葉海峰 錢 勇 劉宗杰 盛戈皞 江秀臣

一種新型的放電源空間定位用特高頻傳感器

葉海峰1錢 勇1劉宗杰2盛戈皞1江秀臣1

（1. 上海交通大學(xué)電氣工程系 上海 200240 2. 國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司 濟(jì)寧 272100）

采用特高頻傳感器陣列對放電源進(jìn)行空間定位可極大地提高電力設(shè)備狀態(tài)檢修的效率，該文在研究確立空間定位用特高頻傳感器性能要求的基礎(chǔ)上，基于單極天線理論和曲流技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種球面錐形結(jié)構(gòu)的新型特高頻傳感器。通過仿真及實(shí)驗(yàn)檢測，對該傳感器的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對影響傳感器各項(xiàng)性能的因素進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)室搭建的局放檢測定位平臺對傳感器陣列的空間定位性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：曲流技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化，本文研制的傳感器在 500～2 000MHz帶寬內(nèi)具有駐波比低、全向、高靈敏度、及群時(shí)延一致性好等特點(diǎn)，基于特高頻傳感器陣列的定位系統(tǒng)能夠?qū)Ψ烹娫催M(jìn)行準(zhǔn)確定位，方位角誤差小于 2°，能夠滿足局放源空間定位的要求。

空間定位 局部放電 特高頻傳感器 群時(shí)延 靈敏度

1 引言

特高頻（Ultra High Frequency，UHF）法以其覆蓋范圍廣、靈敏度高、能夠識別并定位放電源等優(yōu)點(diǎn)，成為近二十年來國內(nèi)外局部放電檢測領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-7]。

近年來英國 Strathclyde大學(xué)的Philip Moore等人提出了特高頻陣列空間定位的思路[4-5]，通過四個(gè)特高頻傳感器組成傳感陣列，實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站內(nèi)放電源的檢測及空間定位。這樣的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，充分利用了特高頻技術(shù)靈敏度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢。相比目前的在線監(jiān)測和帶電檢測設(shè)備，在滿足狀態(tài)檢修工作要求的同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢。目前國內(nèi)上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)等高校已經(jīng)開始了相關(guān)的研究工作，并取得了一定的進(jìn)展[6-7]。

成功實(shí)現(xiàn)放電源空間定位的關(guān)鍵是特高頻傳感器，相比常規(guī)的特高頻傳感器，用于空間定位的傳感器需要有寬頻帶、低損耗、全向、群時(shí)延穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]分別采用了倒錐型和盤錐型傳感器對局放進(jìn)行空間定位，取得較好的效果，但兩種傳感器均較重且體積較大，不便于攜帶與安裝。本文主要介紹本課題組新近研制的一種輕便小巧的專用于空間定位的特高頻傳感器，該傳感器主體采用球面、錐形相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過特定的短接柱進(jìn)行性能調(diào)整，仿真及實(shí)測結(jié)果均顯示該傳感器，性能優(yōu)異，能滿足變電站空間定位的要求。

2 空間定位用特高頻傳感器的性能要求

為了實(shí)現(xiàn)變電站放電源的空間定位，傳感器陣列中采用的特高頻傳感器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如下幾個(gè)方面的要求。

2.1 寬頻帶

局放是寬頻脈沖信號，頻率可高達(dá)數(shù)GHz，且根據(jù)缺陷類型的不同，局放信號的主要頻率成份相差較大，為了滿足局放信號檢測的需要，特高頻傳感器需要有較寬的頻帶，典型的特高頻傳感器的工作頻率范圍為 500～1 500MHz[8]。

2.2 低反射損耗

當(dāng)天線與饋線不匹配的時(shí)候，會產(chǎn)生反射損耗，反射損耗越大，天線的效率就越低。為了提高天線的效率，一般要求功率損耗小于 10%[9]，與這個(gè)指標(biāo)相對應(yīng)的，需要天線的駐波比小于 2，即用于空間定位的特高頻傳感器駐波比應(yīng)該小于 2。

