摘要SF6氣體絕緣開關裝置（以下簡稱GIS）是高壓輸電系統安全穩定運行的關鍵設備，有資料顯示，目前國內高壓GIS市場份額已達500億元以上。局部放電可導致GIS絕緣劣化進而引起電力系統大面積停電，其檢測技術以及如何降低檢測裝置成本一直以來是國內外研究的重點和難點。本研究團隊攻克了GIS局部放電檢測的關鍵技術，解決了基于超高頻法檢測GIS局部放電的技術瓶頸，成功研發出了性價比極高的GIS局部放電監測系統。 通過安裝于GIS罐體上局部放電檢測傳感器對局部放電信號進行感知，當局部放電發生時，立刻發出報警短信并對局部放電信號進行實時采集，然后利用先進的濾波與抗干擾技術對信號進行處理，最后通過以太網傳輸到主機上實現局部放電信號的源識別。本作品是基于UHF法研制的，可同時實現對GIS局部放電的在線監測、帶電檢測和無線報警功能，系統分為兩套裝置：局部放電報警裝置和局部放電監測裝置。局部放電報警裝置安裝在GIS罐體上，當有局部放電產生時立刻發出報警短信，此時再在有局部放電的發生點換上局部放電在線監測裝置即可得到局部放電的波形。局部放電報警裝置成本相對較低，而檢測裝置成本相對較高，本作品的設計使得一個GIS站只需配置多套局部放電報警裝置和一套局部放電檢測裝置，在實現對GIS局部放電的實時監測的同時，大大降低了成本。首先，簡要介紹GIS局部放電的發展現狀以及局部放電的檢測技術的方法，并闡述了現有檢測設備的主要缺陷不能實現在線監測，價格高昂，指出本設計的研究意義與優勢。然后，分析了傳感器的構成，將天線和有源降頻電路集成在傳感器內可以具有優秀的信噪比并且極大的降低了整套采集系統的成本，在文章中分別闡述了天線和有源降頻電路的設計與實現。接著，詳細的闡述了局部放電報警裝置的設計與實現，分為軟硬件兩小節，并在第6章的整機測試中驗證了該裝置的可靠性與有效性。再接著，詳細的闡述了局部放電監測裝置的設計與實現，通過模數轉換模塊，由調理電路輸出的模擬信號進行了選通、信號調理與AD轉換以8位數字信號形式輸出；在FPGA中，通過FIFO進行一級緩存，SDRAM進行二級緩存對數據進行緩存，完成了整個數據下位機采集過程。最后，進行了本系統的通訊模塊硬件電路的設計，使用W5100芯片實現10/100M以太網底層硬件開發，在FPGA中建立了SOPC，在NIOS II 系統中運行以太網發送程序。又介紹了智能變電站IEC61850協議，并進行了關于局部放電信息的建模，以便該高壓GIS局部放電監測系統在智能變電站中的使用。測試結果表明，本作品高壓GIS局部放電監測系統工作穩定，靈敏度高，抗干擾能力強，能很好的監測GIS內局部放電，滿足局部放電在線監測的要求。關鍵詞：高壓GIS；局部放電；特高頻法；在線監測目 錄摘要I目 錄III第1章 緒論11.1 研究背景與意義11.2 國內外發展現狀41.3 GIS局部放電檢測方法61.4 本作品研究的主要內容8第2章 寬動態范圍的有源集成傳感器設計與實現92.1 寬動態范圍傳感器的天線設計92.1.1 GIS局部放電檢測用天線的要求92.1.2 蝶形天線102.1.3 天線的仿真132.1.4 天線的測試152.2 寬動態范圍的降頻模擬電路162.2.1 寬動態范圍的降頻模擬電路的仿真162.2.2 寬動態范圍的降頻模擬電路的設計172.2.3 寬動態范圍的降頻模擬電路的測試20第3章 局部放電報警裝置設計與實現223.1 局部放電報警裝置硬件結構設計223.1.1 超高頻（UHF）傳感器223.1.2 集成檢波器233.1.3 比較器233.1.4 GSM模塊243.1.5 單片機系統253.1.6 供電模塊263.2 軟件結構設計273.2.1 軟件設計平臺273.2.2 軟件系統結構283.2.3 數據分析及處理29第4章 局部放電監測裝置設計與實現314.1 模數轉換模塊314.1.1 頻分復用技術314.1.2 時分復用技術324.1.3 調理電路334.1.4 模數轉換344.1.5 過零檢測364.1.6 模數轉換模塊測試364.2 緩存模塊374.2.1 FPGA開發過程384.2.2 FPGA系統硬件組成394.2.3 局部放電數據采集的FPGA實現404.2.4 數據緩存模塊測試44第5章 基于以太網的數據傳輸與IEC61850建模465.1 以太網通訊物理層：465.1.1 W5100網絡協議芯片465.1.2 硬件電路設計475.2 可編程系統設計475.3 以太網傳輸測試505.4 IEC61850建模515.4.1 IEC61850介紹515.4.2 局部放電模型構建525.4.3 告警和監測數據通信的報告機制55第6章 整機測試576.1 試驗平臺576.2 絕緣缺陷模型586.3 試驗步驟586.6 測試結果596.6.1 局部放電報警裝置結果596.6.2 局部放電監測裝置結果59第7章 作品的主要功能、技術指標以及創新點617.1 主要功能617.2 主要技術指標617.3 主要創新點61第8章 應用前景預測63參考文獻64附錄I 作品實物圖67附錄II 主要研究成果7375第1章 緒論1.1 研究背景與意義氣體絕緣開關(Gas Isolated Switcher GIS)產生于上世紀60年代末期，是一種先進的高壓斷路器。