2. 重庆市电力公司江北供电局, 重庆 400000
2. Jiangbei Power Supply Bureau, Chongqing 400000, China
电气设备发生PD是其绝缘完整性退化的标志,同时PD的发生会造成设备老化、劣化甚至损毁,引发电力系统事故,因此对电气设备PD的监测和诊断对保障设备正常运行和电力系统安全具有重大意义[1]。
国内外对监测电气设备PD的方法进行了大量研究,其中UHF法虽然提出的时间相对于其他方法较晚,但其具有灵敏度高、准确性好和抗干扰能力强的优点,从而得到广泛的研究和应用[2-6]。目前该方法主要应用于电力变压器、气体绝缘组合开关设备(GIS)和高压电缆接头等重要电气设备的PD监测,具体方法是将UHF传感器安装于设备的内部或外表面接收PD信号从而进行放电检测和故障定位[7]。国内外研制了套筒单极子天线、双臂阿基米德平面螺旋天线和圆形加载单极子天线等用于电力变压器的PD监测,天线安装于变压器内部(一般通过油阀插入或在人孔、手孔处安装)[8-12];而对GIS的PD监测,则是通过将内置天线安装于接地外壳上或将外置天线安装于盆式绝缘子连接处来实现,为此国内外专门研制了小环天线、微带天线和分形天线等[13-16];目前UHF法应用于高压电缆接头PD监测还处于起步阶段,有研究将探针天线安装于便携式金属盒内,金属盒夹在电缆接头后方,既保证了传感器能检测到电缆接头处的PD信号又屏蔽了外部电磁干扰[7]。UHF法监测电气设备内部PD的研究和应用取得了一定成果,但目前该方法多用于监测单个设备,研制的UHF天线体积较小便于安装在设备内部或表面,但是其带宽和增益都较小,并且在监测过程中会同设备发生接触。
为保障变电站安全运行,有必要对变电站内所有高压设备的PD水平进行监测。然而目前研究的传感器只能对单个设备进行监测,而为相对次要、成本偏低的电气设备如绝缘子、电容器组等专门配备传感器来实现对变电站内所有电气设备PD水平的监测费用将十分高昂。为了解决这个问题,国外研制了一种双锥天线,将该天线组成的阵列安装于变电站主控室楼顶可以监测整个敞开式变电站设备PD情况,取得了一定效果[17-18]。在前人工作的基础上,笔者研制了一种频带更宽、增益更大的H面全向天线用于非接触检测一定范围内电气设备PD发出的UHF信号,具有更好的灵敏度和更大的信号接收范围。基于该天线可以开发出监测变电站全站设备PD的系统,系统工作不会同设备发生接触,一方面提高了变电站的安全水平,另一方面可以降低设备故障检测的费用,具有较好的工程应用价值。
1 天线传感器的分析和选型 1.1 天线传感器的设计要求要有效监测一定范围内电气设备PD情况,需要传感器能够接收到一定距离外因电气设备PD而辐射到空气中的UHF信号,所以必须确保天线传感器在设计上要满足以下条件
1) 在H面具有全向性,从而保证在监测范围内有效接收来自各水平方向的PD信号;
2) 具有合适的带宽,为尽可能多地提取放电信息要求天线工作频带至少覆盖PD电磁波信号能量最强频段500 MHz~1.5 GHz;
3) 具有一定的抗干扰性能,变电站内背景噪声频带一般在200 MHz以下,天线设计应避免上述干扰所在的频带;
4) 具有较高的灵敏度,由于天线的灵敏度和其带宽成正相关,因此天线工作频带应尽可能宽;
5) 具有较高的增益,确保能检测到较远距离外微弱的UHF信号;
6) 天线尺寸小、结构简单、重量轻、便于安装。
1.2 天线传感器的分析和选型为实现上述设计要求,需要选择宽带天线进行分析和设计,双锥偶极子天线则是典型的宽带天线,比起宽度固定的振子,双锥结构具有固定角度从而半径平滑变化,可以得到比振子天线更大的带宽。将双锥天线的上锥由圆盘取代,得到盘锥天线。该天线盘地面连接同轴传输线内导体,锥台连接同轴传输线外导体,可以提供H面全向方向图以及上下限频率比超过3:1的宽带性能[19]。
由互易定理可知,对天线接收特性和辐射特性的分析是等效的,因此笔者分析盘锥天线的辐射特性和特性阻抗。在球面坐标系(r,θ,φ)下,假设双锥天线两半导体均为无限锥形表面,在两导体缝隙处施加电压则电流从缝隙处沿导体表面流出,并且由此产生磁场。又假设其传输TEM波则电场垂直于磁场方向,在锥间区域满足公式(1)
$ J = 0;H = {H_\varphi }\hat \phi ;H = {H_\varphi }\hat \phi . $ | (1) |
由安培定律▽×H=jωεE+J可以将式(1)简化为式(2)
$ - \frac{1}{{r\sin \theta }}\frac{\partial }{{\partial \theta }}\left( {\sin \theta \times {H_\varphi }} \right) = j\omega \varepsilon {E_r} = 0. $ | (2) |
其中对r分量和对θ分量如式(3)所示
$ - \frac{1}{r}\frac{\partial }{{\partial r}}\left( {r{H_\varphi }} \right) = j\omega \varepsilon {E_\theta }. $ | (3) |
非对称双锥天线的上锥锥角变为90°就将其变形为盘锥天线,在此基础上根据前人研究的非对称双锥天线辐射特性就可以推导出盘锥天线的辐射特性,式(4)、(5)表达了盘锥天线远场区电场和磁场分量
