高压GIS局部放电监测系统---毕业论文.doc

摘要SF6气体绝缘开关装置（以下简称GIS）是高压输电系统安全稳定运行的关键设备，有资料显示，目前国内高压GIS市场份额已达500亿元以上。局部放电可导致GIS绝缘劣化进而引起电力系统大面积停电，其检测技术以及如何降低检测装置成本一直以来是国内外研究的重点和难点。本研究团队攻克了GIS局部放电检测的关键技术，解决了基于超高频法检测GIS局部放电的技术瓶颈，成功研发出了性价比极高的GIS局部放电监测系统。 通过安装于GIS罐体上局部放电检测传感器对局部放电信号进行感知，当局部放电发生时，立刻发出报警短信并对局部放电信号进行实时采集，然后利用先进的滤波与抗干扰技术对信号进行处理，最后通过以太网传输到主机上实现局部放电信号的源识别。本作品是基于UHF法研制的，可同时实现对GIS局部放电的在线监测、带电检测和无线报警功能，系统分为两套装置：局部放电报警装置和局部放电监测装置。局部放电报警装置安装在GIS罐体上，当有局部放电产生时立刻发出报警短信，此时再在有局部放电的发生点换上局部放电在线监测装置即可得到局部放电的波形。局部放电报警装置成本相对较低，而检测装置成本相对较高，本作品的设计使得一个GIS站只需配置多套局部放电报警装置和一套局部放电检测装置，在实现对GIS局部放电的实时监测的同时，大大降低了成本。首先，简要介绍GIS局部放电的发展现状以及局部放电的检测技术的方法，并阐述了现有检测设备的主要缺陷不能实现在线监测，价格高昂，指出本设计的研究意义与优势。然后，分析了传感器的构成，将天线和有源降频电路集成在传感器内可以具有优秀的信噪比并且极大的降低了整套采集系统的成本，在文章中分别阐述了天线和有源降频电路的设计与实现。接着，详细的阐述了局部放电报警装置的设计与实现，分为软硬件两小节，并在第6章的整机测试中验证了该装置的可靠性与有效性。再接着，详细的阐述了局部放电监测装置的设计与实现，通过模数转换模块，由调理电路输出的模拟信号进行了选通、信号调理与AD转换以8位数字信号形式输出；在FPGA中，通过FIFO进行一级缓存，SDRAM进行二级缓存对数据进行缓存，完成了整个数据下位机采集过程。最后，进行了本系统的通讯模块硬件电路的设计，使用W5100芯片实现10/100M以太网底层硬件开发，在FPGA中建立了SOPC，在NIOS II 系统中运行以太网发送程序。又介绍了智能变电站IEC61850协议，并进行了关于局部放电信息的建模，以便该高压GIS局部放电监测系统在智能变电站中的使用。测试结果表明，本作品高压GIS局部放电监测系统工作稳定，灵敏度高，抗干扰能力强，能很好的监测GIS内局部放电，满足局部放电在线监测的要求。关键词：高压GIS；局部放电；特高频法；在线监测目 录摘要I目 录III第1章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 国内外发展现状41.3 GIS局部放电检测方法61.4 本作品研究的主要内容8第2章 宽动态范围的有源集成传感器设计与实现92.1 宽动态范围传感器的天线设计92.1.1 GIS局部放电检测用天线的要求92.1.2 蝶形天线102.1.3 天线的仿真132.1.4 天线的测试152.2 宽动态范围的降频模拟电路162.2.1 宽动态范围的降频模拟电路的仿真162.2.2 宽动态范围的降频模拟电路的设计172.2.3 宽动态范围的降频模拟电路的测试20第3章 局部放电报警装置设计与实现223.1 局部放电报警装置硬件结构设计223.1.1 超高频（UHF）传感器223.1.2 集成检波器233.1.3 比较器233.1.4 GSM模块243.1.5 单片机系统253.1.6 供电模块263.2 软件结构设计273.2.1 软件设计平台273.2.2 软件系统结构283.2.3 数据分析及处理29第4章 局部放电监测装置设计与实现314.1 模数转换模块314.1.1 频分复用技术314.1.2 时分复用技术324.1.3 调理电路334.1.4 模数转换344.1.5 过零检测364.1.6 模数转换模块测试364.2 缓存模块374.2.1 FPGA开发过程384.2.2 FPGA系统硬件组成394.2.3 局部放电数据采集的FPGA实现404.2.4 数据缓存模块测试44第5章 基于以太网的数据传输与IEC61850建模465.1 以太网通讯物理层：465.1.1 W5100网络协议芯片465.1.2 硬件电路设计475.2 可编程系统设计475.3 以太网传输测试505.4 IEC61850建模515.4.1 IEC61850介绍515.4.2 局部放电模型构建525.4.3 告警和监测数据通信的报告机制55第6章 整机测试576.1 试验平台576.2 绝缘缺陷模型586.3 试验步骤586.6 测试结果596.6.1 局部放电报警装置结果596.6.2 局部放电监测装置结果59第7章 作品的主要功能、技术指标以及创新点617.1 主要功能617.2 主要技术指标617.3 主要创新点61第8章 应用前景预测63参考文献64附录I 作品实物图67附录II 主要研究成果7375第1章 绪论1.1 研究背景与意义气体绝缘开关(Gas Isolated Switcher GIS)产生于上世纪60年代末期，是一种先进的高压断路器。