宽动态范围的有源集成传感系统的研究与设计

辛文成，姚森敬，陈浩敏，席 禹，张 凡，敖 榜，申 晨，林晓青，汪 沨

(1.南方电网数字电网研究院有限公司,广东 广州 510000；2.国网陕西省电力有限公司电力科学研究院,陕西 西安 710199；3.湖南大学电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082)

局放发生时伴随出现电、磁效应的变化，这些特征能够用于表征气体绝缘组合电器(gisinsulatedsubstation，GIS)内部局放的发生[1]。其中，特高频法(ultra high frequency，UHF)就是通过监测GIS内部或者外部300 MHZ～3 GHZ频段范围的电磁波，实现局放检测[2]。局放现象是GIS内部出现绝缘劣化的早期外在表现，如果不能及时检测并进行有效控制和处理则会导致绝缘进一步劣化，从而引发严重的破坏性放电甚至重大事故。

UHF天线的作用是接收PD激发的电磁波信号，其性能直接决定了UHF PD监测系统的优劣。螺旋天线包括等角和阿基米德螺旋天线2种。文献[3]研制了一种新的小尺寸水平型阻抗变换器，并与传统的垂直型阻抗变换器的匹配性能进行了对比研究。阿基米德螺旋天线由2条对称螺旋臂构成，文献[4]对该型天线进行了优化设计。此外UHF的分形天线具有自相似和空间填充属性，使天线实现小型化。文献[5]设计了用于变压器PD检测的三阶Hilbert分形内置式天线；在此基础上，文献[6]研制了四阶Hilbert分形天线，但其增益较小，通带内最低增益仅-28 dBi，需要使用增益放大器。

针对传感系统的设计，传统UHF传感系统将天线和后置电路通过同轴电缆直接相连，信号将会有较大的衰减，特别是大型GIS中严重的衰减会极大降低系统的信噪比[7]，其次是匹配损耗；对于宽频带天线而言，不匹配影响的结果是信号衰减严重，带宽降低[8]；另外还会引入噪声，天线接收到的信号幅值往往在微伏至毫伏数量级范围内，此时噪声对信号影响严重，信噪比低。

基于以上传统问题，文献[9-10]对内置的GIS局部放电信号传感系统进行了研究，设计了圆环形、圆板形的内置信号传感系统，并分别采用电容亲合模型和天线模型对比研究了这2种传感器检测局放信号的性能。窄带传感系统存在缺陷检测种类少的问题，引入宽频带技术虽然能解决此问题，但是放大滤波器等预处理装置又导致检测范围较小。如果不进行降频预处理而是直接处理UHF频段的局放信号，则对高速数字采集器提出极高的要求。文献[11]对信号处理及通信进行了研究，已经具有类似IEC 61850的网络通信实现，但是因为该通信实现为自行设计的数据库管理系统，因此无法与各种已有的智能变电站配合和对接。目前，用于GIS局放检测系统的传感与检测部分大多需通过通讯电缆连接，当具有多个检测点时，现场检测布线多，检测不方便。

因此，本文设计一种有源集成传感系统，将天线与有源电路集成在同一介质板上，使天线接收到的信号能够立即进行处理，将处理后的较低频(10 MHz)、较高幅值(5 V峰峰值)的信号通过同轴电缆传输，这样既避免了平衡信号在不平衡线路中的传输，又降低了传输线的损耗，可以有效提高系统的信噪比。

1 GIS局部放电电磁波的传播衰减特性

GIS可近似为由两同轴长导体管构成的圆波导系统[12]，内部不仅可以有横电磁波(transverse electric and magnetic field，TEM)，还可能存在高次模波(TM和TE波)。

GIS中TEM波沿传播方向按指数函数衰减。衰减常数α和相位常数β满足：

(1)

对于TE或TM波，截止频率满足：

(2)

电磁波频率高于fc时有相位常数β；低于fc时有衰减常数α。GIS呈高通滤波器特性，高次模波不同，相应截止频率也不同。但在同轴长导体管构成的波导系统中高次模波不是主模，因此，仅对较低次模波的截止频率进行定量分析。由边界条件可得：

(3)

式(3)表明GIS内导体直径a和外壁直径b越大，截止频率越低。以220 kV某国产GIS为例，内导体和外壁直径分别为9.0、33.4 cm，可求得截止频率为231 MHz。

实际GIS罐体并非由理想同轴长导体管构成，各段之间有绝缘子间隔，且存在盘式绝缘子、L型转角等特殊结构。因此，与上述理想圆波导系统相比，实际GIS中电磁波的传播衰减特性存在不同[13]。

