劉孝全，周澤宏，崔玉家，黃 昊，周 茂，姚陳果

(1.重慶市電力公司，重慶400014;2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

1 引言

隨著變電站電氣設(shè)備電壓等級(jí)和智能程度不斷提高，電暈現(xiàn)象的發(fā)生越來(lái)越頻繁，對(duì)整個(gè)變電站的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。而要有效抑制高壓設(shè)備電暈放電對(duì)電力系統(tǒng)的危害和對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，除了合理設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備制造水平外，對(duì)電氣設(shè)備電暈的檢測(cè)和診斷也是非常必要的［1-2］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)檢測(cè)電氣設(shè)備電暈放電的方法進(jìn)行了大量研究，其中光學(xué)檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法因?yàn)槠渚哂袡z測(cè)可靠、能對(duì)電暈進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)從而得到廣泛的研究和應(yīng)用［3］。但由于光和超聲波在空氣和媒介中傳播衰減嚴(yán)重，因此檢測(cè)設(shè)備難以檢測(cè)到較遠(yuǎn)距離外設(shè)備的電暈情況，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在一定局限［4-5］。

電磁波在空氣中傳播，10GHz以下頻段大氣吸收造成的信號(hào)損耗很小，因此相比起光信號(hào)和超聲波信號(hào)，電磁波信號(hào)在空氣中傳播衰減很小。另外，由于電暈大多發(fā)生在位于尖端的非均勻場(chǎng)中，因此輻射出的電磁波信號(hào)能量遠(yuǎn)大于周?chē)碾姶疟尘霸肼暎哂辛己玫男旁氡龋?-7］。因此，無(wú)線電方法檢測(cè)電氣設(shè)備電暈具有比光檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法更大的檢測(cè)距離和靈敏度，若將全向天線陣列安裝于變電站內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站電氣設(shè)備電暈情況的監(jiān)測(cè)及定位［8］?；诖耍疚难兄屏怂矫?H面)全向性、寬頻帶和高增益的用于電暈檢測(cè)的天線傳感器，該天線具有靈敏度高、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、便于攜帶和安裝的特點(diǎn)，基于該天線可以開(kāi)發(fā)出監(jiān)測(cè)變電站全站設(shè)備電暈情況的系統(tǒng)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 天線傳感器的分析和選型

2.1 天線傳感器的設(shè)計(jì)要求

天線傳感器要能夠接收到一定距離外因電氣設(shè)備電暈放電而輻射到空氣中的電磁波信號(hào)，必須確保天線在設(shè)計(jì)上要滿足以下條件:

(1)在H面具有全向性，從而有效接收來(lái)自各水平方向的電暈信號(hào);

(2)具有合適的帶寬，為盡可能多地提取放電信息要求天線工作頻帶至少覆蓋電暈電磁波信號(hào)能量最強(qiáng)頻段;

(3)具有較高的靈敏度，由于天線的靈敏度和其帶寬成正相關(guān)，因此天線工作頻帶應(yīng)盡可能寬;

(4)具有較高的增益，確保能檢測(cè)到較遠(yuǎn)距離外微弱的電暈信號(hào);

(5)天線尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、便于安裝。

2.2 天線傳感器的分析和選型

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，需要選擇寬帶天線進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，雙錐偶極子天線則是典型的寬帶天線，比起寬度固定的振子，雙錐結(jié)構(gòu)具有固定角度從而半徑平滑變化，可以得到比振子天線更大的帶寬。將雙錐天線的上錐由圓盤(pán)取代，得到盤(pán)錐天線。該天線盤(pán)地面連接同軸傳輸線內(nèi)導(dǎo)體，錐臺(tái)連接同軸傳輸線外導(dǎo)體，可以提供H面全向方向圖以及上下限頻率比超過(guò)3∶1的寬帶性能。

由互易定理可知，對(duì)天線接收特性和輻射特性的分析是等效的，因此本文分析盤(pán)錐天線的輻射特性和特性阻抗。在球面坐標(biāo)系(r，θ，φ)下，假設(shè)雙錐天線兩半導(dǎo)體均為無(wú)限錐形表面，在兩導(dǎo)體縫隙處施加電壓則電流從縫隙處沿導(dǎo)體表面流出，并且由此產(chǎn)生磁場(chǎng)。又假設(shè)其傳輸TEM波則電場(chǎng)垂直于磁場(chǎng)方向，在錐間區(qū)域滿足

