基于分形天線的輸電線路等電位帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射特性測量

黎鵬， 蔣建紅， 吳泳聰， 吳田， 方春華， 普子恒

(1.三峽大學(xué) 湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

0 引 言

等電位帶電作業(yè)是避免輸電線路停電檢修、保障正常供電的重要技術(shù)手段[1-3]。電位轉(zhuǎn)移是等電位帶電作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，是指作業(yè)人員通過導(dǎo)電手套或其它工具在距離帶電體一定距離時(shí)，迅速進(jìn)入或者退出等電位的過程[4-5]。相關(guān)研究表明：電位轉(zhuǎn)移過程會(huì)出現(xiàn)明顯拉弧現(xiàn)象，產(chǎn)生高幅值、高能量的放電脈沖，其輻射出的寬頻帶、高強(qiáng)度的電磁輻射噪聲可能會(huì)影響周圍智能設(shè)備的正常穩(wěn)定工作[5-8]。因此，研究電位轉(zhuǎn)移電弧的電磁輻射特性具有重要的實(shí)際意義。

利用天線對電弧產(chǎn)生的電磁輻射特性進(jìn)行測量，在弓網(wǎng)電弧和故障電弧檢測等方面得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]搭建了模擬弓網(wǎng)電弧試驗(yàn)平臺(tái)，利用分形天線測量了弓網(wǎng)電弧的電磁輻射特性，輻射信號(hào)主要集中在頻段0～160 MHz，在18 MHz達(dá)到輻射脈沖峰值。文獻(xiàn)[10]采用環(huán)形天線和對數(shù)周期天線對弓網(wǎng)電弧的電磁干擾信號(hào)進(jìn)行了測量，研究發(fā)現(xiàn)，干擾信號(hào)的集中頻段為30～300 MHz，在頻段30～60 MHz內(nèi)最嚴(yán)重。文獻(xiàn)[11-12]分析了電流、接觸壓力、列車運(yùn)行速度對弓網(wǎng)電弧電磁干擾頻率帶寬的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[13]采用多款天線結(jié)合線路實(shí)測及實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物仿真試驗(yàn)，研究了弓網(wǎng)離線電弧電磁頻譜特性。文獻(xiàn)[14]通過時(shí)頻分析天線獲得了弓網(wǎng)電弧電磁輻射信號(hào)的頻率分布范圍、特征頻率、輻射強(qiáng)度等信息，為抑制電弧電磁干擾提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[15]基于三階Hilbert天線試驗(yàn)分析了模擬接頭松動(dòng)時(shí)，串聯(lián)故障電弧的電磁輻射信號(hào)特性。文獻(xiàn)[16]采用喇叭天線研究不同間隙電弧的電磁輻射特性，指出直流電弧電磁輻射分布在高頻到超高頻，屬于寬帶輻射。文獻(xiàn)[17]利用4階Hilbert天線研究了不同電流突變情況下直流電弧的電磁輻射特性。文獻(xiàn)[18]利用分形天線采集了直流故障電弧的電磁輻射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)直流故障電弧存在36～41 MHz的特征頻率，且與氣壓、電極直徑、形狀均無關(guān)。文獻(xiàn)[19]利用天線檢測了故障電弧的電磁輻射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)電弧起始和發(fā)展階段頻譜不同。文獻(xiàn)[20]利用天線就金具電暈放電橫向特性和極化特性進(jìn)行了研究，初步測量了絕緣子電暈放電輻射電磁波的頻譜范圍為30～90 MHz?？梢姡锰炀€可對電弧的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行較好地測量，但目前針對輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射特性的研究卻未見相關(guān)報(bào)道。

本文根據(jù)輸電線路等電位帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電弧的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)4階Hilbert分形天線，搭建模擬輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電弧試驗(yàn)平臺(tái)，對轉(zhuǎn)移電弧的電磁輻射特性進(jìn)行了測量，并通過頻譜特性分析獲得電磁輻射信號(hào)的頻帶分布，研究可為實(shí)際輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電弧的電磁干擾研究提供參考。

1 4階Hilbert天線設(shè)計(jì)

1.1 天線仿真模型

分形天線具有獨(dú)特的空間填充性，使得在較小的物理范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的電氣長度，有效擴(kuò)展了天線帶寬，減小了天線尺寸[21]，此外自相似性通常與天線的多頻特性相關(guān)[22]。因此，4階Hilbert分形天線可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化和多頻段設(shè)計(jì)[18]。圖1為三階Hilbert分形天線模型，由平行導(dǎo)線、短路終端和附加導(dǎo)線三個(gè)部分組成[23]。其分形曲線的維數(shù)可表示為

