辛文成，姚森敬，陳浩敏，席 禹，張 凡，敖 榜，申 晨，林曉青，汪 沨

(1.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東 廣州 510000；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710199；3.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

局放發(fā)生時(shí)伴隨出現(xiàn)電、磁效應(yīng)的變化，這些特征能夠用于表征氣體絕緣組合電器(gisinsulatedsubstation，GIS)內(nèi)部局放的發(fā)生[1]。其中，特高頻法(ultra high frequency，UHF)就是通過(guò)監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)部或者外部300 MHZ～3 GHZ頻段范圍的電磁波，實(shí)現(xiàn)局放檢測(cè)[2]。局放現(xiàn)象是GIS內(nèi)部出現(xiàn)絕緣劣化的早期外在表現(xiàn)，如果不能及時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行有效控制和處理則會(huì)導(dǎo)致絕緣進(jìn)一步劣化，從而引發(fā)嚴(yán)重的破壞性放電甚至重大事故。

UHF天線的作用是接收PD激發(fā)的電磁波信號(hào)，其性能直接決定了UHF PD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。螺旋天線包括等角和阿基米德螺旋天線2種。文獻(xiàn)[3]研制了一種新的小尺寸水平型阻抗變換器，并與傳統(tǒng)的垂直型阻抗變換器的匹配性能進(jìn)行了對(duì)比研究。阿基米德螺旋天線由2條對(duì)稱(chēng)螺旋臂構(gòu)成，文獻(xiàn)[4]對(duì)該型天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外UHF的分形天線具有自相似和空間填充屬性，使天線實(shí)現(xiàn)小型化。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了用于變壓器PD檢測(cè)的三階Hilbert分形內(nèi)置式天線；在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]研制了四階Hilbert分形天線，但其增益較小，通帶內(nèi)最低增益僅-28 dBi，需要使用增益放大器。

針對(duì)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)UHF傳感系統(tǒng)將天線和后置電路通過(guò)同軸電纜直接相連，信號(hào)將會(huì)有較大的衰減，特別是大型GIS中嚴(yán)重的衰減會(huì)極大降低系統(tǒng)的信噪比[7]，其次是匹配損耗；對(duì)于寬頻帶天線而言，不匹配影響的結(jié)果是信號(hào)衰減嚴(yán)重，帶寬降低[8]；另外還會(huì)引入噪聲，天線接收到的信號(hào)幅值往往在微伏至毫伏數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，此時(shí)噪聲對(duì)信號(hào)影響嚴(yán)重，信噪比低。

基于以上傳統(tǒng)問(wèn)題，文獻(xiàn)[9-10]對(duì)內(nèi)置的GIS局部放電信號(hào)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了圓環(huán)形、圓板形的內(nèi)置信號(hào)傳感系統(tǒng)，并分別采用電容親合模型和天線模型對(duì)比研究了這2種傳感器檢測(cè)局放信號(hào)的性能。窄帶傳感系統(tǒng)存在缺陷檢測(cè)種類(lèi)少的問(wèn)題，引入寬頻帶技術(shù)雖然能解決此問(wèn)題，但是放大濾波器等預(yù)處理裝置又導(dǎo)致檢測(cè)范圍較小。如果不進(jìn)行降頻預(yù)處理而是直接處理UHF頻段的局放信號(hào)，則對(duì)高速數(shù)字采集器提出極高的要求。文獻(xiàn)[11]對(duì)信號(hào)處理及通信進(jìn)行了研究，已經(jīng)具有類(lèi)似IEC 61850的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)，但是因?yàn)樵撏ㄐ艑?shí)現(xiàn)為自行設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，因此無(wú)法與各種已有的智能變電站配合和對(duì)接。目前，用于GIS局放檢測(cè)系統(tǒng)的傳感與檢測(cè)部分大多需通過(guò)通訊電纜連接，當(dāng)具有多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)布線多，檢測(cè)不方便。

因此，本文設(shè)計(jì)一種有源集成傳感系統(tǒng)，將天線與有源電路集成在同一介質(zhì)板上，使天線接收到的信號(hào)能夠立即進(jìn)行處理，將處理后的較低頻(10 MHz)、較高幅值(5 V峰峰值)的信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸，這樣既避免了平衡信號(hào)在不平衡線路中的傳輸，又降低了傳輸線的損耗，可以有效提高系統(tǒng)的信噪比。

