gis局放检测用超宽频带超高频振子天线传感器的研制

gis局放检测用超宽频带超高频振子天线传感器的研制

0信号的获取监控gis局放的关键技术是先进的频率法，即先进的频率天线。传感器的好坏直接影响信号的获取。由于安装内置传感器容易破坏GIS内部电场结构,且国内GIS产品设计没有内置传感器。本文研制了一种外置天线传感器,用天线理论对该天线特性进行了分析,在实验室模拟装置上进行了实测,为实现GIS超高频局放在线监测奠定了基础。1天线布置及原理要实现对GIS局放的超高频检测,重要的途径是对局放产生的电磁波耦合,对这种耦合传感器要求具有以下基本特性:(1)中心频率在超高频段,能避开低频干扰,驻波比<2的条件下频带尽量宽;(2)结构尺寸灵巧,现场使用和安装方便,能检测到局放信号;方向性良好。根据GIS现场条件和实际情况,设计一种宽频带超高频外置天线传感器,主要从两方面考虑:(1)用于GIS的超高频法检测频带如较窄,会丢失大量的放电信息,使检测灵敏度受到限制。文表明,局放脉冲能量几乎与频带宽度成正比,用宽频带检测有更高的灵敏度;(2)现场干扰源多,干扰信号幅值大,局放信号较弱,抑制干扰十分重要,变电站背景噪声以及电晕干扰的频率通常<200MHz,天线频率取在超高频段能避开低频干扰。天线分线天线和面天线,线天线中振子天线结构简单、馈电方便、方向性好、效率高。但一般半波振子天线为窄带天线。本文采用线天线的宽频带技术,使其满足超高频检测局放的频带要求。2在超宽频带中，振子天线传感器的设计和分析2.1抗带宽指标的应用要求天线的带宽可用下式表示:B=2Δf/f0=((fmax-fmin)/f0)×100%‚(1)式中,fmax、fmin分别为工作频带的上、下限频率;f0为工作频带内的中心频率。天线的各项电指标都随频率变化,因而天线带宽取决于各项电指标的频率特性。实际工程应用中,阻抗带宽是最基本、实用性很强的电指标。振子天线的输入阻抗随频率而变化的剧烈程度主要取决于天线的特性阻抗。振子天线的特性阻抗取决于振子的线径比(振子长度与直径之比)。所以,可使振子具有较大的截面来展宽天线带宽。工程上可用下式估算天线的频带:B=2|1-2π|arctanΖ0√1-|Г|2|Г|RA‚(2)式中,RA为天线馈线的电阻值;Г为频带边缘给定的相对于中心频率阻抗的最大反射系数;Z0为对称振子的平均特性阻抗。天线工程中,B<0.1为窄带天线;B=0.1～0.6为宽带天线;B>0.6为超宽频带天线。2.2振子天线及天线参数设计本文设计的振子天线采用同轴天线结构,主要由辐射体、阻抗变换器、扼流装置、天线加载等组成,见图1。天线辐射体采用两段空心金属管,天线中间为阻抗变换器,根部为扼流套,天线上臂加载可调节附加阻抗。通常的半波对称振子天线频带较窄,据式(2)及天线传感器现场检测要求,可估算出振子天线的线径比。选用不对称形式合理选择两辐射臂的大小,使其阻抗分别随频率向相反方向变化,可改善其阻抗频带特性,增加其频带宽度,使天线的尺寸比通常半波长减少很多,实现天线的小型化。当天线处于工作状态时,辐射臂接受辐射电磁波,电流沿辐射臂外表面传输,扼流装置使天线根部电流接近0。为展宽天线频带,运用理论计算与实验调节相结合的方法,采用独特的结构设计,在天线上臂引入可调节的附加阻抗(即天线加载)。附加阻抗实际上只有电抗分量,其变化正好和不对称振子电抗部分相反,虚部互相抵消,从而展宽天线的带宽。并利用阻抗变换器使其与射频电缆匹配。2.3振子振动的宏观解析目前还没有精确公式求解不对称偶极子的输入阻抗Z,但有些近似的求法。其中之一即“平均值”法:不对称偶极子的Z可用其两臂各自构成的对称振子Z取平均值求得:Ζ=(Ζ1+Ζ2)/2=R+jX‚(3)式中,Z1、Z2分别为以不对称振子两臂各自构成的对称振子输入阻抗。采用感应电势法对长度为2l、直径为2a的对称振子天线进行分析。首先作一封闭面,使它紧靠振子表面。这时Poynting矢量沿振子表面积分,所得功率的实部产生脱离振子电流和电荷的辐射场;虚部受振子电流和电荷牵制,并与之一起形成不能分割的储能场。图2中对称振子置于长度为2L,半径为X柱面的中心轴线上,在柱面上Poynting矢量的法向分量为:Sx=-EzΗ´φ/2；Sz=-ExΗ´φ/2(4)式中,H′φ为Hφ的共轭复量;Ex、Ez分别为x,z方向电场强度;Hφ为φ方向的磁场强度。将柱面与振子表面重合,即2L=2l,X=a。对称振子两臂上电流和电荷的分布对称,所以Poynting矢量在柱面上下端面的积分和为0。