其中對(duì)r分量和對(duì)θ分量為

非對(duì)稱雙錐天線的上錐錐角變?yōu)?0°就將其變形為盤(pán)錐天線，在此基礎(chǔ)上根據(jù)前人研究的非對(duì)稱雙錐天線輻射特性就可以推導(dǎo)出盤(pán)錐天線的輻射特性，盤(pán)錐天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量如下:

式中，V0是發(fā)射機(jī)供給盤(pán)錐天線的發(fā)射電壓;θh是盤(pán)錐天線錐角;β=2π/λ，η=。

而盤(pán)錐天線的特性阻抗也可以通過(guò)非對(duì)稱雙錐天線的特性阻抗進(jìn)行推導(dǎo)，非對(duì)稱雙錐天線的終端電壓和電流為

式中，θ1為雙錐天線的上錐錐角;θ2為雙錐天線的下錐錐角。

則任意點(diǎn)r處的特性阻抗為

盤(pán)錐天線是非對(duì)稱雙錐天線θ1=90°的情況，則盤(pán)錐天線阻抗特性

從上述對(duì)盤(pán)錐天線的分析來(lái)看，相比起雙錐天線，盤(pán)錐天線盤(pán)地面下方的輻射特性和雙錐天線下半部分一樣，而輸入阻抗是對(duì)稱雙錐天線輸入阻抗的一半，因此盤(pán)錐天線可以在更小體積的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的寬帶性能和更大的增益;另外盤(pán)錐天線作為單極子天線使用同軸電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，有利于接收設(shè)備接收信號(hào)。因此本文選擇盤(pán)錐天線作為檢測(cè)變電站內(nèi)電氣設(shè)備電暈放電的傳感器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

3 盤(pán)錐天線的設(shè)計(jì)和性能實(shí)測(cè)

3.1 接收天線評(píng)價(jià)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的盤(pán)錐天線需要關(guān)注的指標(biāo)為帶寬、增益和方向圖。

工程上最常用的單極子天線帶寬是指天線駐波比小于2的頻帶。天線增益指在輸入功率相等的情況下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比。對(duì)電暈信號(hào)的檢測(cè)而言，同等信號(hào)強(qiáng)度條件下天線增益越大檢測(cè)的距離越遠(yuǎn)。天線方向圖包括H面方向圖和垂直面(E面)方向圖，表示天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。

3.2 盤(pán)錐天線的加工制作和性能測(cè)試

已有的研究表明錐角25°、圓盤(pán)與錐臺(tái)間連接軸高度等于錐臺(tái)上表面半徑情況下盤(pán)錐天線增益、方向圖穩(wěn)定性及其與饋線的匹配情況最佳，另外，天線的錐臺(tái)高度決定了天線工作的中心頻率并對(duì)其下限工作頻率有顯著影響，并且天線的增益和帶寬還與天線盤(pán)半徑有關(guān)。

考慮到用于檢測(cè)MHz的電暈信號(hào)，加工設(shè)計(jì)錐角25°、高度30cm、盤(pán)半徑20cm的盤(pán)錐天線。如圖1所示該天線在加工上采用了離散化方式，每個(gè)面都用12根盤(pán)桿代替，在天線增益和帶寬等性能不受影響的基礎(chǔ)上既減輕了重量同時(shí)使得該天線各部分可拆卸，便于攜帶和安裝。

圖1 離散化加工的盤(pán)錐天線Fig.1 Discrete made discone antenna

天線加工完成后對(duì)其阻抗帶寬、方向圖和增益進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)試得到盤(pán)錐天線在頻帶10MHz～1GHz內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)特性，完全滿足電暈檢測(cè)的帶寬要求。盤(pán)錐天線是H面全向天線，因此只考察其E面的方向圖性能，天線E面方向圖最大增益方向在天線下方，適合接收從低處傳來(lái)的信號(hào)。利用AV1487B信號(hào)源和HP8592L頻譜分析儀測(cè)試得到天線在工作頻帶內(nèi)平均增益大于4dB，對(duì)全向?qū)拵炀€而言該增益較為理想。

4 盤(pán)錐天線的變電站實(shí)測(cè)

4.1 變電站電暈放電信號(hào)實(shí)測(cè)

