用于检测电气设备电晕的盘锥天线的研制

刘孝全，周泽宏，崔玉家，黄 昊，周 茂，姚陈果

(1.重庆市电力公司，重庆400014;2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

1 引言

随着变电站电气设备电压等级和智能程度不断提高，电晕现象的发生越来越频繁，对整个变电站的安全运行构成威胁。而要有效抑制高压设备电晕放电对电力系统的危害和对周围环境的污染，除了合理设计设备结构，提高设备制造水平外，对电气设备电晕的检测和诊断也是非常必要的［1-2］。

国内外对检测电气设备电晕放电的方法进行了大量研究，其中光学检测法和超声波检测法因为其具有检测可靠、能对电晕进行定位的优势从而得到广泛的研究和应用［3］。但由于光和超声波在空气和媒介中传播衰减严重，因此检测设备难以检测到较远距离外设备的电晕情况，在现场应用中存在一定局限［4-5］。

电磁波在空气中传播，10GHz以下频段大气吸收造成的信号损耗很小，因此相比起光信号和超声波信号，电磁波信号在空气中传播衰减很小。另外，由于电晕大多发生在位于尖端的非均匀场中，因此辐射出的电磁波信号能量远大于周围的电磁背景噪声，具有良好的信噪比［6-7］。因此，无线电方法检测电气设备电晕具有比光检测法和超声波检测法更大的检测距离和灵敏度，若将全向天线阵列安装于变电站内，可以实现对整个变电站电气设备电晕情况的监测及定位［8］。基于此，本文研制了水平面(H面)全向性、宽频带和高增益的用于电晕检测的天线传感器，该天线具有灵敏度高、检测距离远、便于携带和安装的特点，基于该天线可以开发出监测变电站全站设备电晕情况的系统，具有良好的工程应用价值。

2 天线传感器的分析和选型

2.1 天线传感器的设计要求

天线传感器要能够接收到一定距离外因电气设备电晕放电而辐射到空气中的电磁波信号，必须确保天线在设计上要满足以下条件:

(1)在H面具有全向性，从而有效接收来自各水平方向的电晕信号;

(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电晕电磁波信号能量最强频段;

(3)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;

(4)具有较高的增益，确保能检测到较远距离外微弱的电晕信号;

(5)天线尺寸小、结构简单、重量轻、便于安装。

2.2 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。

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，因此本文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

其中对r分量和对θ分量为

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，盘锥天线远场区电场和磁场分量如下:

式中，V0是发射机供给盘锥天线的发射电压;θh是盘锥天线锥角;β=2π/λ，η=。

而盘锥天线的特性阻抗也可以通过非对称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为

式中，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处的特性阻抗为

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

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检测变电站内电气设备电晕放电的传感器进行分析设计。

3 盘锥天线的设计和性能实测

3.1 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小于2的频带。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。对电晕信号的检测而言，同等信号强度条件下天线增益越大检测的距离越远。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。

3.2 盘锥天线的加工制作和性能测试

已有的研究表明锥角25°、圆盘与锥台间连接轴高度等于锥台上表面半径情况下盘锥天线增益、方向图稳定性及其与馈线的匹配情况最佳，另外，天线的锥台高度决定了天线工作的中心频率并对其下限工作频率有显著影响，并且天线的增益和带宽还与天线盘半径有关。

考虑到用于检测MHz的电晕信号，加工设计锥角25°、高度30cm、盘半径20cm的盘锥天线。如图1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。

图1 离散化加工的盘锥天线Fig.1 Discrete made discone antenna

天线加工完成后对其阻抗带宽、方向图和增益进行实测。测试得到盘锥天线在频带10MHz～1GHz内具有良好的频率响应特性，完全满足电晕检测的带宽要求。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，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4dB，对全向宽带天线而言该增益较为理想。

4 盘锥天线的变电站实测

4.1 变电站电晕放电信号实测

将4个盘锥天线组成的天线阵列安装于某220kV敞开式变电站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的电晕信号。如图2所示是示波器通过主控室楼顶的天线阵列采集到的来自该变电站2号主变压器220kV出线侧B相隔离开关的放电信号，幅值至少可达80mV以上，而如图3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10mV，因此该放电信号与背景电磁噪声相比具有良好的信噪比(SNR)。

图2 放电源的放电信号Fig.2 Discharge signal of discharge source

图3 实测的220kV变电站背景噪声Fig.3 Background noise of 220kV substation

如图4所示，变电站工作人员在放电所在位置用厦门红相公司生产的超声波放电检测仪 Ultra TEV plus+也检测到了放电的发生。而在变电站其他位置天线阵列和超声波放电检测仪都没有发现存在放电情况。

图4 变电站实测及放电源位置Fig.4 Substation measurement and position of discharge source

4.2 检测信号的分析

对存在放电情况的隔离开关进行分析和验证，确定是空气绝缘部分放电即电晕放电，如图5所示，放电信号频带主要部分在350MHz以下，但在1GHz以下频带也有分布，可见该电晕激发至空气中的电磁波信号频带分布比较广泛，用宽带天线作为检测传感器具有优势。该放电能被几十米外的天线传感器检测到，并有较大的信号幅值，证明电晕在发生时具有较大的放电量，不仅可能腐蚀隔离开关的触头表面，还会对无线电通信和电视信号造成干扰，试验人员已向相关部门反映该情况。由于整个变电站只有该隔离开关处检查到放电现象，分析原因可能是该开关触头表面有毛刺或未保持光滑所致，另外，该放电在阴雨天偶尔发生，晴朗天气则未检测到发生放电，表明空气湿度的增加会加剧放电。

图5 放电信号频带分布Fig.5 Frequency distribution of discharge signal

从现场测量的结果看，天线成功检测到了水平距离35m外的电晕信号，证实其具有良好的远距离电磁波信号接收能力，而用便携式超声波放电检测仪须通过巡检并距离放电设备较近才能发现存在的放电现象。变电站实测结果表明，本文研制的盘锥天线可检测到远距离外设备的电晕放电，基于该天线可以开发出用于变电站电气设备电晕监测和定位的系统，在工程应用上具有某些方面的优势。

5 结论

(1)本文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变电站内电气设备电晕的传感器具有优势，加工出的天线带宽为10MHz～1GHz以上，E面方向图增益最大方向在天线下方，平均增益达4dB以上。

(2)在变电站电晕检测的试验中，盘锥天线阵列接收到了35m外隔离开关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电晕信号检测能力。

(3)未来将基于本文设计的盘锥天线开发出固定式或移动式变电站全站设备电晕监测系统，系统工作时不与设备发生接触，通过更多现场实测开展基于无线电方法的变电站设备电晕监测及定位的研究。

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