硕士论文-电力变压器局部放电超高频检测方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文电力变压器局部放电超高频检测方法的研究姓名：盛梦周申请学位级别：硕士专业：系统分析与集成指导教师：李朝晖;黄兴泉20051227 I摘 要 大型电力变压器是电力系统的重要设备之一，而且造价十分昂贵，所以对电力变压器的维护和检修就显得非常有必要。而传统的对变压器的检修一般是计划检修和事后检修，传统的检修方式有很大的盲目性和强制性，不仅浪费了大量的人力和物力，而且检修过程中设备的频繁拆卸增加了在检修过程中产生新的设备隐患的可能，降低了变压器的总体寿命。针对传统检修方式的严重不足，根据变压器的运行状态来决定是否检修和怎样检修的检修方式越来越受到人们的重视，这就是状态检修。状态检修则是根据各种仪器的监测结果和运行人员的巡查记录，经过运行技术人员的分析，按照设备运行的实际情况，实事求是地策划设备的检修行为。 电力变压器状态检修的基础在于监测技术和诊断技术，即通过各种检测手段来正确判断变压器目前的状况。变压器故障仍以绝缘故障为主，而对变压器局部放电的检测能够提前反映变压器的绝缘状况，以便及时发现变压器内部的绝缘缺陷，来预防潜伏性和突发性事故的发生。基于以上考虑，本文设计了一套变压器局部放电的超高频在线监测系统，用于在线实时地监测电力变压器的局部放电超高频信号，进而实时了解变压器的绝缘状况以及运行状况。 与传统的直接监测局部放电的脉冲电流法相比，超高频法抗干扰能力强、信息量大、灵敏度高。局部放电脉冲电流激起的电磁波信号（即超高频信号）可以通过超高频传感器加以耦合接收，本文设计了超高频传感器，即平面阿基米德螺旋天线，带宽为 5001500MHz，它的两臂通过 50 同轴电缆馈电，电磁波信号转变为同频率的高频电流信号，通过同轴电缆传输，最后进入工控机采集并分析。 天线接收的超高频信号频率很高，可达到上G，要采集此信号对采集卡要求太高，而且完整地采集如此高频的信号意义也不大，我们需要的是超高频信号的峰值特征，从而了解变压器内部局部放电的相对严重程度。本文设计了基于混频技术的信号调理单元，降低了超高频信号的频率，方便普通的采集卡采集，同时保留了原始的峰值相位的特征。 关键词：电力变压器 状态检修 局部放电 超高频 混频 IIAbstract Power Transformer is main equipment in Electric Power system, and its price is very high, so Maintenance is quite necessary for Transformer. There are Scheduled Maintenance and Break down Maintenance for Transformer traditionally, traditional methods of Maintenance are compulsive and blindfold，these two not only spend manpower and material resources, but also bring more potential trouble while the components frequently taken down, and synchronously reduced overall life of Transformer. Since the severe fault of traditional methods of Maintenance, a new one plays a more and more important role which Maintenance is determined according to the fieldwork conditions of Transformer, and thats what we would call Condition Based Maintenance. Condition Based Maintenance is schemed according to the results of various instruments and visitatorial records of personnel, on the basis of the analysis of technicians and the current status of Transformer. Condition Based Maintenance is concerned with monitoring technology and diagnosis technology deeply, that is to say , we can get current status of Transformer by sorts of monitoring methods. Most of faults involve insulation for Transformer, and monitoring for Partial Discharge （PD）can reflect the insulation status of Transformer in advance, find