一种新型的放电源空间定位用特高频传感器

叶海峰 钱 勇 刘宗杰 盛戈皞 江秀臣

一种新型的放电源空间定位用特高频传感器

叶海峰1钱 勇1刘宗杰2盛戈皞1江秀臣1

（1. 上海交通大学电气工程系 上海 200240 2. 国网山东省电力公司济宁供电公司 济宁 272100）

采用特高频传感器阵列对放电源进行空间定位可极大地提高电力设备状态检修的效率，该文在研究确立空间定位用特高频传感器性能要求的基础上，基于单极天线理论和曲流技术，设计了一种球面锥形结构的新型特高频传感器。通过仿真及实验检测，对该传感器的性能进行了系统的研究，并对影响传感器各项性能的因素进行了探讨。实验室搭建的局放检测定位平台对传感器阵列的空间定位性能进行了验证。实验结果表明：曲流技术的应用可实现传感器的小型化，本文研制的传感器在 500～2 000MHz带宽内具有驻波比低、全向、高灵敏度、及群时延一致性好等特点，基于特高频传感器阵列的定位系统能够对放电源进行准确定位，方位角误差小于 2°，能够满足局放源空间定位的要求。

空间定位 局部放电 特高频传感器 群时延 灵敏度

1 引言

特高频（Ultra High Frequency，UHF）法以其覆盖范围广、灵敏度高、能够识别并定位放电源等优点，成为近二十年来国内外局部放电检测领域研究的重点和热点[1-7]。

近年来英国 Strathclyde大学的Philip Moore等人提出了特高频阵列空间定位的思路[4-5]，通过四个特高频传感器组成传感阵列，实现整个变电站内放电源的检测及空间定位。这样的系统的结构简单，充分利用了特高频技术灵敏度高、覆盖范围广的优势。相比目前的在线监测和带电检测设备，在满足状态检修工作要求的同时，在经济性方面具有明显的优势。目前国内上海交通大学、重庆大学等高校已经开始了相关的研究工作，并取得了一定的进展[6-7]。

成功实现放电源空间定位的关键是特高频传感器，相比常规的特高频传感器，用于空间定位的传感器需要有宽频带、低损耗、全向、群时延稳定性好、灵敏度高等特点。文献[4]和文献[7]分别采用了倒锥型和盘锥型传感器对局放进行空间定位，取得较好的效果，但两种传感器均较重且体积较大，不便于携带与安装。本文主要介绍本课题组新近研制的一种轻便小巧的专用于空间定位的特高频传感器，该传感器主体采用球面、锥形相结合的结构，通过特定的短接柱进行性能调整，仿真及实测结果均显示该传感器，性能优异，能满足变电站空间定位的要求。

2 空间定位用特高频传感器的性能要求

为了实现变电站放电源的空间定位，传感器阵列中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。

2.1 宽频带

局放是宽频脉冲信号，频率可高达数GHz，且根据缺陷类型的不同，局放信号的主要频率成份相差较大，为了满足局放信号检测的需要，特高频传感器需要有较宽的频带，典型的特高频传感器的工作频率范围为 500～1 500MHz[8]。

2.2 低反射损耗

当天线与馈线不匹配的时候，会产生反射损耗，反射损耗越大，天线的效率就越低。为了提高天线的效率，一般要求功率损耗小于 10%[9]，与这个指标相对应的，需要天线的驻波比小于 2，即用于空间定位的特高频传感器驻波比应该小于 2。

2.3 稳定的群时延

群时延反映的是传感器对宽频信号不同频谱分量的响应情况。宽频信号由传感器接收后，如果传感器对信号各个频谱分量的响应相差较大，会导致信号发生色散现象，影响检测信号的波形[10]。

对用于局放检测的宽频带传感器，群时延为常数是理想情况，当群时延稳定性差时，传感器接收到的局放脉冲波形上升沿会发生畸变，难以获得清晰的脉冲上升沿，影响对局放源的定位[6]。为了满足空间定位的需要，工程上一般要求传感器有较好的群时延稳定性，波动幅度小于 1ns[11-12]。

2.4 各向同性

增益用来定量描述天线电磁波辐射能量的集中程度，根据天线的互易定理，增益反映的也是天线接收电磁波能量的集中程度。特高频传感器增益的定义：定向天线和无方向天线在预定方向产生的电场强度平方之比[13]。

对于用于局放空间定位用的特高频传感器，要求其在各个方向上应具有近似相同的增益特性，即各向同性，传感器的增益接近0dB。

2.5 高灵敏度

灵敏度反映的是传感器将空间电场转化为电压输出的能力。特高频传感器的灵敏度由下式来定义[14]

