一种新型的放电源空间定位用特高频传感器

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成功实现放电源空 间定位的关键 是特高频传感 器，相比常规的特高 频传感器，用 于空间定位的 传 感器需要有宽频带、 低损耗、全向 、群时延稳定 性 好、灵敏度高等特点。文献 [4] 和文献 [7] 分别采用 了 倒锥型和盘锥型传感 器对局放进行 空间定位，取 得 较好的效果，但两种 传感器均较重 且体积较大， 不 便于携带与安装。本 文主要介绍本 课题组新近研 制 的 一 种轻 便 小 巧 的 专 用 于空 间 定 位 的 特 高 频传 感 器，该传感器主体采 用球面、锥形 相结合的结构 ， 通过特定的短接柱进 行性能调整， 仿真及实测结 果 均显示该传感器，性 能优异，能满 足变电站空间 定 位的要求。
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引言
特高频（ Ult ra High Freq uency ， UHF ）法以其
覆盖范围广、灵敏度 高、能够识别 并定位放电源 等 优点，成为近二十年 来国内外局部 放电检测领域 研 究的重点和热点[1-7] 。 近年来英国 St rath clyde 大学的 Ph ilip Moo re 等 人提出 了特高 频阵 列空间 定位 的思路 [ 4 -5 ] ， 通 过 四
[15]
三维电磁仿真软件 HFSS 对几种典型的短路柱加 载 方式进行了仿真研究。 仿 真 模 型 的 主要 参 数 设 置 如 下 ： H =11.8cm ， W=23cm， h =0.2cm， D =24cm， R=16.4cm， a p =11.2cm， b p =5.6cm。 3.2.1 短接柱到球锥中 心轴距离对带宽 的影响 如图 2 所示，在圆锥上对称添加 两个短接柱， 短接柱直径 0.2cm，改 变短接柱到 球锥中心轴的 距 离 r ，仿真计算不同 r 时，天线 驻波比曲线如 图 4 所示。
A New UHF Sensor for Spatial Location of Partial Discharge Sources
Ye Haifeng 1 Qian Yong 1 Liu Zongjie 2 Sheng Gehao 1 Shanghai Jining Jiang Xiuchen 1 China China ） （1. Shanghai Jiaotong University 200240 272100 2. Shandong Jining Power Supply Company Abs tract
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对用于局放检测的 宽频带传感器 ，群时延为常 数是理想情况，当群 时延稳定性差 时，传感器接 收
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叶海峰 等
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的增益性的定向辐射特性，缺点是与电小天线相比， 喇叭天线一般体积较 大且笨重；④ 反射器天线， 如 同喇叭天线，该类天 线具有定向辐 射和较高增益 的 优点，但体积也一般较大
wenku.baidu.com
Part ial d ischarge(PD) sou rce lo cat ion us ing an array o f u ltra -h igh frequency (UHF)
sensors sig n ificant ly imp roves the maint enance efficiency o f po wer equ ip ment . Th is paper stud ies the perfo rmance requ irements o f th e UHF sensors fo r spat ial lo cat ion and des igns a new type o f UHF sensor with a spherical cone stru ctu re based on the monopo le anten na theo ry and meander techn ique. Th is pap er p rov ides systemat ic analys is on the sensor performance by s imu lat ion and t est. It also discusses the facto rs in fluen cing the sensor perfo rmance. The pos it ion ing perfo rmance o f the array o f the sensors was verified o n the PD detect io n and lo cat ion p lat fo rm set up in ou r labo rato ry. Th e test resu lts sho w that the meander techn ique h elps dev elop co mp act senso rs. The sensors dev eloped in th is paper can be used in th e b and width rang e o f 500 ～ 2 000 M Hz and h ave adv antag es such as a lo w standing wav e rat io , o mn i-d irect ional measu remen t, h igh sens it iv ity, and almost constant gro up d elay. The posit ion ing system b ased on UHF senso r arrays can be used fo r accu rate PD sou rce locat ion with an azimuth erro r o f less than 2 deg rees, th ereby meet ing t he requ irements for sp at ial locat ion o f PD sources. Keywords ： Spat ial locat ion , part ial discharge(PD), u lt ra high frequency (UHF) sensor, g roup delay, sensitivity