the fault within Transformer on time, and prevent potential and paroxysmal events. Considering what have discussed above, in this dissertation, I designed a set of UHF (ultra high frequency) monitoring system on Partial Discharge of Transformer. This system can monitor the real-time signal of PD UHF, and then get the insulation status and the running conditions of Transformer. Comparing with traditional method of monitoring impulse current of PD directly, UHF method has quite a few advantages, such as better anti-jamming, much more information, and more sensitive. The UHF signal produced by impulse current of PD can be received by UHF sensor, there is UHF sensorplane helix antenna designed in this article, Whose bandwidth is between 500MHz to 1500MHz. Two sides of this antenna are feed by 50ohm coaxial line, the Hertzian waves signal is converted to high frequent current signal by the IIIsame frequency and the current signal can be transferred into industry computer by coaxial line. The signal frequency received by the antenna is very high, normally it can exceed one GHz. Usually the sample card can not collect so high frequency signal, and it is not necessary to collect the total signal because what we need is the peak value of the signal, and then to know the severe degree of the PD of Transformer relatively .A signal disposal cell based on Frequency Mixing is designed in this dissertation, it can reduce the frequency of original UHF signal to facilitate a common sample card and it is not at the expense of Peak-Value and phasic character of original UHF signal. Keywords：Power Transformer Condition Based Maintenance Partial Discharge Ultra High Frequency Frequency Mixing 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 11 绪 论 1.1 课题的背景、目的和意义 大型电力变压器是电力系统的重要设备之一，它的运行状况直接关系到电力系统的安全经济运行。而且，电力变压器自身的造价十分昂贵，因此电力变压器事故所带来的损失往往较大。 统计资料表明，变压器故障仍以绝缘故障为主，一些非绝缘性原发故障可以转化为绝缘故障，而且，变压器绝缘的劣化往往不是单一因素造成的，而是多种因素共同作用的结果。研究表明，局部放电既是绝缘劣化的原因，又是绝缘劣化的先兆和表现形式。当局部放电量小于 1000pc 作用时间为几分钟时，不会在纸、纸板等固体绝缘上留下可见的损伤痕迹，而放电量较大 (有资料介绍为 8000pc 以上)时，几分钟作用便会使固体绝缘造成明显的损伤1。这种损伤是由于绕组导线绝缘表面发生的局部放电向围屏发展的结果。放电的发展不仅能引起匝绝缘大面积击穿烧毁，而且可能引起匝间、层间短路，这种情况在国内大型变压器事故中时常见到。 与其它绝缘试验相比，局部放电的检测能够提前反映变压器的绝缘状况，及时发现变压器内部的绝缘缺陷，预防潜伏性和突发性事故的发生。IEC 标准和我国的有关试验标准均将局部放电试验提到重要地位，并作为变压器投运前必须进行的试验项目。 