用于GIS局部放电的树状分形超宽带天线

为检测气体绝缘开关设备(GIS)局部放电的超高频(UHF)信号,基于分形技术设计了一种超宽带小型天线。对天线的几何参数进行了优化仿真。该天线的回波损耗(S11)小于10 dB带宽为0.5~1.5 GHz(相对带宽为100%),在频带内方向性良好,能够实现全向辐射;天线具有较高增益,在0.5~1 GHz频带内方向图主瓣增益为2~4 dB;天线尺寸较小,实际尺寸为200、160、1.6 mm。搭建了模拟局部放电的实验平台,对研制的天线进行测试,结果表明,基于树状分形超宽带天线的UHF局放检测系统抗干扰能力强,可用于GIS现场局部放电检测。     

基于曲流技术的超宽带单极子局部放电检测天线设计

电气设备局部放电是衡量电气设备绝缘性能的重要指标,电气设备发生局部放电过程中会产生超高频(UHF)电磁波信号(频率范围0.3～3 GHz),而该UHF信号能量集中于0.5～1.5 GHz频段。为检测该信号,受到通信上UWB天线广泛使用的单极子贴片天线启发,研发了超宽带单极子贴片天线。该天线主要使用了曲流技术,从而获得了超宽带特性。使用HFSS软件对天线的几何形状参数进行优化仿真。仿真结果表明:该单极子贴片天线的回波损耗S11<-10dB的频带范围为0.5～1.57 GHz,在频带内具有良好的方向性;天线具有良好的增益,在0.5～1.57 GHz范围内的增益能够达到1.5～2 dB;天线的制作工艺简单,空间占用小,不需要使用额外的阻抗变换器进行阻抗匹配。搭建了模拟电气设备局部放电国产的实验平台,对天线的实际使用效果进行测试,结果表明天线能够有效检测到电气设备局部放电伴随产生的超高频信号。     

开关柜局部放电超高频在线监测天线的研究

本文针对高压开关柜局部放电超高频检测天线应具有宽频带、高增益、小尺寸的性能要求,引入Koch分形结构和空气层理论,设计出了一种新型的Koch分形微带天线。采用仿真软件HFSS对天线模型的结构参数进行优化分析,选取一组最优参数制作天线实物。仿真结果是,天线尺寸180mm×180mm,VSWR5的检测频带为535～825MHz,天线的平均增益为1.5dB。仿真结果表明该天线满足开关柜局部放电超高频检测要求。     

非接触式局部放电检测天线的设计和优化研究

为实现基于超高频（UHF）法非接触式检测一定范围内电气设备局部放电（PD）,需要研制合适的天线作为超高频（UHF）传感器。锥形天线具有宽频带、高增益和水平面（H面）全向性的特点,文章选取该型天线进行分析,研究其尺寸参数对天线性能的影响,得出该天线的设计规律。通过天线性能分析再结合PD检测的要求,最终选择锥高30cm、锥角45°的锥形天线作为非接触式PD检测的UHF传感器。经测试该天线频带为200MHz~2GHz以上,在200MHz~2GHz频带内平均增益达4.5dB以上,在对较远距离外模拟放电信号的接收试验中表现出良好的UHF信号接收能力,完全达到设计要求。基于该天线可以开发出固定式或车载式PD监测系统,该系统可以监测整个变电站设备PD情况并且其工作时不与设备发生接触。     

变压器局部放电超高频在线监测天线研究

针对传统局部放电超高频检测天线频带窄、尺寸大的缺点,设计了一种用于在线监测变压器局部放电的多频带、尺寸小的超高频天线。通过研究了分形理论和天线测量原理,在现有四阶Hilbert分形曲线的技术基础上,利用Ansoft Designer电磁场仿真软件建立天线模型,并通过仿真计算,优化配置了天线的几何参数,设计制造了平板结构的四阶Hilbert分形局放超高频监测天线。利用设计的四阶Hilbert分形天线对四种典型油纸绝缘缺陷进行局部放电超高频信号监测,并采用文中设计的天线与现有技术的三阶Penao分形天线、三阶Hilbert分形天线在实验室进行局部放电对比测量,分析了天线实测效果,实验结果表明该天线能够有效应用于变压器局部放电超高频在线监测。     

