gis局放檢測(cè)用超寬頻帶超高頻振子天線傳感器的研制

gis局放檢測(cè)用超寬頻帶超高頻振子天線傳感器的研制

0信號(hào)的獲取監(jiān)控gis局放的關(guān)鍵技術(shù)是先進(jìn)的頻率法，即先進(jìn)的頻率天線。傳感器的好壞直接影響信號(hào)的獲取。由于安裝內(nèi)置傳感器容易破壞GIS內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu),且國(guó)內(nèi)GIS產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒(méi)有內(nèi)置傳感器。本文研制了一種外置天線傳感器,用天線理論對(duì)該天線特性進(jìn)行了分析,在實(shí)驗(yàn)室模擬裝置上進(jìn)行了實(shí)測(cè),為實(shí)現(xiàn)GIS超高頻局放在線監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。1天線布置及原理要實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS局放的超高頻檢測(cè),重要的途徑是對(duì)局放產(chǎn)生的電磁波耦合,對(duì)這種耦合傳感器要求具有以下基本特性:(1)中心頻率在超高頻段,能避開(kāi)低頻干擾,駐波比<2的條件下頻帶盡量寬;(2)結(jié)構(gòu)尺寸靈巧,現(xiàn)場(chǎng)使用和安裝方便,能檢測(cè)到局放信號(hào);方向性良好。根據(jù)GIS現(xiàn)場(chǎng)條件和實(shí)際情況,設(shè)計(jì)一種寬頻帶超高頻外置天線傳感器,主要從兩方面考慮:(1)用于GIS的超高頻法檢測(cè)頻帶如較窄,會(huì)丟失大量的放電信息,使檢測(cè)靈敏度受到限制。文表明,局放脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比,用寬頻帶檢測(cè)有更高的靈敏度;(2)現(xiàn)場(chǎng)干擾源多,干擾信號(hào)幅值大,局放信號(hào)較弱,抑制干擾十分重要,變電站背景噪聲以及電暈干擾的頻率通常<200MHz,天線頻率取在超高頻段能避開(kāi)低頻干擾。天線分線天線和面天線,線天線中振子天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便、方向性好、效率高。但一般半波振子天線為窄帶天線。本文采用線天線的寬頻帶技術(shù),使其滿足超高頻檢測(cè)局放的頻帶要求。2在超寬頻帶中，振子天線傳感器的設(shè)計(jì)和分析2.1抗帶寬指標(biāo)的應(yīng)用要求天線的帶寬可用下式表示:B=2Δf/f0=((fmax-fmin)/f0)×100%?(1)式中,fmax、fmin分別為工作頻帶的上、下限頻率;f0為工作頻帶內(nèi)的中心頻率。天線的各項(xiàng)電指標(biāo)都隨頻率變化,因而天線帶寬取決于各項(xiàng)電指標(biāo)的頻率特性。實(shí)際工程應(yīng)用中,阻抗帶寬是最基本、實(shí)用性很強(qiáng)的電指標(biāo)。振子天線的輸入阻抗隨頻率而變化的劇烈程度主要取決于天線的特性阻抗。振子天線的特性阻抗取決于振子的線徑比(振子長(zhǎng)度與直徑之比)。所以,可使振子具有較大的截面來(lái)展寬天線帶寬。工程上可用下式估算天線的頻帶:B=2|1-2π|arctanΖ0√1-|Г|2|Г|RA?(2)式中,RA為天線饋線的電阻值;Г為頻帶邊緣給定的相對(duì)于中心頻率阻抗的最大反射系數(shù);Z0為對(duì)稱振子的平均特性阻抗。天線工程中,B<0.1為窄帶天線;B=0.1～0.6為寬帶天線;B>0.6為超寬頻帶天線。2.2振子天線及天線參數(shù)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的振子天線采用同軸天線結(jié)構(gòu),主要由輻射體、阻抗變換器、扼流裝置、天線加載等組成,見(jiàn)圖1。天線輻射體采用兩段空心金屬管,天線中間為阻抗變換器,根部為扼流套,天線上臂加載可調(diào)節(jié)附加阻抗。通常的半波對(duì)稱振子天線頻帶較窄,據(jù)式(2)及天線傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求,可估算出振子天線的線徑比。選用不對(duì)稱形式合理選擇兩輻射臂的大小,使其阻抗分別隨頻率向相反方向變化,可改善其阻抗頻帶特性,增加其頻帶寬度,使天線的尺寸比通常半波長(zhǎng)減少很多,實(shí)現(xiàn)天線的小型化。當(dāng)天線處于工作狀態(tài)時(shí),輻射臂接受輻射電磁波,電流沿輻射臂外表面?zhèn)鬏?