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1、-一种用于在线检测GIS局放超高频信号的微带天线传感器研究 重庆市电机工程学会年学术会议论文 一种用于在线检测局放超高频信号的微带天线传感器研究 许中荣唐世字白云庆唐炬张晓星 （重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆；重庆电力公司，）摘要：根据现场气体绝缘纽合电器（）的结构和运行特量，研究结果表明：该传感器可用于现场的点，本文设计了适用于现场的局邦放电检测的外置超局部放电超高频检测的在线检测和故障诊断研究。高频微带天线传感器，该传感器安装在盆式绝缘子处， 接收从盆式绝缘子处向外泄漏的超高频电磁波，并对周围超高频传感器的设计与分析空间电磁干扰有较好地抑制作用。通过微带天线的理论分 析，
2、采用了基于天线基板材料性质、形状和尺寸大小、附超高频外置天线的选择 加匹配阻抗网络等频带展宽技术。分析和实测表明天线 的有效工作频带为（驻波比矗）冲心频率为为了使超高频传感器能较好地耦台到发生在，相对带宽，达到了宽频带天线范围，并且内的局部放电所激发的电磁波信号，要求超高最大辐射和接收方向上的增益达到了，。实验室频传感器满足以下要求：能较好接收信号的同时模拟装置和现场实测数据表明该天线传感器性能良好，具抑制干扰：带宽和中心频率要合适；驻波比小有较高灵敏度，能适用于现场的局部放电在线监测。于，并且具有较高的增益和灵敏度：整个天线 接收系统阻抗要匹配，且便于现场安装。 关键词：；局部放电；微带天线
3、：超高频：展频技术根据在线监测系统的要求，要能有效地 检测局部放电超高频段的信号，应在线元天 引言线、行波天线及阵列天线中选择。考虑到现场的安 装和实际的尺寸以及微带天线（属线元天线的一 局部放电检测是气体绝缘组合电器（）绝种）具有的优点（剖面薄、体积小、重量轻；具有缘监测的重要内容。中发生放电时局部放电脉平面结构、馈电网络可与天线结构一起制成；便于冲宽度可达，可激发频率达以上的电获得圆极化等），所以选用微带天线，而它的磁波”，因此，可以运用超高频（）法对主要缺点（频带较窄）可通过本文所述的展频技术进行局部放电的检测。来克服。 局部放电检测法中的关键技术是传 感器，即天线。目前用于检测的天线传
4、微带贴片天线的结构与工作原理感器主要有内置传感器和外置传感器，两类。内 置传感器具有灵敏度高，检测效果好的优点，但必 须在设备生产时嵌入进去，对已投入运行的 不影响内部电场、安装方便等特点，故外置 天线更有利于现场局部放电的信号的检 测。另外，内部的局部放电信号可沿着同 轴导体的波导结构进行传播，在的盆式绝缘 子处向外泄漏电磁波，所以外置天线传感器安装的 最佳位置是在的盆式绝缘子处。因此，本文图微带贴片天线的空腔模型外置超高频局部放电检测的微带天线传感器，用天通常分析微带贴片天线采用传输线模型、空腔 模型或者全波模型。本文采用空腔模型进行天线的实验室模拟装置和现场的装置进行了测理论分析，在薄微
5、带天线的前提下，可将微带贴片实现起来有很大困难。而外置天线传感器具有研制了一种安装在盆式绝缘子上用于线理论分析了所研制的传感器的特性，并在 一种用于在线检测局部放电超高频信号的微带天线传感器研究 与接地板之间的空间看成是上下为电壁、四周为磁乞所引起的相应的值。壁的漏波空间，于是可根据边界条件用模展开法或微带天线的方向图带宽较宽，其工作频带主要模匹配法解出该区域的内场。天线辐射场由空腔四受阻抗带宽的限制，若微带天线在谐振频率上与馈周的等效磁流的辐射来得出，天线的输入阻抗可根线匹配，则其电压驻波比不大于的相对带宽为：据空腔内场和馈源激励条件求得。微带贴片天线由矩形金属贴片、介质板、金属底板和馈线四