根据国家有关标准的要求，现场进行变压器局部放电试验时主要是测试在规定电压下的局部放电量，该局部放电量是视在放电量而不是真实放电量。视在放电量的大小除了与真实放电量的大小有关外尚与放电位置有关。放电位置直接影响到对变压器的危害程度及以后的处理方案。尤其是视在放电量较大的变压器更应密切注意放电位置。 产生局部放电的环节，一般出现在电场集中和绝缘薄弱的部位。影响局部放电的因素很多，综合起来主要有三点： 2(1) 绝缘材料的材质； (2) 产品设计的绝缘结构； (3) 生产加工制造工艺。 从产生局部放电的原因和部位分析,引起局部放电的关键因素有四个方面2： (1) 导电体和非导电体的尖角毛刺； (2) 固体绝缘的空穴和缝隙中的空气及油中的微量气泡； (3) 在高电场下产生悬浮电位的金属物； (4) 绝缘体表面的灰尘和脏污。 上述关键因素应从设计、工艺、操作及管理等方面采取措施，严格控制。 针对电力变压器的局部放电，有多种不同的检测方法，目前国内外变压器局部放电检测的方法主要有：脉冲电流法、介质损耗检测法、射频法、超声法、化学成分法及光测法等。现场测量及分析表明，变压器内部干扰源的频谱主要集中在低频至高频（3300MHz）范围。因局部放电幅值很小、现场电磁干扰严重及干扰来源的复杂多变，故干扰很难从检测信号中除去3。近年来，一种新的局部放电检测方法得到迅速发展，它避开该干扰频带并将测量频率移至 0.33GHz 超高频（UHF）频带，能有效地抑制现场测量的干扰4-5，这就是超高频（UHF）检测法。UHF 法首先用于 SF6 气体绝缘变电站（GIS）及充气绝缘电缆（GIC）的局放监测6-7，随后试用于电机、聚乙烯及交联聚乙烯绝缘电力电缆的局放检测。超高频检测和数字化测量的结合，将是未来的电力变压器局放检测（特别是在线检测）的发展方向。本文正是基于超高频法众多优点的考虑，在深入研究了电力变压器局部放电超高频信号特性的基础上，在设计和开发超高频在线监测系统方面做了一些探索性的工作。 1.2 主要研究工作 本文在充分研究电力变压器局部放电超高频信号特性的基础上，尝试性地设计了一套在线监测系统用于接收、调理、采集并分析电力变压器局部放电超高频信号，判断电力变压器内部局部放电的严重程度，进而了解电力变压器的绝缘状态。以下给出本文主要的研究工作。 31.2.1 主要研究工作 (1) 比较了目前国内外几种常见的局部放电的检测方法，深入研究了超高频法的 原理、特点、应用和未来的发展。 (2) 在充分研究电力变压器局部放电超高频信号的特性和传播规律的基础上，根 据实际需要，用印制技术设计了超高频天线平面阿基米德螺旋天线，带宽为 5001500MHz，用于耦合接收电力变压器局部放电超高频电磁波信号。 (3) 电力变压器局部放电超高频信号频率太高，可达到上 G，对数字采集卡的要 求太高，加上超高频传感器接收到的信号一般很微弱，需要对信号进行放大、降频，同时要保留原始超高频信号的峰值、相位特征。运用混频技术针对实验室的放电环境设计了信号调理单元，以利于普通采集卡采集。 (4) 用 Visual C+完成了系统软件的开发，可实时采集超高频信号并分析，用 户可随时查看历史数据，操作方便，人机交互性好，用户管理功能，安全性能好。 1.2.2 本文内容安排 第一章主要介绍课题的选题背景、目的和意义，提出了局部放电超高频检测的来源，同时介绍国内外研究概况，最后介绍本文所做的研究工作。 第二章主要研究国内外常见的局部放电检测方法，重点阐述了超高频法，研究了超高频法和其它检测方法的比较，最后说明了超高频方法的应用和未来的发展前景。 第三章基于对超高频法深入研究的基础上，设计了一套硬件系统，包括超高频天线、 信号调理单元等的研究和设计， 用于接收局部放电超高频信号并对信号进行调理。 第四章根据局部放电超高频在线监测的需要， 用 Visual C+设计了一套软件系统，用于采集并分析调理后的局部放电超高频信号，判断电力变压器内部局部放电的严重程度。 第五章说明实验室的试验情况并分析试验结果。 第六章主要进行全文的工作总结，并提出进一步工作的重点和研究展望。 42 局部放电监测方法研究 2.1 几种常见局部放电的检测方法 局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光等现象为依据，来判断局部放电的状态，包括放电点的定位和放电的程度等。目前，国内外常见的检测方法有脉冲电流法、超声波检测法、光测法、化学检测法等方法8，其中脉冲电流法、气相色谱分析和超声波检测法应用最为广泛。 2.1.1 脉冲电流法 它是通过检测阻抗、检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC 对此制定了专门的标准。检测变压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成。电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器频宽一般在 10kHz 左右，中心频率在 2030kHz 之间或更高，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，但输出波形严重畸变；宽带传感器带宽为 100kHz 左右或更宽，中心频率在 200400kHz 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。