gis局部放電檢測(cè)用矩形平面螺旋天線傳感器設(shè)計(jì)

gis局部放電檢測(cè)用矩形平面螺旋天線傳感器設(shè)計(jì)

0外來(lái)電路監(jiān)測(cè)或放電局部放炮信號(hào)作為一個(gè)重要的指標(biāo)，在gis的絕緣性能方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。其主要的電監(jiān)測(cè)法分別為脈沖電流法與超高頻(UHF)法,超高頻法利用安裝在GIS盆式絕緣子處的內(nèi)置或外置傳感器,接收由PD激發(fā)的電磁波中300~3000MHz的信號(hào),來(lái)評(píng)價(jià)局部放電的情況,可有效避開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)的諸多干擾信號(hào),具有頻率高、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),適于在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)UHF信號(hào)進(jìn)行分析,不僅能判斷GIS中是否存在絕緣缺陷,而且能對(duì)絕緣故障的發(fā)生及嚴(yán)重程度做出正確評(píng)價(jià)。目前監(jiān)測(cè)GIS局部放電的天線傳感器主要分為兩種,即內(nèi)置傳感器與外置傳感器。內(nèi)置傳感器置于GIS內(nèi)部,必須在GIS設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)便考慮在內(nèi),以求對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)無(wú)附加影響,其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、檢測(cè)效果好、抗干擾能力強(qiáng)。外置傳感器主要用于現(xiàn)場(chǎng)已投運(yùn)的不自帶內(nèi)置傳感器的GIS設(shè)備,主要安裝于盆式絕緣子處,通過(guò)采集泄漏出的局部放電信號(hào)電磁波來(lái)對(duì)GIS的絕緣狀況進(jìn)行檢測(cè),其優(yōu)點(diǎn)是不影響設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)、安裝維護(hù)方便等。為適用于超高頻檢測(cè)法的開(kāi)展,滿足小型化、寬頻帶的發(fā)展趨勢(shì),兼顧傳感器的帶寬和增益,以求接收更多的局部放電信號(hào),本文研制了一種用于檢測(cè)GIS局部放電的外置超高頻傳感器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,寬頻帶,便于安裝的特點(diǎn),并對(duì)其參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析,可有效檢測(cè)超高頻信號(hào),滿足GIS設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)要求。1平面等角螺旋天線螺旋天線(helicalantenna)是用導(dǎo)電性良好的金屬做成的具有螺旋形狀的天線。螺旋天線具有圓極化,波束寬度寬的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛在衛(wèi)星通訊及個(gè)人移動(dòng)通信中。螺旋天線按其結(jié)構(gòu)形式可分為立體螺旋天線和平面螺旋天線。立體螺旋天線根據(jù)繞成的形狀的不同,又可分成圓柱形螺旋天線、圓錐形螺旋天線等,如圖1所示。平面螺旋天線分為等角和Archimedes螺旋天線。在結(jié)構(gòu)上有單壁,雙臂,四臂之分。Archimedes螺旋天線的螺旋半徑隨幅角的增加均勻增加,其曲線方程為式中:r0是初始半徑;a是螺旋增加率;φ是幅角,單位為弧度。以雙臂Archimedes螺旋天線為例,示意圖如圖2(a)所示。