特高壓GIS超薄型外置式特高頻傳感器的優化設計與應用研究

邵先軍，詹江楊，周陽洋，何文林，劉浩軍，謝 成

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

1 100 kV特高壓GIS（氣體絕緣組合電器）作為1 000 kV交流特高壓變電站的核心部件，其運行可靠性直接關系到電網運行的安全。UHF（特高頻）方法作為一種可有效發現GIS設備內部絕緣缺陷的局部放電（以下簡稱“局放”）監測技術，已得到廣泛應用，并具有良好的應用前景[1-3]。

外置式UHF傳感器利用敞開式盆式絕緣子或封閉盆式絕緣子的澆筑孔所泄漏出來的電磁波信號，實現特高壓GIS設備局部放電的檢測。目前商用的GIS外置式傳感器包括矩形貼片天線、喇叭天線、雙極子天線等，其靈敏度、優缺點各不相同[4-6]。由于特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口一般位于正下方，易受到金屬支架、構架等影響，導致澆筑口與金屬支架、構架之間的縫隙較小，使得現場部分特高壓GIS盆式絕緣子無法利用商用外置式UHF傳感器開展帶電檢測工作，也就是說特高壓GIS設備無法實現UHF帶電檢測的全覆蓋。因此，迫切需要開發一種檢測靈敏度高的超薄型外置式UHF傳感器，應用于特高壓GIS設備盆式絕緣子澆筑口與支架窄縫隙處的帶電檢測。

本文提出了一種蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器，仿真研究了天線長度、張角、厚度等結構參數對天線性能的影響，開展了傳感器回波損耗參數和等效高度測試，并與商用外置式傳感器進行了典型缺陷下局放檢測靈敏度的實測對比，最后在特高壓GIS進行了驗證應用。

1 蝶形貼片UHF傳感器結構與仿真模型

1.1 蝶形貼片UHF傳感器結構

蝶形天線廣泛應用于脈沖型探地雷達中，具有設計簡單、易于加工、工作頻帶寬等優點，兼具微帶天線和共面波導傳輸的雙重優點[7-8]。

圖1為蝶形貼片天線的結構示意，主要包括介質基片、2塊蝶形金屬貼片及饋電接頭等。可見，蝶形貼片天線的主要結構參數有蝶形寬度L、張角θ和封裝厚度d。因此，本文主要研究上述3個結構參數與天線性能之間的關系。

圖1 蝶形天線結構示意

1.2 回波損耗的FDTD仿真

S參數一般反映了二端口網絡的傳輸與反射特性，Sij表示從端口j注入、在端口i測得的能量，常用的4個S參數含義如圖2所示。S11稱為回波損耗，作為傳統天線的性能評價指標，它代表了饋電點從天線處反射回來的能量，如果S11=0 dB，那么意味著饋電點輸入的所有能量都被天線反射回來，天線沒有任何能量輻射[9]。因此，本文選取傳統天線的評估指標S11參數作為優化目標，用以優化蝶形貼片UHF傳感器的結構參數。

圖2 二端口網絡S參數

本文基于FDTD（有限時域差分法）建立了蝶形貼片天線的仿真模型。具體有關天線的FDTD仿真可參見文獻[10]。根據電場仿真結果，計算入射波電壓Vi和反射波電壓Vj，通過傅里葉變化即可求出S參數，如式（1）所示：

2 蝶形貼片UHF傳感器的優化仿真

2.1 蝶形張角的影響

圖3所示為固定蝶形寬度L為22 mm時，不同蝶形張角下的S11仿真結果。可見，天線檢測頻帶隨張角的增大而降低，最低S11值卻逐漸增大，因此需要在檢測帶寬與S11大小之間進行權衡。澆注孔實際上為波導縫隙天線，其電場E面為平行于縫隙的窄邊方向，即沿GIS的軸向，因此澆筑口的寬度決定了泄漏電磁波的諧振特性。根據縫隙天線諧振頻率計算公式可知，盆式絕緣子澆筑口處泄漏電磁波頻率一般高于1 GHz，因此張角在 90°～120°比較合適。