该方法的主要缺点是： (1) 由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此当试样的电容量比较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度也受到了一定的限制； (2) 测试频率低，一般小于 1MHz，因而包含的信息量少； (3) 在离线状态其灵敏度较高，而现场中易受外界干扰噪声的影响，抗干扰能力差。 2.1.2 超声检测法 超声波检测法测量的是放电时产生的超声波信号9。用固定在变压器油箱壁上的 5超声传感器可以接收到变压器内部局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小及位置。通常采用的超声传感器是压电传感器，选用的频率范围为 70150kHz，目的是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声。由于超声波法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，人们对超声法的研究较深入。但变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样；目前使用的局放检测超声波传感器抗电磁干扰能力较差， 灵敏度也不很高， 这就增加了超声检测的难度。 超声检测主要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中，它是主要的辅助测量手段。随着对局放超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度及绝缘劣化程度。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展，超声检测的灵敏度有了较大的提高，因而该方法的发展应用还是非常有希望的。 2.1.3 光测法 光测法是利用局部放电产生的光辐射进行的。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，研究表明通常在 500700nm 之间，光电转换后，通过检测光电流的特性可以实现局部放电的识别。虽然在实验室中利用光测法来分析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在实际中应用。 尽管如此，光纤技术已作为其他方法（特别是超声检测）的辅助手段应用于变压器的局部放电检测中。 文10对利用光纤超声传感器伸入到变压器内部测量局部放电的方法作了研究：将光纤伸入到变压器油中，当变压器内部发生局部放电时，超声波在油中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光折射率和光纤长度的变化，从而光波将被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，可实现放电定位。 2.1.4 化学检测 化学检测（DGA ，Dissolved Gas Analysis） ，也叫气相色谱法。当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。DGA 法是通过检测变压器油分解出的各种气 6体的组成和浓度来确定故障（局放、过热等）状态的。目前，该方法已广泛应用于变压器的在线故障诊断中， 故障类型不同、 故障程度不同， 气体的组成和浓度也不相同，由此建立起来的模式识别系统可实现故障的自动识别。 目前，该方法广泛应用于变压器故障类型和故障程度的诊断，IEC 为此制定了三比值法的推荐标准11。但直到今天，仍没有形成统一的判断标准。由于气体传感器对所检测的各种气体均敏感，导致检测准确度不高；油气分析是一个长期的监测过程，因而对发现早期潜伏性故障较灵敏，但不能反映突发的故障。 2.1.5 射频检测法 射频检测法属于局部放电高频信号， 测量的频率可达 30MHz。 该方法利用罗戈夫斯基线圈从变压器中性点测取局部放电高频信号。射频检测法使用方便，检测系统不改变电力系统的运行方式12,13。但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局部放电信号的总和，无法进行分辨，且所测信号易受外界干扰。 2.1.6 红外热像法 红外热像法是利用变压器内部局部放电产生的电热能量转换来检测局部放电区域的温度变化。优点是使用方便，结果直观。缺点是不能检测变压器深处的故障。用于定性测量有其一定意义，但用于定量研究还存在困难，目前多用于套管的检测。 2.2 各种方法比较和未来的发展 声测法、光测法和化学检测等非电检测法，由于其抗干扰性好、受电气特性影响不大且操作方便，因而在未来的检测中将会有进一步发展。目前，声测法作为主要的辅助测量手段，随着对局放超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度，从而有可能形成从检测到定位的局放判别标准。由14可看出，光测法在未来的局部放电检测中也将起到一定的作用，随着光纤技术及光纤传感器的发展，该方法作为其它方法的辅助还是有一定意义的。化学检测在变压器故障诊断（特别是在线监测）中有着极其广泛的应用，形成的模式识别系统也有了较大的发展，可实现故障的自动识别，随着研究的进一步深入，未来建立统一的判断标准对故障诊断将有极大的推动作用。 