基于強方向天線的局部放電特高頻快速巡檢和定位

基于強方向天線的局部放電特高頻快速巡檢和定位

0局放定位理念局部負載（局部負載）是發(fā)現(xiàn)高壓設備潛在缺陷最靈活、最有效的一項技術。其中特高頻(UHF)法將局部放電在空間激發(fā)的特高頻(0.3~3GHz)電磁波作為檢測信號,可避開電力系統(tǒng)及外界的大部分干擾,能夠檢測出電力設備中是否存在缺陷,現(xiàn)已廣泛應用于電力變壓器、GIS、電力電纜等高壓電氣設備的局放檢測［１］。在局放檢測領域,現(xiàn)在普遍采用的特高頻檢測裝置一個共性的缺點是便攜性差、測試效率低、操作復雜且價格昂貴。行業(yè)內默認的一個共識是:現(xiàn)場僅有少數(shù)具有專家經驗的高水平測試人員能夠有效利用該技術進行檢測和診斷,不適合現(xiàn)場大量設備的快速普查。此外,設備內局放的定位,一般是將傳感器貼覆在GIS絕緣子、電纜終端的表面,來比較各泄露點處放電幅值的大小,確定放電的可能位置,在設備較大、檢測點較多時具有很大的盲目性,尤其是對于大型GIS,還需現(xiàn)場人員攀爬,存在極大的不便。而對于變電站內設備外部絕緣薄弱點的放電,因傳感器的方向性不強,根本無法通過單個傳感器進行簡單有效的定位。上海交通大學通過在站內安裝一組超寬帶特高頻傳感器陣列,接收局部放電發(fā)出的電磁波信號,實現(xiàn)對全站設備的局部放電監(jiān)測和預警［２－３］。國外有研究通過將4臺盤錐天線布置在設備車上的方法(如圖1所示),通過車內的計算機工作站,進行變電站內的局放檢測與定位［４］。此類方法設備冗雜、耗資巨大,實用性還有待認可,難以在國內推廣使用。本文針對上述問題,提出了一個新的局放定位理念,即基于強方向性天線來實現(xiàn)快速巡檢和定位。它模擬人耳的聽音辨聲過程,類似探雷器的使用,通過報警聲隨方位移動的強弱或頻率變化,一步步接近放電位置?；诖死砟?可以通過天線指示方向與檢測距離的調整,來進行局放位置的識別。而高增益與強方向性正是該理念的技術核心。傳統(tǒng)的特高頻天線不具備良好的方向性,而有良好方向性的雙脊喇叭天線,卻又體積過大,且極化方式為線極化,無法滿足在變電站內搜索空間局放信號的要求。因此,需要研制一款小型的圓極化定向天線,用于局放信號的探測與定位。1設計與優(yōu)化垂直面1.1阿基米德平面螺旋天線局部放電檢測實例為了使特高頻傳感器能較好地檢測到局部放電所激發(fā)的電磁波信號,要求特高頻傳感器滿足以下要求:①中心頻率在特高頻段,能避開低頻干擾;②具有較高的增益和靈敏度,駐波比<2的條件下頻帶盡量寬［５］;③結構尺寸靈巧,現(xiàn)場使用方便。目前,雙臂阿基米德平面螺旋天線已在局部放電檢測領域得到了較好的應用［６－７］;有研究者采用倒錐狀天線對油中的局部放電進行了測量,得到了較好的結果［８－１０］;文獻對圓板形和圓環(huán)形兩種內置傳感器進行了探討,驗證了其應用于GIS的局部放電檢測的可行性。由于UHF信號分布在300MHz到3GHz的寬頻帶內,一般采用寬頻帶天線來作為傳感器,獲取盡可能豐富的UHF信號。常見的寬頻帶天線有平面等角螺旋天線、圓錐等角螺旋天線、阿基米德平面螺旋天線、對數(shù)周期天線等。此外因柱螺旋天線屬于行波天線且具有寬頻帶的特性,本文選取柱螺旋天線與阿基米德平面螺旋天線作為定向天線進行研究。1.2軸向時相位差的計算柱螺旋天線,也叫軸向模螺旋天線,其結構如圖2所示,圖中d為螺旋的直徑,h為螺距,l為螺旋一圈的周長,θ為螺距角,它們之間的關系為柱螺旋天線的特性決定于螺旋直徑與波長的比值d/λ。