2.3 穩(wěn)定的群時(shí)延

群時(shí)延反映的是傳感器對寬頻信號不同頻譜分量的響應(yīng)情況。寬頻信號由傳感器接收后，如果傳感器對信號各個(gè)頻譜分量的響應(yīng)相差較大，會導(dǎo)致信號發(fā)生色散現(xiàn)象，影響檢測信號的波形[10]。

對用于局放檢測的寬頻帶傳感器，群時(shí)延為常數(shù)是理想情況，當(dāng)群時(shí)延穩(wěn)定性差時(shí)，傳感器接收到的局放脈沖波形上升沿會發(fā)生畸變，難以獲得清晰的脈沖上升沿，影響對局放源的定位[6]。為了滿足空間定位的需要，工程上一般要求傳感器有較好的群時(shí)延穩(wěn)定性，波動幅度小于 1ns[11-12]。

2.4 各向同性

增益用來定量描述天線電磁波輻射能量的集中程度，根據(jù)天線的互易定理，增益反映的也是天線接收電磁波能量的集中程度。特高頻傳感器增益的定義：定向天線和無方向天線在預(yù)定方向產(chǎn)生的電場強(qiáng)度平方之比[13]。

對于用于局放空間定位用的特高頻傳感器，要求其在各個(gè)方向上應(yīng)具有近似相同的增益特性，即各向同性，傳感器的增益接近0dB。

2.5 高靈敏度

靈敏度反映的是傳感器將空間電場轉(zhuǎn)化為電壓輸出的能力。特高頻傳感器的靈敏度由下式來定義[14]

靈敏度是特高頻傳感器最重要的參數(shù)之一，直接決定了檢測及定位系統(tǒng)的有效性。為此，英國NGC公司對特高頻傳感器的靈敏度做了明確的規(guī)定，在500～1 500MHz的頻率范圍內(nèi)，超過80%頻率范圍的最小靈敏度不小于2mm，全頻率范圍的平均靈敏度不小于 6mm[8]。

除了前面提及的各項(xiàng)性能要求，對于放電源空間定位用的特高頻傳感器而言，另一個(gè)比較重要的需要考慮的問題就是傳感器本身的小型化，因?yàn)闊o論是用于在線監(jiān)測還是帶電檢測場合，一個(gè)體形碩大的傳感器都是無法接受的，也是沒有實(shí)用價(jià)值的。

3 特高頻傳感器的設(shè)計(jì)

由前節(jié)工作頻帶的要求可知，用于局放源空間定位的特高頻傳感器應(yīng)為超寬帶天線。根據(jù)形態(tài)和功能，超寬帶天線可大致分為四類：①頻率無關(guān)天線，包括螺旋天線，對數(shù)周期天線和圓錐等角螺旋天線等，其優(yōu)點(diǎn)在于天線尺度變化決定其帶寬范圍，能具有10倍頻甚至更寬的帶寬，缺點(diǎn)在于存在明顯的色散性；②電小天線，包括雙錐天線，單極子天線和偶極子天線等，這類天線通常具有體積小、全向輻射和色散小等特點(diǎn)；③喇叭天線，包括錐板喇叭天線和同軸漸變喇叭天線等，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的增益性的定向輻射特性，缺點(diǎn)是與電小天線相比，喇叭天線一般體積較大且笨重；④反射器天線，如同喇叭天線，該類天線具有定向輻射和較高增益的優(yōu)點(diǎn)，但體積也一般較大[15]。對比四類超寬帶天線，其中電小天線比較適合于定位用特高頻傳感器。再結(jié)合其他幾項(xiàng)性能要求，本文選擇電小天線中具有漸變輻射體結(jié)構(gòu)的球面錐形單極子天線作為傳感器的基本結(jié)構(gòu)。

3.1 球面錐形天線的原理

本文設(shè)計(jì)的特高頻傳感器基于球面錐形單極子天線，球面錐形單極天線的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由金屬球錐、絕緣支撐件、接地金屬圓盤和50Ω N型接頭組成。

圖1 球面錐形單極天線模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of sphere-cone monopole antenna