7脉冲电流法是目前国际上唯一有标准的局部放电检测方法，尽管测量频率低、频带窄、信息量少，但依据 IEC270 标准进行测量，所得数据具有可比性，目前是不可替代的。随着科技的发展，信号分析技术（神经网络、指纹分析、专家系统、模糊诊断、分形等）越来越多地应用到变压器局放检测中，对那些按 IEC270 标准测量得到的放电数据，进行模式识别和绝缘剩余寿命评估，推动了局放检测技术的发展。 射频检测给我们提供了一条新的途径可以通过检测远高于传统测量频率的局放信号来对电力变压器进行诊断，消除干扰的影响，从而实现局部放电脉冲信号精确提取。 2.3 局部放电的超高频检测 2.3.1 UHF 检测局部放电的原理 超高频法（UHF 法） 是通过超高频信号传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波， 实现局部放电的检测。 研究认为： 变压器每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数 GHz。荷兰 KEMA 实验室的 Rutgers 等人和英国 Strathclyde 大学的 Judd 等人的研究表明：油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激励起 1GHz 以上的超高频电磁信号15,16。它可以通过超高频传感器加以耦合接收，这就为进一步研究超高频检测技术在电力变压器中的应用提供了依据。在超高频范围内（300MHz3000 MHz）提取局部放电产生的电磁波信号， 外界干扰信号几乎不存在， 因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高变压器局部放电检测（特别是在线检测）的可靠性和灵敏度。 82.3.2 超高频方法的特点 传统的局部放电检测方法，测量频率低，且测量系统大多与电网结构有联系，因而易受电网等干扰信号的干扰。现场实验，表明变电站现场噪声水平通常低于200MHz17 ，UHF 检测技术的检测频率范围一般为 5001500MHz，可最大限度避开干扰信号。同时，由于超高频法实施中，传感器安置在变压器箱体内，变压器壳体的屏蔽作用，使这一方法的抗干扰能力大大优于目前传统局部放电监测方法，这对于实现变压器局部放电的在线监测是非常有利的。 超高频频段丰富， 信息量大， 灵敏度高。超高频方法的劣势在于尚未解决放电量的标定问题。 2.3.3 超高频方法的应用和未来的发展 超高频局部放电检测技术近年来得到了较快地发展， 在以 GIS 为代表的电力设备中得到了成功的应用18-20。由于 GIS 的结构为用 UHF 法进行局部放电测量提供了极为有利的条件，电磁波在其中以波导的方式传播，有利于局部放电信号的检测，因而该方法在 GIS 局部放电在线检测中起着极为重要的作用，其灵敏度可达到 1pC21。UHF 法在电机、电缆中也有较成功的应用，有的已形成产品17。对变压器而言，局部放电通常发生在变压器内的油隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性，电磁波在其中传播会发生多次折返射及衰减。因此，变压器超高频局部放电检测技术的研究还处于起步阶段。 本世纪初， 荷兰 KEMA 实验室的 Rutgers 等人在实验室中对变压器超高频局部放电检测技术进行了初步研究。研究结果表明，油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激起 1GHz 以上的超高频电磁波。他们利用 3001200MHz 的 UHF 天线检测这种信号，在一台充油变压器上通过实验证实了 UHF 方法进行局部放电检测和放电分类的可行性，其灵敏度不大于 20pC22。英国 Strathclyde 大学的 Judd 等人在 GIS的超高频局部放电检测技术研究的基础上，也对变压器进行了实验室研究23，并在现场进行了初步实验24,25。国外的研究一般将传感器制成盘式耦合器（disc coupler） ，在变压器顶部靠近高压侧的箱体上开一窗口（介质窗） ，传感器通过介质窗提取局部放电信号，并将通过频谱分析仪进行分析。此外，还采用最小路径法对变压器局部放电 9的定位以及 UHF 天线的标定计算方法进行了探讨 26-29。此外，法国 ALSTOM 输配电研究中心的 K. Raja 等人在实验室内研究了各种典型局部放电模型的超高频特性，提出了选择干扰最小的频段进行检测的方式，并据此建立了模式识别方法30,31。 近年来，国内有关研究机构对超高频局部放电检测技术进行了广泛的研究。西安交通大学等建立了检测频带可调的实验室检测系统及局部放电自动识别系统，思路和方法与国外几家基本相同32-35。 清华大学则试图通过在变压器内部引出线的附近安置超高频天线的方法来测量变压器的内部放电，并在实验室进行了一些实验研究36。 总的来讲，国内外对 UHF 法检测电力变压器的工作大部分是在实验室内进行，现场的工作较少，且开发的检测系统中的关键设备均为频谱分析仪，不但价格昂贵且不适合在现场长期运行。此外，变压器箱体上开介质窗的方法，在变压器超高频局部放电检测技术尚不成熟的情况下，只能用于实验研究，现场不易接受。另一方面，变压器超高频局部放电检测中的标定问题，国内外尚未取得理想的研究成果，有些问题还需进一步的研究。 