套管局放UHF检测用传感器的比选与应用

朱学成,高自伟,姜德胜,王洪海,张　健,徐　超

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.国网黑龙江省电力有限公司 技能培训中心,哈尔滨 150030; 3.国网长春供电公司 调度控制中心,长春 130000)



套管局放UHF检测用传感器的比选与应用

朱学成1,高自伟1,姜德胜2,王洪海3,张健1,徐超1

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.国网黑龙江省电力有限公司 技能培训中心,哈尔滨 150030; 3.国网长春供电公司 调度控制中心,长春 130000)

在介绍和分析传感器技术及套管局部放电特高频检测特点的基础上,结合变压器套管事故特点,提出了将平面等角螺旋天线用作套管局部放电检测的传感器,通过仿真分析和套管封闭式末屏接触不良、下瓷套沿面放电、均压环悬浮放电和顶部悬浮放电4种典型放电模型的性能比选及现场应用,证明了平面等角螺旋天线具有宽频带、低损耗、高灵敏度、时延稳定等优点,性能满足局放源识别和定位等方面要求。

套管;特高频;局部放电;传感器;平面等角螺旋天线

近年来,中国电力系统内发生了多起变压器套管事故,这些事故往往导致局部乃至大面积停电,危及电力系统的安全和稳定运行,因此加强套管状态评估对提高电网安全性具有重要意义。特高频局部放电检测技术因其安全的可靠性、较高的灵敏度、能识别和定位放电源和抗干扰性能等优点,得到了较快的发展[1-4],因而与之相关套管局放特高频检测与定位技术也得到了进一步研究。局部放电UHF信号检测是20世纪80年代初期由英国中央电力局最先开发出来,并在英国的420 kVGIS设备上得到应用[5]。中国在20世纪90年代初期对UHF法开始研究,并在GIS、变压器以及电缆等局放检测中得到较多的应用[6-9]。

由于传感器是电力设备局放特高频信号检测的关键,局放信号频率成份高达数GHz,且根据缺陷类型的不同,局放信号的主要频率成份相差较大,加之放电源方位的未知性,故本文提出特高频传感器在设计和选择时需要考虑多个方面的要求。经仿真分析与特性比选,最后确定平面等角螺旋天线用作套管局部放电检测的最佳传感器。

1　传感器技术

在实际应用中要求检测传感器有足够的带宽范围和很高的灵敏度,同时由于放电源方位是未知的,需要传感器具有全向检测性能。此外,为了实现放电源的定位,需要传感器耦合的脉冲信号能有清晰的上升沿及良好的一致性。现有的UHF检测技术和装置的检测频带主要集中在300～2×103MHz,其所能达到的最好时延测量准确度约为0.3～0.5 ns。研究发现,电磁波脉冲信号时延测量的准确度与局部放电辐射的频谱特性有关。所测量到的脉冲信号频谱分量越高,频带越宽,信号波形的上升沿就越陡,测量信号时延的准确性则越高。要求天线的相位中心不随频率及信号到达点的变化而变化;同时还要求天线整体对不同频率的信号响应具有同时性。所以应选择非频变天线,考虑到阿基米德螺线天线等并不是真正意义的非频变天线,因此这里将重点介绍以平面等角螺旋天线实现的套管局放UHF信号传感器。平面等角螺旋天线的每一条臂由2条起始相差δ的等角螺旋线构成,如图1所示。

图1　等角螺旋天线示意图

两臂的4条边缘分别为4条等角螺旋线,其关系为

r1=r0eaφ，r2=r0ea(φ-δ)，r3=r0ea(φ-π)，r4=r0ea(φ-π-δ)

式中:r0为起始半径;a为螺旋增长率;φ为螺旋的角度。为使导体螺线臂间缝隙形成自补结构,取δ=90°。

非频变天线原理是相似原理也称为缩尺原理,它需满足二个条件。一是角度条件:天线结构只与角度有关,而与其他尺寸无关。二是终端条件:终端效应弱。同时要利用自补天线实现非频变阻抗。

2　特高频传感器的设计与仿真

根据套管典型缺陷局部放电特高频信号的时域、频域特点,若提高信号幅值和首波上升沿陡度,则需要更宽、更高的检测频带。当检测频带在2 GHz以上时,该频段具有上升沿陡、波形信息完整、时延分析精确等优点。

