特高壓GIS超薄型外置式特高頻傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

邵先軍，詹江楊，周陽(yáng)洋，何文林，劉浩軍，謝 成

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

1 100 kV特高壓GIS（氣體絕緣組合電器）作為1 000 kV交流特高壓變電站的核心部件，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的安全。UHF（特高頻）方法作為一種可有效發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷的局部放電（以下簡(jiǎn)稱“局放”）監(jiān)測(cè)技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用，并具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。

外置式UHF傳感器利用敞開(kāi)式盆式絕緣子或封閉盆式絕緣子的澆筑孔所泄漏出來(lái)的電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特高壓GIS設(shè)備局部放電的檢測(cè)。目前商用的GIS外置式傳感器包括矩形貼片天線、喇叭天線、雙極子天線等，其靈敏度、優(yōu)缺點(diǎn)各不相同[4-6]。由于特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口一般位于正下方，易受到金屬支架、構(gòu)架等影響，導(dǎo)致澆筑口與金屬支架、構(gòu)架之間的縫隙較小，使得現(xiàn)場(chǎng)部分特高壓GIS盆式絕緣子無(wú)法利用商用外置式UHF傳感器開(kāi)展帶電檢測(cè)工作，也就是說(shuō)特高壓GIS設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)UHF帶電檢測(cè)的全覆蓋。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種檢測(cè)靈敏度高的超薄型外置式UHF傳感器，應(yīng)用于特高壓GIS設(shè)備盆式絕緣子澆筑口與支架窄縫隙處的帶電檢測(cè)。

本文提出了一種蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器，仿真研究了天線長(zhǎng)度、張角、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，開(kāi)展了傳感器回波損耗參數(shù)和等效高度測(cè)試，并與商用外置式傳感器進(jìn)行了典型缺陷下局放檢測(cè)靈敏度的實(shí)測(cè)對(duì)比，最后在特高壓GIS進(jìn)行了驗(yàn)證應(yīng)用。

1 蝶形貼片UHF傳感器結(jié)構(gòu)與仿真模型

1.1 蝶形貼片UHF傳感器結(jié)構(gòu)

蝶形天線廣泛應(yīng)用于脈沖型探地雷達(dá)中，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于加工、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，兼具微帶天線和共面波導(dǎo)傳輸?shù)碾p重優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

圖1為蝶形貼片天線的結(jié)構(gòu)示意，主要包括介質(zhì)基片、2塊蝶形金屬貼片及饋電接頭等。可見(jiàn)，蝶形貼片天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有蝶形寬度L、張角θ和封裝厚度d。因此，本文主要研究上述3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與天線性能之間的關(guān)系。

圖1 蝶形天線結(jié)構(gòu)示意

1.2 回波損耗的FDTD仿真

S參數(shù)一般反映了二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸與反射特性，Sij表示從端口j注入、在端口i測(cè)得的能量，常用的4個(gè)S參數(shù)含義如圖2所示。S11稱為回波損耗，作為傳統(tǒng)天線的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，它代表了饋電點(diǎn)從天線處反射回來(lái)的能量，如果S11=0 dB，那么意味著饋電點(diǎn)輸入的所有能量都被天線反射回來(lái)，天線沒(méi)有任何能量輻射[9]。因此，本文選取傳統(tǒng)天線的評(píng)估指標(biāo)S11參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，用以優(yōu)化蝶形貼片UHF傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)

本文基于FDTD（有限時(shí)域差分法）建立了蝶形貼片天線的仿真模型。具體有關(guān)天線的FDTD仿真可參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。根據(jù)電場(chǎng)仿真結(jié)果，計(jì)算入射波電壓Vi和反射波電壓Vj，通過(guò)傅里葉變化即可求出S參數(shù)，如式（1）所示：

2 蝶形貼片UHF傳感器的優(yōu)化仿真

2.1 蝶形張角的影響

圖3所示為固定蝶形寬度L為22 mm時(shí)，不同蝶形張角下的S11仿真結(jié)果?？梢?jiàn)，天線檢測(cè)頻帶隨張角的增大而降低，最低S11值卻逐漸增大，因此需要在檢測(cè)帶寬與S11大小之間進(jìn)行權(quán)衡。澆注孔實(shí)際上為波導(dǎo)縫隙天線，其電場(chǎng)E面為平行于縫隙的窄邊方向，即沿GIS的軸向，因此澆筑口的寬度決定了泄漏電磁波的諧振特性。根據(jù)縫隙天線諧振頻率計(jì)算公式可知，盆式絕緣子澆筑口處泄漏電磁波頻率一般高于1 GHz，因此張角在 90°～120°比較合適。