實驗證明,當螺旋天線一圈的周長約為一個波長時,螺旋導線上的電流主要是沿導線傳播的行波,即當d/λ=0.25~0.45時,天線沿軸線方向有最大輻射,并在軸線方向產生圓極化波。如果相鄰兩圈對應線元在軸向所產生的相位差為2π,則多圈螺旋天線各圈的輻射場在軸向同相疊加,可以在軸向獲得比單圈螺旋天線大得多的增益。若把N圈螺旋天線看成N個相似環(huán)組成的端射天線陣,則最大的方向系數(shù)要求第一圈和最后一圈產生的遠場相位差等于π,以上條件可寫成式中:λ為波長;ξ為電流沿螺旋線傳播的相速與光速之比,一般情況下ξ=0.7~1.0;(2π/λ)ｈ是當相鄰兩圈對應線元上的電流同相時軸向輻射場的相位差;是這些線元上電流的相位差所引起的場的相位差。由此可得在軸向產生最大圓極化輻射時螺旋螺距h和每圈周長l之間的關系［１２］:為盡可能減小天線體積,達到便攜檢測的目的,這里以3GHz的設計頻率,即λ=100mm計算,設計柱螺旋天線的直徑為30mm,螺距23mm,圈數(shù)8圈。下文將通過設計背腔結構,加強方向性的同時,可大大加強天線對較低頻段的接收性能。阿基米德平面螺旋天線是由兩條阿基米德螺旋線構成的天線,金屬螺旋線的寬度等于兩條螺旋線間的間隔寬度,以形成自互補天線,如圖3所示。根據(jù)幾何關系容易證明,當螺旋半徑近似為λ/2π時,天線兩臂上相鄰兩點的電流幾乎是同相的［１２］。這樣的電流在螺旋平面的法向方向形成最強的輻射。阿基米德螺旋天線的輻射是雙向的,為實現(xiàn)單向接收,可設置反射腔或者反射板,但這樣會減小天線的帶寬,具體性能須通過仿真和實測來確定。1.3天線模型仿真通信領域應用的小型化特高頻天線的諧振頻率通常高達數(shù)吉乃至數(shù)十吉赫茲［１３］,超出了特高頻范疇。為此,以背腔結構設計天線,不但以較小的尺寸實現(xiàn)了合適的諧振頻率,而且大大增強了方向性。通過CST微波工作室仿真,比較天線在不同背腔結構下的輻射特性,從而得到優(yōu)化的背腔結構。天線的背腔根據(jù)是否填充吸收材料可分為吸收型背腔和反射型背腔。吸收型背腔是將螺旋天線雙向方向圖中的一側吸收掉,同時還對另一側的增益略有降低,由于吸收材料工作頻帶寬,故吸收型背腔天線具有很寬的工作頻帶;反射型背腔則是將一側的方向圖通過反射,疊加到另一側去,這樣天線在獲得單向接收特性的同時還提高了增益。本文采用反射型背腔。背腔結構以圓柱腔、錐形腔及拋物面腔較為常見。圓柱腔因為其反射面僅為一背板,對方向性的優(yōu)化效果不如后兩者。但同種類型的背腔,結構參數(shù)不同,方向特性也存在較大差異。為獲得最優(yōu)的背腔結構,在限定背腔口徑的前提下,給予圓錐腔不同的圓錐角以及拋物面腔不同的參數(shù),通過大量的CST仿真,獲得天線的遠場特性,得到方向圖與方向系數(shù),從而確定最優(yōu)的背腔形狀。圖4是兩種背腔模型,表1是2GHz下的幾個柱螺旋天線背腔結構的仿真結果比較。通過仿真可知,錐形腔的圓錐角為90°時方向性最好,當圓錐角過大時因受天線口徑的限制,背腔深度大幅減小,從而類似成平板結構,方向性降低。而當換成拋物面的背腔時,天線的方向性進一步優(yōu)化,當拋物面的口徑為230mm,深度為100mm時,天線的方向系數(shù)最高,達到13.41dBi。這種強方向性拋物面背腔天線,下文簡稱為聚束天線。通過以上仿真研究,設計背腔結構為口徑230mm,深度100mm的拋物面形狀。柱螺旋天線的螺距為23mm,直徑30mm,圈數(shù)8圈;阿基米德平面螺旋天線螺距為0.8mm,底板直徑130mm,增長率為0.3,圈數(shù)為32。圖5為這兩種聚束天線的實物圖。