新型局放特高頻傳感器的開發(fā)和特性分析

馬 超,林 琳，黃建芳(.國網(wǎng)冀北電力有限公司 技能培訓(xùn)中心，河北 保定 07000；.浙江機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會，浙江 杭州 30009)

0 引 言

由于變壓器在整個電力系統(tǒng)的運(yùn)輸、分配中所起到的作用，保障其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。

變壓器內(nèi)部絕緣老化狀況影響變壓器運(yùn)行狀態(tài)，是監(jiān)測電力變壓器絕緣狀態(tài)的重要特征量。實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測中，可以通過局部放電作為判別絕緣老化的依據(jù)。變壓器局部放電的在線檢測方法主要包括脈沖電流、化學(xué)法、超聲波法等，其中超聲波和超高頻，是應(yīng)用最廣泛的兩種在線監(jiān)測方法。

特高頻檢測法通過采集特高頻電磁波實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。局部放電發(fā)生時，會向周圍輻射的特高頻電磁波。特高頻電磁信號頻率范圍為300 MHz～3 GHz，處于很高的頻率范圍，因此電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中的電氣干擾不會對特高頻電磁信號監(jiān)測造成影響，降低了干擾，提高了信號的靈敏度，也就大大提高了信噪比，監(jiān)測準(zhǔn)確性和可靠性也得到了提高。近些年來國內(nèi)外大量研究特高頻監(jiān)測方法，也是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)的檢測方法，該方法具備無可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]。

本研究利用采集超高頻信號的主要方法，開發(fā)出一套基于超高頻傳感器的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)過程中，將特高頻傳感器的結(jié)構(gòu)分為兩部分：特高頻信號采集裝置和信號處理模塊。

本研究通過比較多種用于采集特高頻信號的天線形狀[3]，通過仿真手段檢驗(yàn)各種形狀的特性和效果[4]，并基于ANSYS HFSS設(shè)計(jì)和優(yōu)化相應(yīng)的特高頻傳感器的天線[5]，設(shè)計(jì)特高頻傳感器的分離放大和檢波電路，應(yīng)用AltiumDesigner軟件，對信號處理模塊中的放大和檢波電路兩部分，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并制作PCB板，最終得到配套的信號分離放大和檢波裝置實(shí)物，將特高頻天線與檢波電路合理的組合，完成結(jié)構(gòu)封裝，形成一套完整的特高頻傳感器設(shè)備。

2 采集天線選型

筆者針對應(yīng)用較多的是阿基米德螺線圈、三階Hilbert分形天線、四階Hilbert分形天線3種超高頻天線，制定工程實(shí)際條件約束，并通過應(yīng)用HFSS仿真軟件，尋找一種對于天線的分析和設(shè)計(jì)方法，以保證超高頻傳感器天線形狀尺寸的選取和設(shè)計(jì)更加合理和有效。

根據(jù)研究結(jié)果，3種天線特性如表1所示。

表1 3種天線特性

從通頻帶和方向性兩方面采集特性上比較3種天線的特點(diǎn)。3種天線的方向性差異不大，均呈現(xiàn)出良好的特性；相比于三階Hilbert分形天線和四階Hilbert分形天線，阿基米德螺旋天線的增益較高，通頻帶更寬，而四階Hilbert分形天線的增益和通頻帶均要優(yōu)于相同設(shè)計(jì)下的三階Hilbert分形天線。

阿基米德螺旋天線由于尺寸較大，內(nèi)置于變壓器箱體內(nèi)部的難度較大，不適合置于變壓器箱體內(nèi)進(jìn)行信號采集，而三階Hilbert分形天線和四階Hilbert分形天線尺寸較小，可以通過變壓器送油閥將天線置于變壓器箱體內(nèi)，而不必改變變壓器箱體結(jié)構(gòu)，因此，適用于作為針對變壓器箱體內(nèi)局部放電超高頻信號進(jìn)行采集的天線裝置。

綜上所述，阿基米德螺旋天線尺寸較大，不符合筆者針對變壓器內(nèi)置天線的設(shè)計(jì)尺寸要求。Hilbert分形天線尺寸較小，能夠方便的安裝在電力主設(shè)備箱體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)更加方便和精確地測量，且相比于三階Hilbert分形天線，四階Hilbert分形天線方向性良好，天線增益系數(shù)比三階Hilbert分形天線高，采集信號更精確，因此可以選取四階Hilbert分形天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 特高頻采集天線