2 GIS内电磁波传播HFSS仿真

简化的GIS波导建模没有考虑到绝缘子间隔、L型转角以及盘式绝缘子等特殊结构，只能定性分析电磁波衰减特性。为了计算实际GIS中电磁波衰减的量值，从而进一步确定传感系统动态范围宽度要求，对220 kV的GIS进行高频结构仿真(high frequency structure simulator，HFSS)，量化衰减值，仿真计算结果为信号对数域压缩范围提供数据基础。

建立的直线GIS仿真模型如图1所示，母线总长为10.08 m，导体外径为9 cm，外壳内径为33.4 cm；导体与盖板部分为铝材料，GIS左右两侧各有一圆形封装盖板；4个支撑绝缘子分别位于离左侧盖板0.5、2.6、4.6、6.6 m处；施加激励于距左侧盖板2 m尖端处。为了降低模型的复杂度，盘式绝缘子模型设置为外径37.4 cm、厚度4 cm的圆柱体平板，绝缘子相对介电常数为6.0。

图1 直线GIS模型Figure 1 The model of linear GIS

直线GIS场分布如图2所示，仿真结果表明电场强度在直线约10 m母线内衰减了约21.5 dB；带“L”型转角的GIS仿真模型如图3所示，模型包含2个“L”型转角，总长度约24.5 m。在距左端2 m处加入尖端，施加激励计算局放电磁波经过“L”型转角时的衰减情况。

图2 直线GIS场分布Figure 2 Field distribution oflinear GIS

图3 GIS模型(带“L”型转角)Figure 3 GIS model (with “L” corner)

GIS的场分布如图4所示，经过“L”型转角时电磁波整体电场强度衰减了约55.6 dB。文献[14]在220 kV GIS长约22 m的单相母线中进行了衰减实验，实验中导体悬浮电位放电最大处衰减约为52 dB、尖端放电最大处衰减约为37 dB，该实验结果与本文仿真结果相近。

图4 GIS的场分布(带“L”型转角)Figure 4 Field distribution of GIS (with "L" corner)

考虑不同厂家生产的GIS尺寸结构不能完全相同，并且应用的电压等级也不尽相同，故较长GIS中传感系统需要40 dB的动态范围，以保证距离放电点10 m的较大范围内可以有效检测到PD信号。

3 宽动态范围信号检测方法

对于宽动态范围的信号，常用的6种信号调理方法的带宽、精度等[15]如表1所示。由于GIS中传播的TE和TM波其频率在200 MHz以上，因此,难以用带宽低于200 MHz的调理电路处理GIS的局放检测。针对GIS局放监测的带宽特点，本文选择对数放大调理方法在对数域压缩局部放电信号，从而增加动态范围。

对数放大调理方法采用真有效值对数检波器件进行检波和对数放大，输入信号幅度与输出呈对数关系，瞬时压缩动态范围，动态范围最高可达100 dB。不仅能在宽动态范围内实现高精度功率检测，而且线性特性和温度稳定性也较好。

对数放大器有基带、解调和跨导线性(translinear)对数放大器3种。跨导线性对数放大器使用的是双极性三极管，由于在高频场合温度对三极管影响较大，因此，常使用集成式基带或解调对数放大器。在GIS的局放监测中，对局部放电信号进行对数域压缩的同时，还要减少对数据量的包络处理，以方便后续处理。因此，GIS局放监测中对数放大器的首选是解调对数放大器。

表1 宽动态范围信号调理方法的对比Table 1 The comparison of wide dynamic range signal conditioning methods

4 宽动态范围有源集成传感系统的设计

4.1 宽动态范围天线设计

4.1.1 局部放电检测天线对比研究

局部放电激发范围通常在300 MHz～1.5 GHz的电磁波频带。设计目标选择400 MHz以上通带频率的宽带天线，以消除工业环境中如电晕放电等较低频率的干扰(300 MHz以下)。

为了选择性能满足要求的天线，对各类宽频带天线在HFSS中进行建模、仿真计算、对比分析，主要考量电压驻波比(voltage standing wave ratio，VSWR，简称驻波比)参数，寻找适合于GIS局部放电检测传感系统天线的频带和尺寸，对蝶形天线的仿真结果如图5所示，可以看出，有2个敏感点分别在1、4 GHz处。结构简单的蝶形天线加工制作容易、工艺难度低，通过调整天线张角和臂长就能较容易调整天线特性，较好控制多个天线之间的一致性。

