gis局部放電檢測(cè)用超高頻微帶天線的設(shè)計(jì)

1超高頻放電局部放電是監(jiān)測(cè)氣體隔離（gis）絕緣體的重要內(nèi)容。GIS中發(fā)生放電時(shí),局部放電脈沖寬度可達(dá)1～2ns,可激發(fā)頻率為1GHz以上的電磁波,因此,可以運(yùn)用超高頻法(UHF)對(duì)GIS進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。超高頻法檢測(cè)局放的關(guān)鍵是傳感器。目前用于超高頻檢測(cè)的傳感器主要有內(nèi)置傳感器和外置天線兩類,外置天線不影響GIS內(nèi)部電場(chǎng)且安裝方便,故外置天線更有利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。由于局放信號(hào)可沿著GIS傳播,在盆式絕緣子處泄漏,因此外置天線安裝的最佳位置是盆式絕緣子處。本文研制了一種安裝在GIS盆式絕緣子處,用于GIS外置UFH局放檢測(cè)的微帶貼片天線(MPA),在實(shí)驗(yàn)室GIS模擬裝置上實(shí)測(cè)表明,可用于局部放電檢測(cè)的研究。2膜束結(jié)構(gòu)pma的設(shè)計(jì)和分析2.1接收系統(tǒng)自身的選擇為了使傳感器比較好地耦合到發(fā)生局部放電時(shí)所激發(fā)的電磁信號(hào),必須滿足以下要求:(1)較好接收信號(hào)的同時(shí)抑制干擾;(2)帶寬和中心頻率要合適;(3)駐波比小于2,并且具有較高的增益和靈敏度;(4)整個(gè)天線接收系統(tǒng)阻抗要匹配,且現(xiàn)場(chǎng)安裝要方便。根據(jù)上述要求,要能有效地檢測(cè)GIS局部放電超高頻段的信號(hào),應(yīng)在線元天線、行波天線及陣列天線中選擇?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的安裝和實(shí)際的尺寸以及微帶天線(屬線元天線的一種)具有的優(yōu)點(diǎn)(剖面薄、體積小、重量輕,具有平面結(jié)構(gòu),饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成,便于獲得圓極化等),所以選用微帶天線,而它的主要缺點(diǎn)(頻帶較窄)可通過(guò)本文所述的方法來(lái)克服。2.2帶麻黃天線的介質(zhì)板本文設(shè)計(jì)的微帶貼片天線由矩形金屬貼片、介質(zhì)板、金屬底板和饋線4部分構(gòu)成,如圖1所示。微帶貼片天線是由矩形金屬貼片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)板上形成的。介質(zhì)板選用介電常數(shù)較低的聚苯乙烯材料,其介電常數(shù)為2.62。天線利用金屬貼片和金屬底板之間的縫隙接收電磁波,并轉(zhuǎn)化為高頻電流,用同軸探針作為饋線進(jìn)行饋電,通過(guò)50Ω同軸射頻電纜把信號(hào)引給檢測(cè)設(shè)備。2.3測(cè)頻設(shè)備的改進(jìn)天線帶寬可用高端頻率與低端頻率之差與中心頻率之比的百分?jǐn)?shù)表示,即:B=fmax?fminf0(1)B=fmax-fminf0(1)式中:f0為中心頻率。局部放電的脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比,而微帶天線是窄頻帶天線,微帶貼片天線的窄頻帶特性是有其高Q的諧振本性所決定的,即存貯于天線結(jié)構(gòu)中的能量比輻射和其他的能量損耗大得多,這意味著諧振時(shí)實(shí)現(xiàn)了匹配,而頻率偏離諧振時(shí)電抗分量急劇變動(dòng)使之失配。天線的總品質(zhì)因數(shù)Q為:1Q=1Qr+1Qc+1Qd(2)1Q=1Qr+1Qc+1Qd(2)式中:Qr、Qc和Qd分別代表由輻射功率Pr、導(dǎo)體損耗功率Pc、介質(zhì)損耗功率Pd所引起的相應(yīng)的Q值。常規(guī)設(shè)計(jì)的微帶天線相對(duì)帶寬約為中心頻率的1%～6%,滿足不了GIS局部放電檢測(cè)的要求,所以為了獲取更多的局放信息,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該展寬頻帶。展寬頻帶的方法可以從降低總的Q值的各個(gè)方面去探求,也可以用附加的匹配措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用如下方法進(jìn)行展寬頻帶:(1)采用介電常數(shù)εr較小的基板:介質(zhì)基板選用了介電常數(shù)較低的聚苯乙烯材料,目的是降低εr,天線的儲(chǔ)能因εr的減小而變小,使輻射對(duì)應(yīng)的Qr降低,從而使頻帶變寬。