斷路器，VT，CT，隔離開關，接地開關，母線，套管，避雷器的部分或者全部電氣元件封閉在金屬外殼中，內部充滿了高絕緣性和滅弧性質的氣體（SF6居多）。這種封閉式的結構。可以防止變電站人員接觸內部高壓設備，外殼有良好的接地，漏電流將會被轉移到大地，極大減少觸電事故的發生概率，保障了變電站工作人員的人身安全。另外，GIS結構密閉，工藝精良，具有很小的占地面積和較高的可靠性，在上世紀70年代開始在我國開始推廣使用。圖1.1 青海拉西瓦水電站750 kV開關站GIS室在過去的四十多年的不斷摸索和實踐過程中，我國在高壓GIS的研制的檢測水平有了進一步的提高。現在電力系統中運行的高壓GIS有如下優點：（1） GIS占地面積和空間體積小：SF6氣體的優良的絕緣性能使GIS內的絕緣距離顯著減小。通常電氣設備的占地面積隨絕緣距離縮小而成平方比例的縮減，空間體積則隨絕緣距離縮小成立方比例縮減，電壓等級越高，這種優勢越顯著。據國外統計，高壓GIS與常規敞開式電器在占地面積與空間體積方面的比較如表1.1所示。表1.1敞開式斷路器和GIS戰地面積比較電壓（KV）占地面積()空間體積(m)常規敞開電器GIS縮小率常規敞開電器GIS縮小率66123210100154435370.07780753310.0412751200660.038288004140.0145003706900.0241476969000.006（2） 安裝方便。高壓GIS的全部高壓電器組裝在充有SF6氣體的接地外殼內，這樣就削弱了外界自然因素對內部高壓電器的影響。在污染較為嚴重，海拔較高，自然條件較為惡劣的地區，高壓GIS的優勢更加明顯。高壓GIS的組裝是將其分成幾個部分運往現場再進行組裝和密封等工作，所以其現場安裝的工作量相對較小，這樣就可以相應減少了工程建設的時間。此外，高壓GIS外殼可以直接安置在地面上，就可以節約部分建設材料，經濟效益較好。（3） 運行可靠性高，維修率低。根據國際大電網會議資料，高壓GIS的故障率為0.01-0.02/站*年，約占所有高壓電氣設備的10%，高壓GIS的檢修周期約為1020年。此外，SF6氣體具有優良的絕緣性能，SF6斷路器的開端性能較好，因此可靠性較高，檢查和維修周期較長。例如：法國MG公司生產的SF6斷路器，允許累計開斷電流達2000kA。日本富士公司的HF60系列的SF6斷路器額定開斷電流為50kA，可以經受70次開斷考驗，累計開斷電流達到1700kA。高壓GIS的問世是高壓開關設備領域的一次革命，更是高壓輸變電設備領域里一次重大的技術變革。盡管高壓GIS基本屬于檢修周期較長的高壓開關設備，但是從近40年的投入使用的GIS運行狀況看，其內部的絕緣缺陷會引起內導體和外殼之間的絕緣部分擊穿，即發生局部放電。局部放電現象是高壓GIS絕緣劣化的早期表現，如果不能及時被檢測并進行有效控制和處理會導致嚴重的破壞性放電及重大事故。高壓GIS絕緣故障統計結果如表1.2所示。表1.2 GIS絕緣故障統計結果電壓等級kV間隔數絕緣故障次數絕緣故障率次/(百間隔年)1259334240.261456133410.674203351611.85501109433.9其他177341650.91998年CIGRE（國際大電網委員會）統計了從1967年到1992年間的高壓GIS絕緣故障率，統計結果顯示：在1985年之前投入運行的高壓GIS共有 562次故障，其中60為絕緣故障，1985年之后投入運行的高壓GIS共有 247次故障，其中51為絕緣故障。由于在GIS內，各元件安裝緊密，與敞開式開關相比，絕緣設計裕度相對更低，因此，絕緣擊穿事故一旦發生，周邊的電氣設備也將會被波及，導致嚴重后果。在GIS各種故障中，絕緣故障是最普遍的，也是最受關注的。常見的故障類型如下：(1)自由金屬微粒。自由金屬微粒缺陷來源于制造和組裝時產生且未及時清理的金屬微粒和機械裝置如斷路器操動機構動作時摩擦產生的金屬粉末，是高壓GIS運行中最常見的缺陷之一，導致的故障占總故障的20%左右。(2)導體或接觸電極的突起或毛刺。高壓電極金屬突出物缺陷來源于加工和組裝過程的擦刮，機械操動機構的摩擦等，導致的故障占總故障的5%。(3)絕緣子表面固定金屬微粒缺陷。表面固定金屬微粒缺陷的產生往往是由其他缺陷引起的，如自由金屬微粒移動到絕緣子附近或表面，SF6氣體在局部放電過程中的分解產物，現場實驗中閃絡產生的樹痕等，絕緣子表面固定金屬微粒缺陷導致的絕緣故障占總故障的10%左右。(4)氣隙缺陷。氣隙缺陷來源于屏蔽罩接觸不良；自由金屬微粒附著在觸頭上導致觸頭電阻增大，發熱燒損以及制造和組裝過程中支撐絕緣板和高壓導體之間產生氣隙。高壓GIS中氣隙缺陷導致的絕緣故障占總故障的29%，位于所有絕緣缺陷之首。