gis内置圆板传感器天线频率响应特性分析

gis内置圆板传感器天线频率响应特性分析

1gis局部放电的检测方法气体隔离站（gis）具有与开敞站无法比拟的优点，越来越受到重视电气系统。但由于在加工、运输、现场装配及长期运行过程中,GIS内部不可避免地会不同程度地存在各种绝缘缺陷,从而引发局部放电,进而导致绝缘事故。因此,对GIS进行局部放电检测有重要意义。GIS局部放电时会产生持续时间仅为ns级的脉冲电流,典型波形如图1所示,其等值频率为GHz数量级。提取信号中的超高频成分,即UHF法,有利于排除常规电气法中难以避开的电晕等干扰。UHF法的关键技术是使用高灵敏度的传感器,目前,国外普遍采用将传感器装设在GIS内部,传感器多为电容式探头,大部分研究者采用电容圆板式传感器。国内则采用外部天线感应,与内部传感器相比外部天线感应的灵敏度和抗干扰能力较差。本文利用实验室GIS模拟装置,设计制作了内置圆板式传感器,从超高频信号的特点上分析了传感器的耦合特性及灵敏度,在此基础上研制出具有更高灵敏度的圆环式传感器,并对GIS模拟装置内金属突出物缺陷激发的局部放电脉冲信号进行检测。2局部放电的归规范由于GIS内部发生的局部放电持续时间极短,GIS的同轴结构相当于是一个良好的波导,脉冲不仅以横电磁波方式传播,而且还会以横电场波和横磁场波的方式传播。为了接收局部放电脉冲激发的电磁波,用金属电极构成电容耦合。电极置于GIS外壳内部,结构如图2所示,电场E包括以同轴传输线形式传输到金属耦合电极的横波电场E1及以波导形式传输到电极的纵波电场E2。内电极也可以看成是一个接收天线,激发局部放电的缺陷就是一个发射天线。局部放电信号激发的电磁波以GIS内电极和接地外壳作为边界条件。在同轴波导内由局放脉冲激励了一定模式的电磁波以后,波导内壁上形成按一定规律分布的电流,图3表示了横电波TE11模和横磁波TM01模在同轴波导壁上的电流分布,图3b为波导内半径。安装内置电极检测局放信号,需在GIS内壁开圆孔或缝隙。当缝隙切断电流线时,表面电流的一部分绕过缝隙继续以传导电流形式流通,另一部分以位移电流的形式通过缝隙,如图4所示,这就相当于在缝隙两边沿之间加了电场波源。由于缝隙上形成的电场分布向空间辐射,根据天线理论,可以将这一缝隙看成是缝隙天线。内置传感器不仅耦合波导内部的电磁波,也会接收安装处形成的缝隙天线所激发的电磁波。3内传感器天线模型的分析与优化3.1圆板传感器结构本文针对实验室GIS模拟装置,设计制作了圆板式内置传感器,结构如图5所示。GIS内部的局部放电用UHF法检测时,传感器天线模型分析较电容耦合模型合理,这已为国内外许多学者所证明。本文建立了圆板式天线计算模型,并对模型进行理论计算。该模型由圆板电极和一小段信号引线组成,这种结构下的传感器可以看成是一个圆板天线。天线阻抗Za近似为电容Ca和电阻Ra的串联,即Za=Ra+jXa;ZL为测量仪器的输入阻抗(包括输出引线的阻抗),ZL=RL+jXL。Ca和Ra的数值分别为式中α,β——与电极面积S和电磁波频率f相关的参数在进行天线分析时,应考虑GIS法兰形状,传感器信号引线与法兰侧壁组成的一段长为Dl的均匀传输线(其阻抗Ω≈200DZ),图6为等效回路。式中c——光速因此,对传感器电极处,信号输入U0与传感器响应输出U2的传递函数为计算所得到的传感器频率响应与实际测量结果相比较基本相同。圆板传感器频率响应在300MHz～3GHz范围内近似为一条上升的直线,即在超高频段保持线性;信号源频率越高,传感器增益越大,即圆板天线接收信号的能力越强。3.2圆板天线的频率响应特性研究表明,半径大小和引线长度对圆板天线频率响应有很大影响。当半径不断增大时,其频率响应曲线的形状发生了改变,由一条上升的直线变成了一条有波峰存在、上升直线和下降直线连接而成的曲线,波峰也不断向较低频率方向移动,如图7所示;在检测频段范围(目前检测频带宽度一般低于1GHz)内,圆板天线增益随其半径的增大而增大。因此,圆板半径越大,接收信号的能力越强。图8表明了在圆板半径一定时不同引线长度下的频率响应特性。引线长度对圆板天线频率响应有明显影响,当引线不断增长时,圆板天线频率响应曲线的形状发生了明显改变,由一条上升的直线变成了一条有波峰和波谷存在的曲线,波峰和波谷不断向较低频率方向移动;在1GHz频段范围内,圆板天线增益随引线的增长而上升。另外,从理论分析可知,圆板式传感器响应灵敏度太小,虽然增大圆板直径可以提高灵敏度,但为了不影响GIS工作电场,直径不能太大,为此,作者设计制作了圆环式内置传感器用于GIS局部放电检测(其频率响应特性优于内置圆板传感器,限于篇幅,参数计算和特性分析略),结构如图9所示。4局部放能量检测在实验室GIS模拟装置中,用圆板传感器和圆环传感器进行了局部放电脉冲信号实测。GIS模拟装置内充有0.5MPa的SF6与N2混合气体(体积比VSF6:VN2=4:1),模拟缺陷为固定在GIS内导体上的金属突出物,圆环传感器和圆板传感器轴向对称于缺陷,试验接线如图10所示。试验时,从电容分压器低压臂取工频信号,用于判断局部放电信号在工频上相位;传感器耦合信号经高频同轴电缆传输,不加任何前置放大器,由示波器(WavePro950)直接测量,分别检测局部放电的放电相位和一个局部放电脉冲信号的波形,实测局部放电信号如图11所示。图11a分别表示圆板和圆环两种传感器检测到的局部放电信号及工频相位,由图可见,两种传感器均能检测到出现在工频电压幅值处的局放信号,且在相同条件下圆环传感器感应放电脉冲信号的灵敏度比圆板传感器强。图11b记录了传感器对单个局部放电脉冲信号的反映,圆板传感器可以检测到陡度为2ns的局部放电脉冲信号,圆环传感器可以检测到陡度为1ns的局部放电脉冲信号。图11c分别为圆板检测系统和圆环检测系统检测到的局放脉冲信号100次的频谱平均波形。在没有进行信号放大的条件下,由局部放电的频谱可以看出,1GHz检测范围内均存在局部放电信号能量分布,但其能量主要分布在高频段(HF)及甚高频段(VHF),即在频率为3～300MHz范围内。由图11b、11c可以得出结论,圆环传感器在超高频段检测到的局放能量比圆板传感器更强,检测频带更宽。5传感器优化试验(1)根据天线理论,内置传感器不仅耦合波导内部的电磁波,也会接收安装处形成的缝隙天线所激发的电磁波。(2)为了提高检测频带的响应增益,可以增