断路器，VT，CT，隔离开关，接地开关，母线，套管，避雷器的部分或者全部电气元件封闭在金属外壳中，内部充满了高绝缘性和灭弧性质的气体（SF6居多）。这种封闭式的结构。可以防止变电站人员接触内部高压设备，外壳有良好的接地，漏电流将会被转移到大地，极大减少触电事故的发生概率，保障了变电站工作人员的人身安全。另外，GIS结构密闭，工艺精良，具有很小的占地面积和较高的可靠性，在上世纪70年代开始在我国开始推广使用。图1.1 青海拉西瓦水电站750 kV开关站GIS室在过去的四十多年的不断摸索和实践过程中，我国在高压GIS的研制的检测水平有了进一步的提高。现在电力系统中运行的高压GIS有如下优点：（1） GIS占地面积和空间体积小：SF6气体的优良的绝缘性能使GIS内的绝缘距离显著减小。通常电气设备的占地面积随绝缘距离缩小而成平方比例的缩减，空间体积则随绝缘距离缩小成立方比例缩减，电压等级越高，这种优势越显著。据国外统计，高压GIS与常规敞开式电器在占地面积与空间体积方面的比较如表1.1所示。表1.1敞开式断路器和GIS战地面积比较电压（KV）占地面积()空间体积(m)常规敞开电器GIS缩小率常规敞开电器GIS缩小率66123210100154435370.07780753310.0412751200660.038288004140.0145003706900.0241476969000.006（2） 安装方便。高压GIS的全部高压电器组装在充有SF6气体的接地外壳内，这样就削弱了外界自然因素对内部高压电器的影响。在污染较为严重，海拔较高，自然条件较为恶劣的地区，高压GIS的优势更加明显。高压GIS的组装是将其分成几个部分运往现场再进行组装和密封等工作，所以其现场安装的工作量相对较小，这样就可以相应减少了工程建设的时间。此外，高压GIS外壳可以直接安置在地面上，就可以节约部分建设材料，经济效益较好。（3） 运行可靠性高，维修率低。根据国际大电网会议资料，高压GIS的故障率为0.01-0.02/站*年，约占所有高压电气设备的10%，高压GIS的检修周期约为1020年。此外，SF6气体具有优良的绝缘性能，SF6断路器的开端性能较好，因此可靠性较高，检查和维修周期较长。例如：法国MG公司生产的SF6断路器，允许累计开断电流达2000kA。日本富士公司的HF60系列的SF6断路器额定开断电流为50kA，可以经受70次开断考验，累计开断电流达到1700kA。高压GIS的问世是高压开关设备领域的一次革命，更是高压输变电设备领域里一次重大的技术变革。尽管高压GIS基本属于检修周期较长的高压开关设备，但是从近40年的投入使用的GIS运行状况看，其内部的绝缘缺陷会引起内导体和外壳之间的绝缘部分击穿，即发生局部放电。局部放电现象是高压GIS绝缘劣化的早期表现，如果不能及时被检测并进行有效控制和处理会导致严重的破坏性放电及重大事故。高压GIS绝缘故障统计结果如表1.2所示。表1.2 GIS绝缘故障统计结果电压等级kV间隔数绝缘故障次数绝缘故障率次/(百间隔年)1259334240.261456133410.674203351611.85501109433.9其他177341650.91998年CIGRE（国际大电网委员会）统计了从1967年到1992年间的高压GIS绝缘故障率，统计结果显示：在1985年之前投入运行的高压GIS共有 562次故障，其中60为绝缘故障，1985年之后投入运行的高压GIS共有 247次故障，其中51为绝缘故障。由于在GIS内，各元件安装紧密，与敞开式开关相比，绝缘设计裕度相对更低，因此，绝缘击穿事故一旦发生，周边的电气设备也将会被波及，导致严重后果。在GIS各种故障中，绝缘故障是最普遍的，也是最受关注的。常见的故障类型如下：(1)自由金属微粒。自由金属微粒缺陷来源于制造和组装时产生且未及时清理的金属微粒和机械装置如断路器操动机构动作时摩擦产生的金属粉末，是高压GIS运行中最常见的缺陷之一，导致的故障占总故障的20%左右。(2)导体或接触电极的突起或毛刺。高压电极金属突出物缺陷来源于加工和组装过程的擦刮，机械操动机构的摩擦等，导致的故障占总故障的5%。(3)绝缘子表面固定金属微粒缺陷。表面固定金属微粒缺陷的产生往往是由其他缺陷引起的，如自由金属微粒移动到绝缘子附近或表面，SF6气体在局部放电过程中的分解产物，现场实验中闪络产生的树痕等，绝缘子表面固定金属微粒缺陷导致的绝缘故障占总故障的10%左右。(4)气隙缺陷。气隙缺陷来源于屏蔽罩接触不良；自由金属微粒附着在触头上导致触头电阻增大，发热烧损以及制造和组装过程中支撑绝缘板和高压导体之间产生气隙。