(2)采用厚基板:厚度h的增加輻射電導(dǎo)也隨之增大,輻射對(duì)應(yīng)的Qr和總的Q值降低,使得頻帶加寬。(3)選用了楔形基板:在相同饋電點(diǎn)位置,楔形介質(zhì)基板諧振器的駐波比小于2的頻帶比普通的矩形要寬很多。文獻(xiàn)表明采用該方法可將頻帶展寬一倍左右,這種基板形狀變化使頻帶展寬的原因是:由于兩輻射端口處基板厚度不同的2個(gè)諧振器經(jīng)階梯電容耦合產(chǎn)生的雙回路現(xiàn)象造成的。(4)采用附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò):微帶貼片天線的等效電路可以用一個(gè)RLC并聯(lián)諧振電路來(lái)描述,在背饋情況下,饋電探針可視為一個(gè)電抗,此時(shí)可附加一個(gè)串聯(lián)電容,與天線探針電感形成一串聯(lián)諧振電路,并使它與微帶貼片天線所等效的并聯(lián)諧振電路在同一頻率上諧振,串并聯(lián)諧振回路在諧振頻率附近的電抗趨于抵消,使之避免了偏離諧振時(shí)電抗的迅速變化,從而展寬了頻帶。2.4微帶天線的解析計(jì)算天線輸入阻抗的大小表征了天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的匹配狀況,即表示了導(dǎo)行波與輻射波之間能量轉(zhuǎn)換的好壞,故是天線的一個(gè)重要參數(shù)。在薄微帶天線(h?λ0,其中h是介質(zhì)基板k的厚度,λ0是中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))的前提下,可將微帶貼片與接地板之間的空間看成是上下為電壁、四周為磁壁的漏波空腔,于是便可根據(jù)邊界條件用模展開法或模匹配法解出該區(qū)域的內(nèi)場(chǎng)。天線輻射場(chǎng)由空腔四周的等效磁流的輻射得出,天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場(chǎng)和饋源激勵(lì)條件求得。采用如圖1所示的坐標(biāo)系,考慮到微帶天線通常都工作在低階模(如TM01)諧振頻率附近,而遠(yuǎn)離其他諧振點(diǎn),微帶天線的基本特征就如同一個(gè)RLC簡(jiǎn)單并聯(lián)諧振電路,工作在TM01模時(shí),輸入電阻可簡(jiǎn)寫為:R01=120λ0hQεrabcos2(πyb)(3)R01=120λ0hQεrabcos2(πyb)(3)式中:a為金屬貼片的寬度;b為金屬貼片的長(zhǎng)度。2.5諧波頻率的計(jì)算微帶貼片天線的增益公式為:Gr=εrab120λ0hQr(4)Gr=εrab120λ0hQr(4)式中:Qr=cεr??√/(4frh)Qr=cεr/(4frh);fr為諧振頻率,一般可取中心頻率;c為電磁波傳播速度。天線的方向性系數(shù)為:D=215Gr(aλ0)2(5)D=215Gr(aλ0)2(5)天線的效率為:ηr=QQr(6)ηr=QQr(6)天線的增益等于方向性系數(shù)與效率的乘積:G=Dηr(7)3通過(guò)計(jì)算微帶包裝天線的參數(shù)并進(jìn)行性能分析3.1天線抗的關(guān)系工程上常用電壓駐波系數(shù)VSWR表征天線與饋線匹配情況,其計(jì)算公式為:VSWR=1+|Γ|1?|Γ|(8)VSWR=1+|Γ|1-|Γ|(8)式中:Γ是反映反射損耗的反射系數(shù),是一個(gè)復(fù)數(shù),其與傳輸特性阻抗的關(guān)系是:Zi=Zc1+Γ1?Γ(9)Ζi=Ζc1+Γ1-Γ(9)式中:Zi是天線的輸入總阻抗;Zc是傳輸線特性阻抗。圖2中曲線1是微帶天線展寬頻帶前的理論駐波比,曲線2是展寬頻帶后的理論駐波比,曲線3是利用HP8720D標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的展寬頻帶后的駐波比。由圖2可知,微帶矩形貼片天線的中心頻率為390MHz,駐波比小于2的絕對(duì)帶寬為340～440MHz,且理論曲線和實(shí)測(cè)曲線基本吻合。在天線工程中,相對(duì)帶寬B<0.1為窄帶天線,而本文設(shè)計(jì)的MPA傳感器的相對(duì)帶寬為25%,達(dá)到寬頻天線范圍,另外從圖中展寬頻帶前后的駐波比曲線可以看出,在前面天線設(shè)計(jì)過(guò)程中所采用的頻帶展寬方法得當(dāng)、效果明顯。3.2利用mpa進(jìn)行干擾信號(hào)使用AnsoftHFSS計(jì)算可以得到MPA天線在?=0°時(shí)x-z平面和?=90°時(shí)y-z平面的方向圖,如圖3所示。