扼流裝置使天線根部電流接近0。為展寬天線頻帶,運(yùn)用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法,采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在天線上臂引入可調(diào)節(jié)的附加阻抗(即天線加載)。附加阻抗實(shí)際上只有電抗分量,其變化正好和不對(duì)稱振子電抗部分相反,虛部互相抵消,從而展寬天線的帶寬。并利用阻抗變換器使其與射頻電纜匹配。2.3振子振動(dòng)的宏觀解析目前還沒(méi)有精確公式求解不對(duì)稱偶極子的輸入阻抗Z,但有些近似的求法。其中之一即“平均值”法:不對(duì)稱偶極子的Z可用其兩臂各自構(gòu)成的對(duì)稱振子Z取平均值求得:Ζ=(Ζ1+Ζ2)/2=R+jX?(3)式中,Z1、Z2分別為以不對(duì)稱振子兩臂各自構(gòu)成的對(duì)稱振子輸入阻抗。采用感應(yīng)電勢(shì)法對(duì)長(zhǎng)度為2l、直徑為2a的對(duì)稱振子天線進(jìn)行分析。首先作一封閉面,使它緊靠振子表面。這時(shí)Poynting矢量沿振子表面積分,所得功率的實(shí)部產(chǎn)生脫離振子電流和電荷的輻射場(chǎng);虛部受振子電流和電荷牽制,并與之一起形成不能分割的儲(chǔ)能場(chǎng)。圖2中對(duì)稱振子置于長(zhǎng)度為2L,半徑為X柱面的中心軸線上,在柱面上Poynting矢量的法向分量為:Sx=-EzΗ′φ/2；Sz=-ExΗ′φ/2(4)式中,H′φ為Hφ的共軛復(fù)量;Ex、Ez分別為x,z方向電場(chǎng)強(qiáng)度;Hφ為φ方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。將柱面與振子表面重合,即2L=2l,X=a。對(duì)稱振子兩臂上電流和電荷的分布對(duì)稱,所以Poynting矢量在柱面上下端面的積分和為0。因此,流出振子表面的功率為: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)為了求振子向周圍空間傳輸?shù)墓β?須求振子表面電場(chǎng)切向分量與電流共軛復(fù)量的乘積沿振子長(zhǎng)度的積分。通常認(rèn)為振子是由理想導(dǎo)體制成,這時(shí)除在振子兩臂間隙Δ中以外,振子表面的電場(chǎng)切向分量等于0。式(6)的積分應(yīng)在有外加電動(dòng)勢(shì)(激勵(lì)源的電動(dòng)勢(shì))的間隙Δ內(nèi)進(jìn)行。振子輻射功率看作是有耗雙線分布電阻的吸收功率,并假設(shè)電流為正弦分布,可得天線關(guān)于電流腹點(diǎn)的輻射阻抗為:Ζ∑=R∑+jX∑?(7)式中,其中:S1(x)=∫x01-cosvvdv?Ci(x)=lnx+C-S1(x)?Si(x)=∫x0sinvvdv?α、β、C分別為衰減常數(shù)、相移常數(shù)、歐拉常數(shù)。設(shè)天線損耗很小,輸入與輻射功率近似相等,以輸入端電流為參考點(diǎn)的輻射阻抗也是其輸入阻抗。根據(jù)以上公式可計(jì)算出天線的輸入阻抗,從而計(jì)算出反射系數(shù)與駐波比。2.4天氣形勢(shì)分析由于振子天線為全向性,所以只需計(jì)算出θ方向的電場(chǎng)。天線遠(yuǎn)區(qū)電流元輻射的電場(chǎng)表達(dá)式為:Eθ≈jZ0(kIΔλ/4πr)e-jkrsinθ,(8)式中,Z0為媒質(zhì)波阻抗;k為傳播系數(shù);I為電流;Δλ為電流元長(zhǎng)度;r為觀察點(diǎn)與電流元距離;θ為觀察點(diǎn)與電流元夾角。振子天線可看作只存在電流源的線性輻射體,因此,根據(jù)上式其遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)可表達(dá)為:Eθ=(-je-jkr/2λr)√μ/εΝθ=A′Νθ?(9)式中,μ為磁導(dǎo)率;ε為介電常數(shù);A′=(-je-jkr/2λr)√μ/ε;Nθ=Nxcosθcosue001φ+Nycosθsinue001φ-Nzsinθ。設(shè)忽略天線的損耗,則天線的方向性系數(shù)定義為:D=E2θ/E2平均。天線的增益g=Dη(D為方向系數(shù),η為效率)。3基于地震相位傳感器的參數(shù)計(jì)算和性能測(cè)試3.1天氣形勢(shì)分析根據(jù)分析,結(jié)合局放信號(hào)的特點(diǎn),對(duì)所研制的振子天線進(jìn)行理論分析和實(shí)測(cè)。