图5 蝶形天线建模及仿真结果Figure 5 Modeling and simulation results of butterfly antenna

对对数阿基米德螺旋、阿基米德曲线和对数周期天线3种较为常见的天线形状进行仿真。对数阿基米德螺旋天线直径取6 cm，仿真表明敏感点位置位于约1.9 GHz处，该频率高于PD检测传感系统的需要，需降低天线敏感频率、加大天线尺寸，但在GIS绝缘子上较难安装较大尺寸的天线；阿基米德曲线天线直径取10 cm，仿真表明在1.69、2.05、2.85 GHz处各有一个敏感点，但其驻波比曲线不平坦，而且天线结构复杂，天线性能受制造工艺影响很难一致；对数周期天线直径取10 cm，仿真曲线较为平滑，在2.1 GHz处有一个不明显敏感点，驻波比较大，而且驻波比低于2.5的频率范围在1.5 GHz以上。上述仿真结果如表2所示。

表2 4种天线对比Table 2 Comparison of 4 antennas

通过表2可以看出，蝶形天线结构相对简单、工艺难度相对较低，可在相对较小的尺寸下有较低的频率。蝶形天线属于宽频带天线，是在平面上双锥天线的投影，通过印制电路板技术印制在一块印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，具有结构简单、制作容易、体积小以及质量轻等优点。因此，局部放电传感系统天线可以选择蝶形天线。

4.1.2 天线尺寸及加载电阻的影响分析

为了使得设计的蝶形天线满足GIS局放检测的要求，对蝶形天线进行分析，以优化蝶形天线的设计，使得天线的增益、阻抗特征、驻波系数及频带宽度等主要技术指标满足要求。借助三维电磁仿真软件HFSS15对天线进行建模分析、参数优化。

选择FR4介质板作为衬底材料，长为140 mm，宽为70 mm，厚为1.6 mm，介电常数为4.4。扫描天线尺寸参数(长度L、宽度W)进行分析[16-17]，如图6所示。天线宽度W不变、长度L变化，不同长度的VSWR曲线如图6(a)所示，天线最低频率受其臂长影响较大，天线长度越长其频带越低；天线长度L不变、宽度W改变，不同宽度对应的VSWR曲线如图6(b)所示，天线宽度越大，天线的频带越低。仿真分析表明，虽然加大天线尺寸有利于降低天线最低频率，但在工程中应考虑实际情况(如安装条件等)设计天线，因为天线过宽会使得传感系统体积太大，影响安装使用。

图6 天线长度、宽度对天线驻波比的影响Figure 6 The influence of antenna length and width on antenna standing wave

天线末端与周围空间存在失配，为了减少带来的反射波能量，在天线的4个角与金属屏蔽罩之间分别连接一个150 Ω的电阻。通过4个加载电阻来吸收天线末端的电流，削弱反射波能量，避免脉冲信号拖尾振荡，改善天线低频段的驻波比特性。

实际检测中PD传感系统置于屏蔽罩内，以屏蔽外界干扰。传感系统天线驻波比测试实验结果如图7所示，表明屏蔽罩的影响很大。

图7 天线驻波比测试Figure 7 The test of antenna standing wave ratio

通过加载电阻吸收天线末端电流，能改善天线低频特性。除此之外，为了减少屏蔽罩对电磁波的反射，改善天线驻波比特性，可以通过增加吸波材料和加大天线与金属腔间距。

蝶形天线增益方向的三维仿真结果如图8所示，天线的增益在整个频带内较高，最大增益为4.43 dB，有利于检测局放信号。

图8 天线增益方向Figure 8 The pattern of antenna gain

考虑实际安装的便捷性，PD检测传感系统要求长度、宽度分别不超过15、8 cm。对蝶形天线长度L与宽度W等尺寸参数进行优化分析，使蝶形天线中心频率为900 MHz、驻波比小于2。最终优化结果：L、W分别为11、6 cm，中心频率为800 MHz，730 MHz～1.05 GHz频率范围驻波比小于2。

4.2 宽动态范围的降频模拟电路

虽然局放产生的电磁波频率高达1 GHz，但反映局部放电能量的功率信号频率仅2～10 MHz。测量功率不仅能保留幅值和相位信息来判断是否发生局放，同时能使信号频率降低。如图9所示，局部放电的信号为较难采集的震荡衰减信号，而取包络后降低了信号频率。包络检波不仅在保留所需幅值与相位信息的同时降低了信号频率，还应对局部放电信号进行对数变换，增加系统的动态范围。

图9 局部放电信号包络降频Figure 9 Partial discharge signal envelope frequency reduction

4.2.1 基于对数域变换的动态范围扩增及其仿真

解调对数放大器由多个相同的线性放大器级联构成，以实现分段线性逼近对数函数的功能[18]。当信号链上某些放大器输出信号过大以至于饱和时，放大器的输出电压将被限制。通过加法器对各级放大器的限幅电压输出到检波器检波后的电压相加，最后，经过低通滤波器滤波后以对数形式进行输出，对数检波器的结构如图10所示。

