GIS局部放電絕緣子金屬環(huán)孔特高頻檢測(cè)天線的研究

馮俊杰

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

0 引言

局部放電是封閉式氣體絕緣開關(guān)GIS(Gas Insulated Switchgear)絕緣劣化的重要原因，特高頻法UHF（Ultra High Frequency）由于良好的抗干擾性以及出色的信噪比，近年來(lái)已經(jīng)在GIS局部放電的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

根據(jù)傳感器安裝位置的不同，一般GIS局部放電UHF法分為內(nèi)置法和外置法。內(nèi)置式傳感器靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，但是其維護(hù)與校驗(yàn)不便，使用壽命無(wú)保障。就國(guó)內(nèi)而言，目前絕大多數(shù)GIS設(shè)備上未安裝內(nèi)置式傳感器。利用外置式傳感器檢測(cè)從盆式絕緣子輻射出來(lái)的UHF信號(hào)也可以實(shí)現(xiàn)局部放電檢測(cè)。然而現(xiàn)在很多GIS絕緣子被金屬屏蔽環(huán)包住，極大地阻礙了電磁波向外傳播，普通外置傳感器檢測(cè)局部放電就變得極其困難。

這種情況下，電磁波只能從金屬環(huán)上的澆注孔輻射出來(lái)。然而，澆注孔的尺寸很小，相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，其傳播出來(lái)的信號(hào)可能比無(wú)金屬環(huán)的絕緣子輻射出來(lái)的電磁波要微弱很多，頻帶分布發(fā)生變化，并且電磁波電場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布也未知。如果在澆注孔處依然使用現(xiàn)有的UHF檢測(cè)系統(tǒng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)GIS局部放電的靈敏度大大降低。

鑒于此，本文試驗(yàn)測(cè)試和分析了UHF電磁波通過(guò)金屬環(huán)澆注孔的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)和頻帶分布，在此基礎(chǔ)上研制了適用于澆注孔檢測(cè)的寬頻帶UHF天線傳感器，并在GIS上測(cè)試了其檢測(cè)局部放電的性能。

1 GIS澆注孔電磁波傳播分析

1.1 澆注孔結(jié)構(gòu)

GIS的絕緣子金屬環(huán)及澆注孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

絕緣子將GIS的每?jī)蓚€(gè)相鄰金屬腔體分隔開來(lái)。為了確保GIS運(yùn)行過(guò)程中安全接地和絕緣子免受外界腐蝕的影響，在絕緣子外側(cè)安裝了一層金屬環(huán)，金屬環(huán)的厚度約30 mm。在金屬環(huán)上有一個(gè)澆注孔，孔大致呈矩形，長(zhǎng)度約為55 mm，寬度約20 mm。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試

本試驗(yàn)是在220 kV GIS母線腔體上開展的，如圖2所示。絕緣子金屬環(huán)上澆注孔的尺寸為55 mm×20 mm，在人手孔處安裝有內(nèi)置的UHF傳感器。

圖1 盆式絕緣子金屬環(huán)澆注孔

圖2 試驗(yàn)接線

將內(nèi)置傳感器當(dāng)做發(fā)射天線，用脈沖信號(hào)發(fā)生器對(duì)其提供激勵(lì)信號(hào)，使得發(fā)射天線給GIS腔體內(nèi)注入U(xiǎn)HF電磁波，以模擬真實(shí)的局放UHF電磁波信號(hào)，再用外置式檢測(cè)天線在絕緣子澆注孔上接收信號(hào)。內(nèi)置發(fā)射天線的工作頻帶為0.3～3 GHz，這保證了UHF電磁波的頻帶范圍與真實(shí)的局部放電UHF信號(hào)頻帶范圍接近；檢測(cè)天線為對(duì)數(shù)周期天線，該天線為線極化天線，擅長(zhǎng)于接收電場(chǎng)矢量方向與振子方向平行的電磁波工作頻帶為0.3～3GHz。

如圖3所示，在澆注孔處，當(dāng)外置天線的振子方向平行于澆注孔振子方向時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)為幅值66 mV；當(dāng)天線的振子方向垂直于孔的長(zhǎng)邊時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)幅值為13 mV，僅相當(dāng)于前者的1/5。由此可見，GIS局部放電的UHF信號(hào)從澆注孔傳播出來(lái)后，電場(chǎng)強(qiáng)度主要矢量方向?yàn)槠叫杏诳锥踢叺姆较?，即極化方式為線極化。

將天線的長(zhǎng)邊方向平行于澆注孔長(zhǎng)邊方向時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻譜特性曲線,如圖4所示。

圖3 澆注孔處檢測(cè)到的信號(hào)

圖4 頻譜分析

可以看到，從澆注孔中傳播出來(lái)的信號(hào)主要分布在0.8～2 GHz，這比常規(guī)的局放檢測(cè)頻帶0.3～2 GHz要窄。這是由于澆注孔的尺寸很小，相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，低頻段的電磁波不容易傳播出來(lái)。綜上所述，GIS局部放電澆注孔處的外置天線應(yīng)該選擇線極化的天線，其工作頻帶可以選擇在0.8～2 GHz。