圖1 三階Hilbert模型

(1)

式中n為Hilbert分形曲線的階數(shù)。

當(dāng)分形階數(shù)分別為3、4時(shí)，對應(yīng)的維度分別為1.694和1.834。維數(shù)取值范圍為1～2，當(dāng)階數(shù)趨于很大時(shí)，分形曲線的計(jì)算維度將無限接近于2。電弧電磁輻射的相關(guān)研究表明：電弧電磁輻射頻段主要集中在0～500 MHz之間。

天線仿真模型由三層組成，1～3層分別為：導(dǎo)線層、介質(zhì)層和接地層，在HFSS軟件中求解模式選擇模式驅(qū)動(dòng)，設(shè)置掃頻范圍為0～500 MHz，掃描步進(jìn)為0.2 MHz，選用介電常數(shù)為4.6的FR4環(huán)氧樹脂作為天線的介質(zhì)層，導(dǎo)線層和接地層材質(zhì)均選用良導(dǎo)體銅。天線采用同軸線饋電的方式，同軸線穿過介質(zhì)層將導(dǎo)線層和接地層相連實(shí)現(xiàn)天線饋電，由于同軸線位于天線內(nèi)部，所以選用集總端口激勵(lì)方式。只有定義了輻射邊界條件，HFSS軟件才能實(shí)現(xiàn)天線的遠(yuǎn)區(qū)計(jì)算，通常設(shè)置輻射邊界與天線模型的間隔為1/4個(gè)波長[24]。導(dǎo)體寬度、導(dǎo)體厚度和介質(zhì)厚度等參數(shù)對天線的性能均有影響[25]，通過參數(shù)掃描確定天線的整體尺寸為165×165 mm2，導(dǎo)體層導(dǎo)線寬度為2 mm，介質(zhì)層厚度為1.6 mm，4階Hilbert天線具體模型如圖2所示。

圖2 天線仿真模型

1.2 天線性能分析

首先對天線性能參數(shù)駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)、回波損耗(S11)和輸出阻抗進(jìn)行分析。分形天線駐波比的仿真結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示0～500 MHz的頻率范圍內(nèi)，存在多個(gè)VSWR<5 dB的頻段，其傳輸功率達(dá)到55.6%[17]。因此，設(shè)計(jì)的天線具有合適的駐波比水平和良好的寬頻特性，能夠滿足電弧電磁輻射帶寬的檢測要求。

圖3 駐波比結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，天線的輸入阻抗和諧振頻率會(huì)隨著饋電點(diǎn)位置的改變而發(fā)生變化，因此，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)位置，使天線輸入阻抗約為50 Ω，達(dá)到與饋線阻抗匹配，提高天線功率傳輸?shù)男蔥17]。Hilbert天線的一個(gè)巨大優(yōu)勢就在于通過改變非中心的饋電點(diǎn)位置能夠改變輸出阻抗[26]。文獻(xiàn)[14]對4階Hilbert分形天線饋電點(diǎn)位置進(jìn)行了討論，最終確定饋電點(diǎn)在圖2所示位置。天線回波損耗和輸出阻抗的仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示，由仿真結(jié)果可知，該天線在0～500 MHz之間存在多個(gè)諧振頻點(diǎn)，在通過高頻同軸電纜與示波器相連時(shí)，可與同軸電纜實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。

圖5 輸出阻抗

1.3 天線PCB制作

根據(jù)上述天線參數(shù)，制作4階Hilbert分形天線，天線PCB實(shí)物的正反面如圖6所示。實(shí)際使用過程中，在天線饋電點(diǎn)安裝SMA母頭，通過阻值為50 Ω的同軸電纜與示波器相連即可。

圖6 4階Hilbert天線實(shí)物

2 帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)及布置

輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移模擬試驗(yàn)平臺(tái)主要包括工頻電壓試驗(yàn)回路和電位轉(zhuǎn)移裝置，具體布置如圖7所示，圖中包括：調(diào)壓器、工頻試驗(yàn)變壓器、模擬導(dǎo)線、電位轉(zhuǎn)移裝置、平板電極、分壓器以及采集裝置等。工頻變壓器最大輸出電壓為100 kV，模擬導(dǎo)線直徑和長度為3 cm和1 m、兩端設(shè)有均壓球。其中模擬導(dǎo)線用于模擬高壓導(dǎo)線，平板電極用于模擬穿屏蔽服的工作人員，轉(zhuǎn)移電極用于模擬工作人員手持的轉(zhuǎn)移棒。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)與裝置