检测GIS局部放电的小型化多频带复合天线

为了对气体绝缘全封闭组合电器（GIS）局部放电的超高频信号进行检测,设计了一种用于检测GIS局部放电的多频点宽频复合天线。首先,通过对复合天线进行小型化、宽频化原理分析,实现天线的小型化;然后,运用矢量网络分析仪对实物天线进行驻波比实测研究;最后,在实验室搭建GIS局部放电测试系统对天线进行实测研究。结果表明：设计研究的天线兼具多频带、小型化和高增益的特性,在0.75～0.90 GHz、1.23～1.48 GHz、1.78～2.12 GHz、2.42～2.79 GHz的频段范围内,其驻波比（VSWR）小于2,具有较宽的频带范围,能够记录局部放电的大部分信息;随着频率的增加,天线增益也在逐渐变大,天线最高增益可达6.5 dB,可有效接收微弱的特高频信号;研究结果表明,设计的天线特性良好,可用于GIS局部放电的现场监测。     

采用遗传算法优化局部放电超高频Hilbert分形天线

为了获得性能最优的局部放电(PD)超高频(UHF)检测Hilbert分形天线,提出将遗传算法用于PD UHF Hilbert分形天线的优化设计。通过分析影响天线性能的结构参数,确定了其用于遗传算法的编码解码方式,设计了适应度函数,建立了UHF分形天线优化工程,并获得一组性能最优的天线参数;根据优化结果加工制作了原型天线。搭建PD试验平台,分别采用现有的分形天线及优化设计的4阶Hilbert分形天线检测PD信号。实测结果表明:当频率在300 MHz~1 GHz范围内时,天线的驻波比都2,即在0~1 GHz的频率范围内天线具有700 MHz的检测带宽,达到了宽频带超高频天线的基本性能要求。与现有天线相比,优化后的天线具有更高的检测灵敏度和更宽的检测带宽,可有效应用于PD UHF信号的现场检测,获取更全面的PD信息。     

基于特高频法检测电气设备局部放电的改进Vivaldi天线

为提高检测变电站电气设备局部放电产生的特高频(UHF)信号的有效性,基于超宽带渐变槽线天线理论,在传统Vivaldi天线的侧边增加渐变槽线和谐振腔后,通过仿真及实测发现,改进后的天线工作频段由1.2~3GHz扩展至0.5~3GHz。同时提高了天线的指向性,而保持工作频段上天线相位中心不变。改进后的天线在工作频段上具有更高的增益和灵敏度,在2GHz时增益达到7.9d Bi,平均灵敏度大于12mm。为验证所设计天线效果,在实验室搭建了基于预制缺陷变压器的试验平台,结果表明所设计的天线可以有效检测到局部放电的UHF信号。与传统Vivaldi天线、加脊TEM喇叭天线和螺旋天线相比,改进Vivaldi天线检测灵敏度较高,脉冲时域响应特性更好,利于进一步的信号分析。     

检测GIS局部放电的小型化平面螺旋天线研究

为满足超高频检测法对天线小型化、宽频带的设计要求,设计了一种用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)局部放电检测的小型化平面螺旋天线。该天线是在传统阿基米德螺旋天线的基础上进行正弦波曲折化处理后,来达到小型化的目的。天线的测试结果显示在920 MHz~3 GHz频带范围内电压驻波比(VSWR)2。天线结构简单,尺寸较小,口径为97 mm,剖面高度为51 mm;具有超宽带的特性,在工作频段内方向性良好,能够实现全向辐射。最后,在实验室搭建了测试平台,将天线和外置超高频传感器进行了局放测量效果的对比,结果表明,所设计的天线特性良好,可用于GIS局部放电检测。     