$ {E_\theta } = \frac{{{V_0}{{\rm{e}}^{ - j\beta r}}}}{{r\sin \theta \cdot \ln \cot \left( {\frac{{{\theta _h}}}{2}} \right)}}, $ | (4) |
$ {H_\varphi } = \frac{{{V_0}{{\rm{e}}^{ - j\beta r}}}}{{\eta r\sin \theta \cdot \ln \cot \left( {\frac{{{\theta _h}}}{2}} \right)}}, $ | (5) |
其中:V0是发射机供给盘锥天线的发射电压;θh是盘锥天线锥角;
而盘锥天线的特性阻抗也可以通过非对双锥天线的特性阻抗进行推导,非对称双锥天线的终端电压和电流如式(6)、(7)所示
$ V\left( r \right) = \int_{{\theta _1}}^{{\rm{ \mathsf{ π} }} - {\theta _2}} {{E_\theta }r{\rm{d}}\theta } = {V_0}{{\rm{e}}^{ - j\beta r}}, $ | (6) |
$ \begin{array}{l} I\left( r \right) = \int_0^{2{\rm{ \mathsf{ π} }}} {{H_\varphi }r\sin \theta d\varphi } = \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}{V_0}{{\rm{e}}^{ - j\beta r}}}}{{\eta \cdot \ln \left[ {\cot \left( {\frac{{{\theta _1}}}{2}} \right)\cot \left( {\frac{{{\theta _2}}}{2}} \right)} \right]}}, \end{array} $ | (7) |
其中:θ1为双锥天线的上锥锥角;θ2为双锥天线的下锥锥角。
则任意点r处的特性阻抗如式(8)所示
$ \begin{array}{l} {Z_0} = \frac{{V\left( r \right)}}{{I\left( r \right)}} = \frac{\eta }{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\ln \left[ {\cot \left( {\frac{{{\theta _1}}}{2}} \right)\cot \left( {\frac{{{\theta _2}}}{2}} \right)} \right] = \\ \;\;\;\;\;\;\;\;60\ln \left[ {\cot \left( {\frac{{{\theta _1}}}{2}} \right)\cot \left( {\frac{{{\theta _2}}}{2}} \right)} \right], \end{array} $ | (8) |
盘锥天线是非对称双锥天线θ1=90°的情况,则盘锥天线阻抗特性如式(9)所示
$ {Z_0} = 60\ln \cot \left( {\frac{{{\theta _h}}}{2}} \right). $ | (9) |
从上述对盘锥天线的分析来看,相比起双锥天线,盘锥天线盘地面下方的辐射特性和双锥天线下半部分一样,而输入阻抗是对称双锥天线输入阻抗的一半,因此盘锥天线可以在更小体积的基础上实现更优秀的宽带性能和更大的增益,另外盘锥天线作为单极子天线使用同轴电缆进行信号传输,有利于接收设备接收信号。因此本文选择盘锥天线作为非接触式PD检测天线进行分析设计。
2 盘锥天线的仿真设计和性能实测 2.1 UHF接收天线评价指标设计的盘锥天线需要关注的指标为带宽、增益和方向图。工程上最常用的单极子天线带宽是指天线驻波比<2的频带。驻波表示天线和馈线的阻抗匹配程度,体现天线中正向波和反向波的情况,因此天线的驻波比带宽即为天线的阻抗带宽。驻波比VSWR可以用公式(10)表示,其中K表示反射系数
$ {\rm{VSWR}} = \frac{{1 + K}}{{1 - K}}. $ | (10) |
天线增益指在输入功率相等的情况下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。对PD信号的检测而言,同等信号强度条件下天线增益越大检测的距离越远。全向直立天线的增益可以用公式(11)进行计算,其中l表示天线长度,λ表示天线工作的中心波长
$ G = 10\lg \left( {2l/\lambda } \right). $ | (11) |
天线方向图包括H面方向图和垂直面(E面)方向图,表示天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系,θ为电场强度,φ为磁场强度,其归一化幅度方向性函数如公式(12)所示
$ F\left( {\theta ,\varphi } \right) = \left| {E\left( {\theta ,\varphi } \right)} \right|/{\left| {E\left( {\theta ,\varphi } \right)} \right|_{\max }}. $ | (12) |