2圖的方向，稀疏和駐波比2.1天線方向圖和實際增益凡場點所在的距離遠大于天線尺寸和波長時,場波瓣圖的形狀就與距離無關,通常認為這類波瓣圖符合遠場條件。CST仿真遠場區(qū)立體方向圖如圖6~8所示。當柱螺旋天線工作在軸向模主模時,它為單向接收天線,接收方向為從射頻接頭到螺旋線終端前進的方向。柱螺旋天線帶有一個反射底板,這能為天線提供良好的阻抗匹配特性,同時還能減小天線方向圖的后瓣。為其添加背腔后,能有效壓窄天線的方向圖主瓣,提高天線增益。當工作頻率遠低于設計頻率時,柱螺旋天線工作于法向模狀態(tài)下,其接收方向垂直于軸向模,并且為方位面全向(類似于偶極子天線),而反射面尺寸相對于波長太小,無法起到有效的反射作用,故方向圖仍然與偶極子類似,如圖6(a)方向圖所示。而阿基米德聚束天線,由于其拋物面反射腔的反射面到螺旋的距離隨螺旋工作區(qū)域的變換而變化,因此能夠獲得更寬的工作頻帶。實際增益(realizedgain)gｒｅ是指計及理論增益gｔｈ及反射功率和饋線損耗在內的天線增益,可表示為微波網絡理論中定義,二端口網絡的參數(shù)S１１是端口2完全匹配時端口1的反射系數(shù)(反射波與入射波之比),故單口饋電天線的S１１參數(shù)可表示反射損耗［１４］。兩種天線在0.5~3GHz的實際增益仿真如表2所示。隨著頻率的提高,遠場區(qū)輻射性能增強,有顯著的提高?？梢钥闯?柱螺旋聚束天線在頻率1.5GHz以上時才勉強達到特高頻傳感器的增益要求,而阿基米德聚束天線在1GHz以上都擁有良好的增益。2.2uhf信號能量柱螺旋聚束天線與阿基米德聚束天線的實測增益曲線如圖9所示,柱螺旋聚束天線在局部放電UHF信號能量主要集中的2GHz以下頻段,增益有明顯下降。利用網絡分析儀測量天線的駐波比。因柱螺旋天線并非非頻變天線,這里只給出帶阿基米德聚束天線的駐波比曲線。由圖10可見,阿基米德聚束天線在1.2GHz以上頻段擁有小于2的駐波比,阻抗匹配良好。3天然福義性能的實驗室驗證3.1天線及環(huán)境噪聲測量利用信號發(fā)生器產生0.3ns上升沿的陡脈沖,模擬局部放電的UHF信號,將柱螺旋聚束天線與阿基米德聚束天線分別作為傳感器來接收信號,用高速數(shù)字示波器(LeCroyOscilloscope204Xi-A,帶寬2GHz,最大采樣率10GS/s)記錄波形與脈沖幅值。天線對準脈沖源后固定不動,保持兩者間的距離2m不變,橫向移動脈沖源按圖11軌跡,變化天線的接收角度,測量脈沖幅值隨接收角度的變化如圖12所示。環(huán)境噪聲約為3.7mV。在天線領域,多用半功率波束寬度(HPBW)來定義天線的方向性。半功率波束寬度是指在最大輻射方向兩側,輻射功率下降3dB的兩個方向的夾角。對圖12插值計算得到偏角19°,即波束寬度為38°,同樣得到阿基米德聚束天線的波束寬度為36°,可見兩者方向性上并無太多差別,但阿基米德聚束天線的增益要高于柱螺旋天線。3.2天線接收性能與距離的關系此外,在試驗大廳布置尖刺放電如圖13所示,在導桿上設置金屬尖刺模擬缺陷,用數(shù)字存儲示波器記錄測量波形。天線距離放電源2m處測得的脈沖波形如圖14所示。調整天線正對尖刺的距離,記錄示波器顯示的脈沖峰值。由表3可知,阿基米德聚束天線的接收性能隨距離變化更加敏感。顯然,天線對距離變化越敏感,越有助于本文設計的聚束天線通過指向、距離的控制,來實現(xiàn)變電站內局部放電的定位。4輻射特性對比變電站內的局部放電,可以借鑒人耳的聽音辨聲過程,依靠強方向性天線,通過指向與方位的移動尋找放電位置。本文通過CST仿真對背腔結構進行最優(yōu)化