套管局放UHF檢測用傳感器的比選與應(yīng)用

朱學(xué)成,高自偉,姜德勝,王洪海,張　健,徐　超

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 技能培訓(xùn)中心,哈爾濱 150030; 3.國網(wǎng)長春供電公司 調(diào)度控制中心,長春 130000)

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套管局放UHF檢測用傳感器的比選與應(yīng)用

朱學(xué)成1,高自偉1,姜德勝2,王洪海3,張健1,徐超1

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 技能培訓(xùn)中心,哈爾濱 150030; 3.國網(wǎng)長春供電公司 調(diào)度控制中心,長春 130000)

在介紹和分析傳感器技術(shù)及套管局部放電特高頻檢測特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合變壓器套管事故特點(diǎn),提出了將平面等角螺旋天線用作套管局部放電檢測的傳感器,通過仿真分析和套管封閉式末屏接觸不良、下瓷套沿面放電、均壓環(huán)懸浮放電和頂部懸浮放電4種典型放電模型的性能比選及現(xiàn)場應(yīng)用,證明了平面等角螺旋天線具有寬頻帶、低損耗、高靈敏度、時(shí)延穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),性能滿足局放源識(shí)別和定位等方面要求。

套管;特高頻;局部放電;傳感器;平面等角螺旋天線

近年來,中國電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了多起變壓器套管事故,這些事故往往導(dǎo)致局部乃至大面積停電,危及電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行,因此加強(qiáng)套管狀態(tài)評(píng)估對(duì)提高電網(wǎng)安全性具有重要意義。特高頻局部放電檢測技術(shù)因其安全的可靠性、較高的靈敏度、能識(shí)別和定位放電源和抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn),得到了較快的發(fā)展[1-4],因而與之相關(guān)套管局放特高頻檢測與定位技術(shù)也得到了進(jìn)一步研究。局部放電UHF信號(hào)檢測是20世紀(jì)80年代初期由英國中央電力局最先開發(fā)出來,并在英國的420 kVGIS設(shè)備上得到應(yīng)用[5]。中國在20世紀(jì)90年代初期對(duì)UHF法開始研究,并在GIS、變壓器以及電纜等局放檢測中得到較多的應(yīng)用[6-9]。

由于傳感器是電力設(shè)備局放特高頻信號(hào)檢測的關(guān)鍵,局放信號(hào)頻率成份高達(dá)數(shù)GHz,且根據(jù)缺陷類型的不同,局放信號(hào)的主要頻率成份相差較大,加之放電源方位的未知性,故本文提出特高頻傳感器在設(shè)計(jì)和選擇時(shí)需要考慮多個(gè)方面的要求。經(jīng)仿真分析與特性比選,最后確定平面等角螺旋天線用作套管局部放電檢測的最佳傳感器。

1　傳感器技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中要求檢測傳感器有足夠的帶寬范圍和很高的靈敏度,同時(shí)由于放電源方位是未知的,需要傳感器具有全向檢測性能。此外,為了實(shí)現(xiàn)放電源的定位,需要傳感器耦合的脈沖信號(hào)能有清晰的上升沿及良好的一致性?，F(xiàn)有的UHF檢測技術(shù)和裝置的檢測頻帶主要集中在300～2×103MHz,其所能達(dá)到的最好時(shí)延測量準(zhǔn)確度約為0.3～0.5 ns。研究發(fā)現(xiàn),電磁波脈沖信號(hào)時(shí)延測量的準(zhǔn)確度與局部放電輻射的頻譜特性有關(guān)。所測量到的脈沖信號(hào)頻譜分量越高,頻帶越寬,信號(hào)波形的上升沿就越陡,測量信號(hào)時(shí)延的準(zhǔn)確性則越高。要求天線的相位中心不隨頻率及信號(hào)到達(dá)點(diǎn)的變化而變化;同時(shí)還要求天線整體對(duì)不同頻率的信號(hào)響應(yīng)具有同時(shí)性。所以應(yīng)選擇非頻變天線,考慮到阿基米德螺線天線等并不是真正意義的非頻變天線,因此這里將重點(diǎn)介紹以平面等角螺旋天線實(shí)現(xiàn)的套管局放UHF信號(hào)傳感器。平面等角螺旋天線的每一條臂由2條起始相差δ的等角螺旋線構(gòu)成,如圖1所示。

