用于檢測(cè)電氣設(shè)備電暈的盤(pán)錐天線(xiàn)的研制

劉孝全，周澤宏，崔玉家，黃 昊，周 茂，姚陳果

(1.重慶市電力公司，重慶400014;2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

1 引言

隨著變電站電氣設(shè)備電壓等級(jí)和智能程度不斷提高，電暈現(xiàn)象的發(fā)生越來(lái)越頻繁，對(duì)整個(gè)變電站的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。而要有效抑制高壓設(shè)備電暈放電對(duì)電力系統(tǒng)的危害和對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，除了合理設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備制造水平外，對(duì)電氣設(shè)備電暈的檢測(cè)和診斷也是非常必要的［1-2］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)檢測(cè)電氣設(shè)備電暈放電的方法進(jìn)行了大量研究，其中光學(xué)檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法因?yàn)槠渚哂袡z測(cè)可靠、能對(duì)電暈進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)從而得到廣泛的研究和應(yīng)用［3］。但由于光和超聲波在空氣和媒介中傳播衰減嚴(yán)重，因此檢測(cè)設(shè)備難以檢測(cè)到較遠(yuǎn)距離外設(shè)備的電暈情況，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在一定局限［4-5］。

電磁波在空氣中傳播，10GHz以下頻段大氣吸收造成的信號(hào)損耗很小，因此相比起光信號(hào)和超聲波信號(hào)，電磁波信號(hào)在空氣中傳播衰減很小。另外，由于電暈大多發(fā)生在位于尖端的非均勻場(chǎng)中，因此輻射出的電磁波信號(hào)能量遠(yuǎn)大于周?chē)碾姶疟尘霸肼暎哂辛己玫男旁氡龋?-7］。因此，無(wú)線(xiàn)電方法檢測(cè)電氣設(shè)備電暈具有比光檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法更大的檢測(cè)距離和靈敏度，若將全向天線(xiàn)陣列安裝于變電站內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站電氣設(shè)備電暈情況的監(jiān)測(cè)及定位［8］?；诖耍疚难兄屏怂矫?H面)全向性、寬頻帶和高增益的用于電暈檢測(cè)的天線(xiàn)傳感器，該天線(xiàn)具有靈敏度高、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、便于攜帶和安裝的特點(diǎn)，基于該天線(xiàn)可以開(kāi)發(fā)出監(jiān)測(cè)變電站全站設(shè)備電暈情況的系統(tǒng)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 天線(xiàn)傳感器的分析和選型

2.1 天線(xiàn)傳感器的設(shè)計(jì)要求

天線(xiàn)傳感器要能夠接收到一定距離外因電氣設(shè)備電暈放電而輻射到空氣中的電磁波信號(hào)，必須確保天線(xiàn)在設(shè)計(jì)上要滿(mǎn)足以下條件:

(1)在H面具有全向性，從而有效接收來(lái)自各水平方向的電暈信號(hào);

(2)具有合適的帶寬，為盡可能多地提取放電信息要求天線(xiàn)工作頻帶至少覆蓋電暈電磁波信號(hào)能量最強(qiáng)頻段;

(3)具有較高的靈敏度，由于天線(xiàn)的靈敏度和其帶寬成正相關(guān)，因此天線(xiàn)工作頻帶應(yīng)盡可能寬;

(4)具有較高的增益，確保能檢測(cè)到較遠(yuǎn)距離外微弱的電暈信號(hào);

(5)天線(xiàn)尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、便于安裝。

2.2 天線(xiàn)傳感器的分析和選型

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，需要選擇寬帶天線(xiàn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，雙錐偶極子天線(xiàn)則是典型的寬帶天線(xiàn)，比起寬度固定的振子，雙錐結(jié)構(gòu)具有固定角度從而半徑平滑變化，可以得到比振子天線(xiàn)更大的帶寬。將雙錐天線(xiàn)的上錐由圓盤(pán)取代，得到盤(pán)錐天線(xiàn)。該天線(xiàn)盤(pán)地面連接同軸傳輸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體，錐臺(tái)連接同軸傳輸線(xiàn)外導(dǎo)體，可以提供H面全向方向圖以及上下限頻率比超過(guò)3∶1的寬帶性能。

由互易定理可知，對(duì)天線(xiàn)接收特性和輻射特性的分析是等效的，因此本文分析盤(pán)錐天線(xiàn)的輻射特性和特性阻抗。在球面坐標(biāo)系(r，θ，φ)下，假設(shè)雙錐天線(xiàn)兩半導(dǎo)體均為無(wú)限錐形表面，在兩導(dǎo)體縫隙處施加電壓則電流從縫隙處沿導(dǎo)體表面流出，并且由此產(chǎn)生磁場(chǎng)。又假設(shè)其傳輸TEM波則電場(chǎng)垂直于磁場(chǎng)方向，在錐間區(qū)域滿(mǎn)足