2 天線的研制

2.1 天線的選擇與設(shè)計(jì)

由于澆注孔的尺寸只有55 mm×20 mm，天線的電磁波接收面的尺寸不宜過(guò)大。天線的工作頻率、增益與天線的電流路徑長(zhǎng)度密切相關(guān)。理論上，天線的尺寸越小，工作頻帶寬度越窄[4]。

因此，需要盡可能在既有的尺寸空間下增大電流路徑長(zhǎng)度，以拓寬工作頻帶。振子天線能夠通過(guò)彎折振子臂，以增大電流路徑，所以可以選用經(jīng)過(guò)彎折的振子天線作為檢測(cè)傳感器的基本結(jié)構(gòu)。

采用天線設(shè)計(jì)軟件CST（CST Microwave Studio）建立振子天線模型。通過(guò)仿真優(yōu)化找尋最優(yōu)值，得到X軸方向最終長(zhǎng)度為22 mm，Z軸方向彎折長(zhǎng)度20 mm，Y軸方向振子寬取50 mm，終端加載電阻值為400Ω。振子天線模型如圖5所示。

圖5 振子天線模型

仿真計(jì)算振子天線的駐波比頻率特性曲線。從圖6可以看到，駐波比小于2的頻率范圍達(dá)到了820 MHz～2.4 GHz，這表明天線的阻抗匹配良好。

圖6 駐波比圖

計(jì)算天線在0.8～2GHz范圍內(nèi)的增益值，如圖7所示。0.8～1GHz范圍增益為負(fù)值，表明該頻率范圍內(nèi)天線效率較低。隨著頻率的提高，增益逐漸增大，1～2GHz范圍上，天線的平均增益為1.2dB，并且在該范圍內(nèi)增益值變化平緩，震蕩很小，比較穩(wěn)定。

2.2 傳感器的研制與性能測(cè)試

天線設(shè)計(jì)完成后，加工制作振子天線。采用印刷形式，這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)振子臂的展寬，然后通過(guò)焊接和粘接組合成終端加載的振子天線，如圖8所示。饋電方式為通過(guò)同軸線分別激勵(lì)振子的2個(gè)臂，實(shí)現(xiàn)天線饋電。最后安裝金屬外殼以屏蔽掉外界的電磁波干擾。

圖7 增益曲線圖

圖8 振子天線

在吉赫橫電磁室GTEM平臺(tái)上測(cè)試振子天線的等效高度，得到等效高度頻率變化曲線如圖9所示。

圖9 等效高度曲線

可以看到，天線在1～2 GHz范圍內(nèi)，平均等效高度達(dá)到了7.5 mm。綜上所述，本文設(shè)計(jì)研制的寬頻帶振子天線極化方式為線極化，工作頻帶范圍為 1～2 GHz。

3 局部放電靈敏度檢測(cè)

為測(cè)試振子天線傳感器檢測(cè)GIS局部放電澆注孔UHF信號(hào)的的靈敏度，建立了126 kV GIS局部放電檢測(cè)平臺(tái)，如圖10所示。常規(guī)脈沖電流法由檢測(cè)阻抗耦合信號(hào)輸出至局放儀,給出局放量的大小。傳感器安裝在金屬環(huán)澆注孔上，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)UHF放大器后傳輸至示波器。放大器增益為40 dB。

圖10 126 kV GIS局部放電UHF檢測(cè)接線圖

在GIS中分別布置了3種局部放電模型，分別為高壓導(dǎo)體突出物、腔體內(nèi)壁突出物、懸浮電極。

振子天線傳感器檢測(cè)各種故障模型的局部放電靈敏度情況如表1所示。

表1 傳感器檢測(cè)局放pC

由此可見，振子天線檢測(cè)局放的靈敏度達(dá)到了30 pC以下。

4 結(jié)論

a）從GIS絕緣子金屬環(huán)澆注孔中輻射出的UHF電磁波的主要電場(chǎng)方向平行于澆注孔的短邊方向。

b）針對(duì)GIS局部放電金屬環(huán)澆注孔式UHF檢測(cè)方法，將振子天線進(jìn)行彎折，并在終端進(jìn)行阻抗加載，研制了線極化的振子天線傳感器，其工作頻帶范圍為1～2 GHz。

c）建立了126 kV GIS局部放電UHF檢測(cè)平臺(tái)。試驗(yàn)測(cè)試表明，針對(duì)3種放電類型，振子天線檢測(cè)靈敏度達(dá)到了30 pC以下。

[1] 劉衛(wèi)東，金立軍，黃家旗，等.日本SF6電器局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)研究近況[J].高電壓技術(shù)，2001，27(2)：76-79.

[2] 唐炬，朱偉，孫才新，等.GIS局部放電的超高頻檢測(cè)[J].高電壓技術(shù)，2003，29(12)：22-23.

[3] Judd MD，F(xiàn)arish O，Pearson JS，et al.Dielectric windows for UHF partial discharge detection[J].IEEET ransactionson Dielectrics and Electrical Insulation， 2001，8(6)：953-958.

[4] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社.2002.