圖1　等角螺旋天線示意圖

兩臂的4條邊緣分別為4條等角螺旋線,其關(guān)系為

r1=r0eaφ，r2=r0ea(φ-δ)，r3=r0ea(φ-π)，r4=r0ea(φ-π-δ)

式中:r0為起始半徑;a為螺旋增長率;φ為螺旋的角度。為使導(dǎo)體螺線臂間縫隙形成自補(bǔ)結(jié)構(gòu),取δ=90°。

非頻變天線原理是相似原理也稱為縮尺原理,它需滿足二個(gè)條件。一是角度條件:天線結(jié)構(gòu)只與角度有關(guān),而與其他尺寸無關(guān)。二是終端條件:終端效應(yīng)弱。同時(shí)要利用自補(bǔ)天線實(shí)現(xiàn)非頻變阻抗。

2　特高頻傳感器的設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)套管典型缺陷局部放電特高頻信號(hào)的時(shí)域、頻域特點(diǎn),若提高信號(hào)幅值和首波上升沿陡度,則需要更寬、更高的檢測頻帶。當(dāng)檢測頻帶在2 GHz以上時(shí),該頻段具有上升沿陡、波形信息完整、時(shí)延分析精確等優(yōu)點(diǎn)。

2.1UHF傳感器優(yōu)化與設(shè)計(jì)

優(yōu)化天線性能涉及最優(yōu)檢測頻帶選定、優(yōu)化天線阻抗匹配等結(jié)構(gòu)參數(shù)、較高的增益以及天線的尺寸。通常情況下,天線始端半徑越小,則上限頻率越高;天線臂長越大,則天線下限工作頻率越低[10]。

螺線臂最大半徑rm由最低工作頻率的波長λl決定,一般取rm=λl/4,而其最小半徑r0則由最高工作頻率的波長λh決定,取rm=λl/4。實(shí)驗(yàn)表明,最佳設(shè)計(jì)是取1.25至1.5圈,而總長等于或大于λl。1.5圈螺線的最大半徑為

rm=r0ea3π

螺旋增長率也是平面等角螺旋天線設(shè)計(jì)的重要方面,增長率越大,行波成分越大,但由于終端過早截?cái)?故終端反射較嚴(yán)重,導(dǎo)致匹配較差;增長率越小,行波成分越小,但終端截?cái)噍^遲,故反射較少,匹配程度較好。一般情況下a取值范圍為0.12～1.2[11]。

(1)

式中,ψ為曲線上任意點(diǎn)矢徑與曲線切線間的夾角。

等角螺旋天線的方向圖隨頻率而轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)天線臂長等于或大于工作波長時(shí),天線輻射圓極化波。等角螺旋天線除了具有寬頻帶的阻抗特性以外,還具有寬頻帶的方向圖。天線方向圖的最大值在螺旋面的法線方向。在它的一邊輻射右旋圓極化波,另一邊輻射左旋圓極化波。在與螺旋擴(kuò)展的方向沒有輻射。為了獲得單向輻射,需安裝一個(gè)反射腔,并在腔內(nèi)填充吸收材料。

自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的等角螺線天線的輸入阻抗為188.5 Ω,實(shí)際測得的阻抗值約為160 Ω,因采用50 Ω同軸線饋電,需加一阻抗變換平衡器,以實(shí)現(xiàn)阻抗變換和平衡饋電。

螺旋線起始半徑r0=7.5 mm,在考慮饋電點(diǎn)位置到螺旋起始點(diǎn)的線長后,取天線印制圖形直徑D=60 mm。根據(jù)螺旋線方程,可以計(jì)算出螺旋增長率a=0.125,由式(1)得l=5.54rm=1.38λl,即臂長略大于λl。