模擬導(dǎo)線和平板電極的具體布置如圖8所示，模擬導(dǎo)線放置于環(huán)氧樹脂絕緣支架上，其與大地之間的距離為H；平板電極同樣固定于環(huán)氧樹脂支架，通過調(diào)節(jié)其與導(dǎo)體之間的距離h來模擬轉(zhuǎn)移距離(作業(yè)人員與高壓導(dǎo)線之間的距離)的變化。轉(zhuǎn)移電極與模擬導(dǎo)線之間的距離d(模擬轉(zhuǎn)移棒與高壓導(dǎo)線之間的距離)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，為了減小電位轉(zhuǎn)移裝置對導(dǎo)線與平板電極之間電場的影響，轉(zhuǎn)移棒放置方向垂直于模擬導(dǎo)線。阻容分壓器變比為10 000∶1，用于測量變壓器的實(shí)時(shí)輸出電壓，天線用于采集電弧的電磁信號(hào)，測量范圍為0～500 MHz。

圖8 具體布置

2.2 電位轉(zhuǎn)移電流的測量

進(jìn)出等電位時(shí)，等電位人員和測量裝置處于中間和高電位，存在強(qiáng)電磁干擾，并且脈沖電流信號(hào)的頻率高，對測量裝置的抗干擾能力和采樣率都有較高的要求[4]。因此，采用無感同軸分流器和光纖光柵隔離采集系統(tǒng)對電位轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行測量，其測量系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 電位轉(zhuǎn)移電流測量系統(tǒng)

將同軸分流器串入轉(zhuǎn)移電極與平板電極之間，當(dāng)模擬導(dǎo)線與轉(zhuǎn)移電極之間產(chǎn)生電弧時(shí)，模擬導(dǎo)線與平板電極之間的電容Ca存儲(chǔ)的能量(電荷)會(huì)通過電弧-同軸分流器釋放，從而形成瞬態(tài)電流，即電位轉(zhuǎn)移電流。為盡可能減小同軸分流器對轉(zhuǎn)移電流的影響，無感同軸分流器的電阻取為5 mΩ，實(shí)測值為4.695 mΩ。

由于同軸分流器位于高壓側(cè)，暴露于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，為了減少電磁輻射干擾對轉(zhuǎn)移電流測量的影響，將同軸分流器的輸出信號(hào)通過同軸電纜與光纖光柵隔離采集系統(tǒng)(包括變送器和接收器，兩者通過光纖相連)相連，最后將接收器的輸出信號(hào)接至示波器即可。光柵隔離系統(tǒng)的帶寬可達(dá)20 MHz，示波器型號(hào)為DPO405B，最大采樣率可達(dá)2.5 G/s，存儲(chǔ)容量可達(dá)20 M。

2.3 具體試驗(yàn)步驟

1)按圖7、圖8所示搭建試驗(yàn)回路，調(diào)整模擬導(dǎo)線對地高度H為85 cm，將平板電極置于導(dǎo)線正下方，其與導(dǎo)線之間距離h為20 cm；轉(zhuǎn)移電極置于導(dǎo)線與平板電極之間，其與導(dǎo)線之間的距離d根據(jù)需要調(diào)整。

2)無感同軸分流器輸入端分別與轉(zhuǎn)移電極和平板電極相連，輸出端接光纖光柵隔離采集系統(tǒng)；Hilbert天線放置于試驗(yàn)平臺(tái)一側(cè)，其離轉(zhuǎn)移電極的距離為3 m，同時(shí)為了提高天線測量準(zhǔn)確性，調(diào)整天線正面中心與轉(zhuǎn)移電弧平齊。所有輸出信號(hào)均通過同軸電纜與示波器相連，示波器的采樣頻率設(shè)置為100或250 MHz。

3)采用均勻升壓法升高電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)移電極與導(dǎo)線之間出現(xiàn)穩(wěn)定的電弧放電時(shí)，停止施加電壓，同步采集施加的工頻電壓U、電位轉(zhuǎn)移電流I和天線電磁輻射信號(hào)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電位轉(zhuǎn)移電流特性分析