高压GIS中气隙缺陷导致的绝缘故障占总故障的29%，位于所有绝缘缺陷之首。(5)SF6中的水分。水分来源于充入的SF6气体不可避免的会含有少量水分，SF6气室密封不严引入的水分等，对高压GIS的绝缘性能影响不大，但是当其以液态形式存在并附着在内部导体及绝缘组件上时，水分形成连续的导电层，泄漏电流增大容易引起局部放电。图1.2 GIS中常见的绝缘缺陷GIS发生绝缘击穿需要一个很长的时间过程，在其潜伏期一般都会伴有局部放电现象发生。局部放电是绝缘劣化的征兆，因此可以通过对局部放电的监测有效的了解GIS的绝缘情况、根据IEC、IEB、GB等国标，局部放电检测是电力设备绝缘评估的一个重要方法，同时IEEE推荐在线局部放电检测是唯一有效的绝缘评估实验。所以，一般认为大约有60%的绝缘故障可以通过局部放电监测立即或者经过一段时间的发展期后可以检测到。随着智能电网技术研究和实践的推进，世界各国对智能电网的理解也在不断探索、完善的过程中。智能电网在电力设备检修上：首先优化检修计划，减少计划停电，在故障发生后，基于充分的信息支持，提高故障处理水平，实现对故障的快速定位、隔离和恢复供电。然后由计划检修向状态检修过渡，提高资产运维和管理水平。可见对GIS的状态监测对智能电网发展也具有重大意义。1.2 国内外发展现状在20世纪80年代之前，由于UHF法理论研究还不成熟，相关芯片、元件还处在实验室研究阶段，实际中应用的局部放电检测仪工作频率较低，通常其检测频带低于1MHz。1982年，加拿大的S.A.Boggs和G.C.Stone在安大略水文研究实验室利用超宽带检测系统(ultra wideband(UWB)，成功的捕获到SF6母线套管中局部放电所激发的放电脉冲，他们分析表明：超宽带检测系统比以往检测装置敏感度提高了两个数量级，并且可以用来定位。此实验对超高频检测法具有里程碑的意义，证明了超高频检测的实验可行性，同时深化了超高频法的机理研究。图1.3 S.A.Boggs和G.C.Stone检测到的局部放电脉冲信号1988年，英国中央电力局（Central Electricity Generating Board, CEGB )的B.F.Hampton和R.J. Meats提出用于检测气体绝缘组合电器(gas insulated switch-gear, GIS)中的局部放电。开发了420kV GIS局部放电UHF监测系统，使用内部耦合器，有较高的灵敏度，也有利于抗外部于扰，能够很好地监测到放电信号，随后UHF法也被用于变压器等其他电力设备的局部放电监测中。图1.4 内部耦合器和检测到的局部放电脉冲信号20世纪90年代，英国中央电力局的Judd和B.F.Hampton对产生局部放电的激励进行了研究，使用FDTD方法以及格林公式模拟计算GIS中局部放电信号的特性。通过仿真模拟与实验相结合的办法，很好的验证了模型的正确性，并且给出的实验结果的精度提供保证。并提出了UHF局部放电测量技术的标准化方案。随后，英国所有新建GIS都装有内置式的UHF局部放电传感器。有两个在线监测示范项目安装在核电站的400KV GIS上，英国的DMS（Diagnostic Monitoring Systems Ltd）公司的局部放电监测系统在全球范围推广。德国Stuttgart大学的Kurrer.R和Feser.K通过试验研究了GIS中特高频信号的传播情况，结果为信号经过绝缘子时衰减为2.3-5dB，经过T型头衰减约为10dB，在GIS直腔体内，传感器可以监测10m处的视在放电量为10pC的放电量物体。日本东芝电气公司应用特高频法对2个300kV的进行局部放电测量，研究表明，电磁干扰可以从GIS的套管进入，影响传感器的检测效果，但是干扰频率多在500MHz下，且衰减很快。同时，他们发现，GIS同轴波导内部有许多不连续处，局部放电信号经过时，会衰减到原来信号的1/10至1/3，并且不同相之间接收到的信号幅值差别很大。瑞士魏德曼公司早期在前人理论研究和实验的基础上研制出超高频局部放电监测系统。该系统具有在线检测，事故报警和历史查询等多种功能，初步实现了对故障的检测和定位，但检测的灵敏度不高，需要进一步的研究和完善。瑞士 ABB高电压技术公司对超高频法的灵敏度和适用性与超声波法和脉冲电流法进行了对比试验研究，实验结果表明：超高频法抗干扰性强，灵敏度高，使用多个超高频传感器可以实现准确定位，可以较全面的研究GIS内电气设备的局部放电特征。国内西安交通大学的邱毓昌、王建生、赵有斌等人对放电脉冲在GIS同轴波导内的传播特性进行了理论分析和测量，得出结论：PD脉冲在同轴系统中不但能产生TEM波,而且还能激发TM、TE高次模波；TE和TM可在GIS母线中产生谐振,其持续时间比PD脉冲长得多；利用电磁波的传播时间可对PD源准确定位。清华大学的丁登伟，高文胜，刘卫东等人设计了 5种GIS的缺陷模型，并对模型进行了试验和特征分析，发现特征量随缺陷类型的变化而变化明显，可以用于缺陷的模式识别。