盘锥天线从1945年首先提出起至今,经过大量理论计算和实验研究表明,天线锥角为25°,盘地面和锥台间连接轴高度同锥台上表面半径相等的情况下天线阻抗匹配最佳[18]。大量使用经验还表明盘锥天线的高度和其增益成正相关,同时天线高度对其工作频带也有影响,一般而言天线高度的增加会使天线的频带向低频移动。盘锥天线目前在微波领域被大量应用,但是主要将其高度设计为10 cm以下应用于3 GHz以上频段,将盘锥天线高度增加至30 cm,该尺寸的天线便于安装用于一定范围内电气设备PD检测,同时天线频带下移至PD信号所在的频带,增益也有所增加。
研究用Ansoft HFSS软件对高30 cm、锥角25°的盘锥天线的盘半径(分别选择0.5、10、15、20、25、30 cm)进行优化,使其增益和频带达到PD检测的最优指标。如图 1和图 2所示,曲线1、2、3、4、5、6分别表示盘半径为0.5、10、15、20、25、30 cm的盘锥天线的阻抗带宽和增益情况。当盘半径为10、20、25、30 cm时天线阻抗带宽满足PD信号检测的要求,盘半径为0.5 cm的情况下天线下限频率超过500 MHz,盘半径为15 cm的情况下天线下限频率低于200 MHz因而不符合设计要求。就增益而言,1 GHz以下频段增益随盘半径的变动变化很小,而1 GHz以上频段盘半径20、25、30 cm的情况下增益要明显优于盘半径0.5、10、15 cm的情况。
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图 1 30 cm高盘锥天线不同盘半径驻波比情况 |
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图 2 30 cm高盘锥天线不同盘半径增益情况 |
考虑到设计为检测PD的传感器,选择锥角为25°、高度为30 cm、盘半径为20 cm的盘锥天线进行加工设计,仿真结果显示其带宽为0.24~2 GHz,在满足PD检测频带要求的前提下比其他盘半径情况具有更大带宽,平均增益达5 dB以上,同其他盘半径情况相比也比较理想。
2.3 盘锥天线的加工制作和性能测试加工设计锥角25°、高度30 cm、盘半径20 cm的盘锥天线。如图 3所示该天线在加工上采用了离散化方式,每个面都用12根盘杆代替,在天线增益和带宽等性能不受影响的基础上既减轻了重量同时使得该天线各部分可拆卸,便于携带和安装。
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图 3 离散化加工的盘锥天线 |
天线加工完成后对其阻抗带宽、方向图和增益进行实测。如图 4所示,由AV3629矢量网络分析仪测试得到盘锥天线阻抗带宽为200 MHz~2 GHz以上,同仿真结果吻合,完全满足设计的带宽要求。盘锥天线是H面全向天线,因此只考察其E面的方向图性能,如图 5所示天线E面方向图最大增益方向在天线下方,适合接收从低处传来的信号。利用AV1487B信号源和HP8592L频谱分析仪测试得到天线在工作频带内平均增益大于4 dB,对全向宽带天线而言该增益较为理想,但实测增益小于仿真结果,是加工和测试条件造成的误差。
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图 4 盘锥天线的实测驻波比图 |
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图 5 盘锥天线的实测E面方向图 |
为检验盘锥天线作为PD传感器的性能,对其进行UHF信号接收测试。实施方案是在固定位置放置盘锥天线,用已知放电量的放电源在一定距离外发射UHF信号,观察天线接收到的信号幅值的情况,按一定规律调整天线和放电源间的距离再重复测试,从而验证天线对UHF信号的接收能力并观察天线接收到的UHF信号幅值随距离增加的衰减情况。由于通过试验变压器对缺陷模型加压产生UHF信号的模拟放电源在实验室内,测试在室外进行故无法使用。选取压电点火器作为模拟放电源,压电点火器直接对电缆线芯进行放电可以激发出UHF电磁波,用IEC 60270方法对压电点火器放电量进行标定[19],其放电量约为10 000 pC(±10%误差)。
试验选择在空旷场地进行,测试地点实测背景噪声干扰非常小(不到5 mV)。天线放置在约7 m高的房屋上,通过8 m长的信号电缆接到示波器。信号发射点距离天线10~80 m,每隔10 m发送信号20次,信号幅值的平均值则认为是天线在该距离上接收到的10 000 pC放电量的模拟放电源发射的UHF信号幅值。图 6是10~80 m外天线接收到的来自压电点火器发射的UHF信号平均幅值情况,可以看出接收距离越远信号幅值越小,在距离60 m之后天线不能确保每次都可以接收到信号,尤其距离80 m外示波器只采集到约一半次数的信号。如图 7所示,天线接收到80 m外压电点火器的UHF信号幅值平均为24 mV,证明天线作为电气设备PD信号检测的传感器具有良好的接收性能。
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图 6 压电点火器UHF信号幅值和距离的关系 |