6、部分构嚣：掣（） 成，如图所示。常规设计的微带天线相对带宽约为中心频率 微带天线是由矩形金属贴片粘贴在背面有导的，随着微带天线材料、设计和加工工艺体接地板的介质板上形成的。天线利用金属贴片和的不断发展，新一代设计的典型值为金属底板之阃的缝隙接收电磁波，并转化为高频电。为了满足局部放电检测的要求，流，用同轴探针作为馈线进行馈电，并通过同轴射获取更多的局部放电信息，在设计时应该采取展宽频电缆把信号传输到检澳系统。表征微带天线性能频带技术。展宽频带的方法可以从降低总的值的参数主要有：，的各个方面去探求，也可以用附加的匹配措施来实谐振频率 。模的谙振频率为：现。本设计采用如下技术方法进行频带的展宽：
7、）采用较小的基板：介质基板选用了介电 厶素厨丽常数较低的聚苯乙烯材料，目的是降低介电常数 ，天线的储能因的减小而变小，使辐射对应 其中，为真空中的光速；为天线的等效相对介的降低，从而使频带变宽；电常数：，为微带天线的矩形贴片的等效宽度）采用厚基板：选定材料后，为了进一步减和长度，比实际的物理尺寸，稍大。小介电常数，在基片与金属底板问用空气做介质材 料，使厚度的增加而辐射电导也随之增大，辐射 矩形微带天线通常工作于抑订模（或刀对应的和总的值降低，使得频带加宽：模），其谐振频率为：）采用同轴线馈电阻抗匹配：用同轴线馈电，赤汜时。其外导体与接地板相连，内导体穿过接地板上 的小孔及基片介质，连接到贴片
8、上。优点是：馈点 带宽可选在贴片内任意所需要的位置，便于匹配；同轴 天线带宽的表示方法有两种：一种是绝对带电缆置于接地板下方，不会干扰天线面的辐射。缺宽，它是指天线实际工作的频带范围，即高端频率点是：不便于集成，制作麻烦。这样馈电时。天线，与低端频率二之差；另一种是相对带宽，输入阻抗除了由内腔主模引起的阻抗。外，还包它是绝对带宽与中心频率，之比的百分数，即嗍括由高阶模引起的探针电抗，即 ：如二盘（）皿?直径为的探针电抗计算公式 矗为： 局部放电的脉冲能量几乎与频带宽度成正比 口】，而微带天线是窄频带天线，微带贴片天线的窄：半培华。（）频带特性是有其高的谐振本性所决定的，即存，如三碱贮于天线结构
9、中的能量比辐射合其他的能量损耗当基片厚时，探针感抗很大。为此需要加一电容间大的多，这意味着当在谐振时实现了匹配而当频率隙来调谐。在贴片上加一绕馈点的环形间隙。徽带偏离谐振时电抗分量急剧变动使之失配。天线的总贴片天线的等效电路可以用一个并联谐振电的品质因数为：路来描述在背馈情况下，馈电探针可视为一个电 三：上上上上抗此时可附加一个串联电容，与天线探针电感形 。成一串联谐振电路，并使它与微带贴片天线所等效 ，。线坩的并聩谐振电路在同一频率上谐振，串并联谐振回式中、，分别代表由辐射功率、路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏导体损耗功率只、介质损耗功率只和表面波功率离谐振时电抗的迅速变化。从而
10、展宽了频带。 重庆市电机工枉学会年学术会议论文 ，输入阻抗 （），图（）为微带天线传感器的俯视图与主视图，图（）为传感器的外观图，加了天线罩。屏蔽时留出靠近盆式绝缘子缝隙的这一面，由于微带天线的方向性，盆式绝缘子泄漏的电磁波得到最大增益，丽从侧面耦合韵干扰信号增益较小，而且其尺寸大小与的盆式绝缘子相匹配。在局放监测现场，超高频传感器用环氧树脂制成的支撑架固定在的盆式绝缘子法兰上。这样就尽可能在远场区范围内使微带天线传感器能够测量泄漏出的局部放电电磁波，同时保证良好的方向性。 天线的输入阻抗的大小表征了天线与发射机或接收机的匹配状况，即表示了导行波与辐射波之间能量转换的好坏，故是天线的一个重要的
