CN104833907B - 一种gis局部放电和vfto的测量系统 - Google Patents

Abstract

一种GIS局部放电和VFTO的测量系统，包括Moore分形天线及其信号处理系统，所述Moore分形天线包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和Moore分形导线层，确定导线层各部分尺寸时将三种导线段的长度d和宽度b作为参数，根据弯折线天线谐振频率的计算方法建立天线的谐振频率f的计算方程，计算出与可用谐振频率相对应的导线段长度d及宽度b的最佳值，从而得到所需的Moore分形天线。本发明将Moore分形天线用作信号传感器，该天线能够同时满足GIS局部放电和VFTO的测量要求，不仅可节省测量设备，降低测量成本，而且体积小巧，便于安装在GIS内部，从而提高了设备的灵敏度和抗干扰能力。

Description

一种GIS局部放电和VFTO的测量系统

技术领域

本发明涉及一种能够同时测量气体绝缘组合电器（GIS）局部放电和特快速暂态过电压（VFTO）信号的系统，属开关技术领域。

背景技术

气体绝缘组合电器（GIS）是20世纪60年代才出现的一种新型装置，与原有电气设备相比，GIS具有占地面积小、运行安全可靠、检修周期长、安装方便、不受外界环境影响等优点。为了使设备维护人员及时了解GIS的运行情况，及时发现并排除设备的潜在缺陷，需对GIS内部的局部放电和特快速暂态过电压（VFTO）进行监测。

GIS中发生放电时局部放电脉冲宽度可达1-2ns，可激发频率达1GHz以上的电磁波。因此可以运用超高频法对GIS进行局部放电检测。由于分形天线具有严格的自相似性和空间填充性，可以实现天线的多频段和小型化应用。目前研究较多的分形天线主要有Koch岛、Sierpinski地毯分形、Hilbert分形天线、Peano分形天线和Minkowski分形天线，由于这些分形天线的体积不够小，一般放置在盆式绝缘子外侧，因此其接收到的信号幅值低，易受外界信号干扰，灵敏度和抗干扰能力均较差。

Moore分形曲线也属于平面填充式分形曲线的一种，图1是一至四阶Moore分形曲线形状示意图，Moore分形曲线可以描述为：将正方形等分成四个一阶小正方形，依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的正方形中心，得到一个分形单元（即一阶Moore分形）；将每个一阶小正方形分别分割为四个二阶小正方形，重复上述过程，生成的高阶分形单元开口方向遵守一定规则（图1中，n=2和n=3时，左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：左、下、下、右，n=4时，左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：右、右、左、左，n＞4时与n=4时相同），并按照特定的顺序连接分形单元的开口（图1中为依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元开口），最终就得到一条可以填满整个正方形的曲线，这就是Moore曲线。Moore分形天线的导线层构成的高阶分形曲线中，成对出现的两个边为平行导线（图2中的细实线），连接平行导线的边为短路终端（图2中的粗实线），将分形单元连接为完整曲线的边为附加导线段（图2中的粗虚线）。在Moore分形天线中，三类导线（即平行导线、短路终端和附加导线）的长度都相等，其结构更加紧凑，容易制出体积更小的天线。因此，合理设置Moore分形天线的参数有望提高GIS内部的局部放电的检测水平。

目前，特快速暂态过电压（VFTO）的检测主要是采用内置电容探头法、预埋电极法和套管末屏法，前两种方法不适于已经投运的GIS变电站，套管末屏法只能测量GIS外部VFTO，而且这些方法测量带宽窄，高频截止频率只有几MHz，而VFTO的频率很高（最高可达上百MHz），因此无法获得理想的检测效果。

现有技术的另一明显缺点是，为了进行局部放电测量和VFTO测量，GIS腔体上需要安装两套测量设备，这就增加了测量系统的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种GIS局部放电和VFTO的测量系统，它可以在保证检测效果的同时简化测量系统的复杂性。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种GIS局部放电和VFTO的测量系统，构成中包括Moore分形天线及其信号处理系统，Moore分形天线接收气体绝缘组合电器的局部放电和特快速暂态过电压信号、并送至信号处理系统进行处理；所述Moore分形天线包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和Moore分形导线层；所述导线层中的导线分为三种类型，分别称为平行导线、短路终端和附加导线，导线参数分为长度d和宽度b，其数值根据弯折线天线谐振频率建立天线的谐振频率f公式、计算出与可用谐振频率相对应的导线段长度d及宽度b的最佳值，从而得到所需的Moore分形天线。

