gis內置圓板傳感器天線頻率響應特性分析

1gis局部放電的檢測方法氣體隔離站（gis）具有與開敞站無法比擬的優點，越來越受到重視電氣系統。但由于在加工、運輸、現場裝配及長期運行過程中,GIS內部不可避免地會不同程度地存在各種絕緣缺陷,從而引發局部放電,進而導致絕緣事故。因此,對GIS進行局部放電檢測有重要意義。GIS局部放電時會產生持續時間僅為ns級的脈沖電流,典型波形如圖1所示,其等值頻率為GHz數量級。提取信號中的超高頻成分,即UHF法,有利于排除常規電氣法中難以避開的電暈等干擾。UHF法的關鍵技術是使用高靈敏度的傳感器,目前,國外普遍采用將傳感器裝設在GIS內部,傳感器多為電容式探頭,大部分研究者采用電容圓板式傳感器。國內則采用外部天線感應,與內部傳感器相比外部天線感應的靈敏度和抗干擾能力較差。本文利用實驗室GIS模擬裝置,設計制作了內置圓板式傳感器,從超高頻信號的特點上分析了傳感器的耦合特性及靈敏度,在此基礎上研制出具有更高靈敏度的圓環式傳感器,并對GIS模擬裝置內金屬突出物缺陷激發的局部放電脈沖信號進行檢測。2局部放電的歸規范由于GIS內部發生的局部放電持續時間極短,GIS的同軸結構相當于是一個良好的波導,脈沖不僅以橫電磁波方式傳播,而且還會以橫電場波和橫磁場波的方式傳播。為了接收局部放電脈沖激發的電磁波,用金屬電極構成電容耦合。電極置于GIS外殼內部,結構如圖2所示,電場E包括以同軸傳輸線形式傳輸到金屬耦合電極的橫波電場E1及以波導形式傳輸到電極的縱波電場E2。內電極也可以看成是一個接收天線,激發局部放電的缺陷就是一個發射天線。局部放電信號激發的電磁波以GIS內電極和接地外殼作為邊界條件。在同軸波導內由局放脈沖激勵了一定模式的電磁波以后,波導內壁上形成按一定規律分布的電流,圖3表示了橫電波TE11模和橫磁波TM01模在同軸波導壁上的電流分布,圖3b為波導內半徑。安裝內置電極檢測局放信號,需在GIS內壁開圓孔或縫隙。當縫隙切斷電流線時,表面電流的一部分繞過縫隙繼續以傳導電流形式流通,另一部分以位移電流的形式通過縫隙,如圖4所示,這就相當于在縫隙兩邊沿之間加了電場波源。由于縫隙上形成的電場分布向空間輻射,根據天線理論,可以將這一縫隙看成是縫隙天線。內置傳感器不僅耦合波導內部的電磁波,也會接收安裝處形成的縫隙天線所激發的電磁波。3內傳感器天線模型的分析與優化3.1圓板傳感器結構本文針對實驗室GIS模擬裝置,設計制作了圓板式內置傳感器,結構如圖5所示。GIS內部的局部放電用UHF法檢測時,傳感器天線模型分析較電容耦合模型合理,這已為國內外許多學者所證明。本文建立了圓板式天線計算模型,并對模型進行理論計算。該模型由圓板電極和一小段信號引線組成,這種結構下的傳感器可以看成是一個圓板天線。天線阻抗Za近似為電容Ca和電阻Ra的串聯,即Za=Ra+jXa;ZL為測量儀器的輸入阻抗(包括輸出引線的阻抗),ZL=RL+jXL。Ca和Ra的數值分別為式中α,β——與電極面積S和電磁波頻率f相關的參數在進行天線分析時,應考慮GIS法蘭形狀,傳感器信號引線與法蘭側壁組成的一段長為Dl的均勻傳輸線(其阻抗?≈200DZ),圖6為等效回路。式中c——光速因此,對傳感器電極處,信號輸入U0與傳感器響應輸出U2的傳遞函數為計算所得到的傳感器頻率響應與實際測量結果相比較基本相同。圓板傳感器頻率響應在300MHz～3GHz范圍內近似為一條上升的直線,即在超高頻段保持線性;信號源頻率越高,傳感器增益越大,即圓板天線接收信號的能力越強。3.2圓板天線的頻率響應特性研究表明,半徑大小和引線長度對圓板天線頻率響應有很大影響。當半徑不斷增大時,其頻率響應曲線的形狀發生了改變,由一條上升的直線變成了一條有波峰存在、上升直線和下降直線連接而成的曲線,波峰也不斷向較低頻率方向移動,如圖7所示;在檢測頻段范圍(目前檢測頻帶寬度一般低于1GHz)內,圓板天線增益隨其半徑的增大而增大。因此,圓板半徑越大,接收信號的能力越強。圖8表明了在圓板半徑一定時不同引線長度下的頻率響應特性。引線長度對圓板天線頻率響應有明顯影響,當引線不斷增長時,圓板天線頻率響應曲線的形狀發生了明顯改變,由一條上升的直線變成了一條有波峰和波谷存在的曲線,波峰和波谷不斷向較低頻率方向移動;在1GHz頻段范圍內,圓板天線增益隨引線的增長而上升。另外,從理論分析可知,圓板式傳感器響應靈敏度太小,雖然增大圓板直徑可以提高靈敏度,但為了不影響GIS工作電場,直徑不能太大,為此,作者設計制作了圓環式內置傳感器用于GIS局部放電檢測(其頻率響應特性優于內置圓板傳感器,限于篇幅,參數計算和特性分析略),結構如圖9所示。4局部放能量檢測在實驗室GIS模擬裝置中,用圓板傳感器和圓環傳感器進行了局部放電脈沖信號實測。GIS模擬裝置內充有0.5MPa的SF6與N2混合氣體(體積比VSF6:VN2=4:1),模擬缺陷為固定在GIS內導體上的金屬突出物,圓環傳感器和圓板傳感器軸向對稱于缺陷,試驗接線如圖10所示。試驗時,從電容分壓器低壓臂取工頻信號,用于判斷局部放電信號在工頻上相位;傳感器耦合信號經高頻同軸電纜傳輸,不加任何前置放大器,由示波器(WavePro950)直接測量,分別檢測局部放電的放電相位和一個局部放電脈沖信號的波形,實測局部放電信號如圖11所示。圖11a分別表示圓板和圓環兩種傳感器檢測到的局部放電信號及工頻相位,由圖可見,兩種傳感器均能檢測到出現在工頻電壓幅值處的局放信號,且在相同條件下圓環傳感器感應放電脈沖信號的靈敏度比圓板傳感器強。圖11b記錄了傳感器對單個局部放電脈沖信號的反映,圓板傳感器可以檢測到陡度為2ns的局部放電脈沖信號,圓環傳感器可以檢測到陡度為1ns的局部放電脈沖信號。圖11c分別為圓板檢測系統和圓環檢測系統檢測到的局放脈沖信號100次的頻譜平均波形。在沒有進行信號放大的條件下,由局部放電的頻譜可以看出,1GHz檢測范圍內均存在局部放電信號能量分布,但其能量主要分布在高頻段(HF)及甚高頻段(VHF),即在頻率為3～300MHz范圍內。由圖11b、11c可以得出結論,圓環傳感器在超高頻段檢測到的局放能量比圓板傳感器更強,檢測頻帶更寬。5傳感器優化試驗(1)根據天線理論,內置傳感器不僅耦合波導內部的電磁波,也會接收安裝處形成的縫隙天線所激發的電磁波。(2)為了提高檢測頻帶的響應增益,可以增