灵敏度是特高频传感器最重要的参数之一，直接决定了检测及定位系统的有效性。为此，英国NGC公司对特高频传感器的灵敏度做了明确的规定，在500～1 500MHz的频率范围内，超过80%频率范围的最小灵敏度不小于2mm，全频率范围的平均灵敏度不小于 6mm[8]。

除了前面提及的各项性能要求，对于放电源空间定位用的特高频传感器而言，另一个比较重要的需要考虑的问题就是传感器本身的小型化，因为无论是用于在线监测还是带电检测场合，一个体形硕大的传感器都是无法接受的，也是没有实用价值的。

3 特高频传感器的设计

由前节工作频带的要求可知，用于局放源空间定位的特高频传感器应为超宽带天线。根据形态和功能，超宽带天线可大致分为四类：①频率无关天线，包括螺旋天线，对数周期天线和圆锥等角螺旋天线等，其优点在于天线尺度变化决定其带宽范围，能具有10倍频甚至更宽的带宽，缺点在于存在明显的色散性；②电小天线，包括双锥天线，单极子天线和偶极子天线等，这类天线通常具有体积小、全向辐射和色散小等特点；③喇叭天线，包括锥板喇叭天线和同轴渐变喇叭天线等，其优点是具有较高的增益性的定向辐射特性，缺点是与电小天线相比，喇叭天线一般体积较大且笨重；④反射器天线，如同喇叭天线，该类天线具有定向辐射和较高增益的优点，但体积也一般较大[15]。对比四类超宽带天线，其中电小天线比较适合于定位用特高频传感器。再结合其他几项性能要求，本文选择电小天线中具有渐变辐射体结构的球面锥形单极子天线作为传感器的基本结构。

3.1 球面锥形天线的原理

本文设计的特高频传感器基于球面锥形单极子天线，球面锥形单极天线的模型结构如图1所示，由金属球锥、绝缘支撑件、接地金属圆盘和50Ω N型接头组成。

图1 球面锥形单极天线模型示意图Fig.1 Schematic diagram of sphere-cone monopole antenna

如图 1所示，D为接地金属圆盘直径，h为球锥顶点到金属圆盘距离；W为圆锥底面直径，H为圆锥高度；bp为球锥轴线；ap平行于圆锥外半径R。

球面锥形单极天线是一种宽频带全向天线，其下限频率fL（对应于 VSWR≤2）可以通过以下公式进行计算[15-17]

式中，ap、bp、h、W单位为cm；fL单位为MHz。

3.2 球面锥形特高频传感器结构

目前天线研究领域减小天线尺寸主要采用曲流技术，即增加天线中电流从馈电点到辐射区域的路径。实现曲流有添加短接柱(壁)、开槽和弯折等几种方法[18-19]。对照球面锥形单极天线模型，本文设计时选用的是添加短接柱的方法。为了研究短接柱的加载对球面锥形单极天线频率特性的影响，采用三维电磁仿真软件 HFSS对几种典型的短路柱加载方式进行了仿真研究。

仿真模型的主要参数设置如下：H=11.8cm，W=23cm，h=0.2cm，D=24cm，R=16.4cm，ap=11.2cm，bp=5.6cm。

3.2.1 短接柱到球锥中心轴距离对带宽的影响

如图2所示，在圆锥上对称添加两个短接柱，短接柱直径 0.2cm，改变短接柱到球锥中心轴的距离 r，仿真计算不同 r时，天线驻波比曲线如图 4所示。

图2 添加两个短接柱的天线模型Fig.2 Antenna model with two shorting pins

图3 r不同时天线驻波比曲线Fig.3 VSWR curves of antennas when the r is changed

由图3，短接柱到球锥中心轴的距离r变大时，天线带宽（VSWR＜2）增加，故为了尽可能拓宽传感器工作频段，短接柱应该加载在圆锥底部边缘。

3.2.2 加载不同数量短接柱对比

图4为四种不同数量（n）短接柱分布的仿真模型俯视图。模型中，短接柱跨接于圆锥底部边缘和接地金属圆盘之间，沿圆锥底部圆周均匀分布。

图4 四种不同短接柱分布的天线模型俯视图Fig.4 Top view of four antenna models with different distributions of shorting pins

图5 为四种不同短接柱分布天线仿真模型和不含短接柱天线仿真模型的驻波比曲线。

图5 四种不同短接柱分布天线和不含短接柱天线驻波比曲线Fig.5 VSWR curves of antennas with four distributions of shorting pins and without shorting pin