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图 7 天线80 m外检测到的点火器UHF信号幅值 |
在某220 kV敞开式变电站用4个盘锥天线组成矩形阵列(如图 8所示)进行PD信号接收和基于信号到达时间差算法的定位试验,每个天线均用8 m长的信号电缆连接到示波器,并用脉冲注入法对系统时延误差进行标定以确保后面时间差求取的准确性。如图 9所示,该变电站靠近进门处为220 kV开关场,内部包括隔离开关(CB)、电流互感器(CT)和电压互感器(PT)等设备,220 kV开关场后面为变电站主控室,距离主控室两侧约10 m处各有1台220 kV变压器,主控室后面为110 kV开关场,也有相应的CB、CT和PT等设备。就整个变电站布局而言,主控室处在较中心的位置,四周都有电气设备存在。
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图 8 天线阵列安装 |
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图 9 变电站实测及放电源位置 |
将天线阵列安装于主控室楼顶进行信号采集,安装在主控室位置的好处是全向天线阵列位于变电站中间位置可以有效接收来自各个方向的设备发出UHF信号。如图 10所示是示波器通过主控室楼顶的天线阵列采集到的放电波形,幅值至少可达80 mV以上,而如图 11所示在主控室楼顶测得的变电站固有背景噪声幅值一般不超过10 mV,因此该信号同背景噪声相比具有良好的信噪比(SNR)。
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图 10 放电源的放电信号 |
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图 11 实测的220 kV变电站背景噪声 |
放电信号到达各天线存在时间差,读取了时差就可以计算出放电源所在的位置。由于试验采集的时域波形波前部分相似度高并且具有明显的上升沿,故采用特征点法读取信号时间差,如图 12特征点选取UHF信号的第一个峰值,即不同天线采集的UHF信号第一个峰值的时间差再结合标定的系统时延误差即得到信号到达各天线的时间差。在求取了信号达到各天线的时间差后,根据公式(13)可以计算放电源所在的位置坐标(将天线传感器1所在位置取为原点),其中c表示光速,Δtij表示信号到达天线i和天线j的时间差,(xs,ys,zs)表示放电源位置坐标,(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)表示天线i和天线j的位置坐标,其中i,j=1、2、3、4。
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图 12 两天线信号时间差读取 |
$ \begin{array}{l} c \times \Delta {t_{ij}} = \sqrt {{{\left( {{x_s} - {x_i}} \right)}^2} + {{\left( {{y_s} - {y_i}} \right)}^2} + {{\left( {{z_s} - {z_i}} \right)}^2}} - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\sqrt {{{\left( {{x_s} - {x_j}} \right)}^2} + {{\left( {{y_s} - {y_j}} \right)}^2} + {{\left( {{z_s} - {z_j}} \right)}^2}} , \end{array} $ | (13) |
通过计算得到放电源所在的位置坐标为(-26.5,17.2,2.5) m。变电站工作人员在得知计算出的坐标位置后使用厦门红相公司生产的超声波PD检测仪Ultra TEV plus+在计算得到的位置坐标附近进行检测。如图 8所示,超声波PD检测仪检测到的放电源是该变电站2号主变压器220 kV出线侧B相隔离开关,实测位置坐标是(-29,19,2) m,和计算的放电源位置坐标相比误差为3.1 m,后证实该放电为空气绝缘部分放电。
从现场测量的结果看,天线成功检测到了水平距离35 m外的PD信号,证实其具有良好的远距离UHF信号接收能力,可以很好地用于监测一定范围内电气设备PD情况。
4 结论1) 通过分析辐射特性和特性阻抗,确定了将盘锥天线设计为用于非接触检测一定范围内电气设备PD的UHF传感器并通过仿真优化确定其结构,加工出的天线带宽为0.2~2 GHz以上,平均增益达4 dB以上。
2) 在接收模拟放电信号和变电站放电信号的试验中,盘锥天线接收到了来自80 m外的标定放电量10 000 pC的放电信号(平均幅值达24 mV),在变电站接收到了35 m外CB处发出的空气绝缘放电信号,证实了该天线具有良好的远距离PD信号接收能力。
3) 未来将基于设计的盘锥天线开发出固定式或移动式变电站全站设备PD监测系统,系统工作时不同设备发生接触,通过更多现场实测开展基于UHF法的变电站设备PD水平监测及故障早期预警的研究。
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