其中對(duì)r分量和對(duì)θ分量為

非對(duì)稱(chēng)雙錐天線(xiàn)的上錐錐角變?yōu)?0°就將其變形為盤(pán)錐天線(xiàn)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)前人研究的非對(duì)稱(chēng)雙錐天線(xiàn)輻射特性就可以推導(dǎo)出盤(pán)錐天線(xiàn)的輻射特性，盤(pán)錐天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量如下:

式中，V0是發(fā)射機(jī)供給盤(pán)錐天線(xiàn)的發(fā)射電壓;θh是盤(pán)錐天線(xiàn)錐角;β=2π/λ，η=。

而盤(pán)錐天線(xiàn)的特性阻抗也可以通過(guò)非對(duì)稱(chēng)雙錐天線(xiàn)的特性阻抗進(jìn)行推導(dǎo)，非對(duì)稱(chēng)雙錐天線(xiàn)的終端電壓和電流為

式中，θ1為雙錐天線(xiàn)的上錐錐角;θ2為雙錐天線(xiàn)的下錐錐角。

則任意點(diǎn)r處的特性阻抗為

盤(pán)錐天線(xiàn)是非對(duì)稱(chēng)雙錐天線(xiàn)θ1=90°的情況，則盤(pán)錐天線(xiàn)阻抗特性

從上述對(duì)盤(pán)錐天線(xiàn)的分析來(lái)看，相比起雙錐天線(xiàn)，盤(pán)錐天線(xiàn)盤(pán)地面下方的輻射特性和雙錐天線(xiàn)下半部分一樣，而輸入阻抗是對(duì)稱(chēng)雙錐天線(xiàn)輸入阻抗的一半，因此盤(pán)錐天線(xiàn)可以在更小體積的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的寬帶性能和更大的增益;另外盤(pán)錐天線(xiàn)作為單極子天線(xiàn)使用同軸電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，有利于接收設(shè)備接收信號(hào)。因此本文選擇盤(pán)錐天線(xiàn)作為檢測(cè)變電站內(nèi)電氣設(shè)備電暈放電的傳感器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

3 盤(pán)錐天線(xiàn)的設(shè)計(jì)和性能實(shí)測(cè)

3.1 接收天線(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的盤(pán)錐天線(xiàn)需要關(guān)注的指標(biāo)為帶寬、增益和方向圖。

工程上最常用的單極子天線(xiàn)帶寬是指天線(xiàn)駐波比小于2的頻帶。天線(xiàn)增益指在輸入功率相等的情況下，實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比。對(duì)電暈信號(hào)的檢測(cè)而言，同等信號(hào)強(qiáng)度條件下天線(xiàn)增益越大檢測(cè)的距離越遠(yuǎn)。天線(xiàn)方向圖包括H面方向圖和垂直面(E面)方向圖，表示天線(xiàn)輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。

3.2 盤(pán)錐天線(xiàn)的加工制作和性能測(cè)試

已有的研究表明錐角25°、圓盤(pán)與錐臺(tái)間連接軸高度等于錐臺(tái)上表面半徑情況下盤(pán)錐天線(xiàn)增益、方向圖穩(wěn)定性及其與饋線(xiàn)的匹配情況最佳，另外，天線(xiàn)的錐臺(tái)高度決定了天線(xiàn)工作的中心頻率并對(duì)其下限工作頻率有顯著影響，并且天線(xiàn)的增益和帶寬還與天線(xiàn)盤(pán)半徑有關(guān)。

考慮到用于檢測(cè)MHz的電暈信號(hào)，加工設(shè)計(jì)錐角25°、高度30cm、盤(pán)半徑20cm的盤(pán)錐天線(xiàn)。如圖1所示該天線(xiàn)在加工上采用了離散化方式，每個(gè)面都用12根盤(pán)桿代替，在天線(xiàn)增益和帶寬等性能不受影響的基礎(chǔ)上既減輕了重量同時(shí)使得該天線(xiàn)各部分可拆卸，便于攜帶和安裝。

圖1 離散化加工的盤(pán)錐天線(xiàn)Fig.1 Discrete made discone antenna

天線(xiàn)加工完成后對(duì)其阻抗帶寬、方向圖和增益進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)試得到盤(pán)錐天線(xiàn)在頻帶10MHz～1GHz內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)特性，完全滿(mǎn)足電暈檢測(cè)的帶寬要求。盤(pán)錐天線(xiàn)是H面全向天線(xiàn)，因此只考察其E面的方向圖性能，天線(xiàn)E面方向圖最大增益方向在天線(xiàn)下方，適合接收從低處傳來(lái)的信號(hào)。利用AV1487B信號(hào)源和HP8592L頻譜分析儀測(cè)試得到天線(xiàn)在工作頻帶內(nèi)平均增益大于4dB，對(duì)全向?qū)拵炀€(xiàn)而言該增益較為理想。

4 盤(pán)錐天線(xiàn)的變電站實(shí)測(cè)

4.1 變電站電暈放電信號(hào)實(shí)測(cè)