2.2 蝶形寬度的影響

圖4所示為蝶形張角為120°時(shí)，不同蝶形寬度下的S11仿真結(jié)果?？梢?jiàn)，隨著蝶形寬度的增大，S11值逐漸降低，且第一個(gè)諧振點(diǎn)的頻率也隨之降低；當(dāng)?shù)螌挾却笥?0 mm后，在2.5 GHz以上的頻段內(nèi)出現(xiàn)了第二個(gè)諧振點(diǎn)，因此增大蝶形寬度可提高檢測(cè)靈敏度。但貼片寬度一方面受GIS盆式絕緣子澆筑口寬度限制（一般來(lái)說(shuō)需小于40 mm），另一方面受盆式絕緣子澆筑口泄漏電磁波頻率（1～2 GHz）的影響。綜合上述因素，蝶形寬度在20～30 mm較為合適。

圖3 不同蝶形張角下S11仿真結(jié)果

圖4 不同蝶形寬度下S11仿真結(jié)果

2.3 封裝厚度的影響

由于按照蝶形貼片加工的印刷電路板完工后需用環(huán)氧樹(shù)脂灌封于金屬殼內(nèi)，灌封后整體設(shè)計(jì)堅(jiān)固、抗破壞性強(qiáng)；天線接收面朝向盆式絕緣子，外部全部為金屬殼屏蔽，可有效減少外部噪聲信號(hào)的強(qiáng)度，提高整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的抗噪性。但灌封后金屬殼及環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)引起電磁波的折、反射，造成天線性能的變化，因此有必要分析封裝厚度對(duì)蝶形貼片天線性能的影響。需要說(shuō)明的是，為避免因傳感器與傳輸線阻抗不匹配導(dǎo)致的反射波引發(fā)信號(hào)失真，傳感器阻抗應(yīng)與傳輸線阻抗相匹配，但為了仿真建模方便，仿真中未考慮信號(hào)引出接頭對(duì)傳感器性能的影響。

以蝶形寬度30 mm、張角90°為例，對(duì)天線基片與金屬外殼距離d取10 mm，20 mm，30 mm及40 mm時(shí)的S11進(jìn)行仿真，得到不同封裝厚度下S11仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)d較?。ㄈ鏳=10 mm）時(shí)，檢測(cè)頻帶偏高，與泄漏信號(hào)主要頻帶偏離，檢測(cè)效率較低；當(dāng)d較大時(shí)，雖可以降低檢測(cè)頻帶，但此時(shí)最低S11值偏高，同樣不利于信號(hào)檢測(cè)?？紤]到特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口與支架之間的縫隙一般小于25 mm，因此選取d=20 mm灌封傳感器。

圖5 不同封裝厚度下S11仿真結(jié)果

2.4 蝶形貼片天線的輻射方向

圖6所示為蝶形貼片天線在2個(gè)典型頻率下的輻射方向，可見(jiàn)整體輻射方向呈正弦狀分布，沿蝶形寬度L方向的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，且在天線中心軸向的輻射強(qiáng)度最大。由于GIS沿盆式絕緣子泄漏電磁波的最大電場(chǎng)方向?yàn)檩S向，因此蝶形貼片現(xiàn)場(chǎng)接收信號(hào)時(shí)應(yīng)沿著蝶形寬度L方向進(jìn)行測(cè)試。

圖6 蝶形貼片天線輻射方向

3 蝶形貼片UHF傳感器的優(yōu)化與測(cè)試

3.1 蝶形貼片UHF傳感器的研制

根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)選2組尺寸進(jìn)行傳感器研制：第 1組 d=20 mm，L=22 mm，θ=120°；第 2組d=20 mm，L=30 mm，θ=90°。 介質(zhì)基片材質(zhì)為FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板。圖7所示為灌封后蝶形貼片外置式UHF傳感器的實(shí)物，包括蝶形貼片天線、饋電N型同軸接頭。

3.2 蝶形貼片UHF傳感器的S11測(cè)試

圖7 優(yōu)化后的傳感器實(shí)物

針對(duì)優(yōu)化后的傳感器采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試其回波損耗S11曲線，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯?2組尺寸（d=20 mm，L=30 mm，θ=90°）傳感器的檢測(cè)頻帶與回波損耗數(shù)值更優(yōu)。且對(duì)比圖5中d=20 mm曲線可知，S11的實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線形狀基本相近，且兩者最低S11的頻率點(diǎn)均在 1.4～1.5 GHz，較為接近。