由图5可知，当天线未加载短接柱时（n=0），fL为520MHz，驻波比在520～2 000MHz范围内小于2；n=1时，fL为500MHz，驻波比在500～2 000MHz范围内小于2；n=2时，fL为350MHz，驻波比在350～2 000MHz范围内均小于 2；当 n=3、4时，fL减小至未加载短接柱时的一半，同时，在部分频段上，驻波比出现大于2的情况。这说明，短接柱数目增加时，天线下限工作频率fL减小，但当短接柱增加到一定数目时，在部分频段上，天线与馈线的阻抗匹配度会劣化。

3.2.3 短接柱直径对带宽的影响

在圆锥底部距离球锥中心轴 11cm处添加两个短接柱，改变短接柱的直径，仿真计算不同直径时天线驻波比曲线，结果如图6所示。

由图 6可知，当短接柱直径增加时，天线的 fL先减小后增加，说明增加短接柱的直径能增加天线的带宽，但当直径增加到一定值时，带宽开始减小。

图6 短接柱直径不同时天线驻波比曲线Fig.6 VSWR curves of antennas for different diameters of shorting pins

基于以上的分析，本文设计的传感器在球锥天线的圆锥底部边缘增加了两个对称的短接柱，并根据文献[10]将传感器下限频率定为500MHz。通过仿真优化，传感器最终尺寸定为：H=7cm，W=13.2cm, h=0.2cm，D=24cm，R=9.1cm，ap=6.6cm，bp=3.3cm，r=6.1cm，d=0.5cm。

由上述参数最后得到的传感器实物如图7所示。

图7 传感器实物图Fig.7 UHF sensor used for PD location

3.3 特高频传感器性能分析

就前节设计的球锥特高频传感器，对照第2节的性能要求，逐一分析传感器的各项性能。

图8为球锥传感器（无短接柱和添加短接柱）的驻波比实测和仿真曲线。其中，实测曲线为利用安捷伦E5071C网络分析仪测试得到。

图8 传感器驻波比曲线Fig.8 VSWR curves of sensors

由图8中的仿真和实测驻波比曲线可以看出，对于球锥传感器，VSWR小于2对应的频率范围为730～2 000MHz，而添加短接柱之后，频带范围扩展为 480～2 000MHz。由式（2）可知，对于球锥传感器，当其下限频率为480MHz时，H=10.94cm，换言之，获得相同的下限频率，添加短接柱使得传感器的尺寸约减小了35%。

由图8可以看到，本文设计的球锥传感器的带宽（VSWR≤2）覆盖了局放信号能量分布的主要频率范围。

图9为传感器的群延迟曲线，其中，虚线为仿真计算得到的结果，实线为安捷伦 E5071C网络分析仪测试的结果。

图9 传感器的群延迟曲线Fig.9 Group delay curves

由图9可知，该传感器在500～2 000MHz的频带范围内，群延迟在 0.5～1ns之间，从而保证了宽频局放脉冲由传感器接收后，信号色散小，能获得较为清晰的脉冲上升沿。

图10为仿真计算的传感器在600MHz的三维方向图，E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）方向图。

图10 传感器600MHz方向图Fig.10 Radiation patterns at 600MHz of the sensor

由图 10中的仿真结果可以看到，传感器在 E面和H面上0～360°方向上的增益接近于0dB，在E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）具有近似全向的方向特性。

图11 传感器灵敏度曲线Fig.11 Sensitivity curve

图11 给出了传感器的灵敏度He曲线，由图11可知，在 500～2 000MHz频率范围内传感器 He的平均值为 12.86mm，超过 80%的频率范围 He大于2mm，满足英国 NGC对特高频传感器的灵敏度要求。

4 实验室局放源空间定位实验

为了验证设计的特高频传感器对空间局放信号的检测定位性能，本课题组搭建了局放空间定位试验系统，在实验室内进行了局放空间定位实验。

4.1 局放源空间定位实验系统

如图12所示，为实验室局放实验系统连接示意图，系统主要由无局放高压试验电源，局放缺陷模型，JFD-2010型数字式局部放电检测仪（检测灵敏度为0.1pC）和局放空间定位系统组成。

图12 实验室局部放电实验系统Fig.12 Setup of PD experiment system

为了使空间定位的结果具有代表性，本文选用特高频局放试验中常用的自由微粒放电模型[20-22]，如图13所示，放电源为直径为2mm的不锈钢颗粒，上下电极板之间间距为 15mm，放电模型整体浸入绝缘油中。

图13 局放缺陷模型Fig.13 Typical artificial insulation defect

为了对放电源进行空间定位，需要至少四个特高频传感器[6-7]。为此，本课题设计的传感器阵列也采用了四只特高频传感器，传感器都处于同一水平面，构成一个长方形的四个顶点，传感器的相对位置如图14所示。