他们通过仿真还得出，随着GIS结构尺寸的变化，局部放电信号的持续时间将变长，幅值衰减缓慢，而且峰值将升高。重庆大学的孙才新、唐炬等人研究了 GIS局部放电信号的内置传感器的特性，并研制了圆环形和圆板型的两种内置传感器，采用电容親合模型和天线模型研究了这两种传感器的性能。通过实测放电信号表明，圆环形的内置传感器灵敏度明显高于圆板型的内置传感器。1.3 GIS局部放电检测方法GIS 的局部放电在线监测方法基本上可以分为电测法和非电测法两大类型，其具体主要可分为以下五种方法：(1)声学检测法GIS中局部放电会产生具有比较宽的带宽（20250kHz）的超声波信号,可在GIS外部用超声波接收传感器检测到。声学方法的优点有非侵入式，可以在10cm内对局部放电源进行的定位并且不受GIS外部噪声源影响，但是信号通过绝缘子和气体会有严重的衰减，所以只有有限的几种放电能被声学检测法检测得到，而且在线监测时需要太多的传感器，从而限制了声学检测法的应用。声学检测法一般用在现场测试，操作人员拿着传感器在GIS表面移动来检测局部放电信号，这样下来，一个GIS站的检测往往需要很多天的时间，该技术的推广受到了限制。目前，利用声学方法取得了不错效果的有上海交通大学。(2)化学检测法通过检测SF6被击穿分解后的生成物SOF2和SO2F2来间接检测局部放电的方法叫做化学检测法。这两种气体可以利用质谱分析和气相色谱仪可以检测出来,灵敏度可达1ppm。不受电气干扰的影响化学检测方法的优点，但从发生局部放电到由分析气体检测出来所需要的时间太长，有时候几天也得不到结果，这是的化学方法在局部放电检测中的使用收到非常严重限制。(3)光学检测法因为光电倍增器能够检测到甚至一个光子的发射，在诊断技术中,检测放电产生的光是最灵敏的方法。虽然SF6和玻璃对光的吸收能力很强，但检测时采用石英透镜，并且路径选择得当，就能检测出来。光学法对于检测已知点的放电非常有效，但是对于GIS中诸多未知的放电源，光学法的灵敏度就会大受影响。此外，光学检测法是把传感器放到GIS里面，因此只能离线测试而不适合用于在线监测。(4)超高频法20世纪80年代初期英国中央电力局（CEGB）实验室提出了超高频（UHF）法。UHF法利用安置在GIS中的传感器检测局部放电的电磁波UHF(300MHz3GHz)部分。UHF法的具有抗干扰性很强（通常的噪声干扰频率都在500MHz以下）和定位局部放电源能力（理论上可以小于10）等优点。但在线检测需要很多的传感器，因为信号衰减程度跟局部放电源的距离成正比（约2dB/m）,导致传感器间的距离较小(510m)。(5)常规电测法1981年，IEC正式提出并被广泛采用的局部放点检测被称作常规电测法，又称脉冲电流法（IEC60270）。用一个有电荷损耗的集中电容能够等效GIS，要想测得发生局部放电时的电量（检测局部放电的频率范围为40kHz1MHz），可以通过在外部并列安装一个耦合电容传感器。为了获得最佳的灵敏度，常规电测法可以通过调节GIS等值电容和传感器的比值，同时标度测量系统。此外这套装置需要完全屏蔽，从而防止受到外部的电磁干扰，获得最高的测量灵敏度，但完全屏蔽对于测试整个GIS通常是行不通的。前三种是非电测法，后两种是电测法，对GIS中局部放电放的各种检测方法总结如下：(a)这几种方法的灵敏性都能够达到良好。(b)常规电测法不能定位局部放电源，声学和UHF法可以做到。(c)常规电测法不能用于运行中的GIS，因为它需要一个外部耦合电容，其他方法则可以。目前在线检测一般采用化学和光学检测法，因为它们的灵敏度不高，现场检测适用采用声学检测法，而连续在线监测最好采用UHF法。GIS局部放电监测主要方法的性能如表1.3所示。表1.3 GIS局部放电监测主要方法的性能一览表监测方法常规电测法超高频法超声波法化学法光学法优点简单；灵敏度较高灵敏度高；可用于运行中设备灵敏度高；抗电磁干扰能力强不受电磁干扰不受电磁干扰缺点运行设备不能使用；信噪比低造价高结构复杂；要求静音丰富的人操作灵敏度差，不能长期监测灵敏度差；需多个传感器可达精度5pC0.50.8pC2pC很差差适用监测的放电源固定微粒；悬浮物；气隙和裂纹各种缺陷类型都适用自由移动的微粒；悬浮物放电情况严重时的缺陷固定微粒；针状突出物能否故障定位不能精确度较高；0.1m适用，但条件苛刻，需多个传感器仅能判断哪个气室发生放电不能能否判别故障类型能能能不能不能是否已应用早期应用较多应用较多应用较多极少应用极少应用1.4 本作品研究的主要内容国内外一直致力于GIS局部放电检测的研究，已经研制出应用于现场的GIS局部放电检测的装置，这些装置既能够检测到GIS设备是否发生了局部放电，而且能判断出局部放电的类型和位置，但价格上非常昂贵，如果在GIS设备每个套管上安装上这么一个该装置，成本更是大大提高，不宜推广。本作品高压GIS局部放电检测系统是基于UHF法研制的，其功能和性能都达到国内一流水平。系统分为两套装置：局部放电报警装置和局部放电监测装置。