局部放电检测用超高频天线的设计与性能对比

根据高压电力设备局部放电信号检测的需要,基于PCB技术设计并制作了四种不同原理和结构尺寸的超高频天线,仿真分析了其性能参数,检验所设计天线用于局部放电超高频检测法的可行性。利用矢量网络分析仪测试天线的端口特性,验证了天线的电压驻波比等参数。基于GTEM小室提供标准场,在不同工作频率下分别对四种天线样机的天线系数进行了标定,得到各天线系数的拟合公式与曲线。采用针-板放电模型作为局部放电源,基于脉冲电流法测量参考放电量,对所设计的天线进行了局部放电测试实验,采集天线接收到的局放信号波形。仿真和实验结果表明微带天线与缝隙天线工作带宽和增益较低;偶极子天线与螺旋天线在工作频带内损耗低、增益高、阻抗匹配效果较好,检测局部放电信号的效果良好。     

基于HFSS的Hilbert分形天线分导线段设计

对采集变压器局部放电超高频信号的四阶Hilbert分形天线进行重新建模和设计,以达到更好的效果。首先分析天线的三种导线段在采集信号过程中的作用,并以导线段为单元,基于HFSS对天线重新建立模型,将三种导线段长度、介质厚度、介电常数和导线宽度六个变量应用SNLP算法优化。优化结果显示,0.3 GHz~3 GHz超高频范围内,谐振频率点达到四个,并将0.3 GHz~1 GHz范围内的通频带拓宽整合为超过500 MHz宽带,1 GHz以上的三个通频带也均超过450 MHz,且方向性良好,增益参数也有了很大程度的改善。所述特性经过试验验证。天线尺寸较小,可以置于变压器箱体内,能很好地应用于油浸式变压器局部放电超高频信号的采集。     

用于超高频局部放电监测的智能传感器研制

为适应超高频(UHF)局部放电在线监测需要,设计了一种基于层叠式多臂Hilbert分形天线与电平扫描式采集系统的局部放电超高频监测智能传感器。通过在传统Hilbert分形辐射臂上增加寄生臂条以及引入层叠式贴片结构,设计了小尺寸、宽频带、高增益的层叠式多臂Hilbert分形天线作为智能传感器天线;并根据电平扫描式法开发了电平扫描式数据采集模块作为智能传感器数据采集单元。在实验室内进行空气中的针–板放电实验,并同时采用智能传感器和全波形采集法采集信号。结果表明,该传感器实现了超高频局部放电信号的高速处理,直接输出局部放电谱图,其输出数据量小,硬件简单成本低,设备体积小。2种采集方法得到的放电谱图相似程度高,验证了智能传感器能够准确地获取并处理局部放电信号。     

开关柜内部局部放电检测用PCB偶极子天线的设计

开关柜内部空间有限、结构复杂,不便于局部放电超高频传感器的装设。文中基于PCB技术设计了一种适用于开关柜内部局部放电信号检测的超高频天线,在仿真分析的基础上对其结构参数进行了优化。利用矢量网络分析仪测试天线的端口特性,验证了天线的回波损耗和电压驻波比等参数。基于GTEM小室提供标准场,在不同工作频率下对天线系数进行了标定。采用针—板放电模型作为局部放电源,基于脉冲电流法测量放电量,对所设计的UHF天线进行了局部放电测试实验,实验结果表明该天线在工作频带内损耗低、方向性好,时域分辨率强,检测局部放电超高频信号的效果良好。     

多参数调节的超高频局部放电信号模拟源研制

超高频局部放电传感器及检测系统性能的评价需要稳定的信号源,由于多种因素的影响,高压模拟放电模型产生的超高频局部放电信号存在放电参数不稳定和不易调节的缺陷。因此根据超高频信号的时频特性,设计出了一种局部放电超高频信号模拟源。该信号源由控制单元、信号合成单元、宽频带全向发射天线组成,控制单元产生能够反映局部放电时频特征和相位特征的信号,通过幅值调制单元合成超高频局部放电信号,信号由天线发射。实验结果表明:该信号源能输出连续稳定的并具有工频相位特征的电磁波信号,信号的频率范围为0.3~1.5GHz,输出信号频率、输出功率及局部放电相位–放电量(φ-q)、相位–放电次数(φ-n)谱图均可平滑调节,输出功率达25 d B,能有效模拟多种类型的局部放电超高频信号。     