平面螺旋天線的圖形通過印制的形式實(shí)現(xiàn),印制板采用RT/duroid-5880單面覆銅板,厚度0.5 mm。該材料具有較低的介電常數(shù)和損耗角正切,能使天線具有較高的輻射效率。

2.2仿真分析

選取2 GHz、4 GHz兩點(diǎn)頻率作為仿真頻率,利用HFSS10專業(yè)仿真軟件對(duì)天線接收面電流、電場以及能量的分布情況進(jìn)行仿真分析,如圖2～4所示。仿真結(jié)果表明:

1) 在整個(gè)設(shè)計(jì)頻帶內(nèi),天線輻射面上的電場、能流、電流分布非常相似,以圖2為例,它的主要接收區(qū)集中在以頂點(diǎn)為圓心、波長為半徑的區(qū)域,在此區(qū)域后電流迅速衰減,證明天線具有較好的寬頻帶特性。

2) 圖3中天線上接收到的能流方向繞天線法向連續(xù)旋轉(zhuǎn),有良好的圓極化特性,與局部放電輻射電磁波信號(hào)的極化特性一致,因此在檢測信號(hào)時(shí)功率損耗較小。

3) 在2 GHz時(shí),整個(gè)天線接收面上都有較強(qiáng)的電流、電場及能量分布,頻率在4 GHz較高頻率時(shí),天線外沿區(qū)域電流、電場及能量快速減弱并近乎于零,即天線上的電流分布近似于無反射的行波狀態(tài),所以天線在高頻段具有良好的行波特性。

4) 在不同頻率下,天線的有效接收區(qū)域都包含了饋電區(qū),接收信號(hào)相位不隨中心頻率改變而變化。較之其他非頻變天線,該天線具有良好的相位性。

仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論一致,這說明等角螺旋天線具有良好的超寬帶及時(shí)域特性,適用于超寬帶射頻檢測定位。

圖2　2 GHz、4 GHz頻率時(shí)天線接收面上電流分布仿真

圖3　2 GHz、4 GHz頻率時(shí)天線接收面上電場分布仿真

圖4　2 GHz、4 GHz頻率時(shí)天線接收面上能量分布仿真

3　UHF傳感器測試

3.1傳感器性能測試

3.1.1方向圖測試

天線在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)的E平面和H平面方向圖如圖5～ 7所示。天線的主波瓣在其正前方,波瓣寬度為73°～105°。

3.1.2增益

測試結(jié)果表明,增益隨著頻率的增高略有增加,在2 GHz時(shí),增益為1.6 dB;在3 GHz時(shí),增益為3.4 dB;在4 dB時(shí),增益為3.2 dB。

圖5　2 GHz頻率時(shí)天線的方向圖

圖6　3 GHz頻率時(shí)天線的方向圖

圖7　4 GHz頻率時(shí)天線的方向圖

3.1.3 駐波比

在檢測頻率范圍內(nèi),駐波比不大于2。表明天線作為輻射器時(shí),功率損失約為 10%,阻抗匹配較好。

3.2UHF傳感器對(duì)比測試

等角螺旋天線尺寸與其帶寬、響應(yīng)頻率成反比,這使得所測信號(hào)有更陡峭的上升沿和更短的上升時(shí)間,更利于首波的準(zhǔn)確獲取。因而本文采用4種類型的UHF傳感器對(duì)同一局放信號(hào)進(jìn)行測試,其波形如圖8所示。以套管下瓷套沿面放電為放電源,圖8中波形起始時(shí)刻的讀取區(qū)域,即時(shí)延測量誤差,用td表示。

圖8　不同天線接收信號(hào)波形圖

從圖8可見：簡易等角螺旋天線檢測波形單次脈沖振蕩時(shí)間長,起始時(shí)刻讀取區(qū)域大,必然導(dǎo)致時(shí)延測量誤差大,同時(shí)后續(xù)波形振蕩幅度大,意味著寬帶匹配特性不好;阿基米德螺旋天線和單極探針天線檢測波形首波部分與背景噪聲差別不顯著,無法準(zhǔn)確判斷信號(hào)的起始時(shí)刻,造成時(shí)延誤差較大;優(yōu)化設(shè)計(jì)的等角螺旋天線首波部分與背景噪聲差別明顯,上升沿時(shí)間及單次脈沖振蕩時(shí)間非常短,從而能夠在很短的時(shí)間段內(nèi)準(zhǔn)確讀取信號(hào)起始時(shí)刻,提高時(shí)延測量精度。與其他三類天線相比具有最佳的幅值響應(yīng)特性,即具有較高的靈敏度。天線實(shí)測信號(hào)波形測量時(shí)延的誤差如表1所示。