局部放电报警装置安装在GIS罐体上，可以对局部放电进行实时监测，当有局部放电产生时立刻发出报警短信，此时再在有局部放电的发生点换上局部放电在线监测装置即可得到局部放电的波形并实现对局部放电的放电量和放电类别进行初步的判定。局部放电报警装置成本相对较低，而检测装置成本相对较高，本作品的设计使得一个GIS站只需配置多套局部放电报警装置和一套局部放电检测装置，在实现对GIS局部放电的实时监测的同时，大大降低了成本。本作品的主要研究内容有：(1)宽动态范围的有源集成传感器设计与实现；(2)局部放电报警装置设计与实现；(3)局部放电监测装置设计与实现；(4)基于以太网的数据传输与IEC61850建模。第2章 宽动态范围的有源集成传感器设计与实现传感器包括两个部分，天线和有源电路。有源集成传感器是将射频前端的辐射单元（天线）和有源电路集成在同一介质板上，使辐射单元和有源电路成为一个整体安装在屏蔽罩内,从而避免平衡电线的平衡不平衡转换带来的匹配损耗以及高频传输线引入的噪声。图2.1传统传感器与有源传感器信号传递过程传统UHF传感器将天线和后置电路通过同轴电缆直接相连，会有以下不利：(1)传输线衰减。由于UHF天线接收到的是数百兆甚至千兆的高频信号，该信号在同轴电缆中将会有较大的衰减，特别是大型GIS中，当天线与后置电路距离较远时，严重的衰减会极大降低系统的信噪比。(2)匹配损耗。蝶形天线是平衡天线而同轴电缆是不平衡传输线，对于宽频带天线而言，不匹配影响的结果是信号衰减严重，带宽降低。(3)噪声。由于传输线在GIS外侧，从天线至后级采样系统会引入噪声。天线接收到的信号幅值往往在微伏至毫伏数量级，此时噪声对信号影响严重，信噪比低。因此，本文设计一种有源集成传感器，将天线与有源电路集成在同一介质板上，使天线接收到的信号能够立即进行处理，将处理后的较低频（10MHz）较高幅值（5V峰峰值）的信号通过同轴电缆传输，这样既避免了平衡信号在不平衡线路中的传输，又降低了传输线的损耗，还有效提高了系统的信噪比。2.1 宽动态范围传感器的天线设计 2.1.1 GIS局部放电检测用天线的要求GIS内部缺陷引起的局部放电信号可从200MHz到3GHz，不同缺陷具有不同的局部放电频谱。因此，未能能采集到各种类型的放电信号，要求具有优异的宽频带特性、超高速的响应能力、高信噪比。一般应具有如下要求：(1)UHF检测法具有广泛的频率范围（300MHz到3GHz），因为现场各种干扰的频率通常小于300MHz，所以UHF法可以避开这些干扰从而获得较高的信噪比。尽管手机等通讯工具的信号被GIS管壁隔离，但为了进一步提高信噪比，天线的频率范围选择还应避开这些频段。(2)不同缺陷具有不同的局部放电频谱，为了采集到更多种类型的局部放电信号，要求天线拥有尽可能宽的频带。(3)增益高：增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，根据天线的实际情况考虑，要求在水平极化的增益大于 4dB；(4)信号检测灵敏度高。(5)考虑到现场实际情况，GIS的盘式绝缘子宽度在20cm以内，因此，天线宽度不得大于20cm。(6)阻抗匹配。为了使传输线获得最大功率，天线与后级系统应阻抗匹配。考虑到实验室和现场安装方便，设计的传感器应该具有结构简单尺寸小，便于使用和安装的特点。2.1.2 蝶形天线 图2.2蝶形天线局部放电激发的电磁波频带较宽，通常认为在300MHz-1.5GHz，为了消除工业环境中电晕放电等较低频干扰（300MHz以下），选择通带频率为400MHz以上的宽带天线作为设计目标。蝶形天线属于宽频带天线，具有结构简单，体积小，重量轻，制作容易等优点，可以通过印制电路板技术印制在一块PCB板上，所以选择蝶形天线作为局部放电检测用天线。蝶形天线是双锥天线在平面上的投影，具有恒定的阻抗，被大量应用在通信、雷达等工程中。为了设计满足GIS局部放电检测要求的蝶形天线，将介绍天线增益、阻抗特征、驻波系数、频带宽度这几项技术指标。(1)天线的方向性和增益天线的方向系数定量的描述天线的指向能力，如果天线能将更多的能量集中在一个更小的角度内，那么他在主瓣内辐射和接受信号的能力就越强。方向图描述天线发出或接收能量在特定角度上的集中程度。天线的方向性越强，它把能量集中在特定角度的能力越强，增益越高。增益与方向性之间的关系是能量守恒原理在天线系统中的应用。输出功率相同的情况下，天线在某一点产生的场强平方与点源天线在同一点产生的理想场强平方的比值：(2)天线的阻抗特征天线是一种空间自由波与导行波之间的转换器件，从传输线端看向天线这一段等效于一个电阻成为辐射阻抗，而用于局部放电信号接收的天线为从空间看向天线的等效电阻，被称为输入阻抗，是天线输入端信号电压与电流之比，通常为一复阻抗，是频率的函数48。天线的阻抗主要与自身结构和工作方式有关，其阻抗值在不同频率下也不同，因此，宽频带天线要求天线在频带内尽可能的恒定并与后端电路阻抗匹配，从而达到最佳的功率传输。