基于超高频分形天线的gis局部放电在线监测系统

基于超高频分形天线的gis局部放电在线监测系统

气体隔离开关（gis）是保证电网正常运行的重要电能设备。根据cigre23.10组的统计数据，由于gis局部放电（pd）引起的绝缘误差是gis故障的主要原因，局部放电是反映绝缘误差初始特征的初始特征。GIS中局部放电的脉冲持续时间极短,其波头时间仅几个ns,相对应的频域十分宽广,现场存在的大量电磁干扰信号主要集中在小于300MHz的频段,因此选择超高频(ultrahighfrequency,UHF)段的电磁信号(300～3000MHz)作为检测信号,可以避免常规检测方法中难以克服的电力系统的干扰。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导,在其内部信号传播的衰减很小,UHF信号会从GIS的盆式绝缘子连接处泄露出来,可采用外部天线传感器检测发生在GIS内部的局部放电信号。由于GIS的高度密闭性,若发生故障,快速寻找故障部位成了一个关键问题。在线监测系统可分为便携式和固定式两种。便携式监测系统由于其传感器可任意移动,与固定安装的传感器相比,可移动传感器具有更强的定位功能。用于局部放电检测的外置超高频天线由于其中心频率较低,在设计中需要通过增大天线尺寸来降低谐振频率,这与便携式监测对超高频天线结构尺寸小、重量轻、频带宽的要求相矛盾。天线的分形设计可以实现天线的尺寸缩减与多频性能。鉴于此,笔者研制了一种用于GIS局部放电超高频检测的体积小、频带宽的Hilbert分形天线,构成了便携式在线监测系统,编制了基于LabVIEW的数据采集和定位系统,在GIS模拟装置的实测表明,天线性能良好,可用于GIS局部放电在线监测及缺陷定位。1hilbert差分天线1.1结构自相似迭代分形理论由B.B.Mandelbrot在1975年提出,它是一门研究不十分光滑或不规则集合与函数的科学。具有分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点,将标准的振子天线或环形天线通过分形的方式弯曲,虽然总长度不变,但其所占用的面积却大大缩小了,应用到天线设计上可以实现天线多频段特性和尺寸缩减特性。目前分形天线主要有Koch、Sierpinski三角形和Hilbert分形等结构。其中Hilbert分形属于平面填充式分形曲线,图1为1～4阶的Hilbert分形曲线。从图中可以看出Hilbert分形天线的曲线结构通过自相似迭代从一维空间逐渐填充到二维空间,曲线具有严格的自相似性。分形维数是刻画分形的不变量,不同的分维数决定了分形结构占据空间的利用率。Hilbert分形曲线分维数取值范围为,是一种结构简单、空间占有率高的分形结构。分形的相似维数D可以由式(1)得到,D=-lnΝ(δ)/ln(δ)‚(1)D=−lnN(δ)/ln(δ)‚(1)式中:δ为度量分形的尺度;N为分形体划分成尺度为δ的不相交子集的最小个数。Hilbert分形曲线的分维数可以按式(2)计算:D=ln[(4n-1)/(4n-1-1)]ln[(2n-1)/(2n-1-1)]‚(2)D=ln[(4n−1)/(4n−1−1)]ln[(2n−1)/(2n−1−1)]‚(2)式中n为Hilbert分形曲线的阶数。1.2共同晶圆的ladb公司的多频点特性Hilbert曲线是一个平面填充曲线,分形的自相似性决定了天线具有多个谐振频率。显然,随着阶数的增加,Hilbert曲线的总长度呈几何级数增长,而每个小边的边长变得越来越小,并且呈现严格的自相似性[8,9,10,11,12,13,14]。在边长为L不变的情况下,n阶Hilbert天线小边的边长d和总长度s可以用公式(3)、(4)计算,d=L2n-1‚(3)s=(22n-1)d。(4)d=L2n−1‚(3)s=(22n−1)d。(4)1阶的Hilbert分形天线,可以看成一个变形偶极子半波天线。半波长偶极子天线谐振时容抗感抗相互抵消,因此可以假设整个天线的容抗没有变化。从阻抗角度分析,可以用一个偶极子半波天线来模拟整个分形天线,因此1阶的Hilbert分形天线阻抗就相当于一个长为d,直径为b的平行传输线的阻抗(应为纯感抗),再加上总长度为s的整根天线的自感,合起来比拟一个常规偶极子天线的感抗。一个长为d,直径为b,间距也为d的平行传输线的阻抗为:Ζ0=ηπlog2db‚(5)Z0=ηπlog2db‚(5)其中η为自由空间本征阻抗。可计算在传输线末尾处纯感抗为:L0=ηπωlog2dbtanβd。(6)L0=ηπωlog2dbtanβd。(6)另外,总长度s的线的自感为:Ll=μ0πs(log8sb-1)‚(7)Ll=μ0πs(log8sb−1)‚(7)式中μ0为真空磁导率,则1阶Hilbert分形天线总自感为LΤ=μ0πs(log8sb-1)+ηπωlog2dbtanβd。(8)同理,可以把一个n阶Hilbert分形天线看成m个1阶Hilbert分形天线,这里m=4n-1。比如每个2阶Hilbert分形天线可以看成4个1阶Hilbert分形天线,3阶Hilbert天线可以看成由16个1阶Hilbert分形天线组成,如图2所示。则m个部分的总感抗为:LΤ=μ0πs(log8sb-1)+mηπωlog2dbtanβd。