UHF局部放电传感器.docx

UHF局部放电传感器的设计
本文首先阐述了局部放电的原理，分为常见原因、频带范围及技术瓶颈；其次给出了局部放电信号接收原理，即接收天线的设计理念；然后给出了传感器的结构设计，分为内置式和外置式；最后进行了讨论。相关内容还需进一步的分析研究。
1 UHF检测局部放电的原理
变压器
超高频法（UHF法）是通过超高频信号传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。研究认为：变压器每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油－隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数GHz。荷兰KEMA 实验室的 Rutgers 等人和英国Strathclyde 大学的 Judd 等人的研究表明：油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激励起1GHz 以上的超高频电磁信号。它可以通过超高频传感器加以耦合接收，这就为进一步研究超高频检测技术在电力变压器中的应用提供了依据。在超高频范围内（300MHz～3000 MHz）提取局部放电产生的电磁波信号，外界干扰信号几乎不存在，因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高变压器局部放电检测（特别是在线检测）的可靠性和灵敏度。
GIS
GIS内部发生局部放电时，由于放电点处电荷的迅速转移，形成持续时间很短的电流脉冲（ns级），并产生频率分量极其丰富的电磁信号（高达GHz），通过传感局部放电所产生的电信号进行局部放电检测，有可能实现较高的灵敏度，并能够及时发现早期的局部放电。
局部放电电信号传感面临的关键困难是电磁干扰问题。GIS局部放电在线检测要求在GIS运行的现场条件下进行检测，由于电晕放电等原因，现场条件下存在大量的电磁干扰信号。尤其常规局部放电检测所使用的频段（几十kHz~几百kHz），干扰信号的强度有可能远远大于所要检测的局部放电信号，使得局部放电检测的电信号传感器无法实现。GIS局部放电检测的UHF传感方法正是针对抗电磁干扰问题提出的，并在UHF频段内选择合适的频段进行局部放电的电信号传感。
GIS运行现场的干扰源主要有：架空线和变电站母线上的电晕放电，导体接触不良产生的电弧放电，站内可控硅产生的强点脉冲，其他设备内部的放电，无线电波，载波通讯，系统内开关动作等。
2 局部放电信号接收原理
将导体放置在磁场变化的空间，导体有可能产生谐振而将空间的自由波动转换成传输结构的导波，从而实现电磁波的接收。实际中常常称导体为接收天线（天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒体中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或者接收电磁波的部件），其结构往往决定了接收电磁波信号的能力，设计合理，天线可以接收到局部放电所产生的超高频信号。与接收天线对应的是发射天线，工作时是接收天线的逆过程——把传输结构上的导波转换成空间的电磁波，这两种工作在不同状态的天线是互易的，即天线用于发射和接收时性能参数相同。
UHF法是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，实现局部放电的检测。在80年代末，UHF法测量局部放电首先应用在GIS设备中。在UHF法中传感器并非起耦合的作用，而是接收UHF信号的天线，所有UHF法的原理与脉冲电流法是不同的。天线除了能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流或导波（能量）到同频率无线电波（能量）的转换，或者完成无线电波（能量）到同频率的高频电流或导波（能量）的转换。所以，天线还是一个能量转换器。一副好的天线，就是一个好的能量转换器。
任何利用无线电波传递信息的系统，都包括“发射端-无线电波传播-接收端”三个环节。为此就必须有能够辐射和接收电磁波的设备，这个设备就是天线。所以说，天线的重要作用就是辐射或接收电磁波。下图是进行无线电广播线路的简图。局部放电传感器的设计主要是接收天线的设计，表征天线性能的参数主要有：方向图、方向性、增益、极化特性、天线效率、带宽以及输入阻抗等。

图1 无线电传播线路图
该技术的特点在于：检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高；而且可识别故障类型和进行定位。UHF检测的特点使其在局部放电检测领域具有其他方法无法比拟的优点，因而在近年来得到了迅速的发展和广泛的应用。但它对传感器的采集精度和宽带要求很高，因此造价较高。
3 结构设计
UHF检测系统由特高频天线(标准增益喇叭天线、圆柱／锥螺旋天线、等角螺旋天线)、50Q射频同轴电缆、数字式示波器、计算机及其分析软件等组成。从结构上，UHF传感器分为内置式和外置式两种，如图2所示。

图2 UHF传感器结构
下面是某公司针对GIS的UHF外置式传感器构造。UHF传感器主要是用来采集GIS内部发生局放时产生的高频信号，此传感器直接固定在绝缘盆子上，盘子上除了放置传感器的地方外其他的地方用屏蔽带屏蔽，这样的好处是保证高频传感器采集的高频信号是从GIS内部出来的第一手信号，有效防止了外界干扰信号从盆子处进入高频传感器，保证了高频传感器采集高频信号的纯净度和可信对。

图3 外置式UHF传感器
超高频传感器主要参数：
1) 频率范围
500～1500MHz 频宽
2) 传感器感应度
<5PC
3) 阻抗匹配
50[Ω]
4) 安装方式
外装型, 固定在绝缘盆子上
5) 输出接头
N型
由于雷达信号、马达、航空、电弧等产生的高频信号存在，会影响传感器对放电信号的判定，所以需要噪音传感器，将其放在GIS站里面，用于采集外界一切干扰信号。噪音传感器采集的高频信号传输到检测模块单元里面，与高频传感器在绝缘盆子处采集的高频信号进行相位比较，再次对高频传感器采集的高频信号进行判断，用来防止外界干扰信号从GIS进线端或者出线端进入GIS内部对高频传感器在盆子上采集的高频信号的干扰。

图4 噪音传感器
噪音传感器主要参数：
1) 频率范围
300～3000MHz 频宽
2) 安装方式
磁石, 放置在GIS周边
3) 阻抗匹配
50[Ω]
4) 输出接头
N型
4 讨论
设计时，需要对设备变压器和GIS分别进行分析，技术重点为接收天线的设计。特征参数的确定，主要有：方向图、方向性、增益、极化特性、天线效率、带宽以及输入阻抗等。最后确定其工艺结构，以及可能需要的辅助配合设备。