(5)SF6中的水分。水分來源于充入的SF6氣體不可避免的會含有少量水分，SF6氣室密封不嚴引入的水分等，對高壓GIS的絕緣性能影響不大，但是當其以液態形式存在并附著在內部導體及絕緣組件上時，水分形成連續的導電層，泄漏電流增大容易引起局部放電。圖1.2 GIS中常見的絕緣缺陷GIS發生絕緣擊穿需要一個很長的時間過程，在其潛伏期一般都會伴有局部放電現象發生。局部放電是絕緣劣化的征兆，因此可以通過對局部放電的監測有效的了解GIS的絕緣情況、根據IEC、IEB、GB等國標，局部放電檢測是電力設備絕緣評估的一個重要方法，同時IEEE推薦在線局部放電檢測是唯一有效的絕緣評估實驗。所以，一般認為大約有60%的絕緣故障可以通過局部放電監測立即或者經過一段時間的發展期后可以檢測到。隨著智能電網技術研究和實踐的推進，世界各國對智能電網的理解也在不斷探索、完善的過程中。智能電網在電力設備檢修上：首先優化檢修計劃，減少計劃停電，在故障發生后，基于充分的信息支持，提高故障處理水平，實現對故障的快速定位、隔離和恢復供電。然后由計劃檢修向狀態檢修過渡，提高資產運維和管理水平。可見對GIS的狀態監測對智能電網發展也具有重大意義。1.2 國內外發展現狀在20世紀80年代之前，由于UHF法理論研究還不成熟，相關芯片、元件還處在實驗室研究階段，實際中應用的局部放電檢測儀工作頻率較低，通常其檢測頻帶低于1MHz。1982年，加拿大的S.A.Boggs和G.C.Stone在安大略水文研究實驗室利用超寬帶檢測系統(ultra wideband(UWB)，成功的捕獲到SF6母線套管中局部放電所激發的放電脈沖，他們分析表明：超寬帶檢測系統比以往檢測裝置敏感度提高了兩個數量級，并且可以用來定位。此實驗對超高頻檢測法具有里程碑的意義，證明了超高頻檢測的實驗可行性，同時深化了超高頻法的機理研究。圖1.3 S.A.Boggs和G.C.Stone檢測到的局部放電脈沖信號1988年，英國中央電力局（Central Electricity Generating Board, CEGB )的B.F.Hampton和R.J. Meats提出用于檢測氣體絕緣組合電器(gas insulated switch-gear, GIS)中的局部放電。開發了420kV GIS局部放電UHF監測系統，使用內部耦合器，有較高的靈敏度，也有利于抗外部于擾，能夠很好地監測到放電信號，隨后UHF法也被用于變壓器等其他電力設備的局部放電監測中。圖1.4 內部耦合器和檢測到的局部放電脈沖信號20世紀90年代，英國中央電力局的Judd和B.F.Hampton對產生局部放電的激勵進行了研究，使用FDTD方法以及格林公式模擬計算GIS中局部放電信號的特性。通過仿真模擬與實驗相結合的辦法，很好的驗證了模型的正確性，并且給出的實驗結果的精度提供保證。并提出了UHF局部放電測量技術的標準化方案。隨后，英國所有新建GIS都裝有內置式的UHF局部放電傳感器。有兩個在線監測示范項目安裝在核電站的400KV GIS上，英國的DMS（Diagnostic Monitoring Systems Ltd）公司的局部放電監測系統在全球范圍推廣。德國Stuttgart大學的Kurrer.R和Feser.K通過試驗研究了GIS中特高頻信號的傳播情況，結果為信號經過絕緣子時衰減為2.3-5dB，經過T型頭衰減約為10dB，在GIS直腔體內，傳感器可以監測10m處的視在放電量為10pC的放電量物體。日本東芝電氣公司應用特高頻法對2個300kV的進行局部放電測量，研究表明，電磁干擾可以從GIS的套管進入，影響傳感器的檢測效果，但是干擾頻率多在500MHz下，且衰減很快。同時，他們發現，GIS同軸波導內部有許多不連續處，局部放電信號經過時，會衰減到原來信號的1/10至1/3，并且不同相之間接收到的信號幅值差別很大。瑞士魏德曼公司早期在前人理論研究和實驗的基礎上研制出超高頻局部放電監測系統。該系統具有在線檢測，事故報警和歷史查詢等多種功能，初步實現了對故障的檢測和定位，但檢測的靈敏度不高，需要進一步的研究和完善。瑞士 ABB高電壓技術公司對超高頻法的靈敏度和適用性與超聲波法和脈沖電流法進行了對比試驗研究，實驗結果表明：超高頻法抗干擾性強，靈敏度高，使用多個超高頻傳感器可以實現準確定位，可以較全面的研究GIS內電氣設備的局部放電特征。國內西安交通大學的邱毓昌、王建生、趙有斌等人對放電脈沖在GIS同軸波導內的傳播特性進行了理論分析和測量，得出結論：PD脈沖在同軸系統中不但能產生TEM波,而且還能激發TM、TE高次模波；TE和TM可在GIS母線中產生諧振,其持續時間比PD脈沖長得多；利用電磁波的傳播時間可對PD源準確定位。清華大學的丁登偉，高文勝，劉衛東等人設計了 5種GIS的缺陷模型，并對模型進行了試驗和特征分析，發現特征量隨缺陷類型的變化而變化明顯，可以用于缺陷的模式識別。他們通過仿真還得出，隨著GIS結構尺寸的變化，局部放電信號的持續時間將變長，幅值衰減緩慢，而且峰值將升高。