2.1UHF传感器优化与设计

优化天线性能涉及最优检测频带选定、优化天线阻抗匹配等结构参数、较高的增益以及天线的尺寸。通常情况下,天线始端半径越小,则上限频率越高;天线臂长越大,则天线下限工作频率越低[10]。

螺线臂最大半径rm由最低工作频率的波长λl决定,一般取rm=λl/4,而其最小半径r0则由最高工作频率的波长λh决定,取rm=λl/4。实验表明,最佳设计是取1.25至1.5圈,而总长等于或大于λl。1.5圈螺线的最大半径为

rm=r0ea3π

螺旋增长率也是平面等角螺旋天线设计的重要方面,增长率越大,行波成分越大,但由于终端过早截断,故终端反射较严重,导致匹配较差;增长率越小,行波成分越小,但终端截断较迟,故反射较少,匹配程度较好。一般情况下a取值范围为0.12～1.2[11]。

(1)

式中,ψ为曲线上任意点矢径与曲线切线间的夹角。

等角螺旋天线的方向图随频率而转动。当天线臂长等于或大于工作波长时,天线辐射圆极化波。等角螺旋天线除了具有宽频带的阻抗特性以外,还具有宽频带的方向图。天线方向图的最大值在螺旋面的法线方向。在它的一边辐射右旋圆极化波,另一边辐射左旋圆极化波。在与螺旋扩展的方向没有辐射。为了获得单向辐射,需安装一个反射腔,并在腔内填充吸收材料。

自补结构的等角螺线天线的输入阻抗为188.5 Ω,实际测得的阻抗值约为160 Ω,因采用50 Ω同轴线馈电,需加一阻抗变换平衡器,以实现阻抗变换和平衡馈电。

螺旋线起始半径r0=7.5 mm,在考虑馈电点位置到螺旋起始点的线长后,取天线印制图形直径D=60 mm。根据螺旋线方程,可以计算出螺旋增长率a=0.125,由式(1)得l=5.54rm=1.38λl,即臂长略大于λl。

平面螺旋天线的图形通过印制的形式实现,印制板采用RT/duroid-5880单面覆铜板,厚度0.5 mm。该材料具有较低的介电常数和损耗角正切,能使天线具有较高的辐射效率。

2.2仿真分析

选取2 GHz、4 GHz两点频率作为仿真频率,利用HFSS10专业仿真软件对天线接收面电流、电场以及能量的分布情况进行仿真分析,如图2～4所示。仿真结果表明:

1) 在整个设计频带内,天线辐射面上的电场、能流、电流分布非常相似,以图2为例,它的主要接收区集中在以顶点为圆心、波长为半径的区域,在此区域后电流迅速衰减,证明天线具有较好的宽频带特性。

2) 图3中天线上接收到的能流方向绕天线法向连续旋转,有良好的圆极化特性,与局部放电辐射电磁波信号的极化特性一致,因此在检测信号时功率损耗较小。

3) 在2 GHz时,整个天线接收面上都有较强的电流、电场及能量分布,频率在4 GHz较高频率时,天线外沿区域电流、电场及能量快速减弱并近乎于零,即天线上的电流分布近似于无反射的行波状态,所以天线在高频段具有良好的行波特性。

4) 在不同频率下,天线的有效接收区域都包含了馈电区,接收信号相位不随中心频率改变而变化。较之其他非频变天线,该天线具有良好的相位性。

仿真结果与理论分析结论一致,这说明等角螺旋天线具有良好的超宽带及时域特性,适用于超宽带射频检测定位。

图2　2 GHz、4 GHz频率时天线接收面上电流分布仿真

图3　2 GHz、4 GHz频率时天线接收面上电场分布仿真

图4　2 GHz、4 GHz频率时天线接收面上能量分布仿真

3　UHF传感器测试

3.1传感器性能测试

3.1.1方向图测试

天线在设计频段内的E平面和H平面方向图如图5～ 7所示。天线的主波瓣在其正前方,波瓣宽度为73°～105°。

3.1.2增益

测试结果表明,增益随着频率的增高略有增加,在2 GHz时,增益为1.6 dB;在3 GHz时,增益为3.4 dB;在4 dB时,增益为3.2 dB。

图5　2 GHz频率时天线的方向图

图6　3 GHz频率时天线的方向图

图7　4 GHz频率时天线的方向图

3.1.3 驻波比

在检测频率范围内,驻波比不大于2。表明天线作为辐射器时,功率损失约为 10%,阻抗匹配较好。

3.2UHF传感器对比测试

等角螺旋天线尺寸与其带宽、响应频率成反比,这使得所测信号有更陡峭的上升沿和更短的上升时间,更利于首波的准确获取。因而本文采用4种类型的UHF传感器对同一局放信号进行测试,其波形如图8所示。以套管下瓷套沿面放电为放电源,图8中波形起始时刻的读取区域,即时延测量误差,用td表示。

