gis局部放電檢測用矩形平面螺旋天線傳感器設計

gis局部放電檢測用矩形平面螺旋天線傳感器設計

0外來電路監(jiān)測或放電局部放炮信號作為一個重要的指標，在gis的絕緣性能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。其主要的電監(jiān)測法分別為脈沖電流法與超高頻(UHF)法,超高頻法利用安裝在GIS盆式絕緣子處的內置或外置傳感器,接收由PD激發(fā)的電磁波中300~3000MHz的信號,來評價局部放電的情況,可有效避開現(xiàn)場的諸多干擾信號,具有頻率高、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點,適于在線監(jiān)測。通過對UHF信號進行分析,不僅能判斷GIS中是否存在絕緣缺陷,而且能對絕緣故障的發(fā)生及嚴重程度做出正確評價。目前監(jiān)測GIS局部放電的天線傳感器主要分為兩種,即內置傳感器與外置傳感器。內置傳感器置于GIS內部,必須在GIS設備設計時便考慮在內,以求對內部電場無附加影響,其優(yōu)點是靈敏度高、檢測效果好、抗干擾能力強。外置傳感器主要用于現(xiàn)場已投運的不自帶內置傳感器的GIS設備,主要安裝于盆式絕緣子處,通過采集泄漏出的局部放電信號電磁波來對GIS的絕緣狀況進行檢測,其優(yōu)點是不影響設備內部電場、安裝維護方便等。為適用于超高頻檢測法的開展,滿足小型化、寬頻帶的發(fā)展趨勢,兼顧傳感器的帶寬和增益,以求接收更多的局部放電信號,本文研制了一種用于檢測GIS局部放電的外置超高頻傳感器,具有結構簡單,體積小,寬頻帶,便于安裝的特點,并對其參數(shù)指標進行了仿真與實驗分析,可有效檢測超高頻信號,滿足GIS設備的在線監(jiān)測要求。1平面等角螺旋天線螺旋天線(helicalantenna)是用導電性良好的金屬做成的具有螺旋形狀的天線。螺旋天線具有圓極化,波束寬度寬的優(yōu)點,因此被廣泛在衛(wèi)星通訊及個人移動通信中。螺旋天線按其結構形式可分為立體螺旋天線和平面螺旋天線。立體螺旋天線根據(jù)繞成的形狀的不同,又可分成圓柱形螺旋天線、圓錐形螺旋天線等,如圖1所示。平面螺旋天線分為等角和Archimedes螺旋天線。在結構上有單壁,雙臂,四臂之分。Archimedes螺旋天線的螺旋半徑隨幅角的增加均勻增加,其曲線方程為式中:r0是初始半徑;a是螺旋增加率;φ是幅角,單位為弧度。以雙臂Archimedes螺旋天線為例,示意圖如圖2(a)所示。該天線一般在螺旋面的中心起始端兩點采用平衡饋電,而主要輻射區(qū)域是集中在平均周長為1個波長的環(huán)帶上,也稱有效輻射區(qū)。當頻率改變時,有效輻射區(qū)隨之改變,但輻射方向圖基本不變。而當有效輻射區(qū)為天線的最外圈區(qū)域時,其頻率即為天線的最低工作頻率。對于圓形螺旋面,周長C=π×D=λmax,則可得天線外徑平面Archimedes螺旋天線自20世紀50年代被提出以來,由于其寬頻帶、圓極化、低剖面等特性,得到越來越廣泛的重視和應用。平面等角螺旋的曲線方程為式中:φ0為螺旋天線的初始角;r0是與φ0相對應的矢徑;α為螺旋增加率。平面等角螺旋天線如圖2(b)所示。螺旋線可近似等效為雙線傳輸線,根據(jù)傳輸線理論,兩根傳輸線上的電流反相,當兩線之間的間距很小時,傳輸線不產(chǎn)生輻射。當螺旋線外徑達到波長時,在圖中分別用虛線和實線表示這兩個臂。以圖3簡化模型研究圖中P、P′點處的兩線,設,即P和Q為兩臂上的對應點,對應線段上的電流相位差為式中:λ是輻射頻率波長;r是螺旋天線半徑。當螺旋線周長近似為輻射頻率波長時,對應線段上的電流相位差為2π,相位增強,天線向外輻射。2矩形平面螺旋天線特征2.1天線結構1archi面臨螺旋結構的構造和結構特點由于矩形螺旋結構作為Archimedes螺旋結構的變形,不僅具有Archimedes螺旋結構的一些優(yōu)點外,而且其構造更簡單,空間利用率更高。故本文所設計的螺旋天線采用平面矩形螺旋結構,既便于生產(chǎn)制造,又可有效減小天線尺寸與重量。