特高压GIS超薄型外置式特高频传感器的优化设计与应用研究

邵先军，詹江杨，周阳洋，何文林，刘浩军，谢 成

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

1 100 kV特高压GIS（气体绝缘组合电器）作为1 000 kV交流特高压变电站的核心部件，其运行可靠性直接关系到电网运行的安全。UHF（特高频）方法作为一种可有效发现GIS设备内部绝缘缺陷的局部放电（以下简称“局放”）监测技术，已得到广泛应用，并具有良好的应用前景[1-3]。

外置式UHF传感器利用敞开式盆式绝缘子或封闭盆式绝缘子的浇筑孔所泄漏出来的电磁波信号，实现特高压GIS设备局部放电的检测。目前商用的GIS外置式传感器包括矩形贴片天线、喇叭天线、双极子天线等，其灵敏度、优缺点各不相同[4-6]。由于特高压GIS盆式绝缘子浇筑口一般位于正下方，易受到金属支架、构架等影响，导致浇筑口与金属支架、构架之间的缝隙较小，使得现场部分特高压GIS盆式绝缘子无法利用商用外置式UHF传感器开展带电检测工作，也就是说特高压GIS设备无法实现UHF带电检测的全覆盖。因此，迫切需要开发一种检测灵敏度高的超薄型外置式UHF传感器，应用于特高压GIS设备盆式绝缘子浇筑口与支架窄缝隙处的带电检测。

本文提出了一种蝶形贴片超薄型外置式UHF传感器，仿真研究了天线长度、张角、厚度等结构参数对天线性能的影响，开展了传感器回波损耗参数和等效高度测试，并与商用外置式传感器进行了典型缺陷下局放检测灵敏度的实测对比，最后在特高压GIS进行了验证应用。

1 蝶形贴片UHF传感器结构与仿真模型

1.1 蝶形贴片UHF传感器结构

蝶形天线广泛应用于脉冲型探地雷达中，具有设计简单、易于加工、工作频带宽等优点，兼具微带天线和共面波导传输的双重优点[7-8]。

图1为蝶形贴片天线的结构示意，主要包括介质基片、2块蝶形金属贴片及馈电接头等。可见，蝶形贴片天线的主要结构参数有蝶形宽度L、张角θ和封装厚度d。因此，本文主要研究上述3个结构参数与天线性能之间的关系。

图1 蝶形天线结构示意

1.2 回波损耗的FDTD仿真

S参数一般反映了二端口网络的传输与反射特性，Sij表示从端口j注入、在端口i测得的能量，常用的4个S参数含义如图2所示。S11称为回波损耗，作为传统天线的性能评价指标，它代表了馈电点从天线处反射回来的能量，如果S11=0 dB，那么意味着馈电点输入的所有能量都被天线反射回来，天线没有任何能量辐射[9]。因此，本文选取传统天线的评估指标S11参数作为优化目标，用以优化蝶形贴片UHF传感器的结构参数。

图2 二端口网络S参数

本文基于FDTD（有限时域差分法）建立了蝶形贴片天线的仿真模型。具体有关天线的FDTD仿真可参见文献[10]。根据电场仿真结果，计算入射波电压Vi和反射波电压Vj，通过傅里叶变化即可求出S参数，如式（1）所示：

2 蝶形贴片UHF传感器的优化仿真

2.1 蝶形张角的影响

图3所示为固定蝶形宽度L为22 mm时，不同蝶形张角下的S11仿真结果。可见，天线检测频带随张角的增大而降低，最低S11值却逐渐增大，因此需要在检测带宽与S11大小之间进行权衡。浇注孔实际上为波导缝隙天线，其电场E面为平行于缝隙的窄边方向，即沿GIS的轴向，因此浇筑口的宽度决定了泄漏电磁波的谐振特性。根据缝隙天线谐振频率计算公式可知，盆式绝缘子浇筑口处泄漏电磁波频率一般高于1 GHz，因此张角在 90°～120°比较合适。

2.2 蝶形宽度的影响

图4所示为蝶形张角为120°时，不同蝶形宽度下的S11仿真结果。可见，随着蝶形宽度的增大，S11值逐渐降低，且第一个谐振点的频率也随之降低；当蝶形宽度大于30 mm后，在2.5 GHz以上的频段内出现了第二个谐振点，因此增大蝶形宽度可提高检测灵敏度。但贴片宽度一方面受GIS盆式绝缘子浇筑口宽度限制（一般来说需小于40 mm），另一方面受盆式绝缘子浇筑口泄漏电磁波频率（1～2 GHz）的影响。综合上述因素，蝶形宽度在20～30 mm较为合适。

图3 不同蝶形张角下S11仿真结果

图4 不同蝶形宽度下S11仿真结果

2.3 封装厚度的影响

由于按照蝶形贴片加工的印刷电路板完工后需用环氧树脂灌封于金属壳内，灌封后整体设计坚固、抗破坏性强；天线接收面朝向盆式绝缘子，外部全部为金属壳屏蔽，可有效减少外部噪声信号的强度，提高整个检测系统的抗噪性。但灌封后金属壳及环氧树脂会引起电磁波的折、反射，造成天线性能的变化，因此有必要分析封装厚度对蝶形贴片天线性能的影响。需要说明的是，为避免因传感器与传输线阻抗不匹配导致的反射波引发信号失真，传感器阻抗应与传输线阻抗相匹配，但为了仿真建模方便，仿真中未考虑信号引出接头对传感器性能的影响。

