GIS局部放电检测天线本体...小型化特高频天线传感器研究_张国治.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211588GIS 局部放电检测天线本体和巴伦共面柔性小型化特高频天线传感器研究张国治1,2,3韩景琦1刘健犇4陈康1张硕1（1.湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉4300682.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司武汉4300743.武汉大学动力与机械学院武汉4300724.电网环境保护国家重点实验室（中国电力科学研究院有限公司）武汉430074）摘要针对变电站气体绝缘组合电器（GIS）绝缘缺陷局部放电（PD）高灵敏监测需求，以及现有刚性基底特高频（UHF）天线传感器内置安装的复杂工艺和内置后存在破坏设备内部电场分布的风险问题，该文提出柔性特高频传感技术。设计了一款柔性 UHF 螺旋天线传感器，采用正弦波加载的方式以及提高天线本体间隙比的方式实现了天线本体小型化，同时巴伦与天线本体共面，大幅减小了天线整体体积，设计的柔性天线直径为 150 mm，较未小型化径向距离缩小了 25%。仿真和网分实测结果表明：在 610 MHz3 GHz 频带范围内，柔性天线在弯曲半径为 0 mm、100 mm、200 mm 时的电压驻波比（VSWR）3.5；在 790 MHz1.8 GHz 频段内 VSWR2。最后利用搭建 GIS 典型缺陷局部放电模拟试验平台对设计的柔性天线进行 PD 检测性能实测。结果表明，设计的柔性天线在不同弯曲程度下均能有效检测到 PD 信号，具有较高的信噪比。关键词：气体绝缘组合电器局部放电特高频柔性天线小型化间隙比中图分类号：TM885;TN823.310引言气体绝缘组合电器（Gas Insulated Substation,GIS）是电力系统变电站中的两大件之一，具有对高压电路开断和高压配电的作用，由于其占地面积少、安装灵活方便、绝缘性能好等优点，在电力系统获得了广泛的应用1-3。GIS 的绝缘状态与电力系统的安全稳定运行息息相关。据相关研究表明4-5，目前 GIS 绝缘故障的主要原因是其内部的局部放电（Partial Discharge,PD）引起的各种绝缘缺陷，一旦不及时处理将可能导致严重的设备事故和电网事故6-8。PD 是导体间绝缘仅部分击穿的电气放电，在PD 过程中会辐射出电磁信号9，利用天线检测特高频（Ultra High Frequency,UHF，300 MHz3 GHz）频段电磁波信号可实现 PD 绝缘缺陷的有效检测和抑制现场电晕干扰。目前，国内出厂的 220 kV 及以上电压等级 GIS 均装有 UHF 监测系统或者预留有UHF 监测接口。根据安装方式的不同可将 UHF 传感器分为外置式和内置式两种：外置式 UHF 传感器主要有 Hilbert 分形天线10、外置微带贴片天线11、小型准横向电磁场 TEM 喇叭天线12、超宽带振子天线13等，外置型优点是不影响设备内部电场影响、安装检测灵活等，缺点是结构尺寸大、抗干扰能力弱和灵敏度低等；内置式 UHF 传感器主要有阿基米德螺旋天线14以及等角螺旋天线。内置式传感器实际应用时，一般将其安装在 GIS的法兰盘处15，受 GIS 金属腔体对外界电磁干扰屏蔽作用的影响，内置型具有灵敏度高、受环境干扰能力小16-17等优点。在众多内置天线类型中螺旋天线具有宽频带、圆极化18等优点，获得了诸多科研工作者的关注。文 献 14 设 计 了 一 种 平 面 阿 基 米 德 螺 旋 天 线电网环境保护国家重点实验室开放基金资助项目（GYW51202101362）。