上述GIS局部放电和VFTO的测量系统，所述信号处理系统包括选择滤波器、局部放电信号处理单元和VFTO信号处理单元，所述选择滤波器内设有高通滤波器和低通滤波器，在进行VFTO测量时，Moore分形天线的输出信号经低通滤波器滤波后传输到VFTO信号处理单元；在进行局部放电测量时，Moore分形天线的输出信号经高通滤波器滤波后传输到局部放电信号处理单元。

上述GIS局部放电和VFTO的测量系统，所述分形天线为四阶，确定分形天线参数的具体步骤如下：

① 将天线的导线段划分为64对平行导线、64条短路终端和63条附加导线，平行导线、短路终端、附加导线的长度相等，用d表示；三类导线段的宽度相同，用b表示；

② 建立天线谐振频率f的计算方程：

其中，c ₀为真空中光速，β为相位常数，β=2π/λ，m为平行双导线的对数，m=64，s为导线段总长度s=255d，k∈{0,R ⁺}；

③ 对于不同的d，b值，分别计算天线谐振频率f，然后根据谐振频率f的可用范围确定d，b的最佳值；

④ 根据d，b的最佳值制作Moore分形天线。

上述GIS局部放电和VFTO的测量系统，所述介质基板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜。

上述GIS局部放电和VFTO的测量系统，在Moore分形天线的馈电点处设置有贯穿接地板、介质基板和导线层的通孔。

本发明将Moore分形天线用作信号传感器，该天线在10MHz到3GHz范围内有多个检测频带，具有方向性好，频带宽，便于阻抗匹配等特点，能够同时满足GIS局部放电和VFTO的测量要求，不仅可节省测量设备，降低测量成本，而且体积小巧，便于安装在GIS内部，从而提高了设备的灵敏度和抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为一至四阶Moore分形曲线形状示意图；

图2为四阶Moore分形天线中导线段分类示意图；

图3为本发明设计的四阶Moore分形天线正面示意图；

图4为本发明设计的四阶Moore分形天线侧面示意图；

图5为本发明设计的四阶Moore分形天线立体图；

图6为导线段长度d为4mm，宽度b为2mm时，介质基板厚度为2mm时，天线的驻波比示意图；

图7为导线段长度d为4mm，宽度b为2mm时，介质基板厚度为2mm时，天线的三维方向和增益示意图；

图8为测量系统的连接示意图。

图中各标号清单为：1、介质基板，2、导线层,3、接地板。

文中各符号清单为：f为谐振频率，d为三种导线的长度，b为三种导线的宽度，c ₀为真空中光速，β为相位常数，m为平行双导线的对数，s为导线段总长度。

具体实施方式

本发明提供了一种用于测量GIS局部放电和VFTO信号的系统。该测量系统主要包括Moore分形天线和信号处理系统。

Moore分形天线是在介质基板1两侧分别敷设Moore分形导线层2和接地板3。导线层3（2）内导线段划分为平行导线、短路终端导线和附加导线三种，三种导线段的长度均为d，宽度均为b。Moore分形天线的谐振频率可根据弯折线天线谐振频率的计算方法推广得到，Moore分形导线段总电感L _in约等于半波长偶极子天线的电感L _d，即L _in≈L _d。

假设四阶Moore分形天线短路终端导线长度与波长相比足够小，可对tan(βd/2)进行三阶泰勒公式展开，得到Moore分形天线的所有谐振频率f：

（1）

其中，c ₀为真空中光速，β为相位常数，β=2π/λ，m为平行双导线的对数m=64，s为导线段总长度s=255d，k∈{0,R ⁺}。

若考虑的是对tan(βd/2)进行一阶泰勒公式展开，则有

（2）

在这种情况下，，。因为导线段长度d远小于所求频率波长λ，因此在设计天线时，可以采用一阶泰勒公式简化方程（2）求解Moore分形天线的谐振频率。

Moore分形天线的特点：

1.在10MHz到3GHz范围内具有多个检测频带，检测频带较宽，检测频带内驻波比小于5，能够记录局部放电和VFTO的大部分信息。

2.具有50欧姆的输出阻抗，易于与信号传输线路形成阻抗匹配。

3.具有椭球状的方向性，对来自天线正面的信号具有很高的增益，有利于接收在GIS腔中发生复杂折反射的局部放电信号，尤其对微弱信号具有高灵敏性。

信号处理系统包括选择滤波器、局部放电信号处理单元和VFTO信号处理单元（参看图8），其中VFTO信号处理单元由VFTO二次分压器和采集装置组成，采集装置的采样频率高（GHz以上），数据存储深度达100Mbytes以上，满足记录VFTO完整过程的需要。选择滤波器内分为高通滤波器和低通滤波器。在进行VFTO测量时，选择滤波器将信号送入低通滤波器，信号经滤波后传输到VFTO信号处理单元；在进行局部放电测量时，选择滤波器将信号送入高通滤波器，信号经滤波后传输到局部放电信号处理单元。

