基于强方向天线的局部放电特高频快速巡检和定位

基于强方向天线的局部放电特高频快速巡检和定位

0局放定位理念局部负载（局部负载）是发现高压设备潜在缺陷最灵活、最有效的一项技术。其中特高频(UHF)法将局部放电在空间激发的特高频(0.3~3GHz)电磁波作为检测信号,可避开电力系统及外界的大部分干扰,能够检测出电力设备中是否存在缺陷,现已广泛应用于电力变压器、GIS、电力电缆等高压电气设备的局放检测［１］。在局放检测领域,现在普遍采用的特高频检测装置一个共性的缺点是便携性差、测试效率低、操作复杂且价格昂贵。行业内默认的一个共识是:现场仅有少数具有专家经验的高水平测试人员能够有效利用该技术进行检测和诊断,不适合现场大量设备的快速普查。此外,设备内局放的定位,一般是将传感器贴覆在GIS绝缘子、电缆终端的表面,来比较各泄露点处放电幅值的大小,确定放电的可能位置,在设备较大、检测点较多时具有很大的盲目性,尤其是对于大型GIS,还需现场人员攀爬,存在极大的不便。而对于变电站内设备外部绝缘薄弱点的放电,因传感器的方向性不强,根本无法通过单个传感器进行简单有效的定位。上海交通大学通过在站内安装一组超宽带特高频传感器阵列,接收局部放电发出的电磁波信号,实现对全站设备的局部放电监测和预警［２－３］。国外有研究通过将4台盘锥天线布置在设备车上的方法(如图1所示),通过车内的计算机工作站,进行变电站内的局放检测与定位［４］。此类方法设备冗杂、耗资巨大,实用性还有待认可,难以在国内推广使用。本文针对上述问题,提出了一个新的局放定位理念,即基于强方向性天线来实现快速巡检和定位。它模拟人耳的听音辨声过程,类似探雷器的使用,通过报警声随方位移动的强弱或频率变化,一步步接近放电位置。基于此理念,可以通过天线指示方向与检测距离的调整,来进行局放位置的识别。而高增益与强方向性正是该理念的技术核心。传统的特高频天线不具备良好的方向性,而有良好方向性的双脊喇叭天线,却又体积过大,且极化方式为线极化,无法满足在变电站内搜索空间局放信号的要求。因此,需要研制一款小型的圆极化定向天线,用于局放信号的探测与定位。1设计与优化垂直面1.1阿基米德平面螺旋天线局部放电检测实例为了使特高频传感器能较好地检测到局部放电所激发的电磁波信号,要求特高频传感器满足以下要求:①中心频率在特高频段,能避开低频干扰;②具有较高的增益和灵敏度,驻波比<2的条件下频带尽量宽［５］;③结构尺寸灵巧,现场使用方便。目前,双臂阿基米德平面螺旋天线已在局部放电检测领域得到了较好的应用［６－７］;有研究者采用倒锥状天线对油中的局部放电进行了测量,得到了较好的结果［８－１０］;文献对圆板形和圆环形两种内置传感器进行了探讨,验证了其应用于GIS的局部放电检测的可行性。由于UHF信号分布在300MHz到3GHz的宽频带内,一般采用宽频带天线来作为传感器,获取尽可能丰富的UHF信号。常见的宽频带天线有平面等角螺旋天线、圆锥等角螺旋天线、阿基米德平面螺旋天线、对数周期天线等。此外因柱螺旋天线属于行波天线且具有宽频带的特性,本文选取柱螺旋天线与阿基米德平面螺旋天线作为定向天线进行研究。1.2轴向时相位差的计算柱螺旋天线,也叫轴向模螺旋天线,其结构如图2所示,图中d为螺旋的直径,h为螺距,l为螺旋一圈的周长,θ为螺距角,它们之间的关系为柱螺旋天线的特性决定于螺旋直径与波长的比值d/λ。