重慶大學的孫才新、唐炬等人研究了 GIS局部放電信號的內置傳感器的特性，并研制了圓環形和圓板型的兩種內置傳感器，采用電容親合模型和天線模型研究了這兩種傳感器的性能。通過實測放電信號表明，圓環形的內置傳感器靈敏度明顯高于圓板型的內置傳感器。1.3 GIS局部放電檢測方法GIS 的局部放電在線監測方法基本上可以分為電測法和非電測法兩大類型，其具體主要可分為以下五種方法：(1)聲學檢測法GIS中局部放電會產生具有比較寬的帶寬（20250kHz）的超聲波信號,可在GIS外部用超聲波接收傳感器檢測到。聲學方法的優點有非侵入式，可以在10cm內對局部放電源進行的定位并且不受GIS外部噪聲源影響，但是信號通過絕緣子和氣體會有嚴重的衰減，所以只有有限的幾種放電能被聲學檢測法檢測得到，而且在線監測時需要太多的傳感器，從而限制了聲學檢測法的應用。聲學檢測法一般用在現場測試，操作人員拿著傳感器在GIS表面移動來檢測局部放電信號，這樣下來，一個GIS站的檢測往往需要很多天的時間，該技術的推廣受到了限制。目前，利用聲學方法取得了不錯效果的有上海交通大學。(2)化學檢測法通過檢測SF6被擊穿分解后的生成物SOF2和SO2F2來間接檢測局部放電的方法叫做化學檢測法。這兩種氣體可以利用質譜分析和氣相色譜儀可以檢測出來,靈敏度可達1ppm。不受電氣干擾的影響化學檢測方法的優點，但從發生局部放電到由分析氣體檢測出來所需要的時間太長，有時候幾天也得不到結果，這是的化學方法在局部放電檢測中的使用收到非常嚴重限制。(3)光學檢測法因為光電倍增器能夠檢測到甚至一個光子的發射，在診斷技術中,檢測放電產生的光是最靈敏的方法。雖然SF6和玻璃對光的吸收能力很強，但檢測時采用石英透鏡，并且路徑選擇得當，就能檢測出來。光學法對于檢測已知點的放電非常有效，但是對于GIS中諸多未知的放電源，光學法的靈敏度就會大受影響。此外，光學檢測法是把傳感器放到GIS里面，因此只能離線測試而不適合用于在線監測。(4)超高頻法20世紀80年代初期英國中央電力局（CEGB）實驗室提出了超高頻（UHF）法。UHF法利用安置在GIS中的傳感器檢測局部放電的電磁波UHF(300MHz3GHz)部分。UHF法的具有抗干擾性很強（通常的噪聲干擾頻率都在500MHz以下）和定位局部放電源能力（理論上可以小于10）等優點。但在線檢測需要很多的傳感器，因為信號衰減程度跟局部放電源的距離成正比（約2dB/m）,導致傳感器間的距離較小(510m)。(5)常規電測法1981年，IEC正式提出并被廣泛采用的局部放點檢測被稱作常規電測法，又稱脈沖電流法（IEC60270）。用一個有電荷損耗的集中電容能夠等效GIS，要想測得發生局部放電時的電量（檢測局部放電的頻率范圍為40kHz1MHz），可以通過在外部并列安裝一個耦合電容傳感器。為了獲得最佳的靈敏度，常規電測法可以通過調節GIS等值電容和傳感器的比值，同時標度測量系統。此外這套裝置需要完全屏蔽，從而防止受到外部的電磁干擾，獲得最高的測量靈敏度，但完全屏蔽對于測試整個GIS通常是行不通的。前三種是非電測法，后兩種是電測法，對GIS中局部放電放的各種檢測方法總結如下：(a)這幾種方法的靈敏性都能夠達到良好。(b)常規電測法不能定位局部放電源，聲學和UHF法可以做到。(c)常規電測法不能用于運行中的GIS，因為它需要一個外部耦合電容，其他方法則可以。目前在線檢測一般采用化學和光學檢測法，因為它們的靈敏度不高，現場檢測適用采用聲學檢測法，而連續在線監測最好采用UHF法。GIS局部放電監測主要方法的性能如表1.3所示。表1.3 GIS局部放電監測主要方法的性能一覽表監測方法常規電測法超高頻法超聲波法化學法光學法優點簡單；靈敏度較高靈敏度高；可用于運行中設備靈敏度高；抗電磁干擾能力強不受電磁干擾不受電磁干擾缺點運行設備不能使用；信噪比低造價高結構復雜；要求靜音豐富的人操作靈敏度差，不能長期監測靈敏度差；需多個傳感器可達精度5pC0.50.8pC2pC很差差適用監測的放電源固定微粒；懸浮物；氣隙和裂紋各種缺陷類型都適用自由移動的微粒；懸浮物放電情況嚴重時的缺陷固定微粒；針狀突出物能否故障定位不能精確度較高；0.1m適用，但條件苛刻，需多個傳感器僅能判斷哪個氣室發生放電不能能否判別故障類型能能能不能不能是否已應用早期應用較多應用較多應用較多極少應用極少應用1.4 本作品研究的主要內容國內外一直致力于GIS局部放電檢測的研究，已經研制出應用于現場的GIS局部放電檢測的裝置，這些裝置既能夠檢測到GIS設備是否發生了局部放電，而且能判斷出局部放電的類型和位置，但價格上非常昂貴，如果在GIS設備每個套管上安裝上這么一個該裝置，成本更是大大提高，不宜推廣。本作品高壓GIS局部放電檢測系統是基于UHF法研制的，其功能和性能都達到國內一流水平。系統分為兩套裝置：局部放電報警裝置和局部放電監測裝置。