如圖 1所示，D為接地金屬圓盤直徑，h為球錐頂點(diǎn)到金屬圓盤距離；W為圓錐底面直徑，H為圓錐高度；bp為球錐軸線；ap平行于圓錐外半徑R。

球面錐形單極天線是一種寬頻帶全向天線，其下限頻率fL（對應(yīng)于 VSWR≤2）可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算[15-17]

式中，ap、bp、h、W單位為cm；fL單位為MHz。

3.2 球面錐形特高頻傳感器結(jié)構(gòu)

目前天線研究領(lǐng)域減小天線尺寸主要采用曲流技術(shù)，即增加天線中電流從饋電點(diǎn)到輻射區(qū)域的路徑。實(shí)現(xiàn)曲流有添加短接柱(壁)、開槽和彎折等幾種方法[18-19]。對照球面錐形單極天線模型，本文設(shè)計(jì)時(shí)選用的是添加短接柱的方法。為了研究短接柱的加載對球面錐形單極天線頻率特性的影響，采用三維電磁仿真軟件 HFSS對幾種典型的短路柱加載方式進(jìn)行了仿真研究。

仿真模型的主要參數(shù)設(shè)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 短接柱到球錐中心軸距離對帶寬的影響

如圖2所示，在圓錐上對稱添加兩個(gè)短接柱，短接柱直徑 0.2cm，改變短接柱到球錐中心軸的距離 r，仿真計(jì)算不同 r時(shí)，天線駐波比曲線如圖 4所示。

圖2 添加兩個(gè)短接柱的天線模型Fig.2 Antenna model with two shorting pins

圖3 r不同時(shí)天線駐波比曲線Fig.3 VSWR curves of antennas when the r is changed

由圖3，短接柱到球錐中心軸的距離r變大時(shí)，天線帶寬（VSWR＜2）增加，故為了盡可能拓寬傳感器工作頻段，短接柱應(yīng)該加載在圓錐底部邊緣。

3.2.2 加載不同數(shù)量短接柱對比

圖4為四種不同數(shù)量（n）短接柱分布的仿真模型俯視圖。模型中，短接柱跨接于圓錐底部邊緣和接地金屬圓盤之間，沿圓錐底部圓周均勻分布。

圖4 四種不同短接柱分布的天線模型俯視圖Fig.4 Top view of four antenna models with different distributions of shorting pins

圖5 為四種不同短接柱分布天線仿真模型和不含短接柱天線仿真模型的駐波比曲線。

圖5 四種不同短接柱分布天線和不含短接柱天線駐波比曲線Fig.5 VSWR curves of antennas with four distributions of shorting pins and without shorting pin

由圖5可知，當(dāng)天線未加載短接柱時(shí)（n=0），fL為520MHz，駐波比在520～2 000MHz范圍內(nèi)小于2；n=1時(shí)，fL為500MHz，駐波比在500～2 000MHz范圍內(nèi)小于2；n=2時(shí)，fL為350MHz，駐波比在350～2 000MHz范圍內(nèi)均小于 2；當(dāng) n=3、4時(shí)，fL減小至未加載短接柱時(shí)的一半，同時(shí)，在部分頻段上，駐波比出現(xiàn)大于2的情況。這說明，短接柱數(shù)目增加時(shí)，天線下限工作頻率fL減小，但當(dāng)短接柱增加到一定數(shù)目時(shí)，在部分頻段上，天線與饋線的阻抗匹配度會劣化。

3.2.3 短接柱直徑對帶寬的影響

在圓錐底部距離球錐中心軸 11cm處添加兩個(gè)短接柱，改變短接柱的直徑，仿真計(jì)算不同直徑時(shí)天線駐波比曲線，結(jié)果如圖6所示。

由圖 6可知，當(dāng)短接柱直徑增加時(shí)，天線的 fL先減小后增加，說明增加短接柱的直徑能增加天線的帶寬，但當(dāng)直徑增加到一定值時(shí)，帶寬開始減小。

圖6 短接柱直徑不同時(shí)天線駐波比曲線Fig.6 VSWR curves of antennas for different diameters of shorting pins

基于以上的分析，本文設(shè)計(jì)的傳感器在球錐天線的圓錐底部邊緣增加了兩個(gè)對稱的短接柱，并根據(jù)文獻(xiàn)[10]將傳感器下限頻率定為500MHz。通過仿真優(yōu)化，傳感器最終尺寸定為：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。