2.2 蝶形寬度的影響

圖4所示為蝶形張角為120°時，不同蝶形寬度下的S11仿真結果。可見，隨著蝶形寬度的增大，S11值逐漸降低，且第一個諧振點的頻率也隨之降低；當蝶形寬度大于30 mm后，在2.5 GHz以上的頻段內出現了第二個諧振點，因此增大蝶形寬度可提高檢測靈敏度。但貼片寬度一方面受GIS盆式絕緣子澆筑口寬度限制（一般來說需小于40 mm），另一方面受盆式絕緣子澆筑口泄漏電磁波頻率（1～2 GHz）的影響。綜合上述因素，蝶形寬度在20～30 mm較為合適。

圖3 不同蝶形張角下S11仿真結果

圖4 不同蝶形寬度下S11仿真結果

2.3 封裝厚度的影響

由于按照蝶形貼片加工的印刷電路板完工后需用環氧樹脂灌封于金屬殼內，灌封后整體設計堅固、抗破壞性強；天線接收面朝向盆式絕緣子，外部全部為金屬殼屏蔽，可有效減少外部噪聲信號的強度，提高整個檢測系統的抗噪性。但灌封后金屬殼及環氧樹脂會引起電磁波的折、反射，造成天線性能的變化，因此有必要分析封裝厚度對蝶形貼片天線性能的影響。需要說明的是，為避免因傳感器與傳輸線阻抗不匹配導致的反射波引發信號失真，傳感器阻抗應與傳輸線阻抗相匹配，但為了仿真建模方便，仿真中未考慮信號引出接頭對傳感器性能的影響。

以蝶形寬度30 mm、張角90°為例，對天線基片與金屬外殼距離d取10 mm，20 mm，30 mm及40 mm時的S11進行仿真，得到不同封裝厚度下S11仿真結果如圖5所示。可以看出，當d較小（如d=10 mm）時，檢測頻帶偏高，與泄漏信號主要頻帶偏離，檢測效率較低；當d較大時，雖可以降低檢測頻帶，但此時最低S11值偏高，同樣不利于信號檢測。考慮到特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口與支架之間的縫隙一般小于25 mm，因此選取d=20 mm灌封傳感器。

圖5 不同封裝厚度下S11仿真結果

2.4 蝶形貼片天線的輻射方向

圖6所示為蝶形貼片天線在2個典型頻率下的輻射方向，可見整體輻射方向呈正弦狀分布，沿蝶形寬度L方向的電場強度最大，且在天線中心軸向的輻射強度最大。由于GIS沿盆式絕緣子泄漏電磁波的最大電場方向為軸向，因此蝶形貼片現場接收信號時應沿著蝶形寬度L方向進行測試。

圖6 蝶形貼片天線輻射方向

3 蝶形貼片UHF傳感器的優化與測試

3.1 蝶形貼片UHF傳感器的研制

根據仿真結果，優選2組尺寸進行傳感器研制：第 1組 d=20 mm，L=22 mm，θ=120°；第 2組d=20 mm，L=30 mm，θ=90°。 介質基片材質為FR-4環氧玻璃布層壓板。圖7所示為灌封后蝶形貼片外置式UHF傳感器的實物，包括蝶形貼片天線、饋電N型同軸接頭。

3.2 蝶形貼片UHF傳感器的S11測試

圖7 優化后的傳感器實物

針對優化后的傳感器采用矢量網絡分析儀測試其回波損耗S11曲線，結果如圖8所示。可以看出，第 2組尺寸（d=20 mm，L=30 mm，θ=90°）傳感器的檢測頻帶與回波損耗數值更優。且對比圖5中d=20 mm曲線可知，S11的實測曲線與仿真曲線形狀基本相近，且兩者最低S11的頻率點均在 1.4～1.5 GHz，較為接近。