1 GIS局部放電電磁波的傳播衰減特性

GIS可近似為由兩同軸長(zhǎng)導(dǎo)體管構(gòu)成的圓波導(dǎo)系統(tǒng)[12]，內(nèi)部不僅可以有橫電磁波(transverse electric and magnetic field，TEM)，還可能存在高次模波(TM和TE波)。

GIS中TEM波沿傳播方向按指數(shù)函數(shù)衰減。衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β滿(mǎn)足：

(1)

對(duì)于TE或TM波，截止頻率滿(mǎn)足：

(2)

電磁波頻率高于fc時(shí)有相位常數(shù)β；低于fc時(shí)有衰減常數(shù)α。GIS呈高通濾波器特性，高次模波不同，相應(yīng)截止頻率也不同。但在同軸長(zhǎng)導(dǎo)體管構(gòu)成的波導(dǎo)系統(tǒng)中高次模波不是主模，因此，僅對(duì)較低次模波的截止頻率進(jìn)行定量分析。由邊界條件可得：

(3)

式(3)表明GIS內(nèi)導(dǎo)體直徑a和外壁直徑b越大，截止頻率越低。以220 kV某國(guó)產(chǎn)GIS為例，內(nèi)導(dǎo)體和外壁直徑分別為9.0、33.4 cm，可求得截止頻率為231 MHz。

實(shí)際GIS罐體并非由理想同軸長(zhǎng)導(dǎo)體管構(gòu)成，各段之間有絕緣子間隔，且存在盤(pán)式絕緣子、L型轉(zhuǎn)角等特殊結(jié)構(gòu)。因此，與上述理想圓波導(dǎo)系統(tǒng)相比，實(shí)際GIS中電磁波的傳播衰減特性存在不同[13]。

2 GIS內(nèi)電磁波傳播HFSS仿真

簡(jiǎn)化的GIS波導(dǎo)建模沒(méi)有考慮到絕緣子間隔、L型轉(zhuǎn)角以及盤(pán)式絕緣子等特殊結(jié)構(gòu)，只能定性分析電磁波衰減特性。為了計(jì)算實(shí)際GIS中電磁波衰減的量值，從而進(jìn)一步確定傳感系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍寬度要求，對(duì)220 kV的GIS進(jìn)行高頻結(jié)構(gòu)仿真(high frequency structure simulator，HFSS)，量化衰減值，仿真計(jì)算結(jié)果為信號(hào)對(duì)數(shù)域壓縮范圍提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

建立的直線GIS仿真模型如圖1所示，母線總長(zhǎng)為10.08 m，導(dǎo)體外徑為9 cm，外殼內(nèi)徑為33.4 cm；導(dǎo)體與蓋板部分為鋁材料，GIS左右兩側(cè)各有一圓形封裝蓋板；4個(gè)支撐絕緣子分別位于離左側(cè)蓋板0.5、2.6、4.6、6.6 m處；施加激勵(lì)于距左側(cè)蓋板2 m尖端處。為了降低模型的復(fù)雜度，盤(pán)式絕緣子模型設(shè)置為外徑37.4 cm、厚度4 cm的圓柱體平板，絕緣子相對(duì)介電常數(shù)為6.0。

圖1 直線GIS模型Figure 1 The model of linear GIS

直線GIS場(chǎng)分布如圖2所示，仿真結(jié)果表明電場(chǎng)強(qiáng)度在直線約10 m母線內(nèi)衰減了約21.5 dB；帶“L”型轉(zhuǎn)角的GIS仿真模型如圖3所示，模型包含2個(gè)“L”型轉(zhuǎn)角，總長(zhǎng)度約24.5 m。在距左端2 m處加入尖端，施加激勵(lì)計(jì)算局放電磁波經(jīng)過(guò)“L”型轉(zhuǎn)角時(shí)的衰減情況。

圖2 直線GIS場(chǎng)分布Figure 2 Field distribution oflinear GIS

圖3 GIS模型(帶“L”型轉(zhuǎn)角)Figure 3 GIS model (with “L” corner)

