大，而在高于50 MHz頻段范圍內幅值較小，可見，電位轉移電弧的電磁輻射信號主要分布在頻段0～50 MHz內。

圖15 頻譜分布(采樣頻率100 M)

進一步分析可以發現，當采樣頻率為100和250 MHz時，電磁輻射脈沖均在頻段10～30 MHz的幅值較大，且頻域峰值均集中在14 MHz附近。因此，轉移電弧電磁輻射脈沖的主要頻帶范圍為10～30 MHz，且特征頻率在14 MHz附近。

3.3 電弧特性對電磁輻射頻段的影響分析

為了進一步分析電弧特性對電磁輻射頻段的影響，當采樣頻率為250 MHz時，對導線施加電壓為40 kV時的轉移電流和電磁輻射信號進行分析，具體如圖17所示。

對圖17中典型的電磁輻射脈沖①～③進行FFT，得到電磁輻射脈沖的頻譜變化規律如圖18所示，與圖16對比發現，不同施加電壓下(即轉移電弧燃燒特性發生改變)轉移電弧電磁輻射脈沖均在頻段10～30 MHz的幅值較大，且頻域峰值均集中在14 MHz附近。

圖16 頻譜分布(采樣頻率250 M)

圖17 轉移電流與電磁輻射信號

圖18 頻譜分布

電弧電磁輻射頻譜中，最大幅值對應的頻率(特征頻率f0)可通過下式進行估算[12]：

(2)

式中：ρ為電弧電阻率；ε0為空氣的介電常數。

由式(2)可知，電磁輻射的特征頻率取決于電弧電阻率和空氣的介電常數，電弧電阻率由空間帶電粒子數量、游離和去游離的強度決定，電弧電流的幅值影響較小，而空氣介電常數不隨電流幅值變化[17]。因此，電弧燃弧特性對電磁輻射頻段影響較小。

4 結 論

本文開展了輸電線路等電位帶電作業電位轉移模擬試驗，獲得了電位轉移電弧電流和電磁輻射信號的變化規律，并基于FFT分析了轉移電弧電磁輻射信號的頻帶分布，得到如下結論：

1)設計的4階Hilbert天線駐波比、回波損耗和輸出阻抗等參數符合測量要求，其性能滿足對輸電線路帶電作業電位轉移電弧電磁輻射特性測量的要求，并通過模擬試驗驗證了測量的有效性。

2)導線電壓增大后，轉移電極與導線之間的間隙更容易擊穿，放電頻率和轉移電流脈沖峰值均明顯增大。電磁輻射脈沖的變化規律與轉移電流脈沖基本一致，當轉移電流脈沖幅值較大時，對應的電磁輻射信號也較大，且電磁輻射信號與轉移電流脈沖呈現相同的衰減振蕩，振蕩時間約為 1 μs。

3)電位轉移電弧電磁輻射信號的頻帶主要分布在10～30 MHz，且輻射脈沖的頻域峰值主要集中在14 MHz附近。