GIS 局部放电检测的有源外置UHF 传感器设计*

申 晨，汪 沨，何荣涛

0 引 言

气体绝缘开关装置［1］(gas insulated switchgear，GIS)结构复杂、制造质量要求高，虽然其较少发生故障，但是故障一旦发生，检修工作繁杂，检修时间长，停电影响范围大［2，3］。研究表明，局部放电是引起高压GIS 绝缘事故的主要诱因［4，5］，因此，局部放电在线监测是GIS 状态监测的重要内容，对GIS 的安全稳定运行具有重要意义［6，7］。

现有的GIS 局部放电传感器有以下几个缺点:1)内置传感器虽然噪声较低，但是因为改变了GIS 的结构而对运行安全产生影响，且不利于推广使用［8］;2)外置传感器接收到的信号弱，噪声大［8］;3)传感器体积大，不利于安装。

近年来，随着微波集成电路和空间功率合成技术的日益成熟，有源集成天线因其频带宽、增益大、噪声小的特点引起了广泛的关注［7～12］。

本文针对GIS 局部放电监测，对有源集成天线技术进行了研究，设计了外置有源传感器。本文设计主要具有以下4 个优点:1)有利于减小传感器尺寸，便于现场安装;2)通过有源放大，达到高增益、宽频带的要求;3)降低传感器系统整体噪声，其灵敏度高;4)改善平衡天线与不平衡馈线连接的平衡性，匹配损耗小。

1 天线与有源电路设计

有源集成天线(AIA)是将射频前端的辐射单元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和不平衡转换带来的匹配损耗。其次，由于局部放电信号为振荡衰减信号，其包络信号蕴含判断局部放电的主要信息，类似调制(AM)，通过传输线传输RF 信号的衰减远大于传输IF信号的衰减。另外，在天线附近进行信号放大，有利于提高信噪比，降低在传输线引入噪声的不利影响。

1.1 天线的设计

局部放电激发的电磁波频带较宽，通常认为在300 MHz ～1.5 GHz，为了消除工业环境中电晕放电等较低频干扰(300 MHz 以下)，选择通带频率为400 MHz 以上的宽带天线作为设计目标。同时，考虑到现场实际情况，GIS的盘式绝缘子宽度在20 cm 以内，因此，天线宽度须小于20 cm。本设计选用带宽较宽的蝶形平面天线，结构如图1。

图1 蝶形天线结构Fig 1 Structure of bowtie antenna

借助三维电磁仿真软件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，长为140 mm，宽为70 mm，厚h 为1.6 mm。

对天线的长度L 和宽度w 进行参数扫描分析。图2(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。

图2 天线长度和宽度对驻波比的影响Fig 2 Influence of length and width of antenna on VSWR

图2 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。

1.2 对数检波有源电路设计

天线获得的局部放电产生的电磁波信号频率高达上GHz［8～11］，若直接采集，则后续电路研发成本高、数据量大，不适合实时监测。而反映局部放电能量的包络信号频率仅为2 ～10 MHz，因此，通过检波取信号包络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。

本设计使用ADI 公司的均值响应(RrueRms)功率检波器，内置包络检波器，可以精确地测量调制信号的波峰因数(CF)。功率检波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，其核心是8 级梯级链，每级放大器有8 dB 的增益和3.5 GHz 的3 dB 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。

如图3 所示，蝶形天线接收到的局部放电信号直接馈入检波器，数据信号频率为输入信号的信号频率，约为2 ～10 MHz，包络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3 有源电路图Fig 3 Diagram of active circuit

2 传感器的设计与制作

为安装便捷，要求局部放电检测用的传感器长度L 小于15 cm，宽度w 小于8 cm。以蝶形天线长度L 与宽度w 为参数，以中心频率为900 MHz，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11 cm，w 为6 cm，w0为0.21 cm。

通过仿真结果(图4(a))可以看出:所设计天线中心频率为900 MHz，驻波比小于2 的频率范围为730 MHz ～1.05 GHz。

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图4(b)所示。

从图中可以观察到天线的最大增益为4.43 dB，在整个频带内天线的增益较高，有利于局放信号的检测。

图4 天线仿真结果Fig 4 Simulation results of antenna

将天线与有源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有源电路(图5(a))，有源电路的输出由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(图5(b))。