GIS局部放电外置超高频检测系统

研制了宽带和窄带两种超高频外置天线传感器,两种传感器增益均大于1,驻波比在其有效带宽范围内均小于2,均能用于GIS局部放电超高频检测。设计了高性能放大器和半分布参数超高频滤波器,工作频带为300～1000MHz,完全覆盖了两种传感器的工作频带。性能测试表明,传感器和滤波放大器性能优良,频率匹配,能满足超高频信号检测预处理的要求。通过对绝缘子表面金属污染缺陷产生的局部放电信号进行检测研究表明,超高频检测系统能够检测到超高频段微弱的局部放电信号,并能抑制低频段干扰,为后续模式识别的研究打下了基础。     

电力变压器超高频局部放电测量系统

研制了一套超高频局部放电测量系统 ,用于提取油中局部放电辐射的超高频电磁信号。对超高频天线的测试结果表明 ,在 5 0 0～ 15 0 0MHz的频带范围内 ,天线具有良好的使用特性。为确保提取到的放电信号真实可靠 ,研究了测量中典型干扰信号的特征。实验测量表明该系统可以很好地用于油中超高频局部放电检测。     

变压器局部放电在线监测超高频Hilbert分形天线研究

论述了Hilbert分形天线基本原理,并根据分形天线电磁场理论,提出了应用于变压器局部放电超高频在线监测的Hilbert分形天线优化设计方法。通过仿真计算,研究了几何参数对Hilbert分形天线性能的影响,设计出用于变压器局部放电监测的3阶Hilbert分形天线。通过气隙放电、沿面放电、电晕放电3种典型变压器绝缘缺陷局部放电实验,采用分形天线和脉冲电流传感器对这3种局部放电进行了测量,并分析了分形天线的局部放电测量信号功率谱。实验结果证明该天线能够有效应用于变压器局部放电超高频在线监测。     

用于检测电气设备电晕的盘锥天线的研制

为实现对变电站内电气设备电晕放电的检测,研究并设计了宽频带、高增益和水平面(H面)全向性的天线作为电晕检测的传感器。通过分析盘锥天线的辐射特性和特性阻抗,确定其设计为电晕检测天线具有优势,用离散化方法加工出的盘锥天线,在10MHz～1GHz以上具有良好的频率响应特性,平均增益4dB以上,在变电站检测试验中表现出良好的电晕放电信号接收能力。基于该天线可以开发出固定式或车载式电晕监测和定位系统,该系统可以监测整个变电站设备的电晕情况并且其工作不与设备发生接触。     

电力设备局部放电超高频信号检测用新型微带天线

从研究传统开槽微带天线出发,在分析了影响开槽微带天线性能的各项参数的基础上,设计了一种可用于电力设备局部放电超高频信号检测的新型半U型槽微带天线。相比传统微带天线,设计的微带天线传感器的带宽从几十MHz扩展到200MHz以上,同时为了适应电力设备超高频检测的需求,天线的尺寸也缩减为相同中心频率微带天线的1/4。研制的天线传感器主要工作频段为670~839MHz,增益为2.39d B。最后通过相关实验检测了天线的检测性能,论证了设计的传感器用于电力设备局部放电超高频信号检测的可行性。     

GIS局部放电检测用外置传感器性能仿真分析及其设计

超高频局部放电检测法是通过超高频传感器传感GIS内部局部放电所产生的0.3~3 GHz的超高频电磁波,从而实现局部放电的检测和定位,并实现抗干扰。利用高频有限元仿真软件Ansoft HFSS对用于GIS局部放电的常用外置传感器进行仿真,分析了传感器设计参数对其性能的影响,在此基础上设计出工作频带为354~443 MHz的矩形微带贴片窄带传感器和0.5~3 GHz的双臂平面等角螺旋传感器。