图10 对数检波器Figure 10 Thelogarithmic detector

在Matlab中进行仿真分析，对局放信号源建模，表达式为

(4)

其中，fc为500 MHz。不同时刻发生的局部放电强度不同，比如0 μs时局放电磁波幅值为1 900 mV，10 μs时局放电磁波幅值为10 mV。

输入信号波形如图11所示，可知0 μs时信号幅值远大于10 μs时的信号幅值。因此，若采集范围需覆盖到0 μs时较大幅值的模拟信号，则可能无法采集到10 μs时极低幅值的信号；若要采集范围缩小到覆盖10 μs时极低幅值信号，则0 μs时的信号将达到饱和。

为了保证对不同强度的局放信号都有较高的灵敏度，对局放信号进行对数域压缩，具体变换如下：

Vo=kslope·(Pi-Pintercept)

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中Vo为输出值；kslope为斜率；Pi为输入功率，dBm；Pintercept为截距；Vomax、Vomin分别为输出功率最大、最小值；Pimax、Pimin分别为输入功率的最大、最小值；Vrms为输入电压有效值；Z0为系统特征阻抗，50 Ω。

图11 输入信号Figure 11 Theinput signal

输入、输出关系如图12所示，实线即对数域的局放信号，可知局放信号通过压缩变换到对数域，输入与输出呈线性关系。局放信号经对数域放大后的输出信号如图13所示，较好地展现出了0～10 μs时的所有脉冲信号，表明不同强度的局放信号都有较好的灵敏度。

4.2.2 宽动态范围的降频模拟电路设计

连接蝶形天线的有源电路[16-17]如图14所示(采用ADI公司的RF对数检波器)。检波器将差分输入的调制射频信号精确地转换为直流输出处的等效dB标度值，频率响应范围为0.1～2.5 GHz，具有40 ns的快速响应能力，能够识别局部放电的短放电脉冲。

局部放电信号被蝶形天线接收后直接馈入功率检波器，数据信号频率范围约为2～10 MHz。大动态范围的输入经对数放大器压缩成小动态范围的输出，其转移特性为

Vo=K0lgVi+K0lgK1

(8)

式中K0、K1分别为对数斜率、偏差。

解调对数放大器由多个相同的线性放大器级联构成，核心是9级梯级链。每级放大器有8.7 dB的增益和10.5 GHz的3 dB带宽，即

(9)

通过超高速脉冲放大器缓冲输出功率信号，达到加强信号在容性负载上的传输能力的目的。选择非常适合用作脉冲放大器的超高速电流反馈型放大器AD8009，使大信号带宽达440 MHz；在整个宽带宽范围内，信号质量保持较高水平，最差情况下的失真为-40 dBc。

以聚四氟乙烯(FR4)为基片，在同一介质板上制作天线和低频模拟电路。降频模拟电路的输出从SMB基座引出，通过同轴电缆连接到外屏蔽的N端或BNC连接器，完成有源集成UHF传感系统PCB设计。

4.2.3 宽动态范围的降频模拟电路的测试

对宽动态范围的降频模拟电路进行测试，先通过信号源产生矢量信号，如图15所示。矢量信号尽量模拟局部放电的震荡衰减信号，信号幅值满足天线接收到的局部放电电磁波幅值，将该震荡衰减信号接入降频模拟电路的对数检波器，对信号进行对数检波，检波输出接到示波器中，观测检波结果。对数检波后输出信号如图16所示。

图15 信号源产生的模拟信号Figure 15 The analog signal generated by signal source

图16 对数检波后的输出信号Figure 16 The output signal after logarithmic detection

通过输出信号波形可以看出，对数检波器完成了检波工作波形为原始输入波形的包络；通过输出信号幅值可以看出，输出信号为输入信号的对数，完成了对数域变换的工作。因此，通过对数检波电路完成了数据的对数变换和检波功能。

5 结语

针对UHF检测监测范围较小的问题，本文采用仿真与设计相结合的原则，对宽动态范围的局部放电集成传感系统进行分析研究。

1)在电磁传播衰减特性的基础上，首先，若要能在较长的GIS中、较大频率范围内有效检测到PD信号，则需仿真得到至少40 dB的动态范围；其次，确定通过对数域变换来增加系统的动态范围，为传感系统设计奠定理论基础。

2)通过仿真4类宽频带天线，对比驻波比、天线尺寸等参数，得到蝶形天线适合检测局部放电的信号，通过对数域变化瞬时压缩动态范围，在宽动态范围内提供高精度的局放检测。本文实现的蝶形天线、检波电路、信号调理以及发射高度集成的UHF局放检测传感系统，既降低了整套采集系统成本，又具有很好的信噪比，对检测局放的可靠性具有重要意义。