11、参数。 在薄微带天线（“如）的前提下，可将微 带贴片与接地板之间的空间看成是上下为电壁、四周为磁壁的漏波空腔，于是便可根据边界条件用模展开法或模匹配法解出该区域的内场。天线辐射场由空腔四周的等效磁流的辐射来得出，天线输入阻 抗可根据空腔内场和馈源激励条件来求得。 采用如图的坐标系，考虑到微带天线通常都 工作在低阶模（如）谐振频率附近，而远离 其他谐振点，微带天线的基本特征就如同一个 简单并联谐振电路，对于工作于办模时?输入 电阻可简写为： ：见孕） （） 其中兄警。 天线的增益 微带贴片天线的增益公式如： 一三堡五 （） 其中 三舞，式中，是谐振频率，一般可 取中心频率矗。 天线的方向性系数为
12、： 去 天线的效率为： 研西 ， （。）图微带天线传感器的结构示意图 天线的增益等于方向性系数与效率的乘积： （） 驻波比 工程上常用电压驻波系数表征天线与 微带贴片天线参数计算与性能分析 本文在外观结构设计和材料选用上，考虑到微带天线能有效接收盆式绝缘子处泄漏的电磁波，而对周围空间电磁干扰抑制作用，因此在天线背面和部分侧面采用金属材料对天线进行了屏蔽。其微带天线的具体结构示意图如图所示，图 馈线匹配情况，是天线的一个重要的参数，理论公 式为【】： 一 ：靼一州 其中是反映反射损耗的反射系数，它是一个复 数。它与传输特性阻抗的关系是： 种用于在线检测局部放电超高频信号的微带天线传感器研究 ：坐
13、 （） 其中，是天线的输入总阻抗而，是传输线特性阻抗。 图中曲线是采用仿真的电压驻波比，曲线是利用标准网络分析仪实测的微带天线的电压驻波比。由图可知，微带矩形贴片天线的中心频率为，驻波比小于的绝对带宽为，且仿真曲线比实测曲线的电压驻波比小。效果好，实测的驻波比有一定的偏差，但基本在误差范围内。在天线工程中，相对带宽为窄带天线，而现在本文设计的微带传感器的相对带宽为，达到宽频天线范围。 ， ；、一 ； ， ， ， 一 少 、 “ ，（） 图微带天线仿真与实测电压驻波比 方向图 使用仿真计算可以得到在的频率下的微带天线在西时平面和痧。时平面的方向图，如图所示。参照图的坐标系，其中见一是球坐标中的角
14、度变量，点是辐射点，为辐射点到原点的距离。 口 嘶椰） 慈嵝赢缈 一 有最佳方向性；当矿时?口。时方向性从图中可弛蛩传感：呲具放信霉淼髫黧燃燃鬻 最差，当妒。时，口。时方向性最差?从 图中还可知对方向性要求较高，当没有在最佳检测方向时，接收性能下降较快，所以在接收信号时要正确调箍天线的方向，来获得最大的增益。 增益 为验证所计算的增益的值，采用两相同天线法 来实测天线的增益，涉及的参数主要有：波长矗、问距，发射功率只、发射端插损厶、接收功率 和接收端插损实测数据如表。 表天线增益实测数据 两相同天线法实测天线增益的计算公式为： 岛意） （只一厶一厶一岛）（） 二 把表中实测数据代入式（）和（可
15、得实测增益为，由式（）计算可得天线增益的理论值为，两者基本接近，而仿真的天线增益见图为。由理论值、实测值及仿真可以看出，微带传感器的增益较高，有利于检测微弱信号和后续阶段的信号处理。 一咎 【邮喃，出 一、 、 ， 巾口） 圈微带天线处的增益圉 微带天线的实测研究 进行测试，实验回路如图所示，圈中为内置圆环传感器、为内置板传感器、为外置环天线、 重庆市电机工程学会年学术会议论文 为微带天线，均用长的电缆与示波器相连，在模拟装置中充以的和的混合气体（体积比：），并用高速数字示波器（示波器，带宽，最大采样率，最大存储深度）记录局部放电波形。 的距离，可能导致电磁波的衰减而使幅值变小，而且信号存在时
16、间差。 ：警 （）主变相位置 图局部放电检测系统 （）主变相位置图现场微带天线安装示意图 （）微带的波形及频谱 （在某的变电站，将本文所研制的微带天线应用于现场的局部放电信号检测研究。图为将个微带天线安装在现场的示意图。 （）几种传感器采集的波形 图模拟装置采集的局部放电信号 由实验观察可知，金属突出物缺陷的起始放电电压为，随着电压的升高放电重复率和幅值增大，信号的波形和频谱的形状变化不大。实测结果如图所示，图（）为微带天线在时测得的局放波形及其频谱图，从图中可以看出所采集的局部放电的能量主要集中在稳定的带宽范围内。在图（）中通道为内置圆环测得的波形，通道为微带天线测得的波形，通道为内置板测得