通過分析天線不同導(dǎo)線段對于天線參數(shù)和采集效果的影響，在模型中將每種導(dǎo)線段設(shè)定為不同的變量，再加入介質(zhì)層的介電常數(shù)、導(dǎo)線寬度和介質(zhì)厚度3個變量，將以上變量同時優(yōu)化，得到采集效果更良好的變壓器局部放電超高頻傳感器的采集天線。

天線實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 天線實(shí)物圖

針對設(shè)計(jì)制作的天線的特性參數(shù)測量，主要是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀，對天線的方向性、駐波比和頻譜特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，通過綜合分析，檢驗(yàn)制作的天線是否滿足設(shè)計(jì)要求。

四階Hilbert分形天線的方向圖和增益仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 四階Hilbert分形天線的方向圖和增益仿真結(jié)果

圖2中的方向圖可以明顯看出，天線具有良好的方向性。增益系數(shù)也有了顯著提高。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的四階Hilbert分形天線的駐波比如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的天線駐波比

由測試參數(shù)可知，設(shè)計(jì)制作的天線的駐波比特性能夠達(dá)到優(yōu)化采集信號的目的。同時制作的天線實(shí)物與仿真參數(shù)結(jié)果一致。

通過對駐波比的測量結(jié)果，可以得出天線的通頻帶范圍如表2所示。

表2 四階Hilbert分形天線通頻帶實(shí)測分析

通頻帶能夠涵蓋特高頻信號測量頻段[6]。

4 傳感器信號處理模塊的制作

信號處理模塊的結(jié)構(gòu)，是根據(jù)采集卡的參數(shù)對信號的要求確定的。特高頻監(jiān)測系統(tǒng)的采集卡相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)

因此，要求進(jìn)入采集卡的信號幅值為±5 V，頻率范圍為20 MHz以內(nèi)，阻抗為50 Ω。其中，由于天線采集到的4.2 kV放電電壓下局部放電特高頻信號幅值為40 mV左右，可以確定放大器放大倍數(shù)為50倍為宜。

基于AltiumDesigner，跟據(jù)RFMD3827設(shè)計(jì)的大器。由于選擇的運(yùn)算放大器的增益為20 dB，放大電路設(shè)計(jì)了兩級放大結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒃鲆嫣嵘?0 dB～40 dB，對應(yīng)放大倍數(shù)約為50倍左右，以滿足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)用AV36580網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的運(yùn)算放大器的增益結(jié)果如圖4所示。

圖4 放大器的增益測量

由測量結(jié)果可知，制作的放大器相關(guān)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)圖4可知，放大器在100 MHz～1 GHz范圍內(nèi)的功率增益處于17 dBm左右，對應(yīng)電壓信號增益為34 dB左右[7]，即放大倍數(shù)約為50倍，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的放大功能。

變壓器局放特高頻監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用采集卡進(jìn)行采集，采集頻率為20 MHz，低于特高頻信號300 MHz～3 GHz頻段范圍，因此需要通過檢波技術(shù)，將原始信號包絡(luò)為檢波信號，合理設(shè)置檢波時間常數(shù)，降低采集頻率，使輸出信號達(dá)到采集卡的采集要求[8]。

根據(jù)檢波頻率的要求，檢波器的檢波二極管為avago公司的HSMP282Y，其導(dǎo)通時間為0.3 ns，滿足1 GHz以內(nèi)的檢波要求。根據(jù)應(yīng)用AltiumDesigner09設(shè)計(jì)的原理圖。應(yīng)用信號發(fā)生器和示波器，測量檢波器的工作特性，測量結(jié)果如圖5所示。

由信號發(fā)生器輸出的方波測試信號幅值為700 mV，脈寬為100 μs，占空比為10%，檢波器的時間常數(shù)為5 μs。由測試結(jié)果可知，檢波器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的檢波功能，將波形末端延長5 μs的指數(shù)衰減信號，降低特高頻信號的頻率，使信號達(dá)到采集卡的采集要求。