由上述參數(shù)最后得到的傳感器實(shí)物如圖7所示。

圖7 傳感器實(shí)物圖Fig.7 UHF sensor used for PD location

3.3 特高頻傳感器性能分析

就前節(jié)設(shè)計(jì)的球錐特高頻傳感器，對照第2節(jié)的性能要求，逐一分析傳感器的各項(xiàng)性能。

圖8為球錐傳感器（無短接柱和添加短接柱）的駐波比實(shí)測和仿真曲線。其中，實(shí)測曲線為利用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀測試得到。

圖8 傳感器駐波比曲線Fig.8 VSWR curves of sensors

由圖8中的仿真和實(shí)測駐波比曲線可以看出，對于球錐傳感器，VSWR小于2對應(yīng)的頻率范圍為730～2 000MHz，而添加短接柱之后，頻帶范圍擴(kuò)展為 480～2 000MHz。由式（2）可知，對于球錐傳感器，當(dāng)其下限頻率為480MHz時(shí)，H=10.94cm，換言之，獲得相同的下限頻率，添加短接柱使得傳感器的尺寸約減小了35%。

由圖8可以看到，本文設(shè)計(jì)的球錐傳感器的帶寬（VSWR≤2）覆蓋了局放信號能量分布的主要頻率范圍。

圖9為傳感器的群延遲曲線，其中，虛線為仿真計(jì)算得到的結(jié)果，實(shí)線為安捷倫 E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的結(jié)果。

圖9 傳感器的群延遲曲線Fig.9 Group delay curves

由圖9可知，該傳感器在500～2 000MHz的頻帶范圍內(nèi)，群延遲在 0.5～1ns之間，從而保證了寬頻局放脈沖由傳感器接收后，信號色散小，能獲得較為清晰的脈沖上升沿。

圖10為仿真計(jì)算的傳感器在600MHz的三維方向圖，E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）方向圖。

圖10 傳感器600MHz方向圖Fig.10 Radiation patterns at 600MHz of the sensor

由圖 10中的仿真結(jié)果可以看到，傳感器在 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。

圖11 傳感器靈敏度曲線Fig.11 Sensitivity curve

圖11 給出了傳感器的靈敏度He曲線，由圖11可知，在 500～2 000MHz頻率范圍內(nèi)傳感器 He的平均值為 12.86mm，超過 80%的頻率范圍 He大于2mm，滿足英國 NGC對特高頻傳感器的靈敏度要求。

4 實(shí)驗(yàn)室局放源空間定位實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的特高頻傳感器對空間局放信號的檢測定位性能，本課題組搭建了局放空間定位試驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了局放空間定位實(shí)驗(yàn)。

4.1 局放源空間定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖12所示，為實(shí)驗(yàn)室局放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖，系統(tǒng)主要由無局放高壓試驗(yàn)電源，局放缺陷模型，JFD-2010型數(shù)字式局部放電檢測儀（檢測靈敏度為0.1pC）和局放空間定位系統(tǒng)組成。

圖12 實(shí)驗(yàn)室局部放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.12 Setup of PD experiment system

為了使空間定位的結(jié)果具有代表性，本文選用特高頻局放試驗(yàn)中常用的自由微粒放電模型[20-22]，如圖13所示，放電源為直徑為2mm的不銹鋼顆粒，上下電極板之間間距為 15mm，放電模型整體浸入絕緣油中。

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

為了對放電源進(jìn)行空間定位，需要至少四個(gè)特高頻傳感器[6-7]。為此，本課題設(shè)計(jì)的傳感器陣列也采用了四只特高頻傳感器，傳感器都處于同一水平面，構(gòu)成一個(gè)長方形的四個(gè)頂點(diǎn)，傳感器的相對位置如圖14所示。