局部放電報警裝置安裝在GIS罐體上，可以對局部放電進行實時監測，當有局部放電產生時立刻發出報警短信，此時再在有局部放電的發生點換上局部放電在線監測裝置即可得到局部放電的波形并實現對局部放電的放電量和放電類別進行初步的判定。局部放電報警裝置成本相對較低，而檢測裝置成本相對較高，本作品的設計使得一個GIS站只需配置多套局部放電報警裝置和一套局部放電檢測裝置，在實現對GIS局部放電的實時監測的同時，大大降低了成本。本作品的主要研究內容有：(1)寬動態范圍的有源集成傳感器設計與實現；(2)局部放電報警裝置設計與實現；(3)局部放電監測裝置設計與實現；(4)基于以太網的數據傳輸與IEC61850建模。第2章 寬動態范圍的有源集成傳感器設計與實現傳感器包括兩個部分，天線和有源電路。有源集成傳感器是將射頻前端的輻射單元（天線）和有源電路集成在同一介質板上，使輻射單元和有源電路成為一個整體安裝在屏蔽罩內,從而避免平衡電線的平衡不平衡轉換帶來的匹配損耗以及高頻傳輸線引入的噪聲。圖2.1傳統傳感器與有源傳感器信號傳遞過程傳統UHF傳感器將天線和后置電路通過同軸電纜直接相連，會有以下不利：(1)傳輸線衰減。由于UHF天線接收到的是數百兆甚至千兆的高頻信號，該信號在同軸電纜中將會有較大的衰減，特別是大型GIS中，當天線與后置電路距離較遠時，嚴重的衰減會極大降低系統的信噪比。(2)匹配損耗。蝶形天線是平衡天線而同軸電纜是不平衡傳輸線，對于寬頻帶天線而言，不匹配影響的結果是信號衰減嚴重，帶寬降低。(3)噪聲。由于傳輸線在GIS外側，從天線至后級采樣系統會引入噪聲。天線接收到的信號幅值往往在微伏至毫伏數量級，此時噪聲對信號影響嚴重，信噪比低。因此，本文設計一種有源集成傳感器，將天線與有源電路集成在同一介質板上，使天線接收到的信號能夠立即進行處理，將處理后的較低頻（10MHz）較高幅值（5V峰峰值）的信號通過同軸電纜傳輸，這樣既避免了平衡信號在不平衡線路中的傳輸，又降低了傳輸線的損耗，還有效提高了系統的信噪比。2.1 寬動態范圍傳感器的天線設計 2.1.1 GIS局部放電檢測用天線的要求GIS內部缺陷引起的局部放電信號可從200MHz到3GHz，不同缺陷具有不同的局部放電頻譜。因此，未能能采集到各種類型的放電信號，要求具有優異的寬頻帶特性、超高速的響應能力、高信噪比。一般應具有如下要求：(1)UHF檢測法具有廣泛的頻率范圍（300MHz到3GHz），因為現場各種干擾的頻率通常小于300MHz，所以UHF法可以避開這些干擾從而獲得較高的信噪比。盡管手機等通訊工具的信號被GIS管壁隔離，但為了進一步提高信噪比，天線的頻率范圍選擇還應避開這些頻段。(2)不同缺陷具有不同的局部放電頻譜，為了采集到更多種類型的局部放電信號，要求天線擁有盡可能寬的頻帶。(3)增益高：增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比，用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，根據天線的實際情況考慮，要求在水平極化的增益大于 4dB；(4)信號檢測靈敏度高。(5)考慮到現場實際情況，GIS的盤式絕緣子寬度在20cm以內，因此，天線寬度不得大于20cm。(6)阻抗匹配。為了使傳輸線獲得最大功率，天線與后級系統應阻抗匹配。考慮到實驗室和現場安裝方便，設計的傳感器應該具有結構簡單尺寸小，便于使用和安裝的特點。2.1.2 蝶形天線 圖2.2蝶形天線局部放電激發的電磁波頻帶較寬，通常認為在300MHz-1.5GHz，為了消除工業環境中電暈放電等較低頻干擾（300MHz以下），選擇通帶頻率為400MHz以上的寬帶天線作為設計目標。蝶形天線屬于寬頻帶天線，具有結構簡單，體積小，重量輕，制作容易等優點，可以通過印制電路板技術印制在一塊PCB板上，所以選擇蝶形天線作為局部放電檢測用天線。蝶形天線是雙錐天線在平面上的投影，具有恒定的阻抗，被大量應用在通信、雷達等工程中。為了設計滿足GIS局部放電檢測要求的蝶形天線，將介紹天線增益、阻抗特征、駐波系數、頻帶寬度這幾項技術指標。(1)天線的方向性和增益天線的方向系數定量的描述天線的指向能力，如果天線能將更多的能量集中在一個更小的角度內，那么他在主瓣內輻射和接受信號的能力就越強。方向圖描述天線發出或接收能量在特定角度上的集中程度。天線的方向性越強，它把能量集中在特定角度的能力越強，增益越高。增益與方向性之間的關系是能量守恒原理在天線系統中的應用。輸出功率相同的情況下，天線在某一點產生的場強平方與點源天線在同一點產生的理想場強平方的比值：(2)天線的阻抗特征天線是一種空間自由波與導行波之間的轉換器件，從傳輸線端看向天線這一段等效于一個電阻成為輻射阻抗，而用于局部放電信號接收的天線為從空間看向天線的等效電阻，被稱為輸入阻抗，是天線輸入端信號電壓與電流之比，通常為一復阻抗，是頻率的函數48。天線的阻抗主要與自身結構和工作方式有關，其阻抗值在不同頻率下也不同，因此，寬頻帶天線要求天線在頻帶內盡可能的恒定并與后端電路阻抗匹配，從而達到最佳的功率傳輸。