(9)将其对应的看作一个谐振半波偶极子天线的感抗,即此时谐振的条件为:μ0πs(log8sb-1)+mηπωlog2dbtanβd=μ0πλ4(log2λb-1)。(10)同时,当一个偶极子天线的长度为1/4波长的倍数时,都会发生谐振,因此通过改变公式(10)右边的偶极子天线的等效臂长,就可以得到Hilbert分形天线的多个谐振频率,这也验证了Hilbert天线的多频点特性。修改后的公式如下:μ0πs(log8sb-1)+mηπωlog2dbtanβd=μ0πkλ4(log8bkλ4-1)。(11)这样就可以得到n阶Hilbert分形天线的多个谐振波长λ,进而得到多个谐振频率f。2仿真及分析为了对具有分形天线性能进行评估,笔者主要对3阶Hilbert分形微带天线进行了计算机仿真,仿真软件采用AnsoftHFSS,主要分析和测量天线的的驻波比、方向图和增益。Hilbert分形天线采用印制电路板制作,介质板选用FR4材料,其介电常数为4.4,分形天线外围尺寸为70mm,板厚度为1.6mm,天线导体宽度为2mm,分析频带范围为300～3000MHz。2.1ansofthfss的计算天线的方向图用来描述电(磁)场强度在空间分布状况,是三维立体图。方向性系数不能全面反映天线的能量转换过程,为此,需要计算天线的增益。增益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。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。图3所示为AnsoftHFSS计算的Hilbert分形天线在600MHz的方向图。从图中可见,Hilbert分形天线在接收面上各个方向的增益相近,为-30dB左右,和文献中微带贴片天线的增益5.38dB相比,相当于用增益的降低换取了较小的几何尺寸。2.2多段性检测图4为Hilbert分形天线实测驻波比。图中所示的2个谐振频率为360和662MHz,天线在360MHz时驻波比约为1.4,在662MHz时驻波比为2。天线在360MHz附近驻波比小于2带宽为50MHz,在662MHz附近驻波比小于2带宽为210MHz,在900～1100MHz还有一个通频带,显示Hilbert分形天线的多频段性。在300～1500MHz的UHF频带除了400～600MHz驻波比较大外,整个频段驻波比都较小,符合UHF检测要求。实际制作的Hilbert分形天线如图5所示。从结果可以看出,将分形理论应用于天线的设计有利于天线的小型化,并可实现天线的多频段性,满足GIS局部放电便携式监测系统对超高频天线小型化的要求。3局部压痕的测量分析3.1天线检测对比为验证Hilbert分形天线检测UHF局部放电信号的性能,采用GIS局部放电检测系统对其进行测试,实验回路如图6所示。实验中,在GIS模拟装置中充以0.5MPa的SF6和N2的混合气体(体积比4∶1),用外置的微带贴片天线和Hilbert分形天线进行检测对比,局放信号波形用高速数字示波器(LecroyWavepro7100,带宽1GHz,最大采样率20GS/s,存储长度48M)记录波形,并引入工频信号作为相位参考。所施加的缺陷类型为金属突出物缺陷,实测结果如图7所示。图7为Hilbert分形天线在15.8kV时测得的PD波形及其频谱图,从图中可见,Hilbert分形天线能够检测到清晰的PD信号,从频谱图可以看到信号的频谱分布呈现多频段特性,与天线的驻波比曲线比较吻合。图8为微带天线测得的PD波形图。从图7、8可以看出,Hilbert分形天线测得的信号幅值比微带天线略低,但是其信噪比较高,同时信号具有很陡的起始沿,能满足现场实测和局部放电源定位要求。3.2初测系统的实现基于特高频Hilbert分形天线所建立的便携式GIS局部放电在线检测及定位装置如图9所示。它包括2个特高频Hilbert分形天线和1个PXI工控机,两天线和工控机之间用2根相等长度的低损耗电缆联接。数据采集卡采用美国NI公司的高速采集卡,该卡拥有2个通道,单通道采样率为2GS/s,两路同时采集时的采样率为1GS/s。局部放电源定位时,利用特高频电磁波信号在传播过程中的衰减特性,把传感器分别放在各个盆式绝缘子处,比较各处所检测到的信号的大小,信号最大的盆式绝缘子的位置即为靠近放电源的位置,将传感器A放在该盆式绝缘子上,传感器B放在其邻近的盆式绝缘子上,利用两路PD信号的时间差进行局部放电源的定位。监测系统软件是基于图形编程环境LabVIEW搭建的,实现了同步采集,自动定位算法和数据管理功能。系统运行时,快速同步采集两路PD信号波形,采集完之后进行自动峰位判断,进行时间差定位,同时提供了手工峰位判断的定位功能。对多个局放波形的定位进行整体评估后,得到局部放电源的大致位置,并形象地显示出来。软件界面如图10所示。图中两天线传感器距离为4m,PD源位于两传感器之间距离2号传感器0.7m处。实测2号传感器检测的PD信号超前于1号传感器检测的信号,其时间差为10ns,通过时差法计算对应的电磁波的传播距离差为3m,即PD源位于距离传感器2的0.5m处,实测误差为20cm,满足现场实用要求。1GS/s采样率的时间分辨率为1ns,对应的理论误差为30cm,如果能提高采样率,可以进一步减少定位误差。4局部放电检测结果1)使用平行传输线的电感分析方法分析了Hilbert分形天线阻抗特性,并通过HFSS软件进行仿真验证。设计出了应用于检测GIS