圖14 傳感器陣列位置分布Fig.14 Sketch map of sensor array

利用傳感器陣列進(jìn)行空間定位時(shí)，主要是同步采集各傳感器的信號，通過計(jì)算信號到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間差來確定放電源的位置。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)空間定位系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)過程中保持傳感器陣列的位置不變，改變放電模型的相對位置，并通過DWM40L角度測量儀（測量范圍：0～220°，準(zhǔn)確度±0.1°）對模型位置進(jìn)行測量。如圖14所示，改變模型的方位角θ（相對于參考方向，逆時(shí)針的角度為正），θ 分別為 46.5°、-30.0°和-67.5°。本文的定位結(jié)果為相對于參考方向的偏離角度，如圖15所示，三種情況下300次定位數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見下表。

圖15 實(shí)驗(yàn)室局放源定位效果Fig.15 PD location effect in lab

表 局放源定位結(jié)果Tab. PD location results

由上表可以看到，空間定位系統(tǒng)的定位結(jié)果存在接近2°的誤差，這個(gè)誤差的產(chǎn)生可能有如下幾個(gè)方面的原因：①脈沖波形相對失真，這主要是由于傳感器、放大器等硬件部分性能不一致，從而導(dǎo)致檢測到的脈沖波形之間存在時(shí)延、畸變，進(jìn)而影響定位結(jié)果；②環(huán)境噪聲，噪聲干擾信號與放電脈沖疊加在一起，會影響脈沖的提取及波形的光滑一致性；③定位算法不夠精準(zhǔn)，空間定位算法涉及脈沖波形的提取、脈沖起始時(shí)間點(diǎn)的確定、求解的算法及收斂的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際應(yīng)用情況顯示，上述可能產(chǎn)生誤差的原因中，硬件方面的問題對定位誤差的影響較小，影響較大的主要是環(huán)境噪聲水平和定位算法。對于同一個(gè)放電源而言，由于脈沖信號波形上的差異及定位算法的影響而產(chǎn)生的定位結(jié)果偏差可以通過多次重復(fù)定位，對定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來降低。

就變電站的規(guī)模及一般電力設(shè)備的尺寸（米級）而言，上表中2°的方位角誤差可以滿足故障設(shè)備定位的要求，如果移動傳感器陣列，綜合多個(gè)位置下多次的方位角定位結(jié)果，則可以更大程度上減少方位角誤差帶來的影響，獲得更高的定位準(zhǔn)確度。

相比實(shí)驗(yàn)室，變電站現(xiàn)場的電磁環(huán)境會復(fù)雜許多，而且經(jīng)常會遇到同時(shí)存在多個(gè)放電源的情況。對于較高的電磁環(huán)境噪聲水平，除了硬件方面需要做濾波處理之外，軟件方面在提取脈沖波形之前，也需要做必要的降噪處理，最大程度上降低環(huán)境噪聲的影響[28,29]；對于存在多個(gè)放電源的情況，需要采取必要的統(tǒng)計(jì)分析，具體實(shí)施時(shí)，當(dāng)定位結(jié)果出現(xiàn)在某一方位角范圍（如 30°）的概率超過一定閾值（如0.2）時(shí)，即認(rèn)為在該方位范圍內(nèi)存在局放源，如多個(gè)方位角范圍均符合這種情況，則可認(rèn)為變電站中存在多個(gè)放電源。

5 結(jié)論

在系統(tǒng)研究總結(jié)放電源空間定位用特高頻傳感器性能要求的基礎(chǔ)上，本文基于單極天線原理和曲流技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于放電源空間定位的球錐特高頻傳感器，該傳感器具有如下的特點(diǎn)：

（1）工作頻帶寬為500～2 000MHz。

（2）具有近似全向的特性。

（3）損耗小，VSWR小于2。

（4）群時(shí)延穩(wěn)定，波動數(shù)值為 0.5～1ns。

（5）靈敏度高，He平均值大于12mm。

（6）體積小，便于現(xiàn)場應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室放電源定位結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的特高頻傳感器可實(shí)現(xiàn)局放源的空間定位。

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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

葉海峰 男，1982年生，博士研究生，研究方向?yàn)榇笮碗娏υO(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃) 資助項(xiàng)目(SS2012AA050803)。

2013-04-22 改稿日期 2013-09-10

錢 勇 男，1977年生，博士，講師，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與智能化。