GIS局部放电绝缘子金属环孔特高频检测天线的研究

冯俊杰

（国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030032）

0 引言

局部放电是封闭式气体绝缘开关GIS(Gas Insulated Switchgear)绝缘劣化的重要原因，特高频法UHF（Ultra High Frequency）由于良好的抗干扰性以及出色的信噪比，近年来已经在GIS局部放电的检测中得到了广泛的应用[1-3]。

根据传感器安装位置的不同，一般GIS局部放电UHF法分为内置法和外置法。内置式传感器灵敏度高、抗干扰能力强，但是其维护与校验不便，使用寿命无保障。就国内而言，目前绝大多数GIS设备上未安装内置式传感器。利用外置式传感器检测从盆式绝缘子辐射出来的UHF信号也可以实现局部放电检测。然而现在很多GIS绝缘子被金属屏蔽环包住，极大地阻碍了电磁波向外传播，普通外置传感器检测局部放电就变得极其困难。

这种情况下，电磁波只能从金属环上的浇注孔辐射出来。然而，浇注孔的尺寸很小，相当于一个高通滤波器，其传播出来的信号可能比无金属环的绝缘子辐射出来的电磁波要微弱很多，频带分布发生变化，并且电磁波电场结构分布也未知。如果在浇注孔处依然使用现有的UHF检测系统，可能导致系统检测GIS局部放电的灵敏度大大降低。

鉴于此，本文试验测试和分析了UHF电磁波通过金属环浇注孔的电场结构和频带分布，在此基础上研制了适用于浇注孔检测的宽频带UHF天线传感器，并在GIS上测试了其检测局部放电的性能。

1 GIS浇注孔电磁波传播分析

1.1 浇注孔结构

GIS的绝缘子金属环及浇注孔结构如图1所示。

绝缘子将GIS的每两个相邻金属腔体分隔开来。为了确保GIS运行过程中安全接地和绝缘子免受外界腐蚀的影响，在绝缘子外侧安装了一层金属环，金属环的厚度约30 mm。在金属环上有一个浇注孔，孔大致呈矩形，长度约为55 mm，宽度约20 mm。

1.2 试验测试

本试验是在220 kV GIS母线腔体上开展的，如图2所示。绝缘子金属环上浇注孔的尺寸为55 mm×20 mm，在人手孔处安装有内置的UHF传感器。

图1 盆式绝缘子金属环浇注孔

图2 试验接线

将内置传感器当做发射天线，用脉冲信号发生器对其提供激励信号，使得发射天线给GIS腔体内注入UHF电磁波，以模拟真实的局放UHF电磁波信号，再用外置式检测天线在绝缘子浇注孔上接收信号。内置发射天线的工作频带为0.3～3 GHz，这保证了UHF电磁波的频带范围与真实的局部放电UHF信号频带范围接近；检测天线为对数周期天线，该天线为线极化天线，擅长于接收电场矢量方向与振子方向平行的电磁波工作频带为0.3～3GHz。

如图3所示，在浇注孔处，当外置天线的振子方向平行于浇注孔振子方向时，检测到的信号为幅值66 mV；当天线的振子方向垂直于孔的长边时，检测到的信号幅值为13 mV，仅相当于前者的1/5。由此可见，GIS局部放电的UHF信号从浇注孔传播出来后，电场强度主要矢量方向为平行于孔短边的方向，即极化方式为线极化。

将天线的长边方向平行于浇注孔长边方向时检测到的信号进行傅里叶变换，得到频谱特性曲线,如图4所示。

图3 浇注孔处检测到的信号

图4 频谱分析

可以看到，从浇注孔中传播出来的信号主要分布在0.8～2 GHz，这比常规的局放检测频带0.3～2 GHz要窄。这是由于浇注孔的尺寸很小，相当于一个高通滤波器，低频段的电磁波不容易传播出来。综上所述，GIS局部放电浇注孔处的外置天线应该选择线极化的天线，其工作频带可以选择在0.8～2 GHz。