該天線一般在螺旋面的中心起始端兩點(diǎn)采用平衡饋電,而主要輻射區(qū)域是集中在平均周長(zhǎng)為1個(gè)波長(zhǎng)的環(huán)帶上,也稱有效輻射區(qū)。當(dāng)頻率改變時(shí),有效輻射區(qū)隨之改變,但輻射方向圖基本不變。而當(dāng)有效輻射區(qū)為天線的最外圈區(qū)域時(shí),其頻率即為天線的最低工作頻率。對(duì)于圓形螺旋面,周長(zhǎng)C=π×D=λmax,則可得天線外徑平面Archimedes螺旋天線自20世紀(jì)50年代被提出以來(lái),由于其寬頻帶、圓極化、低剖面等特性,得到越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用。平面等角螺旋的曲線方程為式中:φ0為螺旋天線的初始角;r0是與φ0相對(duì)應(yīng)的矢徑;α為螺旋增加率。平面等角螺旋天線如圖2(b)所示。螺旋線可近似等效為雙線傳輸線,根據(jù)傳輸線理論,兩根傳輸線上的電流反相,當(dāng)兩線之間的間距很小時(shí),傳輸線不產(chǎn)生輻射。當(dāng)螺旋線外徑達(dá)到波長(zhǎng)時(shí),在圖中分別用虛線和實(shí)線表示這兩個(gè)臂。以圖3簡(jiǎn)化模型研究圖中P、P′點(diǎn)處的兩線,設(shè),即P和Q為兩臂上的對(duì)應(yīng)點(diǎn),對(duì)應(yīng)線段上的電流相位差為式中:λ是輻射頻率波長(zhǎng);r是螺旋天線半徑。當(dāng)螺旋線周長(zhǎng)近似為輻射頻率波長(zhǎng)時(shí),對(duì)應(yīng)線段上的電流相位差為2π,相位增強(qiáng),天線向外輻射。2矩形平面螺旋天線特征2.1天線結(jié)構(gòu)1archi面臨螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由于矩形螺旋結(jié)構(gòu)作為Archimedes螺旋結(jié)構(gòu)的變形,不僅具有Archimedes螺旋結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)點(diǎn)外,而且其構(gòu)造更簡(jiǎn)單,空間利用率更高。故本文所設(shè)計(jì)的螺旋天線采用平面矩形螺旋結(jié)構(gòu),既便于生產(chǎn)制造,又可有效減小天線尺寸與重量。2前置超高頻傳感器的結(jié)構(gòu)平面螺旋天線具有頻帶寬、體積小、主瓣寬、圓極化等特點(diǎn),為法向雙向輻射,但在實(shí)際應(yīng)用中,要求天線具有單向輻射特性,故本文所設(shè)計(jì)的外置超高頻傳感器的結(jié)構(gòu)為半封閉式矩形平面螺旋天線,除接收面外,其他面采用金屬屏蔽腔進(jìn)行屏蔽,并加反射腔,然后填充吸波材料以保持螺旋天線的寬頻帶特性。3蝶形金屬振子天線的應(yīng)用為增加帶寬,螺旋線終端采用蝶形振子加載方式(見(jiàn)圖4)來(lái)減小螺旋線外圍的傳輸損耗。蝶形天線剖面低,重量輕、安裝方便。決定其性能的兩個(gè)主要因素為其張角θ0和臂長(zhǎng)l(見(jiàn)圖5),其工作頻帶隨著張角θ0的增大而變寬。而為了實(shí)現(xiàn)天線的小型化要求,蝶形振子的張角不宜過(guò)大。另一重要的參量l,蝶形金屬振子的臂長(zhǎng),其決定天線輸入阻抗帶寬低端頻率,天線的低頻輻射性能隨著臂長(zhǎng)l的增大而改善,對(duì)于工作信號(hào)是高斯脈沖的天線來(lái)說(shuō)其輻射波形的保真度就會(huì)越高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,低端頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與蝶形天線臂長(zhǎng)l之間有如下關(guān)系式中:λ1為天線輸入阻抗帶寬的低端頻率相應(yīng)波長(zhǎng);Zc為特性阻抗,由下式給出蝶形天線和等角螺旋天線都是寬帶天線,采取寬帶天線的加載方式后,即可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配,又減小了傳輸損耗,從而改善了天線的輻射特性。