实验证明,当螺旋天线一圈的周长约为一个波长时,螺旋导线上的电流主要是沿导线传播的行波,即当d/λ=0.25~0.45时,天线沿轴线方向有最大辐射,并在轴线方向产生圆极化波。如果相邻两圈对应线元在轴向所产生的相位差为2π,则多圈螺旋天线各圈的辐射场在轴向同相叠加,可以在轴向获得比单圈螺旋天线大得多的增益。若把N圈螺旋天线看成N个相似环组成的端射天线阵,则最大的方向系数要求第一圈和最后一圈产生的远场相位差等于π,以上条件可写成式中:λ为波长;ξ为电流沿螺旋线传播的相速与光速之比,一般情况下ξ=0.7~1.0;(2π/λ)ｈ是当相邻两圈对应线元上的电流同相时轴向辐射场的相位差;是这些线元上电流的相位差所引起的场的相位差。由此可得在轴向产生最大圆极化辐射时螺旋螺距h和每圈周长l之间的关系［１２］:为尽可能减小天线体积,达到便携检测的目的,这里以3GHz的设计频率,即λ=100mm计算,设计柱螺旋天线的直径为30mm,螺距23mm,圈数8圈。下文将通过设计背腔结构,加强方向性的同时,可大大加强天线对较低频段的接收性能。阿基米德平面螺旋天线是由两条阿基米德螺旋线构成的天线,金属螺旋线的宽度等于两条螺旋线间的间隔宽度,以形成自互补天线,如图3所示。根据几何关系容易证明,当螺旋半径近似为λ/2π时,天线两臂上相邻两点的电流几乎是同相的［１２］。这样的电流在螺旋平面的法向方向形成最强的辐射。阿基米德螺旋天线的辐射是双向的,为实现单向接收,可设置反射腔或者反射板,但这样会减小天线的带宽,具体性能须通过仿真和实测来确定。1.3天线模型仿真通信领域应用的小型化特高频天线的谐振频率通常高达数吉乃至数十吉赫兹［１３］,超出了特高频范畴。为此,以背腔结构设计天线,不但以较小的尺寸实现了合适的谐振频率,而且大大增强了方向性。通过CST微波工作室仿真,比较天线在不同背腔结构下的辐射特性,从而得到优化的背腔结构。天线的背腔根据是否填充吸收材料可分为吸收型背腔和反射型背腔。吸收型背腔是将螺旋天线双向方向图中的一侧吸收掉,同时还对另一侧的增益略有降低,由于吸收材料工作频带宽,故吸收型背腔天线具有很宽的工作频带;反射型背腔则是将一侧的方向图通过反射,叠加到另一侧去,这样天线在获得单向接收特性的同时还提高了增益。本文采用反射型背腔。背腔结构以圆柱腔、锥形腔及抛物面腔较为常见。圆柱腔因为其反射面仅为一背板,对方向性的优化效果不如后两者。但同种类型的背腔,结构参数不同,方向特性也存在较大差异。为获得最优的背腔结构,在限定背腔口径的前提下,给予圆锥腔不同的圆锥角以及抛物面腔不同的参数,通过大量的CST仿真,获得天线的远场特性,得到方向图与方向系数,从而确定最优的背腔形状。图4是两种背腔模型,表1是2GHz下的几个柱螺旋天线背腔结构的仿真结果比较。通过仿真可知,锥形腔的圆锥角为90°时方向性最好,当圆锥角过大时因受天线口径的限制,背腔深度大幅减小,从而类似成平板结构,方向性降低。而当换成抛物面的背腔时,天线的方向性进一步优化,当抛物面的口径为230mm,深度为100mm时,天线的方向系数最高,达到13.41dBi。这种强方向性抛物面背腔天线,下文简称为聚束天线。通过以上仿真研究,设计背腔结构为口径230mm,深度100mm的抛物面形状。柱螺旋天线的螺距为23mm,直径30mm,圈数8圈;阿基米德平面螺旋天线螺距为0.8mm,底板直径130mm,增长率为0.3,圈数为32。图5为这两种聚束天线的实物图。