GIS的場(chǎng)分布如圖4所示，經(jīng)過(guò)“L”型轉(zhuǎn)角時(shí)電磁波整體電場(chǎng)強(qiáng)度衰減了約55.6 dB。文獻(xiàn)[14]在220 kV GIS長(zhǎng)約22 m的單相母線中進(jìn)行了衰減實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)體懸浮電位放電最大處衰減約為52 dB、尖端放電最大處衰減約為37 dB，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文仿真結(jié)果相近。

圖4 GIS的場(chǎng)分布(帶“L”型轉(zhuǎn)角)Figure 4 Field distribution of GIS (with "L" corner)

考慮不同廠家生產(chǎn)的GIS尺寸結(jié)構(gòu)不能完全相同，并且應(yīng)用的電壓等級(jí)也不盡相同，故較長(zhǎng)GIS中傳感系統(tǒng)需要40 dB的動(dòng)態(tài)范圍，以保證距離放電點(diǎn)10 m的較大范圍內(nèi)可以有效檢測(cè)到PD信號(hào)。

3 寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)檢測(cè)方法

對(duì)于寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，常用的6種信號(hào)調(diào)理方法的帶寬、精度等[15]如表1所示。由于GIS中傳播的TE和TM波其頻率在200 MHz以上，因此,難以用帶寬低于200 MHz的調(diào)理電路處理GIS的局放檢測(cè)。針對(duì)GIS局放監(jiān)測(cè)的帶寬特點(diǎn)，本文選擇對(duì)數(shù)放大調(diào)理方法在對(duì)數(shù)域壓縮局部放電信號(hào)，從而增加動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)數(shù)放大調(diào)理方法采用真有效值對(duì)數(shù)檢波器件進(jìn)行檢波和對(duì)數(shù)放大，輸入信號(hào)幅度與輸出呈對(duì)數(shù)關(guān)系，瞬時(shí)壓縮動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍最高可達(dá)100 dB。不僅能在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度功率檢測(cè)，而且線性特性和溫度穩(wěn)定性也較好。

對(duì)數(shù)放大器有基帶、解調(diào)和跨導(dǎo)線性(translinear)對(duì)數(shù)放大器3種?？鐚?dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器使用的是雙極性三極管，由于在高頻場(chǎng)合溫度對(duì)三極管影響較大，因此，常使用集成式基帶或解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。在GIS的局放監(jiān)測(cè)中，對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)域壓縮的同時(shí)，還要減少對(duì)數(shù)據(jù)量的包絡(luò)處理，以方便后續(xù)處理。因此，GIS局放監(jiān)測(cè)中對(duì)數(shù)放大器的首選是解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。

表1 寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)調(diào)理方法的對(duì)比Table 1 The comparison of wide dynamic range signal conditioning methods

4 寬動(dòng)態(tài)范圍有源集成傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 寬動(dòng)態(tài)范圍天線設(shè)計(jì)

4.1.1 局部放電檢測(cè)天線對(duì)比研究

局部放電激發(fā)范圍通常在300 MHz～1.5 GHz的電磁波頻帶。設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇400 MHz以上通帶頻率的寬帶天線，以消除工業(yè)環(huán)境中如電暈放電等較低頻率的干擾(300 MHz以下)。

為了選擇性能滿(mǎn)足要求的天線，對(duì)各類(lèi)寬頻帶天線在HFSS中進(jìn)行建模、仿真計(jì)算、對(duì)比分析，主要考量電壓駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR，簡(jiǎn)稱(chēng)駐波比)參數(shù)，尋找適合于GIS局部放電檢測(cè)傳感系統(tǒng)天線的頻帶和尺寸，對(duì)蝶形天線的仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出，有2個(gè)敏感點(diǎn)分別在1、4 GHz處。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的蝶形天線加工制作容易、工藝難度低，通過(guò)調(diào)整天線張角和臂長(zhǎng)就能較容易調(diào)整天線特性，較好控制多個(gè)天線之間的一致性。