表1　天線實(shí)測信號(hào)波形時(shí)延讀取誤差統(tǒng)計(jì)

從表1數(shù)據(jù)看出,優(yōu)化設(shè)計(jì)的平面等角螺旋天線時(shí)延測量誤差明顯小于其余3類天線,該天線檢測到信號(hào)波形上升沿均在10～20 ps之間,單次脈沖振蕩時(shí)間在200 ps以內(nèi),從而能將時(shí)延讀取誤差限定在200 ps范圍內(nèi),降低了時(shí)延讀取誤差,是定位傳感器的合理選擇。

3.3典型放電模型的UHF時(shí)域波形測試

試驗(yàn)利用套管封閉式末屏接觸不良、下瓷套沿面放電、均壓環(huán)懸浮放電和頂部懸浮4種放電模型,各模型的時(shí)域波形如圖9所示。

圖9　典型特高頻信號(hào)圖

由圖9可見,傳感器可以有效檢測到不同局部放電模型產(chǎn)生的特高頻信號(hào),不同的放電模型產(chǎn)生的信號(hào)波形特征也不同。

3.4現(xiàn)場實(shí)際測試應(yīng)用

以慶北變電站2號(hào)主變中性點(diǎn)接地刀測試為例。確定特高頻信號(hào)的疑似來源方向后,天線陣列的特高頻定位信號(hào)時(shí)延圖及定位結(jié)果如圖10及表2所示。從圖10和表2可知,該傳感器能成功接收和傳輸特高頻放電信號(hào),為進(jìn)一步分析和定位奠定了基礎(chǔ)。

圖10　接地刀特高頻定位信號(hào)時(shí)延圖

4　結(jié)　語

自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的平面螺旋天線具有特性阻抗平緩、圓極化特性好、端射和邊射性能優(yōu)越等特點(diǎn),通過性能比選確定選擇套管局放UHF檢測傳感器。同時(shí)為了提高時(shí)間差測量精度,將上限工作頻率提高到了4 GHz,主波瓣寬度為75°～105°,以利于避免周圍放電干擾。實(shí)測結(jié)果表明,該等角螺旋天線把首波起始時(shí)刻的讀取精度提高到0.2 ns，驗(yàn)證了該傳感器對(duì)套管典型缺陷模型檢測的有效性,且所測波形具有較高分辨率的首波。

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Comparison and application of sensor for UHF detection of bushing partial discharge

ZHU Xuecheng1, GAO Ziwei1, JIANG Desheng2, WANG Honghai3, ZHANG Jian1, XU Chao1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2.Skills Training Center, State Grid Heilongjiang Electric Power Conporation, Harbin 150030, China; 3.State Grid Changchun Power Supply Company Dispatching Control Center, Changchun 130000, China)

This paper using planar equiangular spiral antenna as a sensor for UHF detection of bushing partial discharge, based on the introduction and analysis of sensor technology and the characteristics of UHF partial discharge detection for bushing, combining the characteristics of transformer bushing accidents, verifies that planar equiangular spiral antenna has the advantages of wide bandwidth, high sensitivity, low loss, and delay stability, with the performance meeting the requirements of local source identification and location, through the performance comparison and the on site application of 4 typical discharge models including closed bushing tap poor contace, creep age discharge of porcelain bushing, suspended discharge of strapping and suspended discharge at the top.

bushing; UHF; partial discharge; sensor; planar equiangular spiral antenna

2016-04-08。

朱學(xué)成(1966—),男，高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)方向研究工作。

TM403.5;TN823.31

A

2095-6843(2016)03-0257-06