局部放电信号处理单元内部有用于对局部放电信号检波、放大、滤波的元件，滤波处理掉耦合进信号的通讯信号、白噪声等电磁干扰，便于对信号进行后续分析。VFTO信号处理单元中的VFTO二次分压单元中含分压电容，用于对VFTO进行分压处理。

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图2至图5所示，本发明的天线包括介质基板1、Moore分形导线层2接地板3。Moore分形导线层2敷设于介质基板1的上表面，在介质基板1上的覆盖面为矩形面，覆盖面的边长为导线层的边长；接地板3为矩形面，敷设于介质基板1的下表面；Moore分形导线层2根据Moore四阶分形原理进行设置，组成四阶辐射天线元件；Moore分形导线层2上设置有馈电点，馈电点设置在接近于介质基板1覆盖面的几何中心点处。

本实施例中， Moore分形导线层2为铜箔，根据计算所得的导线段的宽度b为2mm，导线段长度d为4mm，介质基板1采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料（FR-4），厚度为2mm，宽度为62mm。

图6为导线段长度d为4mm，宽度b为2mm，介质基板厚度为2mm时天线的驻波示意图。通过图6可以看出，天线在300MHz-3GHz范围内有6个谐振频率点，且谐振频率点处带宽都比较宽，同时，在10MHz-300MHz范围内VSWR<5的频段范围为80MHz-160MHz，天线能检测到频率较高的VFTO，而且频段也较宽，能够满足设计和使用要求。仿真得到的天线方向和增益示意图如图7所示，天线具有椭球状的方向性，能接收来自各个方向的电磁波信号，其方向性和增益都比较好。

Claims (3)

1.一种GIS局部放电和VFTO的测量系统，其特征是，包括Moore分形天线及其信号处理系统，Moore分形天线接收气体绝缘组合电器的局部放电和特快速暂态过电压信号、并送至信号处理系统进行处理；所述Moore分形天线包括介质基板(1)和分别敷设于介质基板(1)两侧的接地板(3)和Moore分形导线层(2)；所述导线层(2)中的导线分为三种类型，分别称为平行导线、短路终端和附加导线，导线参数分为长度d和宽度b，其数值根据弯折线天线谐振频率建立天线的谐振频率f公式、计算出与可用谐振频率相对应的导线段长度d及宽度b的最佳值，从而得到所需的Moore分形天线；

所述信号处理系统包括选择滤波器、局部放电信号处理单元和VFTO信号处理单元，所述选择滤波器内设有高通滤波器和低通滤波器，在进行VFTO测量时，Moore分形天线的输出信号经低通滤波器滤波后传输到VFTO信号处理单元；在进行局部放电测量时，Moore分形天线的输出信号经高通滤波器滤波后传输到局部放电信号处理单元；

所述分形天线为四阶，确定分形天线参数的具体步骤如下：

①将天线的导线段划分为64对平行导线、64条短路终端和63条附加导线，平行导线、短路终端、附加导线的长度相等，用d表示；三类导线段的宽度相同，用b表示；

②建立天线谐振频率f的计算方程：

其中，c₀为真空中光速，β为相位常数，β＝2π/λ，m为平行导线的对数，m＝64，s为导线段总长度s＝255d，k∈{0,R⁺}；

③对于不同的d，b值，分别计算天线谐振频率f，然后根据谐振频率f的可用范围确定d，b的最佳值；

④根据d，b的最佳值制作Moore分形天线；

所述Moore天线在300MHz-3GHz范围内有6个谐振频率点；

分形导线层(2)上设置有馈电点，馈电点设置在接近于介质基板(1)覆盖面的几何中心点处。

2.根据权利要求1所述的GIS局部放电和VFTO的测量系统，其特征是，所述介质基板(1)的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板(3)和导线层(2)的材质为铜。

3.根据权利要求2所述的GIS局部放电和VFTO的测量系统，其特征是，在Moore分形天线的馈电点处设置有贯穿接地板(3)、介质基板(1)和导线层(2)的通孔。