本文所設(shè)計(jì)的矩形螺旋天線實(shí)物圖如圖6所示,其天線尺寸為132mm×85mm×50mm,質(zhì)量為278g。2.2接收性能分析工程上常用駐波比(VSWR)表明天線的阻抗與傳輸線阻抗的失配程度。駐波比是行波系數(shù)的倒數(shù),其值在1到無(wú)窮大之間,對(duì)天線進(jìn)行仿真所得的駐波比曲線如圖7所示,從圖中可以看出,在1.6~2.2GHz,2.3~3GHz的范圍內(nèi)其VSWR<2,具有較寬的頻率范圍。一般情況下,天線的阻抗值未知,可以用實(shí)測(cè)的電壓駐波比計(jì)算得到,并用VSWR計(jì)算出反射系數(shù)的模。實(shí)測(cè)的駐波比如圖8所示,測(cè)試結(jié)果顯示,在1.1~1.6GHz,1.85~2.75GHz,2.85~3GHz等頻段駐波比<2,接收性能良好。1GHz以下頻段駐波特性較差,不能較好的接收信號(hào)。圖7和圖8對(duì)比,可以看出仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。2.3增益的變化對(duì)天線增益的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1所示,隨著頻率的升高,增益總體呈逐漸變大的趨勢(shì)。在3000MHz時(shí),其增益可達(dá)到11.7dB,在最低頻點(diǎn)增益最低,為-36dB。2.4頻點(diǎn)實(shí)測(cè)方向由于螺旋天線具有軸向的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,故只測(cè)試了500MHz到3GHz水平面的圓極化方向圖,各頻點(diǎn)實(shí)測(cè)方向圖見(jiàn)圖9所示,其相應(yīng)參數(shù)如表2所示?？梢钥闯?隨著頻率的升高,該天線的增益有升高的趨勢(shì),同時(shí)該天線在全頻段實(shí)現(xiàn)了較好的定向輻射特性。主瓣寬度為主瓣中輻射功率為最大值一半時(shí)2個(gè)矢徑間的夾角,可用于表示天線功率輻射擊集中程度,主瓣寬度越小,方向圖越尖銳,表示天線輻射越集中。3微帶麻黃天線的信號(hào)特性為驗(yàn)證新型螺線天線的增益特性,采用在GIS針板缺陷裝置進(jìn)行局部放電實(shí)驗(yàn),將新型平面螺旋天線所采集到局部放電信號(hào)與微帶貼片天線(如圖10所示)進(jìn)行對(duì)比研究。使用泰克數(shù)字示波器(TektronixOscilloscope7104,帶寬1GHz,最大采樣率20GHz)采集局部放電信號(hào)波形。微帶貼片天線頻帶340~440MHz,實(shí)測(cè)最大增益5.38dB,尺寸為261mm×142mm×112mm,質(zhì)量為1040g。從外觀可以看出,矩形螺旋天線尺寸相比微帶貼片天線小得多,相當(dāng)于其1/7大小,而重量相當(dāng)于其1/3左右,具有顯著的小型化、輕型化特點(diǎn),安裝更為方便。當(dāng)對(duì)GIS缺陷模型加壓至9kV時(shí),同時(shí)用兩種外置傳感器接收到的PD信號(hào)波形如圖11所示,其中矩形平面螺旋天線的實(shí)測(cè)信號(hào),最大幅值為10mV;微帶貼片天線測(cè)得的信號(hào)最大幅值18mV。螺旋天線測(cè)得的信號(hào)衰減較快,原因是由于其頻帶比微帶天線寬,可接收UHF信號(hào)中更多頻帶的能量,電磁波折反射的能量較小。然而由于其體積較微帶天線小,在1GHz以下的增益不如微帶天線,故試驗(yàn)接收到的UHF信號(hào)幅值也相對(duì)較低,不過(guò)也可滿足UHF信號(hào)檢測(cè)要求。4新型面螺旋天線結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)矩形平面螺旋天線進(jìn)行分析和仿真計(jì)算,測(cè)試了該天線的輻射特性。與微帶貼片天線的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出如下結(jié)論:1)矩形平面螺旋天線結(jié)構(gòu)尺寸比微帶貼片