以蝶形宽度30 mm、张角90°为例，对天线基片与金属外壳距离d取10 mm，20 mm，30 mm及40 mm时的S11进行仿真，得到不同封装厚度下S11仿真结果如图5所示。可以看出，当d较小（如d=10 mm）时，检测频带偏高，与泄漏信号主要频带偏离，检测效率较低；当d较大时，虽可以降低检测频带，但此时最低S11值偏高，同样不利于信号检测。考虑到特高压GIS盆式绝缘子浇筑口与支架之间的缝隙一般小于25 mm，因此选取d=20 mm灌封传感器。

图5 不同封装厚度下S11仿真结果

2.4 蝶形贴片天线的辐射方向

图6所示为蝶形贴片天线在2个典型频率下的辐射方向，可见整体辐射方向呈正弦状分布，沿蝶形宽度L方向的电场强度最大，且在天线中心轴向的辐射强度最大。由于GIS沿盆式绝缘子泄漏电磁波的最大电场方向为轴向，因此蝶形贴片现场接收信号时应沿着蝶形宽度L方向进行测试。

图6 蝶形贴片天线辐射方向

3 蝶形贴片UHF传感器的优化与测试

3.1 蝶形贴片UHF传感器的研制

根据仿真结果，优选2组尺寸进行传感器研制：第 1组 d=20 mm，L=22 mm，θ=120°；第 2组d=20 mm，L=30 mm，θ=90°。 介质基片材质为FR-4环氧玻璃布层压板。图7所示为灌封后蝶形贴片外置式UHF传感器的实物，包括蝶形贴片天线、馈电N型同轴接头。

3.2 蝶形贴片UHF传感器的S11测试

图7 优化后的传感器实物

针对优化后的传感器采用矢量网络分析仪测试其回波损耗S11曲线，结果如图8所示。可以看出，第 2组尺寸（d=20 mm，L=30 mm，θ=90°）传感器的检测频带与回波损耗数值更优。且对比图5中d=20 mm曲线可知，S11的实测曲线与仿真曲线形状基本相近，且两者最低S11的频率点均在 1.4～1.5 GHz，较为接近。

图8 回波损耗S11实测曲线

3.3 蝶形贴片UHF传感器的等效高度测试

等效高度可以表征UHF传感器将局部放电辐射的电磁波能量转换为电压信号的能力。目前，国内外UHF传感器均以等效高度作为检验其灵敏度的重要测试指标[11-15]。因此本文也对所研制的传感器（d=20 mm， L=30 mm， θ=90°）在第三方GTEM（GHz横电磁波）小室进行了等效高度测试，测试结果如图9所示。可见，所研制的蝶形贴片UHF传感器在300～1 500 MHz频带内平均有效高度为10.36 mm，高于国网公司标准规定的8 mm要求。

3.4 252 kV GIS仿真平台典型缺陷下测试

图9 等效高度实测曲线

虽然回波损耗S11与等效高度可以较好地反映传感器的性能，但为进一步验证优化后的蝶形贴片UHF传感器检测灵敏度，搭建了252 kV GIS仿真平台（见图10），并在试验腔体内部设置自有金属颗粒缺陷，在盆式绝缘子浇筑口处放置式UHF传感器。利用该GIS仿真平台对比研究商用DMS公司外置式传感器和所研制传感器的检测灵敏度。

图10 外置式传感器检测局放的试验布置

图11为自由微粒缺陷下商用传感器与蝶形贴片超薄型UHF传感器的局放检测谱图，自由微粒直径为0.5 mm，外施电压为10 kV，2种传感器的测试时间均为30 s，接收信号均采用DMS公司特高频局放仪检测，检测带宽为300 MHz～2 GHz并经20 dB放大器放大。可见，蝶形贴片超薄型UHF传感器与商用传感器的检测幅值基本一致，说明其检测灵敏度与商用传感器相当。

4 蝶形贴片超薄型UHF传感器在特高压GIS的应用效果

将优化后的蝶形贴片超薄型外置式UHF传感器应用于某1 100 kV特高压GIS盆式绝缘子浇筑口与支架的窄缝隙处，如图12所示。可见，该处缝隙约为30 mm，商用传感器无法置于此处进行测试，而本文所研制的超薄型传感器可在该处进行测试。

图11 自由微粒缺陷下2种外置式传感器的检测谱图

图12 某特高压GIS盆式绝缘子浇筑孔窄缝隙处超薄型传感器的安装

为进一步验证该传感器在特高压GIS的检测效果，向特高压GIS内置传感器注入100 V纳秒脉冲电压信号，在同一间隔另一内置传感器处和相邻盆式绝缘子浇筑口处（应用超薄型外置式传感器）进行UHF信号检测，检测结果如图13所示。可见，内置传感器接收到的信号幅值约为超薄型外置式传感器信号的5倍，基本符合特高频信号的衰减关系，说明所研制的蝶形贴片超薄型外置式UHF传感器满足特高压GIS局放带电检测工作的要求。

图13 内、外置UHF传感器的时域信号对比

5 结论

本文研制了一种蝶形贴片超薄型外置式UHF传感器，建立其回波损耗参数测试仿真模型，研究了相关结构参数与传感器性能的关系，并进行了实测对比研究。结果表明：该传感器检测频带随张角的增大而降低，最低S11值逐渐增大；随着蝶形宽度的增大，S11值逐渐降低，且第一个谐振点的频率也随之降低；随着封装厚度的增加，第一谐振点的频率逐渐降低，且对应的S11值也逐渐增大；该传感器的整体辐射方向呈正弦状分布，沿蝶形宽度方向的电场强度最大；在300～1 500 MHz频带内传感器的平均有效高度为10.36 mm。实测结果表明，所研制的蝶形贴片超薄型外置式UHF传感器与商用传感器灵敏度相当，且满足特高压GIS盆式绝缘子浇筑口与支架间窄缝隙的要求[17-18]。