天線阻抗一般很難通過計算得出，通常采用測量的方法來確定天線的輸入阻抗。(3)天線的駐波系數天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發信機的阻抗不匹配，高頻能量就會在天線產生反射波，反射波和入射波在天饋系統匯合產生駐波。為了表征和測量天饋系統中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，建立了“駐波比”這一概念。可以通過天線的駐波系數VSWR或者反射系數來計算天線的輸入阻抗。，其中，為傳輸特性阻抗，是反射系數。電壓駐波比系數VSWR通常用來表征天線與饋線的匹配情況，與反射系數的計算關系式：表2.1給出不同天線匹配條件下，駐波比、S11的對數幅度和功率損失的典型數值：表2.1駐波比、S11的對數幅度和功率損失的典型數值匹配程度駐波比S11的對數幅度功率損失（%）可用3.00:1-6.025.0好2.00:1-9.511.1好1.92:1-10.010.0優良1.50:1-14.04.0極好1.22:1-20.01.0（4）天線的頻帶寬度頻帶寬度指天線的主要指標如增益、輸入阻抗等均滿足設計的要求，簡稱天線的帶寬，一般有兩種表示方法，一種為“絕對帶寬”，另一種為“相對帶寬”。絕對帶寬為天線上限頻率與下線頻率之差。相對帶寬為天線的2倍絕對帶寬與中心頻率的比值。式中， 、為天線工作頻帶的上限頻率和下線頻率，為中心頻率。蝶形天線的計算公式如下：其中：式中：為諧振頻率，c為電磁波傳播速度，為介電常數，L、W分別為蝶形貼片的長和寬，s為縫隙饋線的寬度，h為介質板的厚度，w0為波端口寬度。圖2.3蝶形天線的結構2.1.3 天線的仿真借助3維電磁仿真軟件HFSS 15對天線進行建模和仿真優化，以確定天線尺寸的最優參數。選擇襯底材料是FR4介質板，介電常數為4.4，長140mm，寬70mm，厚h為1.6mm。對天線的長度L和寬度W進行參數掃描分析。圖2.4(a)是不同長度對應的VSWR曲線，由曲線可以看出天線臂長對其最低頻率影響較大。 (a) 天線長度對駐波比的影響 (b) 天線寬度對駐波比的影響圖2.4 天線駐波比受長度可寬度的影響圖2.4(b)是不同寬度對應的VSWR曲線，寬度越大則天線最低頻率越低、曲線起伏越平緩，但是天線太寬將導致傳感器體積過大，不利于安裝使用。在實際應用中，應考慮安裝要求等實際情況進行天線的設計。圖2.5 蝶形天線電場分布圖由圖2.5可見，天線在四個角有較大的電場存在，為了更好地削弱由于天線末端與自由空間失配引起的反射波能量，從而避免脈沖信號的拖尾振蕩。設計使用四個150歐姆電阻在天線四角與屏蔽罩連接，加載電阻對天線末端電流進行吸收，以改善低頻段駐波比特性。為屏蔽外界干擾，實際檢測時局部放電傳感器需要放在安置在屏蔽罩內，通過使用Agilent E5061B 矢量網絡分析儀對天線進行分析，從天線饋電點處饋電單獨對天線測試，實驗發現屏蔽罩對傳感器的駐波比產生了很大的影響，如圖2.6所示。設計采用加大天線與金屬腔間距和增加吸波材料減少屏蔽罩對電磁波的反射，使入射的電磁波轉換成熱能而損耗掉。為了更好地削弱由于天線末端與自由空間失配引起的反射波能量，從而避免脈沖信號的拖尾振蕩。設計使用四個150歐姆電阻在天線四角與屏蔽罩連接，加載電阻對天線末端電流進行吸收，以改善低頻段駐波比特性。圖2.6天線駐波比測試實驗結果表明，通過加大天線與屏蔽腔的距離和增加吸波材料使駐波比有了較明顯的改善；通過電阻加載，吸收末端電流，傳感器低頻特性得到了改善。為安裝便捷，要求局部放電檢測用的傳感器長度L小于15厘米，寬度W小于8厘米。以蝶形天線長度L與寬度W為參數，以中心頻率為900MHz，駐波比小于2為目標，對蝶形天線進行優化分析（Optimetrics），最后得到天線L為11cm，W為6cm，W0為0.21cm。通過仿真結果圖2.7(a)可以看出，所設計天線中心頻率為800MHz，駐波比小于2的頻率范圍為730MHz1.05GHz。 （a）天線駐波比及S11參數仿真結果 (b)天線三維增益方向圖圖2.7 天線仿真結果天線增益表示用該天線代替各向同性輻射器時，在給定方向上輻射功率增加的最大倍數。仿真得到的內置蝶形天線三維增益方向圖如2.7(b)所示。從右圖中可以觀察到天線的最大增益為4.43dB，在整個頻帶內天線的增益較高，有利于局部放電信號的檢測。2.1.4 天線的測試通過印制電路板制作出天線如圖2.8所示：圖2.8 天線使用Agilent E5061B 矢量網絡分析儀對天線性能進行實際測試，得到結果如圖2.9所示： (a) 駐波比測試結果圖 (b) S11參數測試結果圖圖2.9 天線性能測試結果圖可以看出，實測曲線和仿真結果曲線基本上吻合，第一個敏感頻率點在700MHz左右，實際天線敏感頻率比仿真結果低約100MHz，說明仿真和實際制作存在一些差距，但并不影響實際測量，能夠滿足GIS局部放電檢測的需求。