收稿日期 2021-10-01改稿日期 2021-10-15第 38 卷第 4 期张国治等GIS 局部放电检测天线本体和巴伦共面柔性小型化特高频天线传感器研究1065（Archimedean spiral antenna），通过正弦波加载的方式减小天线的直径以便于天线内置，该天线实测显示出优良的性能；文献15设计了一种内置式的小型化平面等角螺旋天线，通过内置 PD 接收性能实测证明该内置式天线的有效性。但是，这些内置式螺旋传感器都是刚性基底，在安装时无法实现与GIS 内部弧形结构的共形，容易破坏 GIS 内部电场分布。另外，螺旋天线的有效工作需要设计巴伦来实现平衡馈电和阻抗匹配，基底巴伦的存在增加了螺旋天线的剖面高度，增加了天线传感器内置的难度。这些因素一定程度上阻碍了内置式螺旋天线在GIS PD 检测领域的应用。针对内置式螺旋天线 UHF 传感器的不足和现有刚性基底 UHF 天线传感器内置 GIS 后存在破坏设备内部电场分布的风险问题，本文结合柔性天线传感器的设计思想，从传感器的设计、优化和测试等方面展开研究：设计一种宽频带、以柔性介质为基底、巴伦与天线本体共面的 UHF 螺旋天线传感器，并且对天线直径进行小型化优化。最后，利用矢量网络分析仪和搭建的 PD 检测试验平台对设计的柔性天线传感器进行 PD 检测性能测试。1天线设计1.1天线原理1.1.1基本形式的阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线是以导电性良好的金属做成的具有螺旋形状的天线，具有良好的宽频带和圆极化特性，其曲线方程为0rra=+（1）式中，r0为起始半径；a 为螺旋增长率；为角度（弧度）；（r,）为曲线上任意点的极坐标。天线在宽频带内阻抗特性优化可以由互补结构来实现，即阿基米德螺旋天线的臂宽和两臂间距宽度相等。另一臂的方程是通过旋转 180 得来，所以另一臂方程为0()rra=+-（2）图 1 展示了阿基米德天线的原理，天线辐射主要由天线两臂上相反相位的电流产生。在螺旋天线上取对称两点 P、Q，两点到原点的距离相等，在天线内径处施加相反相位的馈电。此时，A 点所在臂上电流流向臂内，B 点所在臂的电流流向臂外。在历经半圈后辐射臂上的电流已完全相反，从 B 点流到 Q 点的电流和另一臂的电流相位仍然相差，此时电流带为主要辐射带。如果取直径 R=/，P 点和P点电流相位正好相差 2，根据传输线原理，在相同平面内，相邻传输线上电流方向相同会增强彼此在平面法线方向上形成的最强辐射19。图 1阿基米德螺旋天线工作原理Fig.1Schematic diagram of Archimedes spiral antenna螺线的内径 2r0影响天线的最高工作频率和馈电性能，一般取值依据为H024r（3）式中，H为最高频率对应的波长。螺线外径 2rM取决于最低工作频率对应的波长L，一般取为ML1 52.2r（4）由此可见，天线的工作带宽由天线的内、外径决定，结合 GIS 内置式天线对小型化的要求。因此对螺旋天线的内、外径的合理设计具有非常重要的工程意义。1.1.2小型化研究表明，延长天线辐射单元上电流流经的路程可以使得天线在相同辐射带半径的情况下，降低其对应的工作频率20。另外，由于两臂上相邻两点的电流相位特性仍保持不变，曲折化处理并不影响天线的方向图和增益特性21。目前通过对天线两臂进行方波、正弦波、三角波等函数对天线进行曲折。当三种曲折方式的幅值和频率相同时，由曲折方式的路径关系可知方波路径最长，正弦波其次，三角波最短。因方波和三角波会使得天线建模复杂化，同时会在结构上产生尖端从而影响天线性能22，因此本文采用如图 2 所示的正弦波方式作为阿基米德螺旋天线小型化的加载函数。由式（3）和式（4）可知，螺旋天线的外径决定了天线最低频率对应的波长，内径决定天线最高频率对应的波长，因此为保证天线高频性能的同时，1066电 工 技 术 学 报2023 年 2 月图 2正弦波曲折化天线Fig.2Sinusoidal zigzag antenna使得天线工作带宽朝着低频移动，在内 6 圈半时采用标准阿基米德螺旋的方式，从第 6 圈半开始对天线进行正弦波曲折化处理。