图14 传感器阵列位置分布Fig.14 Sketch map of sensor array

利用传感器阵列进行空间定位时，主要是同步采集各传感器的信号，通过计算信号到达各个传感器的时间差来确定放电源的位置。

4.2 实验结果分析

为了检验空间定位系统的性能，在实验过程中保持传感器阵列的位置不变，改变放电模型的相对位置，并通过DWM40L角度测量仪（测量范围：0～220°，准确度±0.1°）对模型位置进行测量。如图14所示，改变模型的方位角θ（相对于参考方向，逆时针的角度为正），θ 分别为 46.5°、-30.0°和-67.5°。本文的定位结果为相对于参考方向的偏离角度，如图15所示，三种情况下300次定位数据的统计结果见下表。

图15 实验室局放源定位效果Fig.15 PD location effect in lab

表 局放源定位结果Tab. PD location results

由上表可以看到，空间定位系统的定位结果存在接近2°的误差，这个误差的产生可能有如下几个方面的原因：①脉冲波形相对失真，这主要是由于传感器、放大器等硬件部分性能不一致，从而导致检测到的脉冲波形之间存在时延、畸变，进而影响定位结果；②环境噪声，噪声干扰信号与放电脉冲叠加在一起，会影响脉冲的提取及波形的光滑一致性；③定位算法不够精准，空间定位算法涉及脉冲波形的提取、脉冲起始时间点的确定、求解的算法及收敛的标准。实际应用情况显示，上述可能产生误差的原因中，硬件方面的问题对定位误差的影响较小，影响较大的主要是环境噪声水平和定位算法。对于同一个放电源而言，由于脉冲信号波形上的差异及定位算法的影响而产生的定位结果偏差可以通过多次重复定位，对定位结果进行统计分析来降低。

就变电站的规模及一般电力设备的尺寸（米级）而言，上表中2°的方位角误差可以满足故障设备定位的要求，如果移动传感器阵列，综合多个位置下多次的方位角定位结果，则可以更大程度上减少方位角误差带来的影响，获得更高的定位准确度。

相比实验室，变电站现场的电磁环境会复杂许多，而且经常会遇到同时存在多个放电源的情况。对于较高的电磁环境噪声水平，除了硬件方面需要做滤波处理之外，软件方面在提取脉冲波形之前，也需要做必要的降噪处理，最大程度上降低环境噪声的影响[28,29]；对于存在多个放电源的情况，需要采取必要的统计分析，具体实施时，当定位结果出现在某一方位角范围（如 30°）的概率超过一定阈值（如0.2）时，即认为在该方位范围内存在局放源，如多个方位角范围均符合这种情况，则可认为变电站中存在多个放电源。

5 结论

在系统研究总结放电源空间定位用特高频传感器性能要求的基础上，本文基于单极天线原理和曲流技术，设计了一种用于放电源空间定位的球锥特高频传感器，该传感器具有如下的特点：

（1）工作频带宽为500～2 000MHz。

（2）具有近似全向的特性。

（3）损耗小，VSWR小于2。

（4）群时延稳定，波动数值为 0.5～1ns。

（5）灵敏度高，He平均值大于12mm。

（6）体积小，便于现场应用。

实验室放电源定位结果显示，本文设计的特高频传感器可实现局放源的空间定位。

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A New UHF Sensor for Spatial Location of Partial Discharge Sources

Ye Haifeng1 Qian Yong1 Liu Zongjie2 Sheng Gehao1 Jiang Xiuchen1

（1. Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240 China 2. Shandong Jining Power Supply Company Jining 272100 China）

Partial discharge(PD) source location using an array of ultra-high frequency(UHF) sensors significantly improves the maintenance efficiency of power equipment. This paper studies the performance requirements of the UHF sensors for spatial location and designs a new type of UHF sensor with a spherical cone structure based on the monopole antenna theory and meander technique. This paper provides systematic analysis on the sensor performance by simulation and test. It also discusses the factors influencing the sensor performance. The positioning performance of the array of the sensors was verified on the PD detection and location platform set up in our laboratory. The test results show that the meander technique helps develop compact sensors. The sensors developed in this paper can be used in the bandwidth range of 500～2 000 MHz and have advantages such as a low standing wave ratio, omni-directional measurement, high sensitivity, and almost constant group delay. The positioning system based on UHF sensor arrays can be used for accurate PD source location with an azimuth error of less than 2 degrees, thereby meeting the requirements for spatial location of PD sources.

Spatial location, partial discharge(PD), ultra high frequency(UHF) sensor, group delay, sensitivity

TM815

叶海峰 男，1982年生，博士研究生，研究方向为大型电力设备在线监测与故障诊断。

国家高技术研究发展计划(863计划) 资助项目(SS2012AA050803)。

2013-04-22 改稿日期 2013-09-10

钱 勇 男，1977年生，博士，讲师，研究方向为输变电设备状态监测与智能化。