2 天线的研制

2.1 天线的选择与设计

由于浇注孔的尺寸只有55 mm×20 mm，天线的电磁波接收面的尺寸不宜过大。天线的工作频率、增益与天线的电流路径长度密切相关。理论上，天线的尺寸越小，工作频带宽度越窄[4]。

因此，需要尽可能在既有的尺寸空间下增大电流路径长度，以拓宽工作频带。振子天线能够通过弯折振子臂，以增大电流路径，所以可以选用经过弯折的振子天线作为检测传感器的基本结构。

采用天线设计软件CST（CST Microwave Studio）建立振子天线模型。通过仿真优化找寻最优值，得到X轴方向最终长度为22 mm，Z轴方向弯折长度20 mm，Y轴方向振子宽取50 mm，终端加载电阻值为400Ω。振子天线模型如图5所示。

图5 振子天线模型

仿真计算振子天线的驻波比频率特性曲线。从图6可以看到，驻波比小于2的频率范围达到了820 MHz～2.4 GHz，这表明天线的阻抗匹配良好。

图6 驻波比图

计算天线在0.8～2GHz范围内的增益值，如图7所示。0.8～1GHz范围增益为负值，表明该频率范围内天线效率较低。随着频率的提高，增益逐渐增大，1～2GHz范围上，天线的平均增益为1.2dB，并且在该范围内增益值变化平缓，震荡很小，比较稳定。

2.2 传感器的研制与性能测试

天线设计完成后，加工制作振子天线。采用印刷形式，这样可以方便地实现振子臂的展宽，然后通过焊接和粘接组合成终端加载的振子天线，如图8所示。馈电方式为通过同轴线分别激励振子的2个臂，实现天线馈电。最后安装金属外壳以屏蔽掉外界的电磁波干扰。

图7 增益曲线图

图8 振子天线

在吉赫横电磁室GTEM平台上测试振子天线的等效高度，得到等效高度频率变化曲线如图9所示。

图9 等效高度曲线

可以看到，天线在1～2 GHz范围内，平均等效高度达到了7.5 mm。综上所述，本文设计研制的宽频带振子天线极化方式为线极化，工作频带范围为 1～2 GHz。

3 局部放电灵敏度检测

为测试振子天线传感器检测GIS局部放电浇注孔UHF信号的的灵敏度，建立了126 kV GIS局部放电检测平台，如图10所示。常规脉冲电流法由检测阻抗耦合信号输出至局放仪,给出局放量的大小。传感器安装在金属环浇注孔上，输出信号经过UHF放大器后传输至示波器。放大器增益为40 dB。

图10 126 kV GIS局部放电UHF检测接线图

在GIS中分别布置了3种局部放电模型，分别为高压导体突出物、腔体内壁突出物、悬浮电极。

振子天线传感器检测各种故障模型的局部放电灵敏度情况如表1所示。

表1 传感器检测局放pC

由此可见，振子天线检测局放的灵敏度达到了30 pC以下。

4 结论

a）从GIS绝缘子金属环浇注孔中辐射出的UHF电磁波的主要电场方向平行于浇注孔的短边方向。

b）针对GIS局部放电金属环浇注孔式UHF检测方法，将振子天线进行弯折，并在终端进行阻抗加载，研制了线极化的振子天线传感器，其工作频带范围为1～2 GHz。

c）建立了126 kV GIS局部放电UHF检测平台。试验测试表明，针对3种放电类型，振子天线检测灵敏度达到了30 pC以下。

[1] 刘卫东，金立军，黄家旗，等.日本SF6电器局部放电监测技术研究近况[J].高电压技术，2001，27(2)：76-79.

[2] 唐炬，朱伟，孙才新，等.GIS局部放电的超高频检测[J].高电压技术，2003，29(12)：22-23.

[3] Judd MD，Farish O，Pearson JS，et al.Dielectric windows for UHF partial discharge detection[J].IEEET ransactionson Dielectrics and Electrical Insulation， 2001，8(6)：953-958.

[4] 林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社.2002.