gis局部放电检测非频变超宽带天线设计

gis局部放电检测非频变超宽带天线设计

随着gis的广泛应用，尽管gis非常可靠，但在制造和安装过程中，gis内部不可避免地存在小的缺陷。例如，固定凸、自由金属颗粒和绝缘间隙等。在传统的实验过程中，这些小缺陷很难找到。如果它们被运动起来，它们将发展成为一个危险的放电通道，并将最终导致事故。局部放电试验是评估gis绝缘状况的好方法。它可以遇到设备的绝缘缺陷，这对预防事故和发现早期潜在危险非常重要。目前,测量局部放电的方法有光电法、化学气体分析法、声测法和耦合电容法等,由于受灵敏度和设备运行情况的限制,这几种方法在实际中难以推广.超高频法可以有效地避开电力系统的电晕和广播电视无线电干扰,灵敏度高,可实现定位,适合于现场在线检测.本文根据GIS局部放电脉冲所激发的电磁波特征,设计出超宽带传感器,建立了外部传感器超高频GIS局部放电检测系统,并利用该系统对所建立的固定微粒局部放电模型进行局部放电源的精确定位.研究结果对于研制GIS局部放电检测系统具有一定的意义.1超高频局部放电检测原理在GIS内发生局部放电时,伴随有一个很陡的电流脉冲(约几个纳秒),并向周围辐射电磁波,电磁波的频率高达3GHz.GIS就相当于不同特性阻抗的低损同轴传输线的串联,并具有许多不连续点,局部放电所产生的电磁波在其中传播时,不仅以横向电磁波(TEM)形式传波,而且还会建立高次模波即横电波(TE)和横磁波(TM).TEM波为非色散波,磁场是沿圆周方向的,它可以任何频率在GIS中传播,但频率越高,衰减越快.TE波及TM波则不同,只有当信号频率高于截止频率时,电磁波才能传播,因此从故障诊断角度来看,TE波与TM波更为重要.GIS的同轴结构相当于一个良好的波导,信号在其内部传播时衰减很小,有利于局部放电检测.超高频局部放电检测就是利用传感器接收局部放电所激发的电磁波,并对此电磁波进行分析,实现故障定位,进而提取各类局部放电的特征值,建立局部放电特征参数指纹库来进行模式识别.2局部定位功能用于UHF法的传感器有两类:一类是装设在GIS内部,这类传感器一般为电容式探头;另一类采用外部天线.若将传感器安装在GIS内部,则内部电磁信号易于接收而且外部干扰几乎被完全屏蔽,灵敏度很高.但是,由于GIS内部具有很高的电压和气压,GIS内部引入传感器可能会改变内部电场分布,引起击穿,这就对GIS的制造提出了严格的要求.由于GIS金属外壳的绝缘缝隙处可泄露出局部放电所激发的高频电磁波,所以也可采用外部天线对其进行检测.与内部传感器法相比,外部天线法的抗干扰能力和灵敏度较低,但它不改变内部电场分布和不影响密封系统,移动方便,在比内部传感器数目少的情况下可实现局部放电源的定位,对已投运的GIS可以实现在线检测.由于GIS局部放电脉冲所激发的电磁波的频带较宽,为了获得比较丰富的信息,本文采用超宽带双臂平面等角螺旋天线作为外部传感器.该天线在一定带宽范围内具有非频变特性,在宽频带很容易实现天线和传输线的阻抗匹配,避免了波形畸变.平面等角螺旋天线是指具有螺线形状的金属导体位于同一平面构成的天线,双臂平面等角螺旋天线的结构如图1斜线部分所示.螺旋线的极坐标系方程为ρ=ρ0eαφ(1)ρ=ρ0eαφ(1)式中:ρ为极径;ρ0为起始极径,即φ=0°时的ρ值;α为螺旋率,即螺线的紧密程度;φ为极角.这种天线是由4条具有相同螺旋率α的等角螺旋线组成,天线一个臂的边是由螺线方程ρ1=ρ0eαφ和ρ2=ρ0eα(φ-δ)的曲线构成.天线的另一臂相当于前一臂绕定轴旋转半圈,与前一臂形成对称形状,它的边是由螺线方程ρ3=ρ0eα(φ-π)和ρ4=ρ0eα(φ-δ-π)的曲线构成.本文设计的双臂平面等角螺旋天线的螺旋率α为0.221,δ取π/2,取一圈半螺旋.