图8　不同天线接收信号波形图

从图8可见：简易等角螺旋天线检测波形单次脉冲振荡时间长,起始时刻读取区域大,必然导致时延测量误差大,同时后续波形振荡幅度大,意味着宽带匹配特性不好;阿基米德螺旋天线和单极探针天线检测波形首波部分与背景噪声差别不显著,无法准确判断信号的起始时刻,造成时延误差较大;优化设计的等角螺旋天线首波部分与背景噪声差别明显,上升沿时间及单次脉冲振荡时间非常短,从而能够在很短的时间段内准确读取信号起始时刻,提高时延测量精度。与其他三类天线相比具有最佳的幅值响应特性,即具有较高的灵敏度。天线实测信号波形测量时延的误差如表1所示。

表1　天线实测信号波形时延读取误差统计

从表1数据看出,优化设计的平面等角螺旋天线时延测量误差明显小于其余3类天线,该天线检测到信号波形上升沿均在10～20 ps之间,单次脉冲振荡时间在200 ps以内,从而能将时延读取误差限定在200 ps范围内,降低了时延读取误差,是定位传感器的合理选择。

3.3典型放电模型的UHF时域波形测试

试验利用套管封闭式末屏接触不良、下瓷套沿面放电、均压环悬浮放电和顶部悬浮4种放电模型,各模型的时域波形如图9所示。

图9　典型特高频信号图

由图9可见,传感器可以有效检测到不同局部放电模型产生的特高频信号,不同的放电模型产生的信号波形特征也不同。

3.4现场实际测试应用

以庆北变电站2号主变中性点接地刀测试为例。确定特高频信号的疑似来源方向后,天线阵列的特高频定位信号时延图及定位结果如图10及表2所示。从图10和表2可知,该传感器能成功接收和传输特高频放电信号,为进一步分析和定位奠定了基础。

图10　接地刀特高频定位信号时延图

4　结　语

自补结构的平面螺旋天线具有特性阻抗平缓、圆极化特性好、端射和边射性能优越等特点,通过性能比选确定选择套管局放UHF检测传感器。同时为了提高时间差测量精度,将上限工作频率提高到了4 GHz,主波瓣宽度为75°～105°,以利于避免周围放电干扰。实测结果表明,该等角螺旋天线把首波起始时刻的读取精度提高到0.2 ns，验证了该传感器对套管典型缺陷模型检测的有效性,且所测波形具有较高分辨率的首波。

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Comparison and application of sensor for UHF detection of bushing partial discharge

ZHU Xuecheng1, GAO Ziwei1, JIANG Desheng2, WANG Honghai3, ZHANG Jian1, XU Chao1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2.Skills Training Center, State Grid Heilongjiang Electric Power Conporation, Harbin 150030, China; 3.State Grid Changchun Power Supply Company Dispatching Control Center, Changchun 130000, China)

This paper using planar equiangular spiral antenna as a sensor for UHF detection of bushing partial discharge, based on the introduction and analysis of sensor technology and the characteristics of UHF partial discharge detection for bushing, combining the characteristics of transformer bushing accidents, verifies that planar equiangular spiral antenna has the advantages of wide bandwidth, high sensitivity, low loss, and delay stability, with the performance meeting the requirements of local source identification and location, through the performance comparison and the on site application of 4 typical discharge models including closed bushing tap poor contace, creep age discharge of porcelain bushing, suspended discharge of strapping and suspended discharge at the top.

bushing; UHF; partial discharge; sensor; planar equiangular spiral antenna

2016-04-08。

朱学成(1966—),男，高级工程师，主要从事高电压技术方向研究工作。

TM403.5;TN823.31

A

2095-6843(2016)03-0257-06