因此,流出振子表面的功率为:Ρ=2∫lz=0∫2πφ=0Sxadφdz‚(5)由式(4)和安培定律I′z=2πaH′φ,得:Ρ=∫lz=0Ez(a)Ι´zdz‚(6)为了求振子向周围空间传输的功率,须求振子表面电场切向分量与电流共轭复量的乘积沿振子长度的积分。通常认为振子是由理想导体制成,这时除在振子两臂间隙Δ中以外,振子表面的电场切向分量等于0。式(6)的积分应在有外加电动势(激励源的电动势)的间隙Δ内进行。振子辐射功率看作是有耗双线分布电阻的吸收功率,并假设电流为正弦分布,可得天线关于电流腹点的辐射阻抗为:Ζ∑=R∑+jX∑‚(7)式中,其中:S1(x)=∫x01-cosvvdv‚Ci(x)=lnx+C-S1(x)‚Si(x)=∫x0sinvvdv‚α、β、C分别为衰减常数、相移常数、欧拉常数。设天线损耗很小,输入与辐射功率近似相等,以输入端电流为参考点的辐射阻抗也是其输入阻抗。根据以上公式可计算出天线的输入阻抗,从而计算出反射系数与驻波比。2.4天气形势分析由于振子天线为全向性,所以只需计算出θ方向的电场。天线远区电流元辐射的电场表达式为:Eθ≈jZ0(kIΔλ/4πr)e-jkrsinθ,(8)式中,Z0为媒质波阻抗;k为传播系数;I为电流;Δλ为电流元长度;r为观察点与电流元距离;θ为观察点与电流元夹角。振子天线可看作只存在电流源的线性辐射体,因此,根据上式其远区电场可表达为:Eθ=(-je-jkr/2λr)√μ/εΝθ=A′Νθ‚(9)式中,μ为磁导率;ε为介电常数;A′=(-je-jkr/2λr)√μ/ε;Nθ=Nxcosθcosue001φ+Nycosθsinue001φ-Nzsinθ。设忽略天线的损耗,则天线的方向性系数定义为:D=E2θ/E2平均。天线的增益g=Dη(D为方向系数,η为效率)。3基于地震相位传感器的参数计算和性能测试3.1天气形势分析根据分析,结合局放信号的特点,对所研制的振子天线进行理论分析和实测。由式(7)计算出对称振子天线的Z再代入式(3)求出该振子天线的Z得到驻波比,用HP8720ET标准网络分析仪测驻波特性,计算与实测结果见图3。实测结果显示,驻波比<2的频带为350～750MHz,中心频率550MHz。据式(1),该振子天线相对带宽达0.73,为超宽频带天线。从实测结果看,理论值与实测值基本吻合,实测值具有更宽的频带。两者之间差异的主要原因有:(1)设计振子天线使用了可调节的加载阻抗,当短路线接近λ/4或开路线接近λ/2时,电感、电容随短截线长度变化很大,有误差,需调节;(2)理论计算为无限自由空间,而实测受周围物体的影响,导致两者间有差异;(3)扼流装置不完全保证天线根部的阻抗为∞,其电流并非为0,相当于有一分布电容,并影响天线的输入阻抗。3.2天线位置及误差分析天线的方向图用来描述电(磁)场强度在空间分布状况,是三维立体图。振子天线具有全向性,故只计算并测试了θ方向的方向图。超高频天线一般在测试场上进行天线方向图的测量,简单方便。此时,辅助天线固定不动,待测天线以自身相位为中心轴转动。实测结果与式(9)理论计算的方向图基本一致(见图4)。但该天线与对称半波振子天线相比主瓣指向有一定偏移,主要是因为加载短截线造成相位移的缘故。且实测值与理论计算值有偏差,原因分析为:(1)测量系统处于自由空间,受环境因素影响,测试场周围物体的反射带来误差;(2)被测和辅助天线没有精确对准产生误差;(3)测量时受馈线影响导致误差。在开阔空间环境中采用两相同天线法测量天线增益,原始数据见表1。L0=20ln(λ/4πR),(10)g=0.5(Pr-Pt-L2-L1-L0)。(11)由表1数据,根据式(10)、(11)计算天线实际增益为1.39dB,而由g得的理论值为2.052dB。实测值<理论值,误差分析为:①测量仪器本身产生的误差;②测量采用相同天线法,但两根天线并非完全相同;③收发天线最大辐射方向未完全对准带来的误差;④近场效应产生误差。4高频天然传感器的模拟试验4.1前置振子天线检测研制的超高频GIS局放测试系统见图5,GIS模拟装置内充0.5MPaSF6,内置环形传感器与外置振子天线两个检测单元。内置环形传感器检测的局放信号作为外置振子天线传感器的参照。内电极上设置金属凸起模拟缺陷,用模拟带宽1GHz采样频率16GHz的WavePro950数字存储示波器记录测量波形。4.2测设置管口局限图6上方为内置环形传感器所测局放波形,下方为振子天线传感器所测波形。由于内置环传感器检测系统没考虑超高频段的阻抗匹配,信号在超高频段损失较大,而外置天线传感器处于一个开放的测量环境中且该天线为一超宽频带天线,因此耦合的信号较丰富,检测的局放信号幅值比内置传感器大,但信噪比内置传感器低。图7为振子天线传感器在2.5个