2图的方向，稀疏和驻波比2.1天线方向图和实际增益凡场点所在的距离远大于天线尺寸和波长时,场波瓣图的形状就与距离无关,通常认为这类波瓣图符合远场条件。CST仿真远场区立体方向图如图6~8所示。当柱螺旋天线工作在轴向模主模时,它为单向接收天线,接收方向为从射频接头到螺旋线终端前进的方向。柱螺旋天线带有一个反射底板,这能为天线提供良好的阻抗匹配特性,同时还能减小天线方向图的后瓣。为其添加背腔后,能有效压窄天线的方向图主瓣,提高天线增益。当工作频率远低于设计频率时,柱螺旋天线工作于法向模状态下,其接收方向垂直于轴向模,并且为方位面全向(类似于偶极子天线),而反射面尺寸相对于波长太小,无法起到有效的反射作用,故方向图仍然与偶极子类似,如图6(a)方向图所示。而阿基米德聚束天线,由于其抛物面反射腔的反射面到螺旋的距离随螺旋工作区域的变换而变化,因此能够获得更宽的工作频带。实际增益(realizedgain)gｒｅ是指计及理论增益gｔｈ及反射功率和馈线损耗在内的天线增益,可表示为微波网络理论中定义,二端口网络的参数S１１是端口2完全匹配时端口1的反射系数(反射波与入射波之比),故单口馈电天线的S１１参数可表示反射损耗［１４］。两种天线在0.5~3GHz的实际增益仿真如表2所示。随着频率的提高,远场区辐射性能增强,有显著的提高。可以看出,柱螺旋聚束天线在频率1.5GHz以上时才勉强达到特高频传感器的增益要求,而阿基米德聚束天线在1GHz以上都拥有良好的增益。2.2uhf信号能量柱螺旋聚束天线与阿基米德聚束天线的实测增益曲线如图9所示,柱螺旋聚束天线在局部放电UHF信号能量主要集中的2GHz以下频段,增益有明显下降。利用网络分析仪测量天线的驻波比。因柱螺旋天线并非非频变天线,这里只给出带阿基米德聚束天线的驻波比曲线。由图10可见,阿基米德聚束天线在1.2GHz以上频段拥有小于2的驻波比,阻抗匹配良好。3天然福义性能的实验室验证3.1天线及环境噪声测量利用信号发生器产生0.3ns上升沿的陡脉冲,模拟局部放电的UHF信号,将柱螺旋聚束天线与阿基米德聚束天线分别作为传感器来接收信号,用高速数字示波器(LeCroyOscilloscope204Xi-A,带宽2GHz,最大采样率10GS/s)记录波形与脉冲幅值。天线对准脉冲源后固定不动,保持两者间的距离2m不变,横向移动脉冲源按图11轨迹,变化天线的接收角度,测量脉冲幅值随接收角度的变化如图12所示。环境噪声约为3.7mV。在天线领域,多用半功率波束宽度(HPBW)来定义天线的方向性。半功率波束宽度是指在最大辐射方向两侧,辐射功率下降3dB的两个方向的夹角。对图12插值计算得到偏角19°,即波束宽度为38°,同样得到阿基米德聚束天线的波束宽度为36°,可见两者方向性上并无太多差别,但阿基米德聚束天线的增益要高于柱螺旋天线。3.2天线接收性能与距离的关系此外,在试验大厅布置尖刺放电如图13所示,在导杆上设置金属尖刺模拟缺陷,用数字存储示波器记录测量波形。天线距离放电源2m处测得的脉冲波形如图14所示。调整天线正对尖刺的距离,记录示波器显示的脉冲峰值。由表3可知,阿基米德聚束天线的接收性能随距离变化更加敏感。显然,天线对距离变化越敏感,越有助于本文设计的聚束天线通过指向、距离的控制,来实现变电站内局部放电的定位。4辐射特性对比变电站内的局部放电,可以借鉴人耳的听音辨声过程,依靠强方向性天线,通过指向与方位的移动寻找放电位置。本文通过CST仿真对背腔结构进行最优化