調(diào)整轉(zhuǎn)移電極與模擬導(dǎo)線之間的距離d為3 cm，當(dāng)施加電壓U為35 kV(有效值)左右，出現(xiàn)穩(wěn)定電弧。同軸分流器和分壓器采集的轉(zhuǎn)移電流和電壓波形如圖10所示?？梢钥闯觯D(zhuǎn)移電極與導(dǎo)線間隙均在電壓峰值時(shí)發(fā)生擊穿，擊穿時(shí)導(dǎo)線電壓出現(xiàn)小幅度跌落，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)尖峰脈沖，這可能與間隙擊穿瞬間產(chǎn)生的電磁干擾有關(guān)。由電位轉(zhuǎn)移電流波形可知，每個(gè)電壓周期(20 ms)最多出現(xiàn)一個(gè)電流脈沖，整個(gè)燃弧過程轉(zhuǎn)移電流峰值最大達(dá)到3 200 A左右，平均值接近3 000 A。對圖10中虛線區(qū)域內(nèi)的脈沖進(jìn)行局部放大，可以看出，單次燃弧過程中，轉(zhuǎn)移電流呈衰減振蕩，持續(xù)時(shí)間為1 μs左右。

圖10 導(dǎo)線電壓及電位轉(zhuǎn)移電流波形

保持d為3 cm不變，提高模擬導(dǎo)線電壓至40 kV(有效值)左右時(shí)，得到轉(zhuǎn)移電流波形如圖11所示。

圖11 電位轉(zhuǎn)移電流波形

圖11中電位轉(zhuǎn)移脈沖波形特征與圖10基本一致，但脈沖數(shù)量明顯增加，每個(gè)電壓周期至少有1個(gè)電流脈沖，部分周期在電壓峰值附近甚至出現(xiàn)了兩次連續(xù)電弧放電過程(2個(gè)電流脈沖)；同時(shí)，轉(zhuǎn)移電流峰值也有所增大，最大值和平均值分別為3 500和3 100 A?？梢妼?dǎo)線施加電壓增大后，轉(zhuǎn)移電極與導(dǎo)線之間的間隙更容易擊穿，放電頻率與電流脈沖峰值均明顯增大。對圖11中虛線區(qū)域的波形進(jìn)行局部放大，其變化規(guī)律與圖10基本相同，轉(zhuǎn)移電流脈沖仍呈衰減振蕩，振蕩時(shí)間仍在1 μs左右。

3.2 電位轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射特性分析

4階Hilbert天線的頻率測量范圍為0～500 MHz，而轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射信號(hào)的頻帶分布是未知，因此，設(shè)置示波器采樣頻率分別為100和250 MHz進(jìn)行測量。當(dāng)施加電壓有效值為35 kV時(shí)，獲得不同采樣頻率下轉(zhuǎn)移電流與電磁輻射信號(hào)波形分別如圖12和圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)移電流與電磁輻射信號(hào)(采樣率100 M)

由圖12和圖13可知，改變采樣頻率后，轉(zhuǎn)移電流與電磁輻射信號(hào)波形隨時(shí)間的變化規(guī)律基本類似，僅在脈沖數(shù)量上有差異，即采樣頻率增大，采樣時(shí)間縮短，故采集到的脈沖數(shù)量也相應(yīng)減少。同時(shí)，對圖12中的電磁輻射脈沖②與對應(yīng)的轉(zhuǎn)移電流脈沖進(jìn)行局部放大，具體如圖14所示，可以看出，轉(zhuǎn)移電流與電磁輻射脈沖變化趨勢一致，兩者上升沿、下降沿基本對應(yīng)，即轉(zhuǎn)移電流脈沖與電磁輻射信號(hào)脈沖在時(shí)間上具有一致性，且衰減振蕩周期相同。出現(xiàn)轉(zhuǎn)移電流脈沖的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大幅值的電磁輻射信號(hào)，但電磁輻射信號(hào)脈沖數(shù)量要多于轉(zhuǎn)移電流，這主要與轉(zhuǎn)移電流信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣頻率較低有關(guān)；試驗(yàn)過程中，采用光纖光柵隔離采集系統(tǒng)對轉(zhuǎn)移電流信號(hào)進(jìn)行采集，但其最大采集頻率只有20 MHz，可能會(huì)造成一些低強(qiáng)度高頻率的轉(zhuǎn)移電流脈沖未被采集，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)移電流脈沖數(shù)量較電磁輻射脈沖少。

