【《特高频电磁波（UHF）测量局部放电智能传感监测技术分析》5200字】

特高频电磁波（UHF）测量局部放电智能传感监测技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u290911.1局部放电 1127801.2特高频局放天线设计要点 4174071.3特高频局放天线仿真及制作 5221381.4UHF放大器及其保护设计 1047271.5模拟信号调理单元和采集单元 1164641.6局部放电信号预处理、特征值提取和数据结构表达的方法 12局部放电在设计用于局部放电信号检测的特高频宽带天线时，应该针对高压气体绝缘组合设备局部放电信号的产生原因进行分析。对于局部放电的产生原理，基本是由于电气设备的绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的电场强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有被击穿，仍然保持绝缘性能，这种现象称为局部放电。发生在绝缘体内的称为内部局部放电；发生在绝缘体表面的称为表面局部放电；发生在导体边缘而周围都是气体的，可称之为电晕。局部放电是由于局部电场畸变、场强集中，从而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的。它可能发生在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面或内部。局部放电是一种脉冲放电，同时它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化。局部放电在空间产生电磁波，在接地线上流过高频电流，使外壳对地呈高频电压。局部放电产生原因多种多样，其中最为主要的绝缘缺陷如图2.1所示。图2.1局部放电缺陷示意图其放电原因可以总结以下几个方面：固定缺陷。其中包括导体和外壳内表面上的金属突起，以及固体绝缘表面上的微粒。金属突起通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成的，导致毛刺且较尖。在稳定的工频状态下不引起击穿，但在快速电压如冲击、快速暂态过电压(VFTO)条件下很危险。导体腔体内可以移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒，在制造、装配和运中均有可能产生，它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动，在很大程度上运动与放电的可能性是随机的。当靠近高压导体且并未接触时，放电最可能发生，且放电可能性比同样微粒但为固定物时高10倍左右。传导部分接触不良。例如静电屏蔽和其它浮动部件。由松动或浮动部件产生的放电可能性很大，通常易于检测，放电趋向于反复，其放电电荷在nC到mC间转变。绝缘子制造时产生内部空隙和实验闪络引起表面有痕迹，主要因为电极表面粗糙或制造时嵌入了金属微粒。此外，环氧树脂与金属电极的收缩系数不同，也会形成气泡或空隙。这些绝缘缺陷会产生局部放电，在绝缘体中的局部放电会腐蚀绝缘材料，进一步发展成为树枝，最后导致绝缘击穿。一般来说，缺陷引起的局部放电具有以下相同特征：电场不均匀时，导体周围易发生电晕放电，由于气体中的分子是自由移动的，因此电力设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似，在施加电压的正负峰值附近发生PD脉冲，随着电压增加，PD脉冲加大，频度增加。这些PD脉冲产生的电磁波具有丰富的频带，因此可以针对PD信号进行探测，来实现电力设备的局放检测。局部放电测量的方法很多，都是根据局部放电过程中所发生的物理和化学效应，局部放电测量方法可以分为电测法和非电测法两大类，具体分类见表2.1.表2.1电力设备中局部放电监测方法性能比较耦合电容法UHF法超声波监测法化学监测法光学监测法优点简单；灵敏度较高灵敏度高；可用运行设备中灵敏度高；抗电磁干扰能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；要求丰富经验的人操作灵敏度差；不能长期监测灵敏度差；需多个传感器可达精度5pC0.5-0.8pC<2PC很差很差实用监测的放电源固定微粒；悬浮物；气隙和裂缝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一般极少应用极少应用通过对比，发现UHF法优势包括：抗干扰能力强（检测频率范围300MHz—3GHz，可避开空气中电晕等低频段的干扰）、灵敏度高（检测到高达0.5pC—0.8pC的放电量，可用于运行中的设备）、故障定位精度高（位置±0.1m，适用于各种类型的缺陷）。