在曲折化过程中，正弦波幅值 b，以及一圈所含正弦波周期 n 都是正弦波加载的关键参数。最终经过参数仿真确定天线正弦波螺旋圈数为4 圈，正弦波振幅 b=1.5 mm，正弦波周期数 n=40。螺旋线宽度与两条螺线的间距均为 1.5 mm，螺旋增长率为 0.955。本文设计的天线工作频率在 600 MHz3 GHz，对应的最大波长L=500 mm，最小波长H=100 m，根据传统的阿基米德螺旋天线尺寸设计原则，螺旋外径 2rM=199 mm，螺旋内径 2r0=25 mm，经过曲折化后，天线螺旋外径减小到 2rM=149 mm。本文在具体设计正弦波曲折臂平面螺旋天线过程中，除了天线辐射面的设计之外，同时还对馈电巴伦进行设计，与天线本体达到共面，极大地减小天线整体体积。1.2巴伦设计及其优化由于常规的巴伦会增加螺旋天线的剖面高度，给天线的内置造成了极大的不便，因此本文提出将巴伦和天线本体进行共面来减小天线剖面高度。根据传统尺寸计算原则，内圈螺旋臂长决定天线高频工作频率，比如，3 GHz 对应的是 r0=12.5 mm。因此，本文天线设计从（8.77 mm,403.75）处开始螺旋，即在保证了天线最高工作频率的同时，给巴伦与天线本体共面留下了空间。1.2.1间隙比对天线阻抗影响Wang Yawei 等对阿基米德螺旋天线螺旋线与螺旋线间距的比值对天线阻抗的影响做过深入研究23。辐射体螺旋臂的宽度与螺旋臂之间的间隙比值对辐射体的输入阻抗影响很大，可以通过改变该比值来降低天线阻抗。定义螺旋线的线宽与螺旋线间距比值为间隙比（Ratio of Metal Width Arm Space,RMWAS），由式（1）可知，线宽 w 与间距的比值RMWAS 可表示为RMWASwwa=-（5）图 3 给出了在起始点（1.5 mm,0）到（8.77 mm,403.75）范围内改变正常阿基米螺旋天线的 RMWAS的示意图。图 4 提供了不同恒定 RMWAS 值下仿真所得到的天线阻抗变化。从图 4 中可以看出，当RMWAS=1 时，天线阻抗在 140，当 RMWAS=2时，天线阻抗可以降至 120，当 RMWAS=5 时，天线阻抗会随频率增大，从 50 逐渐变为 90，RMWAS=9 时，天线阻抗会从 40 逐渐变为 80。随着 RMWAS 的增大，天线阻抗先会逐渐减小，但在不同 RMWAS 下，天线阻抗在低频都会出现振荡，且天线的输入电抗也会随 RMWAS 的增加逐渐增大。图 3改变天线间距示意图Fig.3Schematic diagram of changing antenna spacing图 4不同恒定间隙比下天线阻抗示意图Fig.4Schematic diagram of antenna impedance atdifferent constant clearance ratios结合以上分析，选取合适的间隙比对天线阻抗匹配效果至关重要，图 5 给出了天线在不同恒定间隙比下的电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）示意图。由图 5 可以看出，恒定间隙比下天线驻波比效果并不理想，当间隙比为 9 时也只有第 38 卷第 4 期张国治等GIS 局部放电检测天线本体和巴伦共面柔性小型化特高频天线传感器研究1067图 5不同恒定间隙比下天线 VSWR 示意图Fig.5Schematic diagram of antenna VSWR atdifferent constant clearance ratios少部分频段的 VSWR 小于 2。1.2.2指数渐变间隙比巴伦基于以上 VSWR 小于 2 的频段较少问题，本文结合指数渐变巴伦的设计思想，采用渐变式间隙比使天线阻抗变化更加平滑，扩宽 VSWR 在 2 以下的频带。通过确定渐变式间隙比大小改变巴伦首、末端的宽度。最后确定的巴伦始端 W1=3 mm，末端W2=1 mm，如图 6 所示，巴伦第一段 RMWAS 渐变从 1.46 到 5.16，巴伦第二段 RMWAS 从 3.91 到