国家高技术研究发展计划 (863 计划 ) 资助项目 (SS2012AA050803)。 收稿日期 2013-04-22 改稿日期 2013-09-10
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电 工 技 术 学 报
2015 年 4 月
个 特 高 频 传 感 器 组 成传 感 阵 列 ， 实现 整 个 变 电 站 内 放电源的检测及空间定位。这 样的系统的结构 简 单，充分利用了特高 频技术灵敏度 高、覆盖范围 广 的优势。相比目前的 在线监测和带 电检测设备， 在 满足状态检修工作要 求的同时，在 经济性方面具 有 明显的优势。目前国 内上海交通大 学、重庆大学 等 高校已经开始了相关 的研究工作， 并取得了一定 的 进展
200240
2. 国网山东省电力公司济宁供电公司
济宁
272100 ）
采 用特 高频 传感 器阵列 对放 电源 进行 空间 定位 可极 大地 提高 电力 设备 状态 检修 的效
率， 该文在研究 确立空间定位用 特高频传感器性 能要求的基础上 ， 基于单 极天线理论和曲 流技术， 设计了一种球面锥形结 构的新型特高频 传感器。通过仿 真及实验检测， 对该传感器的性 能进行了 系统的研究，并对影响 传感器各项性能 的因素进行了探 讨。实验室搭建 的局放检测定位 平台对传 感器阵列的空间定位性 能进行了验证。 实验结果表明： 曲流技术的应用 可实现传感器的 小型化， 本文研制的传感器在 500 ～ 2 000M Hz 带 宽内具有驻波比 低、全向、高灵敏度、及群时延 一致性好 等特点，基于特高频传感器阵列的定位系统能够对放电源进行准确定位，方位角误差小于 2° ，能 够满足局放源空间定位的要求。 关键词： 空间定位 中图分类号： TM815 局部放电 特高频传感器 群时延 灵敏度
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空间定位用特高频传感器的性能要求
为了实现变电站放 电源的空间定 位，传感器阵
列中采用的特高频传 感器设计时需 要考虑如下几 个 方面的要求。 2.1 宽频带 局放是宽频脉冲信号 ，频率可高 达数 GH z，且 根据缺陷类型的不同 ，局放信号的 主要频率成份 相 差较大，为了满足局 放信号检测的 需要，特高频 传 感器需要有较宽的频 带，典型的特 高频传感器的 工 作频率范围为 50 0 ～ 1 500MHz 。 2.2 低反射损耗 当天线与馈线不匹配的 时候， 会 产生反射损耗， 反射损耗越大，天线 的效率就越低 。为了提高天 线 的效率，一般要求功率 损耗小于 10% [9] ，与这个指 标相对应的，需要天 线的驻波比小 于 2 ，即用于 空 间定位的特高频传感器驻 波比应该小于 2 。 2.3 稳定的群时延 群时延反映的是传 感器对宽频信 号不同频谱分 量的响应情况。宽频 信号由传感器 接收后，如果 传 感器对信号各个频谱 分量的响应相 差较大，会导 致 信号发生色散现象，影响 检测信号的波形
V ( , , ) 103 （1） E ( , , ) 式中， V ( , , )为天线感应电动势； E ( , , )为入 H e ( , , )
射电场强度。 灵敏度是特高频传 感器最重要的 参数之一，直 接 决 定了 检 测 及 定 位 系 统的 有 效 性 。 为 此 ，英 国 NGC 公 司对 特高 频传 感器 的灵 敏度 做了 明确的 规 定，在 500 ～ 1 500M Hz 的频率范围内，超过 80% 频 率范围的最小灵敏度不 小于 2mm，全频率范围的 平 均灵敏度不小于 6mm[8] 。 除了前面提及的各 项性能要求， 对于放电源空 间定位用的特高频传 感器而言，另 一个比较重要 的 需要考虑的问题就是 传感器本身的 小型化，因为 无 论是用于在线监测还 是带电检测场 合，一个体形 硕 大的传感器都是无法接 受的， 也 是没有实用价值 的。
[10] [8]
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特高频传感器的设计
由前节工作频带的 要求可知，用 于局放源空间
定位的特高频传感器 应为超宽带天 线。根据形态 和 功能，超宽带天线可 大致分为四类 ：①频率无关 天 线，包括螺旋天线， 对数周期天线 和圆锥等角螺 旋 天线等， 其优点 在于天线尺度变 化决定其带宽范 围， 能具有 10 倍频甚至更宽的带宽， 缺点在于存在明 显 的色散性；②电小天 线，包括双锥 天线，单极子 天 线和偶极子天线等， 这类天线通常 具有体积小、 全 向辐射和色散小等特 点；③喇叭天 线，包括锥板 喇 叭天线和同轴渐变喇 叭天线等，其 优点是具有较 高
[6-7]
到的局放脉冲波形上 升沿会发生畸 变，难以获得 清 晰的脉冲 上升沿， 影响对 局放源 的定位 [6 ] 。为了满 足空间定位的需要， 工程上一般要 求传感器有较 好 的群时延稳定性，波动幅 度小于 1ns [11-12]。 2.4 各向同性 增益用来定量描述 天线电磁波辐 射能量的集中 程度，根据天线的互 易定理，增益 反映的也是天 线 接收电磁波能量的集 中程度。特高 频传感器增益 的 定义：定向天线和无 方向天线在预 定方向产生的 电 场强度平方之比[13] 。 对于用于局放空间 定位用的特高 频传感器，要 求其在各个方向上应 具有近似相同 的增益特性， 即 各向同性，传感器的增益 接近 0d B 。 2.5 高灵敏度 灵敏度反映的是传 感器将空间电 场转化为电压 输 出 的 能 力 。 特 高 频传 感 器 的 灵 敏 度由 下 式 来 定 义[14]
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电 工 技 术 学 报
TRANSA CTION S OF CHINA ELECTROT ECHN ICA L SOCIET Y
Vol.30 Apr.
No. 8 2015
一种新型的放电源空间定位用特高频传感器
叶海峰
1
钱
上海
勇
1
刘宗杰
2
盛戈 皞 1
江秀臣
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（ 1. 上海交通大学电气工程系 摘要