2.2 寬動態范圍的降頻模擬電路天線獲得的局部放電產生的電磁波信號頻率高達上GHz，根據奈奎斯特抽樣定理：若頻帶寬度有限的，要從抽樣信號中無失真地恢復原信號，抽樣頻率應大于2倍信號最高頻率，直接對其采集有以下缺點：(1)后續電路研發成本高。若要直接采集頻率高達上GHz的局部放電信號，需要3GHz甚至更高速的芯片，從放大器到ADC芯片成本都極高，成本將是100MHz成本的20倍以上。(2)數據量大。若使用3GHz的采樣芯片，數據量將為每秒鐘3Gbytes。這對數據的存儲是極大的考驗。(3)數據傳輸要求高。高速采集必然需要極高速的數據傳輸，以現在常用的RS485通訊為例，以9600波特率傳輸一秒鐘的采樣數據（3Gbytes）需要745小時，顯然不符合在線監測的要求。反映局部放電能量的功率信號頻率僅為2-10MHz，因此，通過功率測量可保留局部放電判斷需要的相位和幅值信息的同時降低模擬信號頻率。如圖2.10所示，局部放電信號為震蕩衰減信號較難采集，而取其包絡后大大降低了信號頻率。圖2.10 包絡降頻示意圖2.2.1 寬動態范圍的降頻模擬電路的仿真建立局部放電信號源，在每2us加入不同強度的信號，其表達式為式：其中t為50ns，fc為500MHz，輸入信號如圖2.11(a)所示。可見，在0秒處信號幅值較大，在1秒處的信號幅值極低，若采集范圍要照顧到0秒時的模擬放電信號，則1秒處的信號將無法采集到，若要縮小采集范圍采集1秒處的信號，則0秒處的信號將達到飽和。 (a) 輸入信號 (b) 輸入輸出關系 (c) 輸出信號圖2.11天線輸入、輸出信號降頻模擬電路對輸入信號的對數變換滿足如下關系式：其中為輸出值，vout1為輸出的最大值，vout2為輸出的最小值，pin1為輸入的功率最大值，pin2為輸入的功率最小值，為輸入電壓有效值，為系統的特征阻抗50ohm。局部放電動態范圍大，使用器件的最大動態范圍，設定最大輸入功率為0dBm，最小輸入功率為-65dBm，輸入擺幅為1.6V，為配合后續采樣電路，設定輸出范圍為0.5V2.1V。輸入輸出關系如圖2.11(b)所示，虛線為輸入信號電壓，實線為輸入信號功率，即對數域的局部放電信號，可見通過對數域壓縮，信號輸入功率與輸出呈線性關系，從而保證不同強度的局部放電信號都能有較好的靈敏度。經過對數域放大，輸出信號為圖2.11(c)所示。可見在對數域，0秒時的脈沖和1秒時的脈沖都較好的展現出來。2.2.2 寬動態范圍的降頻模擬電路的設計實際設計時，解調對數放大器使用多個相同的線性放大器級聯來分段線性逼近對數函數。信號沿著信號鏈進行，當行至某些放大器時，信號變得過大以至于發生飽和，這些放大器的輸出為其飽和電壓。每級限幅放大器的輸出經各級檢波器檢波后由加法器相加，再經低通濾波器濾波，最后以對數形式進行輸出，如圖2.12所示。圖2.12 對數檢波器為了達到本設計使用ADI公司的RF對數檢波器，頻率響應范圍為0.1至2.5 GHz。它能將差分輸入處的調制RF信號精確地轉換為直流輸出處的等效dB標度值,動態范圍最高達70 dB(3 dB精度)或62 dB(1 dB精度)。內置包絡檢波器，可以精確地測量調制信號的波峰因數(CF)。對數檢波器的工作頻帶為0.1GHz至2.5GHz，具有70dB(3.0dB精度)的動態范圍，1.0dB(65dB范圍，1.9GHz)的精度。具有40ns的快速響應能力，能夠識別出局部放電的短放電脈沖。工作電壓范圍為2.7V至5.5V，功耗為13.7mW(5V)圖2.13 有源電路電路圖如圖2.13所示，蝶形天線接收到的局部放電信號直接饋入功率檢波器，數據信號頻率為輸入信號的功率信號頻率，約為210MHz，對數放大器將大動態范圍的輸入壓縮成小動態范圍的輸出，其轉移特性為對數函數：式中，為輸入信號，為輸出信號，是對數斜率，是對數偏差。解調對數放大器使用多個相同的線性放大器級聯來分段線性逼近對數函數，所選解調對數放大器其核心是9級梯級鏈，每級放大器有8.7dB的增益和10.5GHz的3dB帶寬。信號沿著信號鏈進行，當行至某些放大器時，信號變得過大以至于發生飽和，這些放大器的輸出為其飽和電壓。每級限幅放大器的輸出經各級檢波器檢波后由加法器相加，再經低通濾波器濾波，最后以對數形式進行輸出。傳統二極管檢波與對數域包絡檢波都需要精確確定其阻容參數。高頻二極管檢波器如圖2.14所示，包括線性器件D和低通濾波器件R、C，其時間常數RC要求遠遠高于其載波時間常數，即電容C對高頻載波近似短路，濾除高頻分量，RC還應小于調制信號周期，以減小惰性失真。即：為載波頻率速度，為調制信號頻率。圖2.14 濾波電容在集成對數檢波器中，其轉折頻率為：為濾波電容的值，其中應小于局部放電的震蕩頻率。因此通過分析局部放電信號特點，取得其相對于調幅信號的載波頻率和包絡頻率，即可確定電容參數。GIS發生局部放電時，信號在GIS腔體內諧振，電磁波經過多次折、反射后被傳感器天線接收，在傳感器處接收到的單次局部放電信號可以用單指數衰減震蕩函數(SEAOW)表示:為震蕩頻率，表示電磁波在GIS內折反射過程，其頻率范圍為 300MHz-3GHz，可以近似看作調幅信號的載波，為局部放電信號衰減速度，可以近似看作調幅信號的低頻包絡,其頻率范圍為2-20MHz。