基于超高頻分形天線的gis局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于超高頻分形天線的gis局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

氣體隔離開關(guān)（gis）是保證電網(wǎng)正常運行的重要電能設(shè)備。根據(jù)cigre23.10組的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由于gis局部放電（pd）引起的絕緣誤差是gis故障的主要原因，局部放電是反映絕緣誤差初始特征的初始特征。GIS中局部放電的脈沖持續(xù)時間極短,其波頭時間僅幾個ns,相對應(yīng)的頻域十分寬廣,現(xiàn)場存在的大量電磁干擾信號主要集中在小于300MHz的頻段,因此選擇超高頻(ultrahighfrequency,UHF)段的電磁信號(300～3000MHz)作為檢測信號,可以避免常規(guī)檢測方法中難以克服的電力系統(tǒng)的干擾。GIS的同軸結(jié)構(gòu)相當于一個良好的波導(dǎo),在其內(nèi)部信號傳播的衰減很小,UHF信號會從GIS的盆式絕緣子連接處泄露出來,可采用外部天線傳感器檢測發(fā)生在GIS內(nèi)部的局部放電信號。由于GIS的高度密閉性,若發(fā)生故障,快速尋找故障部位成了一個關(guān)鍵問題。在線監(jiān)測系統(tǒng)可分為便攜式和固定式兩種。便攜式監(jiān)測系統(tǒng)由于其傳感器可任意移動,與固定安裝的傳感器相比,可移動傳感器具有更強的定位功能。用于局部放電檢測的外置超高頻天線由于其中心頻率較低,在設(shè)計中需要通過增大天線尺寸來降低諧振頻率,這與便攜式監(jiān)測對超高頻天線結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、頻帶寬的要求相矛盾。天線的分形設(shè)計可以實現(xiàn)天線的尺寸縮減與多頻性能。鑒于此,筆者研制了一種用于GIS局部放電超高頻檢測的體積小、頻帶寬的Hilbert分形天線,構(gòu)成了便攜式在線監(jiān)測系統(tǒng),編制了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和定位系統(tǒng),在GIS模擬裝置的實測表明,天線性能良好,可用于GIS局部放電在線監(jiān)測及缺陷定位。1hilbert差分天線1.1結(jié)構(gòu)自相似迭代分形理論由B.B.Mandelbrot在1975年提出,它是一門研究不十分光滑或不規(guī)則集合與函數(shù)的科學(xué)。具有分形結(jié)構(gòu)的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點,將標準的振子天線或環(huán)形天線通過分形的方式彎曲,雖然總長度不變,但其所占用的面積卻大大縮小了,應(yīng)用到天線設(shè)計上可以實現(xiàn)天線多頻段特性和尺寸縮減特性。目前分形天線主要有Koch、Sierpinski三角形和Hilbert分形等結(jié)構(gòu)。其中Hilbert分形屬于平面填充式分形曲線,圖1為1～4階的Hilbert分形曲線。從圖中可以看出Hilbert分形天線的曲線結(jié)構(gòu)通過自相似迭代從一維空間逐漸填充到二維空間,曲線具有嚴格的自相似性。分形維數(shù)是刻畫分形的不變量,不同的分維數(shù)決定了分形結(jié)構(gòu)占據(jù)空間的利用率。Hilbert分形曲線分維數(shù)取值范圍為,是一種結(jié)構(gòu)簡單、空間占有率高的分形結(jié)構(gòu)。分形的相似維數(shù)D可以由式(1)得到,D=-lnΝ(δ)/ln(δ)?(1)D=?lnN(δ)/ln(δ)?(1)式中:δ為度量分形的尺度;N為分形體劃分成尺度為δ的不相交子集的最小個數(shù)。Hilbert分形曲線的分維數(shù)可以按式(2)計算:D=ln[(4n-1)/(4n-1-1)]ln[(2n-1)/(2n-1-1)]?