本文在局部放电UHF信号的特征分析基础上，利用现有天线结构以及非频变天线原理，设计出了适用于局放检测的特高频宽带天线，通过仿真模拟与实际测量相结合的方法得出试验数据，对实验数据的分析过程中不断优化天线结构，达到优良的传输性能。特高频局放天线设计要点前端采用部分主要由智能采集模块组成，采集模块以多状态参量智能传感器形态体现，传感器由采样组件、信号调理模块、数据分析处理模块、电源模块和无线通信模块等组成。传感器安装灵活方便，所需随装，每个传感参量即可独立运行，也可以形成自组织、自选择的多通道检测模式。对于不同规模的检测设备只需配置不同数量的无线智能传感器即可实现多个间隔或设备的完全覆盖，设备功能齐全，扩展性极强[2][3]。预实现局放功能板如图2.2所示。图2.2局放功能板对局放特高频信号进行检测的关键是接收传感器的性能，由于局放信号频率成分高达数GHz，且信号在传播过程中存在衰减，因此要求检测传感器有足够的带宽范围和很高的灵敏度，同时由于放电源方位是未知的，需要传感器具有全向检测性能，因此，为了实现放电源的检测和定位，采用的特高频传感器设计时需要考虑如下几个方面的要求：（1）反射系数反射系数是衡量天线与馈线匹配情况的指标，其定义为ADDINNE.Ref.{290CF5B4-BA56-4079-A89C-F9768AC87EC7}：（2.1）式中：Zin为天线输入阻抗；Zc为馈线特征阻抗。当天线反射系数小于-10dB时，表明天线作为辐射器时，功率损失约为10%，阻抗匹配较好，由天线的互易定理ADDINNE.Ref.{01DCD6B3-DD3C-4463-952A-674FE447A53E}，该天线作为传感器时，同样具有较好的匹配特性。（2）方向性系数方向性系数D用来描述天线电磁波辐射能量的集中程度，其定义为：在总辐射功率相同和同一距离的条件下，天线在最大辐射方向上场强的平方与无方向性点源在同一位置的场强的平方之比ADDINNE.Ref.{2EBC8E15-E972-4CD7-895A-78FDC88D67B4}，记为D：（2.2）式中：和为天线和无方向性点源的辐射功率。方向性系数的定义是基于天线的辐射特性，由天线的互易定理，当天线用于局放空间检测时，由于放电源位置的不明确性，要求天线的方向性为全向或近似全向。（3）灵敏度灵敏度（即有效高度）是特高频传感器一个重要指标，反应传感器将入射电场转化为电压输出的能力ADDINNE.Ref.{4E78D929-728B-4AB6-9A5A-11EB2A73C98D}：（2.3）式中：为天线感应电势，为入射电场强度。特高频局放天线仿真及制作英国国家电网公司NGC对特高频传感器在500MHz-1500MHz的灵敏度做了明确的规定，超过80%频率范围的最小有效高度为2mm，全频率范围的平均有效高度大于6mmADDINNE.Ref.{E9E762DD-18B3-4370-A489-0EFA7C341F69}。本文设计的特高频耦合单元预计全频率范围的平均有效高度至少大于8mm。在设计局放特高频对数周期梯形齿天线结构时，应该兼顾电力设备局放UHF检测传感器的实际安装环境与局放UHF信号的宽带特性两方面因素。为了不影响电力设备的内部环境以及正常运行，局放UHF信号的检测天线传感器只能通过该金属腔体连接处的窄带盆式非金属绝缘子上进行检测，实际的非金属盆式绝缘子往往宽度仅在5cm左右，导致传感器安装困难，因此针对这种情况，在设计时应该考虑在一定的宽度范围内实现天线的小型化；实际高压气体绝缘组合设备产生局部放电时，由于局放时间短，使得局放信号频带分布较宽，同时局放环境内存在低频干扰，这些干扰分布在300MHz以下，应该考虑如何进行抑制。（1）传感器外壳模型根据外置型传感器，便于携带，使用时安装方便的特点，符合人体工程力学的要求，对传感器的形状进行设计，模型如图2.3所示。（2）传感器面板贴片设计由于局部放电UHF信号的带宽为300MHz-3GHz，且集中出现在1.1GHz附近，因此，选取传感器的带宽范围为1000MHz-2.0GHz，这样不仅有利于局放信号的特高频检测，同时剔除了局放环境中的低频干扰。利用对数周期天线的非频变原理中天线下限频率fmin=C/λmax，La=0.5*λmax得到长度La=13cm,由于安装处的盆式绝缘子其尺寸的大多在5cm左右，得到宽度Lb=4.5cm；计算得到各个齿形宽度。天线基板选用相对介电常数介质板材料为FR4，其相对介电常数为4.4，厚度3mm。