圖5 蝶形天線建模及仿真結(jié)果Figure 5 Modeling and simulation results of butterfly antenna

對(duì)對(duì)數(shù)阿基米德螺旋、阿基米德曲線和對(duì)數(shù)周期天線3種較為常見(jiàn)的天線形狀進(jìn)行仿真。對(duì)數(shù)阿基米德螺旋天線直徑取6 cm，仿真表明敏感點(diǎn)位置位于約1.9 GHz處，該頻率高于PD檢測(cè)傳感系統(tǒng)的需要，需降低天線敏感頻率、加大天線尺寸，但在GIS絕緣子上較難安裝較大尺寸的天線；阿基米德曲線天線直徑取10 cm，仿真表明在1.69、2.05、2.85 GHz處各有一個(gè)敏感點(diǎn)，但其駐波比曲線不平坦，而且天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天線性能受制造工藝影響很難一致；對(duì)數(shù)周期天線直徑取10 cm，仿真曲線較為平滑，在2.1 GHz處有一個(gè)不明顯敏感點(diǎn)，駐波比較大，而且駐波比低于2.5的頻率范圍在1.5 GHz以上。上述仿真結(jié)果如表2所示。

表2 4種天線對(duì)比Table 2 Comparison of 4 antennas

通過(guò)表2可以看出，蝶形天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、工藝難度相對(duì)較低，可在相對(duì)較小的尺寸下有較低的頻率。蝶形天線屬于寬頻帶天線，是在平面上雙錐天線的投影，通過(guò)印制電路板技術(shù)印制在一塊印刷電路板(printed circuit board，PCB)上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、體積小以及質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。因此，局部放電傳感系統(tǒng)天線可以選擇蝶形天線。

4.1.2 天線尺寸及加載電阻的影響分析

為了使得設(shè)計(jì)的蝶形天線滿(mǎn)足GIS局放檢測(cè)的要求，對(duì)蝶形天線進(jìn)行分析，以?xún)?yōu)化蝶形天線的設(shè)計(jì)，使得天線的增益、阻抗特征、駐波系數(shù)及頻帶寬度等主要技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。借助三維電磁仿真軟件HFSS15對(duì)天線進(jìn)行建模分析、參數(shù)優(yōu)化。

選擇FR4介質(zhì)板作為襯底材料，長(zhǎng)為140 mm，寬為70 mm，厚為1.6 mm，介電常數(shù)為4.4。掃描天線尺寸參數(shù)(長(zhǎng)度L、寬度W)進(jìn)行分析[16-17]，如圖6所示。天線寬度W不變、長(zhǎng)度L變化，不同長(zhǎng)度的VSWR曲線如圖6(a)所示，天線最低頻率受其臂長(zhǎng)影響較大，天線長(zhǎng)度越長(zhǎng)其頻帶越低；天線長(zhǎng)度L不變、寬度W改變，不同寬度對(duì)應(yīng)的VSWR曲線如圖6(b)所示，天線寬度越大，天線的頻帶越低。仿真分析表明，雖然加大天線尺寸有利于降低天線最低頻率，但在工程中應(yīng)考慮實(shí)際情況(如安裝條件等)設(shè)計(jì)天線，因?yàn)樘炀€過(guò)寬會(huì)使得傳感系統(tǒng)體積太大，影響安裝使用。

圖6 天線長(zhǎng)度、寬度對(duì)天線駐波比的影響Figure 6 The influence of antenna length and width on antenna standing wave

天線末端與周?chē)臻g存在失配，為了減少帶來(lái)的反射波能量，在天線的4個(gè)角與金屬屏蔽罩之間分別連接一個(gè)150 Ω的電阻。通過(guò)4個(gè)加載電阻來(lái)吸收天線末端的電流，削弱反射波能量，避免脈沖信號(hào)拖尾振蕩，改善天線低頻段的駐波比特性。

實(shí)際檢測(cè)中PD傳感系統(tǒng)置于屏蔽罩內(nèi)，以屏蔽外界干擾。傳感系統(tǒng)天線駐波比測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，表明屏蔽罩的影響很大。

圖7 天線駐波比測(cè)試Figure 7 The test of antenna standing wave ratio

通過(guò)加載電阻吸收天線末端電流，能改善天線低頻特性。除此之外，為了減少屏蔽罩對(duì)電磁波的反射，改善天線駐波比特性，可以通過(guò)增加吸波材料和加大天線與金屬腔間距。