由式(7)計(jì)算出對(duì)稱振子天線的Z再代入式(3)求出該振子天線的Z得到駐波比,用HP8720ET標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)駐波特性,計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,駐波比<2的頻帶為350～750MHz,中心頻率550MHz。據(jù)式(1),該振子天線相對(duì)帶寬達(dá)0.73,為超寬頻帶天線。從實(shí)測(cè)結(jié)果看,理論值與實(shí)測(cè)值基本吻合,實(shí)測(cè)值具有更寬的頻帶。兩者之間差異的主要原因有:(1)設(shè)計(jì)振子天線使用了可調(diào)節(jié)的加載阻抗,當(dāng)短路線接近λ/4或開(kāi)路線接近λ/2時(shí),電感、電容隨短截線長(zhǎng)度變化很大,有誤差,需調(diào)節(jié);(2)理論計(jì)算為無(wú)限自由空間,而實(shí)測(cè)受周圍物體的影響,導(dǎo)致兩者間有差異;(3)扼流裝置不完全保證天線根部的阻抗為∞,其電流并非為0,相當(dāng)于有一分布電容,并影響天線的輸入阻抗。3.2天線位置及誤差分析天線的方向圖用來(lái)描述電(磁)場(chǎng)強(qiáng)度在空間分布狀況,是三維立體圖。振子天線具有全向性,故只計(jì)算并測(cè)試了θ方向的方向圖。超高頻天線一般在測(cè)試場(chǎng)上進(jìn)行天線方向圖的測(cè)量,簡(jiǎn)單方便。此時(shí),輔助天線固定不動(dòng),待測(cè)天線以自身相位為中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)測(cè)結(jié)果與式(9)理論計(jì)算的方向圖基本一致(見(jiàn)圖4)。但該天線與對(duì)稱半波振子天線相比主瓣指向有一定偏移,主要是因?yàn)榧虞d短截線造成相位移的緣故。且實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值有偏差,原因分析為:(1)測(cè)量系統(tǒng)處于自由空間,受環(huán)境因素影響,測(cè)試場(chǎng)周圍物體的反射帶來(lái)誤差;(2)被測(cè)和輔助天線沒(méi)有精確對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生誤差;(3)測(cè)量時(shí)受饋線影響導(dǎo)致誤差。在開(kāi)闊空間環(huán)境中采用兩相同天線法測(cè)量天線增益,原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。L0=20ln(λ/4πR),(10)g=0.5(Pr-Pt-L2-L1-L0)。(11)由表1數(shù)據(jù),根據(jù)式(10)、(11)計(jì)算天線實(shí)際增益為1.39dB,而由g得的理論值為2.052dB。實(shí)測(cè)值<理論值,誤差分析為:①測(cè)量?jī)x器本身產(chǎn)生的誤差;②測(cè)量采用相同天線法,但兩根天線并非完全相同;③收發(fā)天線最大輻射方向未完全對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)的誤差;④近場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生誤差。4高頻天然傳感器的模擬試驗(yàn)4.1前置振子天線檢測(cè)研制的超高頻GIS局放測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖5,GIS模擬裝置內(nèi)充0.5MPaSF6,內(nèi)置環(huán)形傳感器與外置振子天線兩個(gè)檢測(cè)單元。內(nèi)置環(huán)形傳感器檢測(cè)的局放信號(hào)作為外置振子天線傳感器的參照。內(nèi)電極上設(shè)置金屬凸起模擬缺陷,用模擬帶寬1GHz采樣頻率16GHz的WavePro950數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄測(cè)量波形。4.2測(cè)設(shè)置管口局限圖6上方為內(nèi)置環(huán)形傳感器所測(cè)局放波形,下方為振子天線傳感器所測(cè)波形。由于內(nèi)置環(huán)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)沒(méi)考慮超高頻段的阻抗匹配,信號(hào)在超高頻段損失較大,而外置天線傳感器處于一個(gè)開(kāi)放的測(cè)量環(huán)境中且該天線為一超寬頻帶天線,因此耦合的信號(hào)較豐富,檢測(cè)的局放信號(hào)幅值比內(nèi)置傳感器大,但信噪比內(nèi)置傳感器低。圖7為振子天線傳感器在2.5個(gè)