參照?qǐng)D1的坐標(biāo)系,其中θ,?是球坐標(biāo)中的角度變量,P點(diǎn)是輻射點(diǎn),r為輻射點(diǎn)到原點(diǎn)的距離。從圖3中可看出,MPA傳感器在θ=0°時(shí),具有最佳方向性;當(dāng)?=0°時(shí)、θ=90°時(shí)和?=90°、θ=120°時(shí)方向性最差。從圖中還可知MPA對(duì)方向性要求較高,當(dāng)沒(méi)有處于最佳檢測(cè)方向時(shí),接收性能下降較快,所以在接收信號(hào)時(shí)要正確調(diào)整天線的方向,來(lái)獲得最大的增益。本文在外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用上,考慮到MPA要有效接收盆式絕緣子處泄漏的電磁波,而對(duì)周圍空間電磁干擾抑制,因此在MPA天線背面和部分側(cè)面采用金屬材料對(duì)天線進(jìn)行了屏蔽,如圖4所示。屏蔽時(shí)留出靠近GIS盆式絕緣子縫隙的這一面,由于MPA的方向性,盆式絕緣子泄漏的電磁波得到最大增益,而從側(cè)面耦合的干擾信號(hào)增益較小。在GIS局放監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng),MPA傳感器用環(huán)氧樹脂制成的支撐架固定在GIS的盆式絕緣子法蘭上,這樣就盡可能在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)使MPA傳感器測(cè)量局放產(chǎn)生的泄漏電磁波,同時(shí)方向性好。3.3s12.1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證所計(jì)算的增益值,采用兩相同天線法來(lái)實(shí)測(cè)天線的增益,涉及的參數(shù)主要有:波長(zhǎng)λ0、間距R、發(fā)射功率Pt、發(fā)射端插損L1、接收功率Pr和接收端插損L2,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。兩相同天線法實(shí)測(cè)天線增益的計(jì)算公式為:L0=20lg(λ04πR)(10)G=12(Pr?Pt?L2?L1?L0)(11)L0=20lg(λ04πR)(10)G=12(Ρr-Ρt-L2-L1-L0)(11)把表1中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(10)、(11)可得實(shí)際增益為5.38,由式(7)計(jì)算可得天線增益的理論值為5.7,兩者基本接近。由理論值和實(shí)測(cè)值可以看出,MPA傳感器的增益較高,有利于檢測(cè)微弱信號(hào)和后續(xù)階段的信號(hào)處理。4測(cè)點(diǎn)結(jié)果和頻譜為考核MPA傳感器檢測(cè)UFH局放信號(hào)的能力,采用GIS局部放電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)回路如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中,在GIS模擬裝置中充以0.5MPa的SF6和N2的混合氣體(體積比4:1),用內(nèi)置圓環(huán)傳感器和MPA進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比,局放信號(hào)波形用高速數(shù)字示波器(lecroywavepro7100,帶寬1GHz,最大采樣率20GS/s,存儲(chǔ)深度48M)記錄波形,并引入工頻信號(hào)作為相位參考。由實(shí)驗(yàn)可知,針缺陷的起始放電電壓為12.5kV,隨著電壓的升高,放電重復(fù)率和幅值增大,信號(hào)的波形和頻譜的形狀變化不大。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示,圖6(a)為內(nèi)置圓環(huán)在19.6kV時(shí)測(cè)得的局放波形及其頻譜圖,圖6(b)為MPA測(cè)得的局放波形和頻譜圖。MPA測(cè)得的信號(hào)幅值和信噪比都稍差于內(nèi)置傳感器,但是可以檢測(cè)到清晰的局部放電信號(hào),能滿足局放檢測(cè)的需要,具有較高靈敏度,且可避開一定的窄帶和隨機(jī)干擾。從頻譜圖還可以看到信號(hào)的頻譜主要分布在440MHz之前,這與天線的理論截止頻率相吻合。圖7是實(shí)測(cè)信號(hào)波形與相位圖,針缺陷導(dǎo)致的放電主要發(fā)生在正負(fù)半周幅值最大處附近,正半周放電發(fā)生的很稀疏且放電幅值小于負(fù)半周。5頻帶