將4個(gè)盤(pán)錐天線組成的天線陣列安裝于某220kV敞開(kāi)式變電站主控室樓頂進(jìn)行信號(hào)采集，安裝在主控室位置的好處是全向天線陣列位于變電站中間位置可以有效接收來(lái)自各個(gè)方向的設(shè)備發(fā)出的電暈信號(hào)。如圖2所示是示波器通過(guò)主控室樓頂?shù)奶炀€陣列采集到的來(lái)自該變電站2號(hào)主變壓器220kV出線側(cè)B相隔離開(kāi)關(guān)的放電信號(hào)，幅值至少可達(dá)80mV以上，而如圖3所示在主控室樓頂測(cè)得的變電站固有背景噪聲幅值一般不超過(guò)10mV，因此該放電信號(hào)與背景電磁噪聲相比具有良好的信噪比(SNR)。

圖2 放電源的放電信號(hào)Fig.2 Discharge signal of discharge source

圖3 實(shí)測(cè)的220kV變電站背景噪聲Fig.3 Background noise of 220kV substation

如圖4所示，變電站工作人員在放電所在位置用廈門(mén)紅相公司生產(chǎn)的超聲波放電檢測(cè)儀 Ultra TEV plus+也檢測(cè)到了放電的發(fā)生。而在變電站其他位置天線陣列和超聲波放電檢測(cè)儀都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在放電情況。

圖4 變電站實(shí)測(cè)及放電源位置Fig.4 Substation measurement and position of discharge source

4.2 檢測(cè)信號(hào)的分析

對(duì)存在放電情況的隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，確定是空氣絕緣部分放電即電暈放電，如圖5所示，放電信號(hào)頻帶主要部分在350MHz以下，但在1GHz以下頻帶也有分布，可見(jiàn)該電暈激發(fā)至空氣中的電磁波信號(hào)頻帶分布比較廣泛，用寬帶天線作為檢測(cè)傳感器具有優(yōu)勢(shì)。該放電能被幾十米外的天線傳感器檢測(cè)到，并有較大的信號(hào)幅值，證明電暈在發(fā)生時(shí)具有較大的放電量，不僅可能腐蝕隔離開(kāi)關(guān)的觸頭表面，還會(huì)對(duì)無(wú)線電通信和電視信號(hào)造成干擾，試驗(yàn)人員已向相關(guān)部門(mén)反映該情況。由于整個(gè)變電站只有該隔離開(kāi)關(guān)處檢查到放電現(xiàn)象，分析原因可能是該開(kāi)關(guān)觸頭表面有毛刺或未保持光滑所致，另外，該放電在陰雨天偶爾發(fā)生，晴朗天氣則未檢測(cè)到發(fā)生放電，表明空氣濕度的增加會(huì)加劇放電。

圖5 放電信號(hào)頻帶分布Fig.5 Frequency distribution of discharge signal

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果看，天線成功檢測(cè)到了水平距離35m外的電暈信號(hào)，證實(shí)其具有良好的遠(yuǎn)距離電磁波信號(hào)接收能力，而用便攜式超聲波放電檢測(cè)儀須通過(guò)巡檢并距離放電設(shè)備較近才能發(fā)現(xiàn)存在的放電現(xiàn)象。變電站實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文研制的盤(pán)錐天線可檢測(cè)到遠(yuǎn)距離外設(shè)備的電暈放電，基于該天線可以開(kāi)發(fā)出用于變電站電氣設(shè)備電暈監(jiān)測(cè)和定位的系統(tǒng)，在工程應(yīng)用上具有某些方面的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

(1)本文通過(guò)分析輻射特性和特性阻抗，確定了將盤(pán)錐天線設(shè)計(jì)為用于非接觸檢測(cè)變電站內(nèi)電氣設(shè)備電暈的傳感器具有優(yōu)勢(shì)，加工出的天線帶寬為10MHz～1GHz以上，E面方向圖增益最大方向在天線下方，平均增益達(dá)4dB以上。

(2)在變電站電暈檢測(cè)的試驗(yàn)中，盤(pán)錐天線陣列接收到了35m外隔離開(kāi)關(guān)處發(fā)出的空氣絕緣放電信號(hào)，證實(shí)了該天線具有良好的遠(yuǎn)距離電暈信號(hào)檢測(cè)能力。

(3)未來(lái)將基于本文設(shè)計(jì)的盤(pán)錐天線開(kāi)發(fā)出固定式或移動(dòng)式變電站全站設(shè)備電暈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)工作時(shí)不與設(shè)備發(fā)生接觸，通過(guò)更多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開(kāi)展基于無(wú)線電方法的變電站設(shè)備電暈監(jiān)測(cè)及定位的研究。

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