因此，將(8)式代入(10)式，可知滿足對局部放電信號進行包絡處理的電容錯誤!未找到引用源。應選擇小于23.9pF。功率信號經由超高速脈沖放大器緩沖輸出，加強信號在容性負載上的傳輸能力。圖2.15 輸出脈沖放大器脈沖放大器選擇ADI公司的AD8009，它是一款超高速電流反饋型放大器，壓擺率達到5500V/s，上升時間僅為545 ps，因而非常適合用作脈沖放大器。高壓擺率降低可壓擺率限幅效應，使大信號帶寬達到440 MHz，從而滿足高分辨率視頻圖形系統的需要。信號質量在整個寬帶寬范圍內均保持較高水平，最差情況下的失真為40 dBc(250 MHz，G = +10，1 V p-p)。這種失真性能配合電流反饋結構，使AD8009 可靈活地應用于IF/RF信號鏈中的增益級放大器，其電路圖如圖2.15所示。將天線與降頻模擬電路制作在同一塊以FR4為基底材料的介質板上，天線接收到的信號直接饋入降頻模擬電路，降頻模擬電路的輸出由SMB座引出，通過同軸電纜連接至外屏蔽罩的N頭或BNC接頭上，完成整個傳感器的制作，如圖2.16所示。 (a)有源集成傳感器PCB圖 (b)有源集成傳感器實物圖圖2.16 有源集成傳感器2.2.3 寬動態范圍的降頻模擬電路的測試通過信號源DG4062產生矢量信號，接入降頻模擬電路的對數檢波器,輸出接到泰克TDS3052B中，矢量信號為一震蕩衰減信號，如圖2.17所示： 圖2.17信號源產生的模擬信號圖2. 18是輸對數檢波輸出信號：圖2.18對數檢波后的輸出信號從圖中可以看出，通過對數檢波電路完成了數據的對數變換和檢波功能。第3章 局部放電報警裝置設計與實現3.1 局部放電報警裝置硬件結構設計局部放電報警裝置由超高頻傳感器，集成檢波器，比較器，單片機控制模塊以及基于GSM的報警模塊組成。將超高頻傳感器貼在GIS外壁上，通過用50歐姆同軸電纜將傳感器接收超高頻局部放電信號輸入檢波器，再經過比較器的比較功能形成脈沖信號進入單片機，使用單片機的脈沖累加功能進行計數，再定時中斷讀取脈沖數判斷是否達到局部放電的閾值，如果已經發生局部放電，則通過GSM模塊發送短信進行報警。基于超高頻法的GIS局部放電局部放電報警裝置結構圖如圖3.1圖3.1 GIS局部放電報警裝置結構圖3.1.1 超高頻（UHF）傳感器作為UHF局部放電在線監測系統的關鍵之一的UHF傳感器，它具備抑制低頻（300MHz以下）干擾的能力，能夠檢測GIS中由局部放電所激發的電磁諧振波，主要頻率為300MHz-3GHz。根據安裝方式，UHF傳感器可分為外置式和內置式兩種。前者的靈敏度要差一些，但具有不影響系統的運行、安全性較高、安裝靈活等優點，在現有研發產品得到了較為廣泛的應用。后者靈敏度雖然高一些，但由于對制造安裝的要求較高的缺點，很少被采用，特別是在早期設計制造的GIS中，但目前英國新制造的GIS均要求加裝內置傳感器。下圖3.2(a)為購買的德國產UHF傳感器，圖3.2(b)為實驗室研制的UHF傳感器。 (a)德國產UHF傳感器 (b)實驗室研制的UHF傳感器圖3.2 UHF傳感器3.1.2 集成檢波器由于超高頻傳感器接收的是類似已調波信號，載波頻率相當的高，但其包絡是M級別的，而我們這套系統只需提取其包絡信號就能夠判斷是否有局部放電發生。本套系統采用了ADI公司的一個集成檢波器AD8361，安裝其芯片手冊上提供的參考電路如圖3.3，其檢波出來的波形是反向的，由于我們這套系統只需要判斷是否有局部放電發生，因此沒有影響。圖3.3 檢波電路3.1.3 比較器檢波后的信號還是模擬信號，需要把該模擬信號整成數字信號才能被單片機的脈沖累加器識別。本套系統采用了ADI公司生產的一款比較器AD8561，從改芯片的數據手冊上可以看到，它可以單電源供電，也可以雙電源供電，由于檢波出來的信號是正向的，所以只要單電源供電就行。此外還可以看到5伏供電是該芯片只有7ns的傳播延時，理論上工作能夠頻率能達到100多兆，實驗室測得其只能達到70M左右，但已經足夠滿足我們的需求。它的電路圖如圖3.4(a)，電路比較簡單，1腳是供電腳，此套系統5伏供電；2腳跟3腳分別是比較器的正端跟負端，一個接檢波輸出，一個接參考電壓；4腳是雙電源供電的負電源端，單電源供電接地即可；5腳的作用是鎖存輸出，高電平有效，本系統不要，接地即可；6腳是為地腳；7腳跟8腳為比較輸出，一正一反，隨便取哪個輸出都可以。 (a) 比較器電路 (b) DA芯片電路圖圖3.4 比較電路此外為了讓比較器的參考電壓能夠任意調節，我用了TI公司的一款DA芯片DAC081S101，改款芯片可以2.75.5V供電，采用串行通信，只要設置相關寄存器，就能輸出預定的電壓值，其電路圖如圖3.4(b)，1腳是輸出腳，作為比較器的參考電壓輸入；2腳是地腳；3腳為電源輸入腳，本系統采用5V供電