圖5 檢波器實(shí)驗(yàn)波形圖

5 檢測系統(tǒng)的開發(fā)

特高頻檢測系統(tǒng)由軟件和硬件兩大部分構(gòu)成，硬件包括由天線和信號處理模塊構(gòu)成的傳感器和由采集卡和工控機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件由Labview平臺搭建，包括試試局放信號顯示、報警、歷史數(shù)據(jù)回調(diào)等功能。

信號采集天線位于油浸式變壓器內(nèi)部，通過油浸式變壓器的放油閥或者端蓋置入變壓器內(nèi)部，并浸于變壓器油內(nèi)。這樣設(shè)計(jì)能夠利用變壓器箱體的屏蔽作用，避免來自于變壓器箱體外的干擾信號，方便數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集。

信號處理模塊和采集卡工控機(jī)位于操作人員所在場所。將信號處理模塊置于控制室，可以方便地對信號處理模塊安全供給直流電源，同時能夠方便監(jiān)測人員操作，避免變壓器周圍電磁環(huán)境干擾[9]。

硬件安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用天線和信號處理模塊分離的方法，將特高頻信號采集天線置于變壓器箱體內(nèi)部，保證信號采集的靈敏度；信號處理模塊和采集卡、工控機(jī)置于監(jiān)測人員操作場地。傳感器與采集卡通過同軸電纜傳遞信號，端口為BNC接口。

特高頻天線通過變壓器放油閥進(jìn)入到變壓器箱體內(nèi)部。由于變壓器箱體的集膚效應(yīng)，發(fā)生于變壓器內(nèi)部的局部放電產(chǎn)生的電磁波很難穿過變壓器箱體，將傳感器采集天線置于變壓器箱體內(nèi)部，不僅能夠保證采集靈敏度，同時能夠有效屏蔽變壓器箱體外的電磁干擾信號[10]。放油閥位于變壓器箱體的底部，遠(yuǎn)離高壓側(cè)，安裝天線時基本上不會破壞變壓器內(nèi)部的電場分布，所以是比較適合的天線安裝位置。

筆者設(shè)計(jì)改進(jìn)的Hilbert分形天線外接圓直徑為84 mm，能夠進(jìn)入90 mm的放油閥內(nèi)部，并且具有良好的采集特性。

變壓器特高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件是基于圖形編程環(huán)境Labview搭建的，實(shí)現(xiàn)了同步采集、放電量的標(biāo)定和數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)運(yùn)行時，快速同步采集由特高頻傳感器輸入的PD信號波形，采集完之后進(jìn)行判斷是否發(fā)生局部放電，若發(fā)生局部放電，則對局部放電量的標(biāo)定，并存儲到相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

監(jiān)控系統(tǒng)主界面包含參數(shù)設(shè)置、波形和信息顯示、報警提示3個區(qū)域，其中參數(shù)設(shè)置提供給用戶調(diào)整采樣頻率、輸入通道等參數(shù)；波形和信息顯示向用戶提供監(jiān)測信息的實(shí)時波形和信號最大值；報警提示向用戶提供局放報警狀態(tài)，一旦傳感器監(jiān)測到變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電的超聲波信號，則會由監(jiān)測系統(tǒng)報警，提醒監(jiān)測人員盡快排除故障，變壓器局放特高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能如下：

(1)實(shí)時顯示局部放電的最大值，局部放電的實(shí)時值以及實(shí)時波形等信息；

(2)超過警戒值進(jìn)行報警；

(3)歷史數(shù)據(jù)的存儲和顯示。

6 測試實(shí)驗(yàn)

筆者應(yīng)用針板放電模型、油箱、示波器和頻譜儀搭建實(shí)驗(yàn)，測試系統(tǒng)接線如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)電源經(jīng)升壓器升至4.2 kV加在針板放電模型上，產(chǎn)生的局部放電特高頻信號由制作的改進(jìn)Hilbert分形天線采集，并經(jīng)過信號處理模塊，由示波器和頻譜儀采集[11]。