17、的波形，通道为外置环测得的波形，且内置传感器的灵敏度比外置传感器高得多（相差倍左右）。由于外置天线与模拟装置有 ）静主变相位置微带天线的波形及频谱 （）不同传盛器位置采集的波形圈现场采集的局部放电信号 种用于在线检测局部放电超高频信号的微带天线传感器研究 图为现场采集的局部放电信号，（）：图（）为在主变相上所检测的波形及【林昌禄，聂在平天线工程手册】电子工业出版社，频谱图，从中可以看出所检测的信号的频率成分在之间，可能系统内存在，轻微的电晕放电。从图（）可以看出，在主变的，两相间测得的波形有一定的时间差￥（），且相的幅值比相大左右。可以大体判断缺陷离主变相更近些。田 ，（）： 结论【】，叫，
18、本文采用选择天线基板材料、厚度和形状、同，（）：?轴线馈电阻抗匹配等方法进行了频带展宽，频带展【川，宽后的微带天线的工作频带，中，：心频率为，相对带宽达到宽频带【天线范围；在实验室与内置圆环传感器对比测试表明，微带传感器具有较高的灵敏度，实测增益达到，：了，有利于微弱局放信号的检测；在结构【，上，对天线背面和部分侧面采用金属材料屏：?蔽封装设计，提高了天线的抗干扰能力。通【】。瓯过实验室的模拟装置和现场变电站的实【】测可知，该微带传感器具有优良的使用特性，在工。，（）：作频带内能有效地检测超高频局部放电信号。【】丘，。 ， ： 参考文献【】 【】唐炬，宋胜利，孙才新等局部放电离散谱干扰的熵阈
19、值抑制法【】电力系统自动化，（）：，。（）： 【】孙才新，许高峰。唐炬等检测局部放电的内置【， 传感器的模型及性能研究【】中国电机工程学报，”，（）；。，：，脚唐炬，朱伟，孙才新等检测局部放电的超高额， 屏蔽谐振式环天线传感器研究叨仪器仪表学报，】，（）： 【】唐炬，魏刚，孙才新等局部放电检测用超宽频带髓。，（） 振子天线传感器研究【】，高电压技术， 作者： 作者单位：许中荣， 唐世宇， 白云庆， 唐炬， 张晓星许中荣,唐炬,张晓星(重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室,重庆,400030)， 唐 世宇,白云庆(重庆电力公司,400000) 本文读者也读过(10条) 1. 印华.胡攀峰.
20、张小勇.邱毓昌.王建生 用超高频诊断GIS中固定金属微粒导致的局部放电期刊论文-高压电器2004,40(6) 2. 许中荣.唐炬.张晓星 一种用于在线检测GIS局部放电超高频信号的微带天线传感器研究会议论文-2006 3. 唐炬.朱伟.孙才新.魏钢.侍海军.TANG Ju.Zhu Wei.Sun Caixin.Wei Gang.Shi Haijun 检测GIS局部放电的超高频屏蔽谐振式环天线传感器研究期刊论文-仪器仪表学报2005,26(7) 4. 彭文雄.唐炬.朱伟.孙才新.魏钢 检测GIS局部放电的超高频屏蔽谐振式环天线传感器研究会议论文-2004 5. 陈攀.唐建军.贺胜.蒲彦红.何建林 局部放电超高频非接触式检测用天线传感器的研究会议论文-2010 6. 光纤传感器的现状和应用期刊论文-厦门科技2005(4) 7. 董化新.孙大为.DONG Huaxin.SUN Dawei GIS设备局部放电检测装置的研制期刊论文-黑龙江电力2008,30(6) 8. 葛永超.邹浩 超高频法检测运行中GIS设备局放的案例分析会议论文-2010 9. 赵颖.闫春江.雷劲跃 GIS局部放电联合检测技术的应用会议论文-2009 10. 苗万国.MIAO Wanguo 超宽频、超高频天线在GIS局部放电检测中的应用期刊论文-黑龙江电力2010,32(z1) 本文链接：http:/