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
《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》由会员分享,可在线阅读,更多相关《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(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、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
2、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
3、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
4、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
5、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。
6、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
7、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
8、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
9、。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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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,
15、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 rati
16、os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
17、。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 9.30。逐步改变巴伦 RMWAS,实现在工作频带内阻抗的降低。本文还对不同间隙比变化的情况进行了研究,通过调整 W2的宽度使得巴伦外圈 RMWAS 从 0.76到 1.53,巴伦内圈 RMWAS
18、从 0.69 到 2.30。图 6、图 7 给出了指数渐变间隙比巴伦从 3.91 到 9.30示意图 以 及 渐 变 到 2.30 的 VSWR 和 恒 定 间 隙 比 的VSWR 对比图。图 6指数渐变间隙比巴伦示意图Fig.6Exponential gradient RMWAS balun schematic图 7恒定与渐变间隙比巴伦 VSWR 仿真图Fig.7Constant and gradient RMWAS balun VSWRsimulation diagram根据图 6 给出指数渐变间隙比公式为01RMWASRR=(6)由图 7 可以看出,渐变式间隙比巴伦相比于恒定间隙比巴伦,
19、可以使工作频带向相对低频移动,对比图 5,指数渐变式间隙比加宽天线 VSWR 小于2 的频带。因局部放电信号辐射的 UHF 大多存在于300 MHz1.5 GHz24,根据图 7 所示仿真结果,最终选择的天线实物的渐变式 RMWAS 为 9.3。1.3天线柔性化及实物制作随着柔性基底材料的出现,国内外学者基于不同柔性材料基底设计了多种柔性天线25-27,常用的柔性材料有,聚二甲硅氧烷(PDMS)28、聚酯薄膜(PET)29,聚酰亚胺(PI)30等材料。但目前设计的柔性天线大多应用于通信及可穿戴领域,较少有涉及局部放电检测。表 1 给出了 PI、PDMS、PET 三种柔性材料的基本电学性能参数,
20、PI 具有较低的介电常数r,损耗正切角 tan 能提高信号传输速度以及减小信号传输损失,较高的耐压值降低了天线内置时被击穿的风险。除此之外,PI 材料还具有优异的热稳定性,优良的力学性能和电性能被广泛地应用于电气绝缘和微电子工业领域31,同时还具有耐辐射、阻燃和无毒的特性,因此本文选择 PI 柔性材料作为天线基底。根据上述参数进行仿真优化后确定仿真结果能达到使用要求,天线本体与巴伦为一个整体,整体位于厚度为 0.27 mm 的 PI 介质基板上,加工制作完成的天线辐射单元直径为 150 mm,相比于正常螺旋1068电 工 技 术 学 报2023 年 2 月表 1柔性材料基本参数Tab.1Bas
21、ic parameters of flexible materials参数材料PIPDMS32PET33r3.534tan0.0080.020.04击穿电场强度/(kV/mm)20020380天线的直径 199 mm,径向尺寸缩小了 25%,相比于传统阿基米德螺旋天线,极大地减小了轴向尺寸,为天线内置提供了便利。本文设计的天线整体实物如图 8 所示。图 8天线辐射面与天线背面Fig.8The antenna radiant surface and the back ofthe antenna2天线性能分析2.1驻波比天线的输入阻抗为馈电的负载阻抗,输入阻抗与传输线的匹配程度将直接决定天线的输入
22、能量和输出能量的效率,其值在极少数情况下可以直接用理论计算34。通常用 VSWR 来表明馈电端口阻抗的匹配程度。当 VSWR=1 时表明天线的阻抗已经与馈线阻抗完全匹配,但在实际应用中不可能实现;当VSWR1 时,说明天线有一部分功率被反射回来,从而降低了辐射功率;当 VSWR2 时,说明辐射功率达到了 88.9%以上;当 VSWR3 时,说明辐射功率达到了 75%以上;一般工程上要求 VSWR2,但对于 GIS 局部放电检测而言,由于 GIS 气室较小、PD 信号能量很强,UHF 天线作为信号接收装置内置时距离放电源较近,故一般认为内置天线在驻波比 VSWR5 即可35。使用 Ansys H
23、FSS 仿真软件对天线模型进行搭建,在 300 MHz3 GHz 频率范围内进行三维电磁场仿真,仿真所得驻波比曲线如图 9 所示。测试结果显示天线弯曲之后辐射性能在 700 MHz1 GHz有些许恶化,其余结果基本一致。图 9仿真 VSWR 曲线Fig.9VSWR curves of simulation实物制作完成后使用安捷伦所生产的 E5063A矢量网络分析仪对天线进行弯曲驻波比测试,扫频范围为 300 MHz3 GHz,实测的驻波比曲线如图10 所示,在 790 MHz1.8 GHz 频段内 VSWR2,610 MHz3 GHz 内 VSWR3.5,辐射性能良好。实物性能测试和仿真略有偏
24、差,但变化趋势基本相同。图 10实测 VSWR 曲线Fig.10Measured VSWR curves of test2.2方向特性在通常情况下,天线向四周辐射电磁波的情况不是绝对均匀的,因此人们采用方向特性来表示方向不同造成的辐射电磁波的差异性。一般情况下不需要对空间每个方向都仔细地研究,因此在天线的设计和测试中往往只采用两个互相垂直的主平面上的二维方向图来表示天线在整个空间的辐射情况,即平行于磁场方向的 H 面以及平行于磁场方向的 E 面。由于天线具有轴向的旋转对称性,所以测试了天线在 1、1.5、2 和 2.5 GHz 这 4 个频点天线在不第 38 卷第 4 期张国治等GIS 局部放
25、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1069同弯曲程度下的方向图。不同频点下的 E 面和 H 面方向图如图 11 和图 12 所示。图 11、图 12 所示在 E面和 H 面 4 个频点都成“8 字形”,说明天线的接收辐射的范围稳定且集中,在全频带范围内具有良好的双向辐射特性。(a)f=1 GHz(b)f=1.5 GHz(c)f=2 GHz(d)f=2.5 GHz图 11不同频点下的 E 面方向图Fig.11E-plane patterns at different frequencies(a)f=1 GHz(b)f=1.5 GHz(c)f=2 GHz(d)f=2.5 GHz
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- GIS 局部 放电 检测 天线 本体 小型化 高频 传感器 研究 张国治
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。