图2.3对数周期传感器面板示意图，（2.4）其中，选择（3）馈电极及连接线设计连接器类型：传感器信号引出接头应使用N型连接器。传感器上固定的为母型插座连接器，例如型号N-50KF。固定方式：通过法兰、螺母或焊接的方式进行连接器固定。要求位置端正、贴合紧密，不会因操作引起的震动等正常情况造成连接处松动。接线方式：射频连接器与传感器馈线或电缆可采用焊接、压接、螺纹压紧等方式连接，要求连接可靠、反射要小。传输线：信号传输线采用特性阻抗为50Ω的同轴电缆线，推荐使用柔性电缆或半柔性电缆。表2.2天线仿真模型各组成部分材料参数序号名称材料备注1外壳铝外表面阳极氧化2介质层FR4介电常数4.43面板金属贴片理想导体厚度0.5OZ4馈线双层屏蔽线长度15cm5N型接头不锈钢母（4）设计仿真本实验中仿真研究了天线的重要参数：反射系数及增益曲线，其各自曲线见图2.4、图2.5。图2.4对数周期传感器反射系数仿真曲线由图2.4，仿真计算传感器在1100-1800MHz有多个谐振频点。图2.5对数周期传感器增益仿真曲线由图2.5，传感器在500-3000MHz内增益大于2.5dB。图2.6对数周期传感器仿3D方向图由图2.6可知传感器方向保证传感器最大辐射方向要+Z方向，满足局放检测现场电磁屏蔽需要及传感器安装于电力设备上时易于检测泄漏局放信号的特点。（5）制作根据上述实验结果制作了天线，如图2.7所示。图2.8对数周期传感器传感器测试比对通过比对数周期传感器、英国DMSAE01676-03传感器、韩国HB–HDPDS154传感器，如表2.3所示。表2.3三种传感器幅频特性对比表对数周期传感器英国DMSAE01676-03传感器韩国HB–HDPDS154传感器-40dB以下0-400MHz0-500MHz2100-2400MHz0-700MHz2300-3000MHz-40dB至-30dB400-1000MHz，1700-3000MHz500-800MHz1850-2100MHz2400-3000MHz700-900MHz1100-1300MHz1600-2300MHz-30dB至-20dB1000-1700MHz800-1850MHz900-1100MHz1300-1600MHz阻抗频带：对数周期传感器>英DMSAE01676-03传感器；幅频特性：英DMSAE01676–03传感器第一，对数周期传感器第二，韩国HB–HDPDS154传感器第四。UHF放大器及其保护设计特高频放大器是特高频局部放电信号检测的关键部件之一，其输入保护性能直接影响到系统的可靠性；带通滤波器的性能也会影响检测信号的真实性；放大器特性的好坏影响信噪比和检测灵敏度；包络检波器的性能也会影响包络信号的稳定性。UHF放大器由输入保护电路、带通滤波器、低噪声放大器、包络检波电路等组成。输入保护电路防止外部瞬时高电压击穿输入带通滤波器电子元器件，带通滤波器滤除300MHz～1500MHz以外的带外噪声和GSM900MHz通讯频率，低噪声放大器将输入的UHF信号加以放大，以有效利用基于二极管的包络检波器的动态范围，包络检波电路用于提取UHF信号的包络，将频率高达1.5GHz的信号转换为较低的信号频率，便于用常规的嵌入式数据采集单元进行数字量采集。UHF耦合器接收到的局部放电信号功率约为-85dBm～-15dBm（分贝毫瓦），采用二极管的包络检波电路的灵敏度不高于-40dBm，因此在包络检波之前必须先使用低噪声放大器（LNA）将UHF信号放大。带通滤波器等电路有一定的功率损耗，UHF放大器的最大放大倍数设计为50dB，单级放大器显然不能满足要求；因此放大电路采用多级级联，并被设计成可控放大，如见图2.8。图2.8放大器级联示意图就保护电路的设计而言，由断路器开关的开关暂态过程产生的问题比高压测试中闪络暂态过程产生的更多。放大器带有附加的无源保护，使自关断电路的高频特性得到了优化。集成了这些保护电路，放大器可以和监测系统中的传感器直接相连，如图2.9所示。图2.9放大器(SA)保护原理图模拟信号调理单元和采集单元模拟信号调理单元的功能在于将UHF信号转化成LF和RF两路信号输出。其中，LF为UHF信号的包络线，由宽带包络检测器得到，RF直接为UHF信号放大（10dB）后输出。模拟信号调理单元的原理框图如图2.10所示。宽带包络检测器主要包括一个缓冲级（40dB），两个检测二极管和一个500KHz的低通滤波放大器。图2.10模拟信号处理单元(ASPU)模拟信号调理单元输出的LF信号经过缓冲，由采集单元进行离散及数字处理。最后经ARM压缩之后，通过光纤接口发送到服务器进行分析显示。信号调理单元包括多级放大器和包络检测器。第一级放大的增益为30dB，检测带宽为1500MHz。大多情况下，局放的频谱在500