圖8 回波損耗S11實(shí)測(cè)曲線

3.3 蝶形貼片UHF傳感器的等效高度測(cè)試

等效高度可以表征UHF傳感器將局部放電輻射的電磁波能量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的能力。目前，國(guó)內(nèi)外UHF傳感器均以等效高度作為檢驗(yàn)其靈敏度的重要測(cè)試指標(biāo)[11-15]。因此本文也對(duì)所研制的傳感器（d=20 mm， L=30 mm， θ=90°）在第三方GTEM（GHz橫電磁波）小室進(jìn)行了等效高度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示?？梢?jiàn)，所研制的蝶形貼片UHF傳感器在300～1 500 MHz頻帶內(nèi)平均有效高度為10.36 mm，高于國(guó)網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8 mm要求。

3.4 252 kV GIS仿真平臺(tái)典型缺陷下測(cè)試

圖9 等效高度實(shí)測(cè)曲線

雖然回波損耗S11與等效高度可以較好地反映傳感器的性能，但為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的蝶形貼片UHF傳感器檢測(cè)靈敏度，搭建了252 kV GIS仿真平臺(tái)（見(jiàn)圖10），并在試驗(yàn)腔體內(nèi)部設(shè)置自有金屬顆粒缺陷，在盆式絕緣子澆筑口處放置式UHF傳感器。利用該GIS仿真平臺(tái)對(duì)比研究商用DMS公司外置式傳感器和所研制傳感器的檢測(cè)靈敏度。

圖10 外置式傳感器檢測(cè)局放的試驗(yàn)布置

圖11為自由微粒缺陷下商用傳感器與蝶形貼片超薄型UHF傳感器的局放檢測(cè)譜圖，自由微粒直徑為0.5 mm，外施電壓為10 kV，2種傳感器的測(cè)試時(shí)間均為30 s，接收信號(hào)均采用DMS公司特高頻局放儀檢測(cè)，檢測(cè)帶寬為300 MHz～2 GHz并經(jīng)20 dB放大器放大?？梢?jiàn)，蝶形貼片超薄型UHF傳感器與商用傳感器的檢測(cè)幅值基本一致，說(shuō)明其檢測(cè)靈敏度與商用傳感器相當(dāng)。

4 蝶形貼片超薄型UHF傳感器在特高壓GIS的應(yīng)用效果

將優(yōu)化后的蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器應(yīng)用于某1 100 kV特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口與支架的窄縫隙處，如圖12所示。可見(jiàn)，該處縫隙約為30 mm，商用傳感器無(wú)法置于此處進(jìn)行測(cè)試，而本文所研制的超薄型傳感器可在該處進(jìn)行測(cè)試。

圖11 自由微粒缺陷下2種外置式傳感器的檢測(cè)譜圖

圖12 某特高壓GIS盆式絕緣子澆筑孔窄縫隙處超薄型傳感器的安裝

為進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器在特高壓GIS的檢測(cè)效果，向特高壓GIS內(nèi)置傳感器注入100 V納秒脈沖電壓信號(hào)，在同一間隔另一內(nèi)置傳感器處和相鄰盆式絕緣子澆筑口處（應(yīng)用超薄型外置式傳感器）進(jìn)行UHF信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖13所示?？梢?jiàn)，內(nèi)置傳感器接收到的信號(hào)幅值約為超薄型外置式傳感器信號(hào)的5倍，基本符合特高頻信號(hào)的衰減關(guān)系，說(shuō)明所研制的蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器滿足特高壓GIS局放帶電檢測(cè)工作的要求。

圖13 內(nèi)、外置UHF傳感器的時(shí)域信號(hào)對(duì)比

5 結(jié)論

本文研制了一種蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器，建立其回波損耗參數(shù)測(cè)試仿真模型，研究了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳感器性能的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)對(duì)比研究。結(jié)果表明：該傳感器檢測(cè)頻帶隨張角的增大而降低，最低S11值逐漸增大；隨著蝶形寬度的增大，S11值逐漸降低，且第一個(gè)諧振點(diǎn)的頻率也隨之降低；隨著封裝厚度的增加，第一諧振點(diǎn)的頻率逐漸降低，且對(duì)應(yīng)的S11值也逐漸增大；該傳感器的整體輻射方向呈正弦狀分布，沿蝶形寬度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度最大；在300～1 500 MHz頻帶內(nèi)傳感器的平均有效高度為10.36 mm。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所研制的蝶形貼片超薄型外置式UHF傳感器與商用傳感器靈敏度相當(dāng)，且滿足特高壓GIS盆式絕緣子澆筑口與支架間窄縫隙的要求[17-18]。