对电力变压器而言，局部放电发生在变压器内的油隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性，电磁波在其中传播时会发生多次折反射及衰减，同时，变压器内箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这就大大增加了局部放电超高频电磁波检测的难度，所以，深入研究油隔板绝缘和箱壁对超高频电磁波传播机理的影响是十分必要的。 利用超高频法研究变压器的局部放电，克服了传统的脉冲电流法测量频率低、频带窄的缺点，可以较全面地研究局部放电的本征特征。尽管近年来对变压器局部放电进行超高频检测还处于初步探索阶段，但由于它的一系列潜在的显著优点，因而在局放检测（特别是在线检测）中将有广阔前景。超高频检测和数字化测量两者的结合，在未来的变压器局放检测中将会发挥重要作用。研究变压器中各种典型局放类型在超高频中的特征，建立变压器局放指纹库，利用数字化测量的处理方式，可实现局部放电的自动识别。要实现以上检测思路，应解决以下关键技术： 研制超高频局部放电传感器； 研制超高频局部放电测试系统； 研究超高频局放信号的实时高速采集技术； 10研究干扰的抑制和局放信号的提取技术； 研究超高频局放信号的放电量标定问题； 建立变压器超高频放电指纹库。 无疑，该方法在未来的应用将有助于推动电力变压器局部放电检测理论和技术的发展，提高绝缘诊断的准确性和可靠性。 113 超高频在线监测系统硬件设计 对于电力变压器局部放电的超高频检测，整个在线监测系统的硬件框架如下图所示： 超高频天线超高频天线信号调理单元信号调理单元数据采集卡数据采集卡工控机局放信号工控机局放信号50欧同轴电缆欧同轴电缆50欧同轴电缆欧同轴电缆 图3-1 硬件系统框架图 如图3-1所示，电力变压器局部放电产生的超高频信号通过平面螺旋天线，即阿基米德螺旋天线（带宽为5001500MHz）3耦合接收，通过50同轴电缆传送给本文所设计的信号调理单元后，利用数字采集卡采集，在工控机里对采集到的数据进行处理和分析。 3.1 超高频天线 3.1.1 天线原理 天线除了能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流或导波（能量）到同频率无线电波（能量）的转换，或者完成无线电波（能量）到同频率的高频电流或导波（能量）的转换。所以，天线还是一个能量转换器。一副好的天线，就是一个好的能量转换器。 任何利用无线电波传递信息的系统，都包括“发射端无线电波传播接收端”三个环节。 为此就必须有能够辐射和接收电磁波的设备， 这个设备就是天线。 所以说，天线的重要作用就是辐射或接收电磁波。下图是进行无线电广播路线的简图。 12发射机发射机馈线馈线馈线馈线接收机接收机发射天线发射天线发射天线发射天线接收天线接收天线接收天线接收天线电磁波电磁波电磁波电磁波发射端无线电波传播接收端发射端无线电波传播接收端发射端无线电波传播 接收端发射端无线电波传播 接收端 图 3-2 无线电波传播路线图 我们在研究天线，特别是宽带天线时，需要确定天线的性能，尤其是还需对各种天线的性能进行量的比较，只有这样，在研制和选择使用天线时才有质的依据。下面介绍一些用以描述天线性能的基本参量，包括方向性函数、天线效率、方向性系数、增益系数、天线的阻抗特征和天线的工作频带37。 (1) 方向性函数(1) 方向性函数 所有天线（理想点源天线除外）在空间的辐射均具有方向性。对固定的r值， E 是、的函数，故将场强与、的函数关系定义为方向性函数，用),(f表示。为了形象地描述距天线等距离的球面上，天线在空间各方向上的辐射强度（或辐射能量）的分布情况，通常采用曲线图来表示，这种曲线图称为天线的方向性图（简称方向图，或称波瓣图） 。在距天线中心等距离的球面上。描述场强与方向之间关系的图形，称为场强方向图；描述能量与方向之间关系的图形，成为功率方向图。在通常的讨论中多用场强方向图。 显然，天线的方向图应是三维空间的立体图。画天线的立体方向图非常复杂，且在多数情况下也没有必要，通常只需研究两个相互垂直的主平面内的方向图就够了。如用俯仰面和方位面两个平面内的方向图来描述；也有用电场平面（E面）和磁场平面（H面）两个平面的方向图来描述，所谓E面是指与电场矢量平行的平面，H面是指与磁场矢量平行的平面。 方向中场强（或能量）的大小一般不用绝对值大小表示，而常用相对值来表示。可用百分法表示，即取最大辐射方向的功率密度或场强作为100%，其它方向的功率 13密度或场强划为最大方向的百分之若干。也可用分贝法表示，即最大辐射方向的功率密度或场强作为相对比较标准0分贝， 其它方向的强度则以比最大强度低若干分贝 （即负的分贝数）表示。 二维平面方向图可用极坐标绘制，也可用直角坐标绘制，前者比较形象，后者比较清晰。具体绘制时，通常把最大辐射方向的值取作1（100） ，把其它方向的辐射角都除以最大值，这样画出的方向图称为归一化方向图。而最大值为1的方向性函数成为归一化方向性函数，用),(F符号表示。 (2) 天线效率 (2) 天线效率 由于天线系统总存在一些损耗，所以实际辐射到空间的功率要比发射机输送到天线的功率小一些。所谓天线效率就是辐射功率与输入功率之比，即 LinPPPPP+= 式中，inP 、P和LP分别为输入功率、辐射功率和损耗功率。