圖8 回波損耗S11實測曲線

3.3 蝶形貼片UHF傳感器的等效高度測試

等效高度可以表征UHF傳感器將局部放電輻射的電磁波能量轉換為電壓信號的能力。目前，國內外UHF傳感器均以等效高度作為檢驗其靈敏度的重要測試指標[11-15]。因此本文也對所研制的傳感器（d=20 mm， L=30 mm， θ=90°）在第三方GTEM（GHz橫電磁波）小室進行了等效高度測試，測試結果如圖9所示。可見，所研制的蝶形貼片UHF傳感器在300～1 500 MHz頻帶內平均有效高度為10.36 mm，高于國網公司標準規定的8 mm要求。

3.4 252 kV GIS仿真平臺典型缺陷下測試

圖9 等效高度實測曲線

雖然回波損耗S11與等效高度可以較好地反映傳感器的性能，但為進一步驗證優化后的蝶形貼片UHF傳感器檢測靈敏度，搭建了252 kV GIS仿真平臺（見圖10），并在試驗腔體內部設置自有金屬顆粒缺陷，在盆式絕緣子澆筑口處放置式UHF傳感器。利用該GIS仿真平臺對比研究商用DMS公司外置式傳感器和所研制傳感器的檢測靈敏度。

圖10 外置式傳感器檢測局放的試驗布置

圖11為自由微粒缺陷下商用傳感器與蝶形貼片超薄型UHF傳感器的局放檢測譜圖，自由微粒直徑為0.5 mm，外施電壓為10 kV，2種傳感器的測試時間均為30 s，接收信號均采用DMS公司特高頻局放儀檢測，檢測帶寬為300 MHz～2 GHz并經20 dB放大器放大。可見，蝶形貼片超薄型UHF傳感器與商用傳感器的檢測幅值基本一致，說明其檢測靈敏度與商用傳感器相當。

4 蝶形貼片超薄型UHF傳感器在特高壓GIS的應用效果

將優化后的蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器應用于某1 100 kV特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口與支架的窄縫隙處，如圖12所示。可見，該處縫隙約為30 mm，商用傳感器無法置于此處進行測試，而本文所研制的超薄型傳感器可在該處進行測試。

圖11 自由微粒缺陷下2種外置式傳感器的檢測譜圖

圖12 某特高壓GIS盆式絕緣子澆筑孔窄縫隙處超薄型傳感器的安裝

為進一步驗證該傳感器在特高壓GIS的檢測效果，向特高壓GIS內置傳感器注入100 V納秒脈沖電壓信號，在同一間隔另一內置傳感器處和相鄰盆式絕緣子澆筑口處（應用超薄型外置式傳感器）進行UHF信號檢測，檢測結果如圖13所示。可見，內置傳感器接收到的信號幅值約為超薄型外置式傳感器信號的5倍，基本符合特高頻信號的衰減關系，說明所研制的蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器滿足特高壓GIS局放帶電檢測工作的要求。

圖13 內、外置UHF傳感器的時域信號對比

5 結論

本文研制了一種蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器，建立其回波損耗參數測試仿真模型，研究了相關結構參數與傳感器性能的關系，并進行了實測對比研究。結果表明：該傳感器檢測頻帶隨張角的增大而降低，最低S11值逐漸增大；隨著蝶形寬度的增大，S11值逐漸降低，且第一個諧振點的頻率也隨之降低；隨著封裝厚度的增加，第一諧振點的頻率逐漸降低，且對應的S11值也逐漸增大；該傳感器的整體輻射方向呈正弦狀分布，沿蝶形寬度方向的電場強度最大；在300～1 500 MHz頻帶內傳感器的平均有效高度為10.36 mm。實測結果表明，所研制的蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器與商用傳感器靈敏度相當，且滿足特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口與支架間窄縫隙的要求[17-18]。