天线阻抗一般很难通过计算得出，通常采用测量的方法来确定天线的输入阻抗。(3)天线的驻波系数天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会在天线产生反射波，反射波和入射波在天馈系统汇合产生驻波。为了表征和测量天馈系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，建立了“驻波比”这一概念。可以通过天线的驻波系数VSWR或者反射系数来计算天线的输入阻抗。，其中，为传输特性阻抗，是反射系数。电压驻波比系数VSWR通常用来表征天线与馈线的匹配情况，与反射系数的计算关系式：表2.1给出不同天线匹配条件下，驻波比、S11的对数幅度和功率损失的典型数值：表2.1驻波比、S11的对数幅度和功率损失的典型数值匹配程度驻波比S11的对数幅度功率损失（%）可用3.00:1-6.025.0好2.00:1-9.511.1好1.92:1-10.010.0优良1.50:1-14.04.0极好1.22:1-20.01.0（4）天线的频带宽度频带宽度指天线的主要指标如增益、输入阻抗等均满足设计的要求，简称天线的带宽，一般有两种表示方法，一种为“绝对带宽”，另一种为“相对带宽”。绝对带宽为天线上限频率与下线频率之差。相对带宽为天线的2倍绝对带宽与中心频率的比值。式中， 、为天线工作频带的上限频率和下线频率，为中心频率。蝶形天线的计算公式如下：其中：式中：为谐振频率，c为电磁波传播速度，为介电常数，L、W分别为蝶形贴片的长和宽，s为缝隙馈线的宽度，h为介质板的厚度，w0为波端口宽度。图2.3蝶形天线的结构2.1.3 天线的仿真借助3维电磁仿真软件HFSS 15对天线进行建模和仿真优化，以确定天线尺寸的最优参数。选择衬底材料是FR4介质板，介电常数为4.4，长140mm，宽70mm，厚h为1.6mm。对天线的长度L和宽度W进行参数扫描分析。图2.4(a)是不同长度对应的VSWR曲线，由曲线可以看出天线臂长对其最低频率影响较大。 (a) 天线长度对驻波比的影响 (b) 天线宽度对驻波比的影响图2.4 天线驻波比受长度可宽度的影响图2.4(b)是不同宽度对应的VSWR曲线，宽度越大则天线最低频率越低、曲线起伏越平缓，但是天线太宽将导致传感器体积过大，不利于安装使用。在实际应用中，应考虑安装要求等实际情况进行天线的设计。图2.5 蝶形天线电场分布图由图2.5可见，天线在四个角有较大的电场存在，为了更好地削弱由于天线末端与自由空间失配引起的反射波能量，从而避免脉冲信号的拖尾振荡。设计使用四个150欧姆电阻在天线四角与屏蔽罩连接，加载电阻对天线末端电流进行吸收，以改善低频段驻波比特性。为屏蔽外界干扰，实际检测时局部放电传感器需要放在安置在屏蔽罩内，通过使用Agilent E5061B 矢量网络分析仪对天线进行分析，从天线馈电点处馈电单独对天线测试，实验发现屏蔽罩对传感器的驻波比产生了很大的影响，如图2.6所示。设计采用加大天线与金属腔间距和增加吸波材料减少屏蔽罩对电磁波的反射，使入射的电磁波转换成热能而损耗掉。为了更好地削弱由于天线末端与自由空间失配引起的反射波能量，从而避免脉冲信号的拖尾振荡。设计使用四个150欧姆电阻在天线四角与屏蔽罩连接，加载电阻对天线末端电流进行吸收，以改善低频段驻波比特性。图2.6天线驻波比测试实验结果表明，通过加大天线与屏蔽腔的距离和增加吸波材料使驻波比有了较明显的改善；通过电阻加载，吸收末端电流，传感器低频特性得到了改善。为安装便捷，要求局部放电检测用的传感器长度L小于15厘米，宽度W小于8厘米。以蝶形天线长度L与宽度W为参数，以中心频率为900MHz，驻波比小于2为目标，对蝶形天线进行优化分析（Optimetrics），最后得到天线L为11cm，W为6cm，W0为0.21cm。通过仿真结果图2.7(a)可以看出，所设计天线中心频率为800MHz，驻波比小于2的频率范围为730MHz1.05GHz。 （a）天线驻波比及S11参数仿真结果 (b)天线三维增益方向图图2.7 天线仿真结果天线增益表示用该天线代替各向同性辐射器时，在给定方向上辐射功率增加的最大倍数。仿真得到的内置蝶形天线三维增益方向图如2.7(b)所示。从右图中可以观察到天线的最大增益为4.43dB，在整个频带内天线的增益较高，有利于局部放电信号的检测。2.1.4 天线的测试通过印制电路板制作出天线如图2.8所示：图2.8 天线使用Agilent E5061B 矢量网络分析仪对天线性能进行实际测试，得到结果如图2.9所示： (a) 驻波比测试结果图 (b) S11参数测试结果图图2.9 天线性能测试结果图可以看出，实测曲线和仿真结果曲线基本上吻合，第一个敏感频率点在700MHz左右，实际天线敏感频率比仿真结果低约100MHz，说明仿真和实际制作存在一些差距，但并不影响实际测量，能够满足GIS局部放电检测的需求。