圖14 轉(zhuǎn)移電流脈沖與電磁輻射脈沖

為研究電磁輻射脈沖信號(hào)的頻譜特性，對圖12和圖13中的典型電磁輻射脈沖①～③分別進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)，得到采樣頻率分別為100和250 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射脈沖的頻譜變化規(guī)律，具體如圖15和圖16所示?？梢钥闯觯恨D(zhuǎn)移電弧的電磁輻射信號(hào)在頻域上為脈沖波形，在0～125 MHz范圍內(nèi)均有分布；當(dāng)采樣頻率為100 MHz時(shí)，電磁輻射的頻域幅值整體差異較小，而當(dāng)采樣率為250 MHz時(shí)，幅值差異較大；在0～50 MHz范圍內(nèi)幅值較大，而在高于50 MHz頻段范圍內(nèi)幅值較小，可見，電位轉(zhuǎn)移電弧的電磁輻射信號(hào)主要分布在頻段0～50 MHz內(nèi)。

圖15 頻譜分布(采樣頻率100 M)

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采樣頻率為100和250 MHz時(shí)，電磁輻射脈沖均在頻段10～30 MHz的幅值較大，且頻域峰值均集中在14 MHz附近。因此，轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射脈沖的主要頻帶范圍為10～30 MHz，且特征頻率在14 MHz附近。

3.3 電弧特性對電磁輻射頻段的影響分析

為了進(jìn)一步分析電弧特性對電磁輻射頻段的影響，當(dāng)采樣頻率為250 MHz時(shí)，對導(dǎo)線施加電壓為40 kV時(shí)的轉(zhuǎn)移電流和電磁輻射信號(hào)進(jìn)行分析，具體如圖17所示。

對圖17中典型的電磁輻射脈沖①～③進(jìn)行FFT，得到電磁輻射脈沖的頻譜變化規(guī)律如圖18所示，與圖16對比發(fā)現(xiàn)，不同施加電壓下(即轉(zhuǎn)移電弧燃燒特性發(fā)生改變)轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射脈沖均在頻段10～30 MHz的幅值較大，且頻域峰值均集中在14 MHz附近。

圖16 頻譜分布(采樣頻率250 M)

圖17 轉(zhuǎn)移電流與電磁輻射信號(hào)

圖18 頻譜分布

電弧電磁輻射頻譜中，最大幅值對應(yīng)的頻率(特征頻率f0)可通過下式進(jìn)行估算[12]：

(2)

式中：ρ為電弧電阻率；ε0為空氣的介電常數(shù)。

由式(2)可知，電磁輻射的特征頻率取決于電弧電阻率和空氣的介電常數(shù)，電弧電阻率由空間帶電粒子數(shù)量、游離和去游離的強(qiáng)度決定，電弧電流的幅值影響較小，而空氣介電常數(shù)不隨電流幅值變化[17]。因此，電弧燃弧特性對電磁輻射頻段影響較小。

4 結(jié) 論

本文開展了輸電線路等電位帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移模擬試驗(yàn)，獲得了電位轉(zhuǎn)移電弧電流和電磁輻射信號(hào)的變化規(guī)律，并基于FFT分析了轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射信號(hào)的頻帶分布，得到如下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)的4階Hilbert天線駐波比、回波損耗和輸出阻抗等參數(shù)符合測量要求，其性能滿足對輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射特性測量的要求，并通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了測量的有效性。

2)導(dǎo)線電壓增大后，轉(zhuǎn)移電極與導(dǎo)線之間的間隙更容易擊穿，放電頻率和轉(zhuǎn)移電流脈沖峰值均明顯增大。電磁輻射脈沖的變化規(guī)律與轉(zhuǎn)移電流脈沖基本一致，當(dāng)轉(zhuǎn)移電流脈沖幅值較大時(shí)，對應(yīng)的電磁輻射信號(hào)也較大，且電磁輻射信號(hào)與轉(zhuǎn)移電流脈沖呈現(xiàn)相同的衰減振蕩，振蕩時(shí)間約為 1 μs。

3)電位轉(zhuǎn)移電弧電磁輻射信號(hào)的頻帶主要分布在10～30 MHz，且輻射脈沖的頻域峰值主要集中在14 MHz附近。