2前置超高頻傳感器的結構平面螺旋天線具有頻帶寬、體積小、主瓣寬、圓極化等特點,為法向雙向輻射,但在實際應用中,要求天線具有單向輻射特性,故本文所設計的外置超高頻傳感器的結構為半封閉式矩形平面螺旋天線,除接收面外,其他面采用金屬屏蔽腔進行屏蔽,并加反射腔,然后填充吸波材料以保持螺旋天線的寬頻帶特性。3蝶形金屬振子天線的應用為增加帶寬,螺旋線終端采用蝶形振子加載方式(見圖4)來減小螺旋線外圍的傳輸損耗。蝶形天線剖面低,重量輕、安裝方便。決定其性能的兩個主要因素為其張角θ0和臂長l(見圖5),其工作頻帶隨著張角θ0的增大而變寬。而為了實現(xiàn)天線的小型化要求,蝶形振子的張角不宜過大。另一重要的參量l,蝶形金屬振子的臂長,其決定天線輸入阻抗帶寬低端頻率,天線的低頻輻射性能隨著臂長l的增大而改善,對于工作信號是高斯脈沖的天線來說其輻射波形的保真度就會越高。根據(jù)經(jīng)驗公式,低端頻率對應的波長與蝶形天線臂長l之間有如下關系式中:λ1為天線輸入阻抗帶寬的低端頻率相應波長;Zc為特性阻抗,由下式給出蝶形天線和等角螺旋天線都是寬帶天線,采取寬帶天線的加載方式后,即可以實現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配,又減小了傳輸損耗,從而改善了天線的輻射特性。本文所設計的矩形螺旋天線實物圖如圖6所示,其天線尺寸為132mm×85mm×50mm,質量為278g。2.2接收性能分析工程上常用駐波比(VSWR)表明天線的阻抗與傳輸線阻抗的失配程度。駐波比是行波系數(shù)的倒數(shù),其值在1到無窮大之間,對天線進行仿真所得的駐波比曲線如圖7所示,從圖中可以看出,在1.6~2.2GHz,2.3~3GHz的范圍內其VSWR<2,具有較寬的頻率范圍。一般情況下,天線的阻抗值未知,可以用實測的電壓駐波比計算得到,并用VSWR計算出反射系數(shù)的模。實測的駐波比如圖8所示,測試結果顯示,在1.1~1.6GHz,1.85~2.75GHz,2.85~3GHz等頻段駐波比<2,接收性能良好。1GHz以下頻段駐波特性較差,不能較好的接收信號。圖7和圖8對比,可以看出仿真與實測結果基本一致。2.3增益的變化對天線增益的實測結果見表1所示,隨著頻率的升高,增益總體呈逐漸變大的趨勢。在3000MHz時,其增益可達到11.7dB,在最低頻點增益最低,為-36dB。2.4頻點實測方向由于螺旋天線具有軸向的旋轉對稱性,故只測試了500MHz到3GHz水平面的圓極化方向圖,各頻點實測方向圖見圖9所示,其相應參數(shù)如表2所示?？梢钥闯?隨著頻率的升高,該天線的增益有升高的趨勢,同時該天線在全頻段實現(xiàn)了較好的定向輻射特性。主瓣寬度為主瓣中輻射功率為最大值一半時2個矢徑間的夾角,可用于表示天線功率輻射擊集中程度,主瓣寬度越小,方向圖越尖銳,表示天線輻射越集中。3微帶麻黃天線的信號特性為驗證新型螺線天線的增益特性,采用在GIS針板缺陷裝置進行局部放電實驗,將新型平面螺旋天線所采集到局部放電信號與微帶貼片天線(如圖10所示)進行對比研究。使用泰克數(shù)字示波器(TektronixOscilloscope7104,帶寬1GHz,最大采樣率20GHz)采集局部放電信號波形。微帶貼片天線頻帶340~440MHz,實測最大增益5.38dB,尺寸為261mm×142mm×112mm,質量為1040g。從外觀可以看出,矩形螺旋天線尺寸相比微帶貼片天線小得多,相當于其1/7大小,而重量相當于其1/3左右,具有顯著的小型化、輕型化特點,安裝更為方便。當對GIS缺陷模型加壓至9kV時,同時用兩種外置傳感器接收到的PD信號波形如圖11所示,其中矩形平面螺旋天線的實測信號,最大幅值為10mV;微帶貼片天線測得的信號最大幅值18mV。螺旋天線測得的信號衰減較快,原因是由于其頻帶比微帶天線寬,可接收UHF信號中更多頻帶的能量,電磁波折反射的能量較小。然而由于其體積較微帶天線小,在1GHz以下的增益不如微帶天線,故試驗接收到的UHF信號幅值也相對較低,不過也可滿足UHF信號檢測要求。4新型面螺旋天線結構通過對矩形平面螺旋天線進行分析和仿真計算,測試了該天線的輻射特性。與微帶貼片天線的實測結果進行對比,得出如下結論:1)矩形平面螺旋天線結構尺寸比微帶貼片