(2)D=ln[(4n?1)/(4n?1?1)]ln[(2n?1)/(2n?1?1)]?(2)式中n為Hilbert分形曲線的階數(shù)。1.2共同晶圓的ladb公司的多頻點特性Hilbert曲線是一個平面填充曲線,分形的自相似性決定了天線具有多個諧振頻率。顯然,隨著階數(shù)的增加,Hilbert曲線的總長度呈幾何級數(shù)增長,而每個小邊的邊長變得越來越小,并且呈現(xiàn)嚴格的自相似性[8,9,10,11,12,13,14]。在邊長為L不變的情況下,n階Hilbert天線小邊的邊長d和總長度s可以用公式(3)、(4)計算,d=L2n-1?(3)s=(22n-1)d。(4)d=L2n?1?(3)s=(22n?1)d。(4)1階的Hilbert分形天線,可以看成一個變形偶極子半波天線。半波長偶極子天線諧振時容抗感抗相互抵消,因此可以假設(shè)整個天線的容抗沒有變化。從阻抗角度分析,可以用一個偶極子半波天線來模擬整個分形天線,因此1階的Hilbert分形天線阻抗就相當于一個長為d,直徑為b的平行傳輸線的阻抗(應(yīng)為純感抗),再加上總長度為s的整根天線的自感,合起來比擬一個常規(guī)偶極子天線的感抗。一個長為d,直徑為b,間距也為d的平行傳輸線的阻抗為:Ζ0=ηπl(wèi)og2db?(5)Z0=ηπl(wèi)og2db?(5)其中η為自由空間本征阻抗?？捎嬎阍趥鬏斁€末尾處純感抗為:L0=ηπωlog2dbtanβd。(6)L0=ηπωlog2dbtanβd。(6)另外,總長度s的線的自感為:Ll=μ0πs(log8sb-1)?(7)Ll=μ0πs(log8sb?1)?(7)式中μ0為真空磁導(dǎo)率,則1階Hilbert分形天線總自感為LΤ=μ0πs(log8sb-1)+ηπωlog2dbtanβd。(8)同理,可以把一個n階Hilbert分形天線看成m個1階Hilbert分形天線,這里m=4n-1。比如每個2階Hilbert分形天線可以看成4個1階Hilbert分形天線,3階Hilbert天線可以看成由16個1階Hilbert分形天線組成,如圖2所示。則m個部分的總感抗為:LΤ=μ0πs(log8sb-1)+mηπωlog2dbtanβd。(9)將其對應(yīng)的看作一個諧振半波偶極子天線的感抗,即此時諧振的條件為:μ0πs(log8sb-1)+mηπωlog2dbtanβd=μ0πλ4(log2λb-1)。(10)同時,當一個偶極子天線的長度為1/4波長的倍數(shù)時,都會發(fā)生諧振,因此通過改變公式(10)右邊的偶極子天線的等效臂長,就可以得到Hilbert分形天線的多個諧振頻率,這也驗證了Hilbert天線的多頻點特性。修改后的公式如下:μ0πs(log8sb-1)+mηπωlog2dbtanβd=μ0πkλ4(log8bkλ4-1)。(11)這樣就可以得到n階Hilbert分形天線的多個諧振波長λ,進而得到多個諧振頻率f。2仿真及分析為了對具有分形天線性能進行評估,筆者主要對3階Hilbert分形微帶天線進行了計算機仿真,仿真軟件采用AnsoftHFSS,主要分析和測量天線的的駐波比、方向圖和增益。Hilbert分形天線采用印制電路板制作,介質(zhì)板選用FR4材料,其介電常數(shù)為4.4,分形天線外圍尺寸為70mm,板厚度為1.6mm,天線導(dǎo)體寬度為2mm,分析頻帶范圍為300～3000MHz。2.1ansofthfss的計算天線的方向圖用來描述電(磁)場強度在空間分布狀況,是三維立體圖。方向性系數(shù)不能全面反映天線的能量轉(zhuǎn)換過程,為此,需要計算天線的增益。增益指在輸入功率相等的條件下,實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益與天線方向圖有密切的關(guān)系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。圖3所示為AnsoftHFSS計算的Hilbert分形天線在600MHz的方向圖。