2.2 宽动态范围的降频模拟电路天线获得的局部放电产生的电磁波信号频率高达上GHz，根据奈奎斯特抽样定理：若频带宽度有限的，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率，直接对其采集有以下缺点：(1)后续电路研发成本高。若要直接采集频率高达上GHz的局部放电信号，需要3GHz甚至更高速的芯片，从放大器到ADC芯片成本都极高，成本将是100MHz成本的20倍以上。(2)数据量大。若使用3GHz的采样芯片，数据量将为每秒钟3Gbytes。这对数据的存储是极大的考验。(3)数据传输要求高。高速采集必然需要极高速的数据传输，以现在常用的RS485通讯为例，以9600波特率传输一秒钟的采样数据（3Gbytes）需要745小时，显然不符合在线监测的要求。反映局部放电能量的功率信号频率仅为2-10MHz，因此，通过功率测量可保留局部放电判断需要的相位和幅值信息的同时降低模拟信号频率。如图2.10所示，局部放电信号为震荡衰减信号较难采集，而取其包络后大大降低了信号频率。图2.10 包络降频示意图2.2.1 宽动态范围的降频模拟电路的仿真建立局部放电信号源，在每2us加入不同强度的信号，其表达式为式：其中t为50ns，fc为500MHz，输入信号如图2.11(a)所示。可见，在0秒处信号幅值较大，在1秒处的信号幅值极低，若采集范围要照顾到0秒时的模拟放电信号，则1秒处的信号将无法采集到，若要缩小采集范围采集1秒处的信号，则0秒处的信号将达到饱和。 (a) 输入信号 (b) 输入输出关系 (c) 输出信号图2.11天线输入、输出信号降频模拟电路对输入信号的对数变换满足如下关系式：其中为输出值，vout1为输出的最大值，vout2为输出的最小值，pin1为输入的功率最大值，pin2为输入的功率最小值，为输入电压有效值，为系统的特征阻抗50ohm。局部放电动态范围大，使用器件的最大动态范围，设定最大输入功率为0dBm，最小输入功率为-65dBm，输入摆幅为1.6V，为配合后续采样电路，设定输出范围为0.5V2.1V。输入输出关系如图2.11(b)所示，虚线为输入信号电压，实线为输入信号功率，即对数域的局部放电信号，可见通过对数域压缩，信号输入功率与输出呈线性关系，从而保证不同强度的局部放电信号都能有较好的灵敏度。经过对数域放大，输出信号为图2.11(c)所示。可见在对数域，0秒时的脉冲和1秒时的脉冲都较好的展现出来。2.2.2 宽动态范围的降频模拟电路的设计实际设计时，解调对数放大器使用多个相同的线性放大器级联来分段线性逼近对数函数。信号沿着信号链进行，当行至某些放大器时，信号变得过大以至于发生饱和，这些放大器的输出为其饱和电压。每级限幅放大器的输出经各级检波器检波后由加法器相加，再经低通滤波器滤波，最后以对数形式进行输出，如图2.12所示。图2.12 对数检波器为了达到本设计使用ADI公司的RF对数检波器，频率响应范围为0.1至2.5 GHz。它能将差分输入处的调制RF信号精确地转换为直流输出处的等效dB标度值,动态范围最高达70 dB(3 dB精度)或62 dB(1 dB精度)。内置包络检波器，可以精确地测量调制信号的波峰因数(CF)。对数检波器的工作频带为0.1GHz至2.5GHz，具有70dB(3.0dB精度)的动态范围，1.0dB(65dB范围，1.9GHz)的精度。具有40ns的快速响应能力，能够识别出局部放电的短放电脉冲。工作电压范围为2.7V至5.5V，功耗为13.7mW(5V)图2.13 有源电路电路图如图2.13所示，蝶形天线接收到的局部放电信号直接馈入功率检波器，数据信号频率为输入信号的功率信号频率，约为210MHz，对数放大器将大动态范围的输入压缩成小动态范围的输出，其转移特性为对数函数：式中，为输入信号，为输出信号，是对数斜率，是对数偏差。解调对数放大器使用多个相同的线性放大器级联来分段线性逼近对数函数，所选解调对数放大器其核心是9级梯级链，每级放大器有8.7dB的增益和10.5GHz的3dB带宽。信号沿着信号链进行，当行至某些放大器时，信号变得过大以至于发生饱和，这些放大器的输出为其饱和电压。每级限幅放大器的输出经各级检波器检波后由加法器相加，再经低通滤波器滤波，最后以对数形式进行输出。传统二极管检波与对数域包络检波都需要精确确定其阻容参数。高频二极管检波器如图2.14所示，包括线性器件D和低通滤波器件R、C，其时间常数RC要求远远高于其载波时间常数，即电容C对高频载波近似短路，滤除高频分量，RC还应小于调制信号周期，以减小惰性失真。即：为载波频率速度，为调制信号频率。图2.14 滤波电容在集成对数检波器中，其转折频率为：为滤波电容的值，其中应小于局部放电的震荡频率。因此通过分析局部放电信号特点，取得其相对于调幅信号的载波频率和包络频率，即可确定电容参数。GIS发生局部放电时，信号在GIS腔体内谐振，电磁波经过多次折、反射后被传感器天线接收，在传感器处接收到的单次局部放电信号可以用单指数衰减震荡函数(SEAOW)表示:为震荡频率，表示电磁波在GIS内折反射过程，其频率范围为 300MHz-3GHz，可以近似看作调幅信号的载波，为局部放电信号衰减速度，可以近似看作调幅信号的低频包络,其频率范围为2-20MHz。