將4個(gè)盤(pán)錐天線(xiàn)組成的天線(xiàn)陣列安裝于某220kV敞開(kāi)式變電站主控室樓頂進(jìn)行信號(hào)采集，安裝在主控室位置的好處是全向天線(xiàn)陣列位于變電站中間位置可以有效接收來(lái)自各個(gè)方向的設(shè)備發(fā)出的電暈信號(hào)。如圖2所示是示波器通過(guò)主控室樓頂?shù)奶炀€(xiàn)陣列采集到的來(lái)自該變電站2號(hào)主變壓器220kV出線(xiàn)側(cè)B相隔離開(kāi)關(guān)的放電信號(hào)，幅值至少可達(dá)80mV以上，而如圖3所示在主控室樓頂測(cè)得的變電站固有背景噪聲幅值一般不超過(guò)10mV，因此該放電信號(hào)與背景電磁噪聲相比具有良好的信噪比(SNR)。

圖2 放電源的放電信號(hào)Fig.2 Discharge signal of discharge source

圖3 實(shí)測(cè)的220kV變電站背景噪聲Fig.3 Background noise of 220kV substation

如圖4所示，變電站工作人員在放電所在位置用廈門(mén)紅相公司生產(chǎn)的超聲波放電檢測(cè)儀 Ultra TEV plus+也檢測(cè)到了放電的發(fā)生。而在變電站其他位置天線(xiàn)陣列和超聲波放電檢測(cè)儀都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在放電情況。

圖4 變電站實(shí)測(cè)及放電源位置Fig.4 Substation measurement and position of discharge source

4.2 檢測(cè)信號(hào)的分析

對(duì)存在放電情況的隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，確定是空氣絕緣部分放電即電暈放電，如圖5所示，放電信號(hào)頻帶主要部分在350MHz以下，但在1GHz以下頻帶也有分布，可見(jiàn)該電暈激發(fā)至空氣中的電磁波信號(hào)頻帶分布比較廣泛，用寬帶天線(xiàn)作為檢測(cè)傳感器具有優(yōu)勢(shì)。該放電能被幾十米外的天線(xiàn)傳感器檢測(cè)到，并有較大的信號(hào)幅值，證明電暈在發(fā)生時(shí)具有較大的放電量，不僅可能腐蝕隔離開(kāi)關(guān)的觸頭表面，還會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)電通信和電視信號(hào)造成干擾，試驗(yàn)人員已向相關(guān)部門(mén)反映該情況。由于整個(gè)變電站只有該隔離開(kāi)關(guān)處檢查到放電現(xiàn)象，分析原因可能是該開(kāi)關(guān)觸頭表面有毛刺或未保持光滑所致，另外，該放電在陰雨天偶爾發(fā)生，晴朗天氣則未檢測(cè)到發(fā)生放電，表明空氣濕度的增加會(huì)加劇放電。

圖5 放電信號(hào)頻帶分布Fig.5 Frequency distribution of discharge signal

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果看，天線(xiàn)成功檢測(cè)到了水平距離35m外的電暈信號(hào)，證實(shí)其具有良好的遠(yuǎn)距離電磁波信號(hào)接收能力，而用便攜式超聲波放電檢測(cè)儀須通過(guò)巡檢并距離放電設(shè)備較近才能發(fā)現(xiàn)存在的放電現(xiàn)象。變電站實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文研制的盤(pán)錐天線(xiàn)可檢測(cè)到遠(yuǎn)距離外設(shè)備的電暈放電，基于該天線(xiàn)可以開(kāi)發(fā)出用于變電站電氣設(shè)備電暈監(jiān)測(cè)和定位的系統(tǒng)，在工程應(yīng)用上具有某些方面的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

(1)本文通過(guò)分析輻射特性和特性阻抗，確定了將盤(pán)錐天線(xiàn)設(shè)計(jì)為用于非接觸檢測(cè)變電站內(nèi)電氣設(shè)備電暈的傳感器具有優(yōu)勢(shì)，加工出的天線(xiàn)帶寬為10MHz～1GHz以上，E面方向圖增益最大方向在天線(xiàn)下方，平均增益達(dá)4dB以上。

(2)在變電站電暈檢測(cè)的試驗(yàn)中，盤(pán)錐天線(xiàn)陣列接收到了35m外隔離開(kāi)關(guān)處發(fā)出的空氣絕緣放電信號(hào)，證實(shí)了該天線(xiàn)具有良好的遠(yuǎn)距離電暈信號(hào)檢測(cè)能力。

(3)未來(lái)將基于本文設(shè)計(jì)的盤(pán)錐天線(xiàn)開(kāi)發(fā)出固定式或移動(dòng)式變電站全站設(shè)備電暈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)工作時(shí)不與設(shè)備發(fā)生接觸，通過(guò)更多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開(kāi)展基于無(wú)線(xiàn)電方法的變電站設(shè)備電暈監(jiān)測(cè)及定位的研究。

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