從圖中可見,Hilbert分形天線在接收面上各個方向的增益相近,為-30dB左右,和文獻中微帶貼片天線的增益5.38dB相比,相當于用增益的降低換取了較小的幾何尺寸。2.2多段性檢測圖4為Hilbert分形天線實測駐波比。圖中所示的2個諧振頻率為360和662MHz,天線在360MHz時駐波比約為1.4,在662MHz時駐波比為2。天線在360MHz附近駐波比小于2帶寬為50MHz,在662MHz附近駐波比小于2帶寬為210MHz,在900～1100MHz還有一個通頻帶,顯示Hilbert分形天線的多頻段性。在300～1500MHz的UHF頻帶除了400～600MHz駐波比較大外,整個頻段駐波比都較小,符合UHF檢測要求。實際制作的Hilbert分形天線如圖5所示。從結(jié)果可以看出,將分形理論應(yīng)用于天線的設(shè)計有利于天線的小型化,并可實現(xiàn)天線的多頻段性,滿足GIS局部放電便攜式監(jiān)測系統(tǒng)對超高頻天線小型化的要求。3局部壓痕的測量分析3.1天線檢測對比為驗證Hilbert分形天線檢測UHF局部放電信號的性能,采用GIS局部放電檢測系統(tǒng)對其進行測試,實驗回路如圖6所示。實驗中,在GIS模擬裝置中充以0.5MPa的SF6和N2的混合氣體(體積比4∶1),用外置的微帶貼片天線和Hilbert分形天線進行檢測對比,局放信號波形用高速數(shù)字示波器(LecroyWavepro7100,帶寬1GHz,最大采樣率20GS/s,存儲長度48M)記錄波形,并引入工頻信號作為相位參考。所施加的缺陷類型為金屬突出物缺陷,實測結(jié)果如圖7所示。圖7為Hilbert分形天線在15.8kV時測得的PD波形及其頻譜圖,從圖中可見,Hilbert分形天線能夠檢測到清晰的PD信號,從頻譜圖可以看到信號的頻譜分布呈現(xiàn)多頻段特性,與天線的駐波比曲線比較吻合。圖8為微帶天線測得的PD波形圖。從圖7、8可以看出,Hilbert分形天線測得的信號幅值比微帶天線略低,但是其信噪比較高,同時信號具有很陡的起始沿,能滿足現(xiàn)場實測和局部放電源定位要求。3.2初測系統(tǒng)的實現(xiàn)基于特高頻Hilbert分形天線所建立的便攜式GIS局部放電在線檢測及定位裝置如圖9所示。它包括2個特高頻Hilbert分形天線和1個PXI工控機,兩天線和工控機之間用2根相等長度的低損耗電纜聯(lián)接。數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司的高速采集卡,該卡擁有2個通道,單通道采樣率為2GS/s,兩路同時采集時的采樣率為1GS/s。局部放電源定位時,利用特高頻電磁波信號在傳播過程中的衰減特性,把傳感器分別放在各個盆式絕緣子處,比較各處所檢測到的信號的大小,信號最大的盆式絕緣子的位置即為靠近放電源的位置,將傳感器A放在該盆式絕緣子上,傳感器B放在其鄰近的盆式絕緣子上,利用兩路PD信號的時間差進行局部放電源的定位。監(jiān)測系統(tǒng)軟件是基于圖形編程環(huán)境LabVIEW搭建的,實現(xiàn)了同步采集,自動定位算法和數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)運行時,快速同步采集兩路PD信號波形,采集完之后進行自動峰位判斷,進行時間差定位,同時提供了手工峰位判斷的定位功能。對多個局放波形的定位進行整體評估后,得到局部放電源的大致位置,并形象地顯示出來。軟件界面如圖10所示。圖中兩天線傳感器距離為4m,PD源位于兩傳感器之間距離2號傳感器0.7m處。實測2號傳感器檢測的PD信號超前于1號傳感器檢測的信號,其時間差為10ns,通過時差法計算對應(yīng)的電磁波的傳播距離差為3m,即PD源位于距離傳感器2的0.5m處,實測誤差為20cm,滿足現(xiàn)場實用要求。1GS/s采樣率的時間分辨率為1ns,對應(yīng)的理論誤差為30cm,如果能提高采樣率,可以進一步減少定位誤差。4局部放電檢測結(jié)果1)使用平行傳輸線的電感分析方法分析了Hilbert分形天線阻抗特性,并通過HFSS軟件進行仿真驗證。設(shè)計出了應(yīng)用于檢測GIS