因此，将(8)式代入(10)式，可知满足对局部放电信号进行包络处理的电容错误!未找到引用源。应选择小于23.9pF。功率信号经由超高速脉冲放大器缓冲输出，加强信号在容性负载上的传输能力。图2.15 输出脉冲放大器脉冲放大器选择ADI公司的AD8009，它是一款超高速电流反馈型放大器，压摆率达到5500V/s，上升时间仅为545 ps，因而非常适合用作脉冲放大器。高压摆率降低可压摆率限幅效应，使大信号带宽达到440 MHz，从而满足高分辨率视频图形系统的需要。信号质量在整个宽带宽范围内均保持较高水平，最差情况下的失真为40 dBc(250 MHz，G = +10，1 V p-p)。这种失真性能配合电流反馈结构，使AD8009 可灵活地应用于IF/RF信号链中的增益级放大器，其电路图如图2.15所示。将天线与降频模拟电路制作在同一块以FR4为基底材料的介质板上，天线接收到的信号直接馈入降频模拟电路，降频模拟电路的输出由SMB座引出，通过同轴电缆连接至外屏蔽罩的N头或BNC接头上，完成整个传感器的制作，如图2.16所示。 (a)有源集成传感器PCB图 (b)有源集成传感器实物图图2.16 有源集成传感器2.2.3 宽动态范围的降频模拟电路的测试通过信号源DG4062产生矢量信号，接入降频模拟电路的对数检波器,输出接到泰克TDS3052B中，矢量信号为一震荡衰减信号，如图2.17所示： 图2.17信号源产生的模拟信号图2. 18是输对数检波输出信号：图2.18对数检波后的输出信号从图中可以看出，通过对数检波电路完成了数据的对数变换和检波功能。第3章 局部放电报警装置设计与实现3.1 局部放电报警装置硬件结构设计局部放电报警装置由超高频传感器，集成检波器，比较器，单片机控制模块以及基于GSM的报警模块组成。将超高频传感器贴在GIS外壁上，通过用50欧姆同轴电缆将传感器接收超高频局部放电信号输入检波器，再经过比较器的比较功能形成脉冲信号进入单片机，使用单片机的脉冲累加功能进行计数，再定时中断读取脉冲数判断是否达到局部放电的阈值，如果已经发生局部放电，则通过GSM模块发送短信进行报警。基于超高频法的GIS局部放电局部放电报警装置结构图如图3.1图3.1 GIS局部放电报警装置结构图3.1.1 超高频（UHF）传感器作为UHF局部放电在线监测系统的关键之一的UHF传感器，它具备抑制低频（300MHz以下）干扰的能力，能够检测GIS中由局部放电所激发的电磁谐振波，主要频率为300MHz-3GHz。根据安装方式，UHF传感器可分为外置式和内置式两种。前者的灵敏度要差一些，但具有不影响系统的运行、安全性较高、安装灵活等优点，在现有研发产品得到了较为广泛的应用。后者灵敏度虽然高一些，但由于对制造安装的要求较高的缺点，很少被采用，特别是在早期设计制造的GIS中，但目前英国新制造的GIS均要求加装内置传感器。下图3.2(a)为购买的德国产UHF传感器，图3.2(b)为实验室研制的UHF传感器。 (a)德国产UHF传感器 (b)实验室研制的UHF传感器图3.2 UHF传感器3.1.2 集成检波器由于超高频传感器接收的是类似已调波信号，载波频率相当的高，但其包络是M级别的，而我们这套系统只需提取其包络信号就能够判断是否有局部放电发生。本套系统采用了ADI公司的一个集成检波器AD8361，安装其芯片手册上提供的参考电路如图3.3，其检波出来的波形是反向的，由于我们这套系统只需要判断是否有局部放电发生，因此没有影响。图3.3 检波电路3.1.3 比较器检波后的信号还是模拟信号，需要把该模拟信号整成数字信号才能被单片机的脉冲累加器识别。本套系统采用了ADI公司生产的一款比较器AD8561，从改芯片的数据手册上可以看到，它可以单电源供电，也可以双电源供电，由于检波出来的信号是正向的，所以只要单电源供电就行。此外还可以看到5伏供电是该芯片只有7ns的传播延时，理论上工作能够频率能达到100多兆，实验室测得其只能达到70M左右，但已经足够满足我们的需求。它的电路图如图3.4(a)，电路比较简单，1脚是供电脚，此套系统5伏供电；2脚跟3脚分别是比较器的正端跟负端，一个接检波输出，一个接参考电压；4脚是双电源供电的负电源端，单电源供电接地即可；5脚的作用是锁存输出，高电平有效，本系统不要，接地即可；6脚是为地脚；7脚跟8脚为比较输出，一正一反，随便取哪个输出都可以。 (a) 比较器电路 (b) DA芯片电路图图3.4 比较电路此外为了让比较器的参考电压能够任意调节，我用了TI公司的一款DA芯片DAC081S101，改款芯片可以2.75.5V供电，采用串行通信，只要设置相关寄存器，就能输出预定的电压值，其电路图如图3.4(b)，1脚是输出脚，作为比较器的参考电压输入；2脚是地脚；3脚为电源输入脚，本系统采用5V供电