蝶形天線增益方向的三維仿真結(jié)果如圖8所示，天線的增益在整個(gè)頻帶內(nèi)較高，最大增益為4.43 dB，有利于檢測(cè)局放信號(hào)。

圖8 天線增益方向Figure 8 The pattern of antenna gain

考慮實(shí)際安裝的便捷性，PD檢測(cè)傳感系統(tǒng)要求長(zhǎng)度、寬度分別不超過(guò)15、8 cm。對(duì)蝶形天線長(zhǎng)度L與寬度W等尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，使蝶形天線中心頻率為900 MHz、駐波比小于2。最終優(yōu)化結(jié)果：L、W分別為11、6 cm，中心頻率為800 MHz，730 MHz～1.05 GHz頻率范圍駐波比小于2。

4.2 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路

雖然局放產(chǎn)生的電磁波頻率高達(dá)1 GHz，但反映局部放電能量的功率信號(hào)頻率僅2～10 MHz。測(cè)量功率不僅能保留幅值和相位信息來(lái)判斷是否發(fā)生局放，同時(shí)能使信號(hào)頻率降低。如圖9所示，局部放電的信號(hào)為較難采集的震蕩衰減信號(hào)，而取包絡(luò)后降低了信號(hào)頻率。包絡(luò)檢波不僅在保留所需幅值與相位信息的同時(shí)降低了信號(hào)頻率，還應(yīng)對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖9 局部放電信號(hào)包絡(luò)降頻Figure 9 Partial discharge signal envelope frequency reduction

4.2.1 基于對(duì)數(shù)域變換的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)增及其仿真

解調(diào)對(duì)數(shù)放大器由多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)的功能[18]。當(dāng)信號(hào)鏈上某些放大器輸出信號(hào)過(guò)大以至于飽和時(shí)，放大器的輸出電壓將被限制。通過(guò)加法器對(duì)各級(jí)放大器的限幅電壓輸出到檢波器檢波后的電壓相加，最后，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后以對(duì)數(shù)形式進(jìn)行輸出，對(duì)數(shù)檢波器的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 對(duì)數(shù)檢波器Figure 10 Thelogarithmic detector

在Matlab中進(jìn)行仿真分析，對(duì)局放信號(hào)源建模，表達(dá)式為

(4)

其中，fc為500 MHz。不同時(shí)刻發(fā)生的局部放電強(qiáng)度不同，比如0 μs時(shí)局放電磁波幅值為1 900 mV，10 μs時(shí)局放電磁波幅值為10 mV。

輸入信號(hào)波形如圖11所示，可知0 μs時(shí)信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于10 μs時(shí)的信號(hào)幅值。因此，若采集范圍需覆蓋到0 μs時(shí)較大幅值的模擬信號(hào)，則可能無(wú)法采集到10 μs時(shí)極低幅值的信號(hào)；若要采集范圍縮小到覆蓋10 μs時(shí)極低幅值信號(hào)，則0 μs時(shí)的信號(hào)將達(dá)到飽和。

為了保證對(duì)不同強(qiáng)度的局放信號(hào)都有較高的靈敏度，對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)域壓縮，具體變換如下：

Vo=kslope·(Pi-Pintercept)

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中Vo為輸出值；kslope為斜率；Pi為輸入功率，dBm；Pintercept為截距；Vomax、Vomin分別為輸出功率最大、最小值；Pimax、Pimin分別為輸入功率的最大、最小值；Vrms為輸入電壓有效值；Z0為系統(tǒng)特征阻抗，50 Ω。

圖11 輸入信號(hào)Figure 11 Theinput signal

輸入、輸出關(guān)系如圖12所示，實(shí)線即對(duì)數(shù)域的局放信號(hào)，可知局放信號(hào)通過(guò)壓縮變換到對(duì)數(shù)域，輸入與輸出呈線性關(guān)系。局放信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)域放大后的輸出信號(hào)如圖13所示，較好地展現(xiàn)出了0～10 μs時(shí)的所有脈沖信號(hào)，表明不同強(qiáng)度的局放信號(hào)都有較好的靈敏度。

4.2.2 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路設(shè)計(jì)