如果把inP 、P和LP都归算于输入电流0I 的输入电阻0R 辐射电阻R 和损耗电阻LR 来表示，则 2020020212121LLinRIPRIPRIP= 故可得 LRRR+= 由上式可知，要提高天线效率必须尽可能提高天线的辐射电阻，尽可能地降低天线地损耗电阻。在频率较低时，由于天线地长度和波长相比很小，辐射效能很低，而损耗则较大，所以天线效率比较低。在高频波段时，由于天线几何尺寸与波长可比拟，辐射效能大大提高，且损耗很小，可以略去不计，因而，此时天线效率可认为接近于 1，所以在微波天线中通常均认为1。 (3) 方向性系数 (3) 方向性系数 14由于方向图只能表示同一天线在各不同方向上辐射能量的相对大小，不便于比较不同天线在空间辐射能量的集中程度，为了定量地比较不同天线的方向性，采用天线方向性函数这个重要参量。 要进行比较，就需要有比较标准。习惯上常选用无方向性（即理想点源天线）作为比较标准。所谓无方向性，具体地说，即它地立体方向图是一个球面。我们把这种无方向性天线的方向性系数取为 1。比较时应在相同条件下进行，在不同条件下比较是没意义的。 因此，天线在某一方向上的方向性系数是指在相同辐射功率、相同距离情况下，天线在该方向上的辐射功率通量密度，与无方向性天线在该方向的辐射功率通量密度之比值。 上述的无方向性天线实际上是不存在的，它只是一种理想的点源天线而已，而它在某一方向上的功率密度，可以用实际天线的辐射功率通量密度在各方向的平均值计算之。即 0220=rravrravEESSD 式中 S为天线在),(方向的功率通量密度； avS为天线的平均功率通量密度； P为天线的辐射功率； 0P 为无方向性天线的辐射功率； E 为天线在 ),(方向的电场强度； avE 天线在各方向上电场强度的平均值。 不考虑场的相位项，则电场强度可写为： ),(AfE= 式中， A为系数，),(f为天线的方向性函数。因此，天线在),(方向的辐射功率通量密度为 15wwZfAEZEHS2),(2121222= 因而，天线的辐射功率为 =sSdsP 式中，ddrdssin2=，为面积分单元，代入上式得 =20022222002sin),(2sin2ddrfZAddrZEPww 而天线的平均辐射功率通量密度为 =200222002222220sin),(241sin),(24144ddfZAddrfZArrPrPSwwav 于是),(方向的方向性系数为 =20022sin),(),(4ddffSSDav 这是计算方向性系数的最普遍公式，任何天线、任意方向的方向性系数都可由此公式计算。 而工程上， 习惯把天线最大辐射方向的方向性系数看作为该天线的方向性系数，即 =20022002002maxmaxsin),(4sin),(),(4ddFddffSSDav 其中，),(00maxf为最大辐射方向),(00上方向性函数。 方向性函数的另一种定义是：在最大辐射方向的同一接收点、电场强度相同的条件下，无方向性天线的辐射功率比有方向性天线的辐射功率大多少倍，即 16=PPD0（电场强度相同） 式中，0P为无方向性天线的辐射功率。 (4) 增益系数 (4) 增益系数 方向性系数说明天线辐射能量的集中程度，在辐射功率相同的条件下，方向性系数为 D 的天线和无方向性天线相比较，等效于把辐射功率提高了 D 倍。天线效率则说明天线在变换能量方面的效率。 为了更全面地表示天线的性能， 常常把二者联系起来，引进一个新的特性参数，即增益系数（简称增益） 。 衡量天线的增益也和衡量方向性系数一样，采用无方向性天线作比较标准，并规定无方向性天线的效率为 1。衡量增益时和衡量方向性系数时，不同的地方是在输入功率相同条件下和无方向性天线作比较。因此，增益的定义是：在输入功率相同的条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率通量密度与无方向性天线作比较。 0220PinPinavPinPinavEESSG= 式中，率。为无方向性天线输入功0inP 天线的增益还可定义为： 在最大辐射方向的同一接收点， 电场强度相同的条件下，无方向性天线的输入功率比有方向性天线的输入功率大多少倍，即 0ininPPG =（电场强度相同） 由上式得 =DPPPPPPGinin000/ 此式极为G、D和三者之间的关系公式，和其中两个参数，另一个便可求得。对微波天线来说，由于1，DG。 (5) 天线的阻抗特性 (5) 天线的阻抗特性 天线通过馈线系统和发射机及接收机相连。发射时，天线相对于发射机是一个负载。它把从发射机得到的功率辐射到空间。接收时，天线相对于接收机是讯号源，它把从空间接收到的能量输送给接收机。这两种情况均有一个天线与传输线阻抗匹配问 17题， 在传输线确定的情况下， 天线与传输线的匹配状况是由天线的阻抗特性来决定的，阻抗匹配状况的好坏将影响功率的传输效率，我们要求在天线的工作频带内保证尽可能小的驻波比。要研究阻抗匹配必须研究天线的输入阻抗，对线天线来说，输入阻抗是一个重要参数。顺便说一下，因由传输线理论知，阻抗与反射系数间是有着确定关系的，所以在微波天线中，常常不是直接计算天线的阻抗，而是讨论天线输入端的反射系数。 另外，天线作为一个辐射源，它向空间辐射功率。而被辐射的功率可以等效成电路中的损耗功率，损耗的大小可用电阻来代表，故天线辐射能力的大小也可用一个电阻来表示，该电阻称为辐射电阻。当然，辐射电阻是人为定义的一个参数，但它的大小能说明天线辐射能力的大小。因此，在线天线中辐射电阻也是主要参数之一。 (6) 天线的工作频带 (6) 天线的工作频带 天线的方向性特性及阻抗特性等都和频率有关。实际上天线并非工作在一个固定频率上，它往往需要在一个频率范围工作，天线的各种特性参数在偏离中心频率时往往要发生变化。例如，方向图形状和最大辐射方向的改变、副瓣电平的增大、增益的降低及阻抗特性的变坏等。当然，天线的各种特性参数随频率变化而改变，在一定程度上是容许的，通常都要根据采用此天线的无线电技术设备的要求，规定这些特性参数的变化范围。天线的各种特性参数不超过规定变化范围的频率范围，就叫做天线的工作频带或简称带宽。显然，用一个频带宽度来满足各种特性参数的要求，这将使容许的带宽非常窄，这样并不合理。按理，每个特性参数均有响应的频带宽度，例如，方向性系数带宽、输入阻抗带宽、极化特性带宽等。对某些特定的天线来说，可能其中一个特性对带宽起主要限制作用。 尽管唯一地说明带宽有困难，但它仍是一个重要参数指标。在工程中，通常考虑的是阻抗特性带宽，即馈线上驻波蔽的带宽特性。一般天线的工作频带的相对宽度为nff /2（nf为中心频率）约为百分之几到几十或更多，这主要决定于天线的形式和结构。 除了上述的主要电参数外，还有不少天线的特性参数，如极化特性、天线的有效长度、有效面积利用系数、溢失效率等等，在这里不作具体分析。 183.1.2 天线的设计 要实现对变压器局部放电的超高频检测，一个重要的途径就是对局部放电产生的以 TEM波形式传播的电磁波进行耦合，并且要求这种耦合器具备以下基本特性38： (1) 结构尺寸灵巧，在不改变变压器运行和变压器结构的前提下实现在线监测； (2) 能实现带宽为 5001500 MHz 的局部放电信号检测，具有良好的频率响应特性； (3) 具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力； (4) 具有较高的信号检测灵敏度； (5) 能将局放特征明显的频段加以区分和提取。 在检测现场，干扰源多且干扰信号幅值大，这极大地增加了局部放电信号提取的难度。大量研究表明，在变压器使用现场，变电站背景噪声的频率通常小于 200 MHz，而空气中电晕干扰的频率通常小于 400 MHz38。 因此， 选择天线的下限截止频率为 500 MHz，这样可以较好地抑制噪声干扰。对于变压器内部的局部放电，到达接收天线的电磁信号经多次折、反射和衰减后已发生畸变，高频分量不易精确提取，因此选择天线的上限截止频率为 1500 MHz。这样既能有效地抑制大部分外部干扰，又能获取尽可能多的局部放电信息。 早在20世纪50年代，人们便开始了宽频带天线的讨论，一致认为，天线不能用于宽频带的原因是当频率改变时，天线的线性电长度相应发生变化，从而破坏了天线的性能参量。如果能设计出一种天线，它的外形只由角度决定，而不包含线性长度，则天线的性能就可以不受频率改变的影响。例如，无限长的双锥天线，天线的性能只由圆锥顶角的大小决定，与频率无关。 实际上，天线的长度不可能是无限长的。但如果就无限长天线设计出一种仅由角度表征其特性的天线，并使天线电流离开馈电点时逐渐减小，则在电流足够小处把天线截断将不会影响它的宽频带特性。鉴于此，在1959年提出了一种等角螺旋天线，如下图3-3所示： 19 图 3-3 平面等角螺旋天线原理图 平面等角螺旋天线的方程为： =aerr0 式中各参数的定义示于图3-3。该天线很好地实现了宽频带特性。由图3-3可以看到，双臂平面等角螺旋天线带线的宽度随着半径的增大而逐渐展宽。如果使带线宽度始终保持不变，并使相邻两臂之间的缝隙宽度等于带线宽度，就形成了的阿基米德平面螺旋天线。 由以上讨论可知，这些天线是以牺牲面积尺寸来获得宽频带的。在某一频率上，天线上只有一部分工作，而这一部分的中心波长约为一个波长，这一部分称为“有效区” 。 从上述分析着手，本文设计了一种超高频天线带宽为 500MHZ-1500MHZ 的双臂阿基米德平面螺旋天线。在 5001500MHZ 的频率范围内，超高频天线的驻波比均小于 2.0。由电磁波传输理论可知，当驻波比小于 2.0 时可以不考虑驻波的影响，因此对于设计的天线在上述频率范围内具有良好的频响特性，完全可以满足工程测试要求。也就是说，在该测试频带内所得的局部放电信号是可靠的。阿基米德平面螺旋线的方程为： 00arr+= 式中，r 为曲线上任意一点到极坐标原点的距离； 为方向角；r0为螺线起始点到原点的距离；a0为常数，称为螺旋增长率。工程上常将两个反向馈电的阿基米德螺 20线作为两臂对称放置，得到两条起始点分别为 A 和 B 的对称螺线，就构成了阿基米德平面螺旋天线39，如图 3-4 所示。 如果从A、B两点进行平衡馈电，则从A点沿一条螺线绕至P点的长度与从B点沿另一条螺线绕至Q点的长度相等，即P、Q两点在以坐标原点O为圆心、OPr=为半径的圆周上，但两点上的电流却是反向的。P点到B点的螺线长度与P点到A点的长度相比较，当 a0较小时二者相差的弧长为rQP，于是P、P两点的电流相位差为/20+=+rrk。 若2/=r， 则P，P两点上的电流相位差近似为2，也就是说，当螺线半径近似为2/时，天线两臂上相邻点的电流几乎是同相位的。因此，周长约为一个波长的那些环带就形成了螺旋天线的有效接收区。工作频率改变时，有效接收区沿螺线移动，但方向图基本不变，具有宽频带特性。天线最大接收方向在螺线平面的法线方向上，且是双向的，主瓣宽度约为 60o80o。 图 3-4 阿基米德天线工作原理