图5 天线和传感器实物图Fig 5 Physical map of antenna and sensor

3 屏蔽与加载电阻对传感器的影响

为屏蔽外界干扰，实际检测时局部放电传感器需要安置在屏蔽罩内，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4 只150 Ω 电阻器在天线四角与屏蔽罩连接，加载电阻器对天线末端电流进行吸收，以改善低频段驻波比特性。

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;通过加载电阻器吸收末端电流，传感器低频特性得到了改善。

4 传感器测试

为测试本套传感器在工业环境下实际监测的准确性，在许继(厦门)智能电力设备股份有限公司进行测试，采用150 kV 无局放电源，通过升压变压器、耦合电容器、测量阻抗、保护电阻器和110 kV 三相共筒式GIS 腔体，构成测试系统装置(图7(a))，以CY3R4—V1 局部放电监测仪进行测试。在GIS 母线管右端内导体表面放置一个9.61 mm 长的金属尖端模拟缺陷(如图7(b))，后充入0.4 MPa 的SF6气体。

图6 天线驻波比测试Fig 6 VSWR test of antenna

图7 测试环境Fig 7 Test environment

升压变压器逐渐升压直至出现局放，停止升压。监测仪接收到的信号图谱如图8(b)所示。使用录波模式记录测量波形信号如图8(c)所示。

观察局放信号图谱发现，当刚开始提升电压时，无局放发生(图8(a))，电压加到80 kV 以上时，具有明显的局放特征(图8(b))。观察局部放电波形信号，可以看到局部放电脉冲包络明显，受干扰小(图8(c))。实验监测结果表明:设计的有源外置UHF 传感器能很好地监测GIS 内局部放电，满足局放检测的要求。

5 结 论

1)仿真和测试表明:设计用于局部放电监测的蝶形天线中心频率为900 MHz，驻波比小于2 的频带为730 MHz ～1.05 GHz。

2)测试研究了屏蔽罩对天线的影响，并通过加大距离和增加吸波材料改善了传感器性能。

3)现场实验表明:所研制的有源集成RF 功率传感器体积小，抗干扰能力强，信号强度大，适合GIS 局部放电的检测。

［1］ 汪 沨，邱毓昌.气体绝缘开关装置(GIS)的近期发展动向［J］.电网技术，2003(2):54-57.

［2］ 黄 建，胡晓光.SF6 高压断路器状态参数智能监测系统［J］.电力自动化设备，2011(12):101-105.

［3］ Shinkai H，Goshima H，Yashima M.A study on condition assessment method of gas-insulated switchgear.part II:Influence of moisture in the SF6，detection of a partial discharge on a spacer，repetition discharge and overheating by incomplete contact［J］.Electrical Engineering in Japan，2011，176(2):22-30.

图8 测试结果Fig 8 Test result

［4］ 顾 乐，陈 隽，刘文浩，等.GIS 局部放电圆板型内置传感器性能影响因素的研究［J］.高压电器，2012(2):55-59.

［5］ 孙才新，许高峰，唐 炬，等.检测GIS 局部放电的内置传感器的模型及性能研究［J］.中国电机工程学报，2004(8):92-97.

［6］ Kang W，Lee D，Ham S，et al.Development of a UHF PD detection system to estimate the dielectric condition of a medium voltage switchgear［C］∥Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation，ISEI 2008，IEEE，2008:377-380.

［7］ 欧阳旭东，柯春俊，杨 贤，等.变压器局部放电UHF 传感器安装方式对检测灵敏度的影响理论分析［J］.变压器，2014(5):55-58.

［8］ 牛雪松，吕景顺，潘雄峰，等.三相共筒式GIS 局部放电检测的内置传感器研究［J］.传感器与微系统，2013，32(6):22-24.

［9］ 凌 祥，姜永华，高伟亮，等.非线性有源天线阵接收技术研究［J］.微波学报，2010(4):42-46+69.

［10］康成斌，杜占坤，阎跃鹏，等.一种新型圆极化接收有源集成天线的设计［J］.电波科学学报，2010(5):947-952.

［11］Rahim M K A，Feng Q X，Masri T，et al.Simultenous transmit and receive circular polarized active integrated antenna［C］∥The Second European Conference on Antennas and Propagation，Eu-CAP 2007，2007:1-4.

［12］Wu C H，Ma T G.Self-oscillating semi-ring active integrated antenna with frequency reconfigurability and voltage-controllability［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(7):3880-3885.

［13］陈文俊，黎滨洪，谢 涛.蝶形微带天线谐振频率公式的修正及其应用［J］.上海交通大学学报，2005，39(4):653-655.