連接蝶形天線的有源電路[16-17]如圖14所示(采用ADI公司的RF對(duì)數(shù)檢波器)。檢波器將差分輸入的調(diào)制射頻信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為直流輸出處的等效dB標(biāo)度值，頻率響應(yīng)范圍為0.1～2.5 GHz，具有40 ns的快速響應(yīng)能力，能夠識(shí)別局部放電的短放電脈沖。

局部放電信號(hào)被蝶形天線接收后直接饋入功率檢波器，數(shù)據(jù)信號(hào)頻率范圍約為2～10 MHz。大動(dòng)態(tài)范圍的輸入經(jīng)對(duì)數(shù)放大器壓縮成小動(dòng)態(tài)范圍的輸出，其轉(zhuǎn)移特性為

Vo=K0lgVi+K0lgK1

(8)

式中K0、K1分別為對(duì)數(shù)斜率、偏差。

解調(diào)對(duì)數(shù)放大器由多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，核心是9級(jí)梯級(jí)鏈。每級(jí)放大器有8.7 dB的增益和10.5 GHz的3 dB帶寬，即

(9)

通過(guò)超高速脈沖放大器緩沖輸出功率信號(hào)，達(dá)到加強(qiáng)信號(hào)在容性負(fù)載上的傳輸能力的目的。選擇非常適合用作脈沖放大器的超高速電流反饋型放大器AD8009，使大信號(hào)帶寬達(dá)440 MHz；在整個(gè)寬帶寬范圍內(nèi)，信號(hào)質(zhì)量保持較高水平，最差情況下的失真為-40 dBc。

以聚四氟乙烯(FR4)為基片，在同一介質(zhì)板上制作天線和低頻模擬電路。降頻模擬電路的輸出從SMB基座引出，通過(guò)同軸電纜連接到外屏蔽的N端或BNC連接器，完成有源集成UHF傳感系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)。

4.2.3 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的測(cè)試

對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路進(jìn)行測(cè)試，先通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生矢量信號(hào)，如圖15所示。矢量信號(hào)盡量模擬局部放電的震蕩衰減信號(hào)，信號(hào)幅值滿(mǎn)足天線接收到的局部放電電磁波幅值，將該震蕩衰減信號(hào)接入降頻模擬電路的對(duì)數(shù)檢波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波，檢波輸出接到示波器中，觀測(cè)檢波結(jié)果。對(duì)數(shù)檢波后輸出信號(hào)如圖16所示。

圖15 信號(hào)源產(chǎn)生的模擬信號(hào)Figure 15 The analog signal generated by signal source

圖16 對(duì)數(shù)檢波后的輸出信號(hào)Figure 16 The output signal after logarithmic detection

通過(guò)輸出信號(hào)波形可以看出，對(duì)數(shù)檢波器完成了檢波工作波形為原始輸入波形的包絡(luò)；通過(guò)輸出信號(hào)幅值可以看出，輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的對(duì)數(shù)，完成了對(duì)數(shù)域變換的工作。因此，通過(guò)對(duì)數(shù)檢波電路完成了數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)變換和檢波功能。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)UHF檢測(cè)監(jiān)測(cè)范圍較小的問(wèn)題，本文采用仿真與設(shè)計(jì)相結(jié)合的原則，對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍的局部放電集成傳感系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

1)在電磁傳播衰減特性的基礎(chǔ)上，首先，若要能在較長(zhǎng)的GIS中、較大頻率范圍內(nèi)有效檢測(cè)到PD信號(hào)，則需仿真得到至少40 dB的動(dòng)態(tài)范圍；其次，確定通過(guò)對(duì)數(shù)域變換來(lái)增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，為傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

2)通過(guò)仿真4類(lèi)寬頻帶天線，對(duì)比駐波比、天線尺寸等參數(shù)，得到蝶形天線適合檢測(cè)局部放電的信號(hào)，通過(guò)對(duì)數(shù)域變化瞬時(shí)壓縮動(dòng)態(tài)范圍，在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供高精度的局放檢測(cè)。本文實(shí)現(xiàn)的蝶形天線、檢波電路、信號(hào)調(diào)理以及發(fā)射高度集成的UHF局放檢測(cè)傳感系統(tǒng)，既降低了整套采集系統(tǒng)成本，又具有很好的信噪比，對(duì)檢測(cè)局放的可靠性具有重要意義。