筆者將制作的針板放電模型，置于裝滿變壓器油箱體中，箱體尺寸為50 cm×60 cm×50 cm，箱體壁厚4 mm，外殼接地，形成屏蔽結(jié)構(gòu)，特高頻天線貼放于箱體側(cè)壁上。高壓電源通過箱體壁上的小孔給針板放電模型供電。加至合適的電壓后，特高頻天線采集局部放電產(chǎn)生的電磁波信號，并將信號經(jīng)過放大器送入頻譜分析儀，經(jīng)過放大器和檢波器進(jìn)入示波器顯示。特高頻天線置于箱體內(nèi)部，這樣既可以提高檢測靈敏度，又減少了外部干擾。

針板放電模型中的針接高壓，板接低壓，放電間隙的距離為20 mm。筆者給針板電極加壓，在4.2 kV電壓下出現(xiàn)局部放電。

此時示波器記錄的由特高頻傳感器檢測到的放電所激發(fā)的電磁信號波形如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)測得的波形圖

采集的信號幅值約為1.2 V，信號波形顯示符合特高頻信號的特征為振蕩衰減信號，持續(xù)時間為100 ns左右。

此時頻譜分析儀記錄的由特高頻傳感器檢測到的放電所激發(fā)的電磁信號頻譜如圖8所示。

圖8 天線采集信號頻譜

由于采集實(shí)驗(yàn)應(yīng)用示波器和頻譜儀針對特高頻信號采集，不涉及頻率的降低以及檢波裝置的應(yīng)用，采集結(jié)果為應(yīng)用天線和放大器的傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。頻譜顯示特高頻傳感器采集到的局放頻段主要集中于300 MHz～1 GHz范圍內(nèi)，同時由于天線通頻帶的特點(diǎn)，采集的信號分為30 MHz～800 MHz和900 MHz～1 120 MHz兩部分。

由于實(shí)驗(yàn)室局部放電能量主要集中于100 MHz～1.5 GHz，頻譜測量范圍主要選取了30 MHz～1.5 GHz。頻率為30 MHz～1.5 GHz范圍時改進(jìn)的Hilbert分形天線采集的頻譜如圖8所示。顯示局放信號的特征為頻譜能量集中于30 MHz～1 GHz范圍內(nèi)。同時通過頻譜圖可以驗(yàn)證，天線在300 MHz～1.5 GHz內(nèi)存在兩個通頻帶，通頻帶范圍分別約為測量的駐波比對應(yīng)的0.44 GHz～0.85 GHz第一通頻帶和0.86 GHz～1.12 GHz第二通頻帶。

7 結(jié)束語

本研究通過對變壓器局放特高頻采集天線的優(yōu)化研究和UHF頻段信號處理模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)，制作完成了特高頻傳感器，經(jīng)過相關(guān)參數(shù)的測試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，傳感器能夠精確采集信號；將特高頻傳感器應(yīng)用于采集卡工控機(jī)，構(gòu)成特高頻監(jiān)測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)；同時基于Labview平臺，開發(fā)了變壓器局部放電特高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件。運(yùn)行試驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 陳 習(xí)，王 鵬，劉 瑛，等.10 kV配電變壓器重過載問題解決新思路[J].機(jī)電工程技術(shù)，2017，46(9)：112-115.

[2] 王國利,鄭 毅,郝艷捧,等.用于變壓器局部放電檢測的超高頻傳感器的初步研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2002,22(4):154-160.

[3] 鐘順時.天線理論與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[4] 王永強(qiáng),馬 超.基于HFSS的局放超高頻信號采集天線特性比較[J].傳感器世界,2014，20(4):21-25

[5] 謝擁軍，劉 瑩，李 磊，等.HFSS原理與工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009

[6] 郭 俊,吳廣寧,張血琴,等.局部放電檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報,2005,20(2):29-35

[7] 張肅文.高頻電子電路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[8] 蔣慶云,張重遠(yuǎn),劉云鵬,等.檢波技術(shù)在超高頻PD信號提取中的應(yīng)用研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2006，33(3):10-13

[9] 孫才新,許高峰,唐 炬,等.檢測GIS局部放電的內(nèi)置傳感器的模型及性能研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2004,24(8):89-94.

[10] 王 頌,趙曉輝,方曉明,等.變壓器局部放電超高頻信號的外部檢測[J].高電壓技術(shù),2007,33(8):88-91.

[11] 寧佳欣.電力變壓器局部放電超高頻在線監(jiān)測方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,2007.