这种天线为自补结构,在一定频带范围内可以近似认为它具有非频变天线的特性,理论输入阻抗值为188.5Ω.用50Ω同轴线馈电时,为了实现不平衡到平衡的转变,天线两臂采用无限巴伦结构进行阻抗匹配.具体作法是将同轴馈电装置沿螺线的一臂焊好,这样在天线的扩展方向没有辐射.这个螺旋在工作区的结构上将不激起电流,此时同轴线外导体成为天线的一部分.为了对称,在另一臂上也焊一根假同轴线.设计的平面等角螺旋天线的技术参数如表1所示.3在线局部放电源的定位对于庞大的GIS设备,仅检测出其内部有局部放电是不够的,将整个GIS打开进行维修,寻找局部放电源,既不经济,也不合理.为了减少不必要的人力和物力的浪费,本文采用两种方法实现在线局部放电源的定位.3.1es外部距利用超高频电磁波信号在传播过程衰减的原理,将外部可移动传感器放在GIS外部距GIS母线不等距离的位置,比较各传感器接收的信号幅值,信号大的传感器靠近局部放电源的位置.其缺点是只能对局部放电源位置进行大致的定位,不能精确定位,而且必须要信号有明显的衰减特征,才能使用.3.2传感器时间差局部放电源的定位原理电磁波在传播过程中,对于不同的传感器而言,接收到局部放电信号的时间是不一样的.双传感器时间差局部放电源的定位原理是在GIS发生局部放电的气室两端放置两个传感器,观察两传感器所接收的信号之间是否有时间差,有则可以计算局部放电源的位置,没有则改变其中一个天线与GIS外壳的距离,直到有明显的时间差为止,然后计算局部放电源的位置.3.3实验结果及误差定位GIS中的电场一般近似为均匀电场,在实验室内用同轴结构模拟实际的GIS母线段,模拟装置如图2所示.该装置正中为一表面光滑的铝合金电极,外壳由两种不同材料组成,中部为一个较厚的铝合金圆筒,其两端均为有机玻璃圆筒.在实验中,铝合金外壳接地,并从微粒注入口放一固定微粒,而中心铝合金电极(母线)经水电阻接实验变压器输出端.外部传感器超高频法GIS局部放电检测系统结构框图如图3所示,是由宽带天线、宽带放大器、数字存储示波器、IEEE488接口和计算机组成.本文所有实验均在屏蔽实验室进行,实验用电源通过隔离变压器以保证电源质量,信号传输线使用双屏蔽电缆,宽带放大器在300～1600MHz的增益大于25dB,采用54820A示波器,采样率为2GSa/s,带宽为500MHz.按本文3.1节所述,将两天线布置在距GIS外壳不等距离处,近距离实验结果如图4所示.实验结果表明,局部放电源距离2号传感器的位置较近,这与模拟局部放电源的位置一致.按本文3.2节所述,将两天线布置在模拟装置一端的两侧距GIS外壳不等距离处,测量局部放电信号,具体实验及时间差定位计算方法如图5所示.由图5可得以下等式x21=l2+a21(2)x22=l2+a22(3)x1−x2=Δx(4)Δx=Δtc(5)x12=l2+a12(2)x22=l2+a22(3)x1-x2=Δx(4)Δx=Δtc(5)由式(2)～式(5)计算得l=((a21−Δx2−a22)24Δx2−a22)1/2(a1≠a2)(6)l=((a12-Δx2-a22)24Δx2-a22)1/2(a1≠a2)(6)实验数据为a1=0.470m,a2=0.270m,Δt=0.587ns,l=0.16m,c为电磁波传播速率(近似取光速).计算结果为l=0.192m,误差为0.032m.GIS内局部放电源的定位,可以利用峰-峰值法和双传感器时间差法测量GIS局部放电源的位置.由于实验模型相对实际设备尺寸较小,距离测量误差相对较大,以及两天线之间存在着差异,这些因素影响实验结果误差.因此,以后将尽量减小各种误差的影响,对实际的GIS装置进行实验,并进行各类故障的识别.4模拟系统检测(1)GIS的结构有利于