基于分形天线的输电线路等电位带电作业电位转移电弧电磁辐射特性测量

黎鹏， 蒋建红， 吴泳聪， 吴田， 方春华， 普子恒

(1.三峡大学 湖北省输电线路工程技术研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；3.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)

0 引 言

等电位带电作业是避免输电线路停电检修、保障正常供电的重要技术手段[1-3]。电位转移是等电位带电作业中的重要环节，是指作业人员通过导电手套或其它工具在距离带电体一定距离时，迅速进入或者退出等电位的过程[4-5]。相关研究表明：电位转移过程会出现明显拉弧现象，产生高幅值、高能量的放电脉冲，其辐射出的宽频带、高强度的电磁辐射噪声可能会影响周围智能设备的正常稳定工作[5-8]。因此，研究电位转移电弧的电磁辐射特性具有重要的实际意义。

利用天线对电弧产生的电磁辐射特性进行测量，在弓网电弧和故障电弧检测等方面得到了广泛应用。文献[9]搭建了模拟弓网电弧试验平台，利用分形天线测量了弓网电弧的电磁辐射特性，辐射信号主要集中在频段0～160 MHz，在18 MHz达到辐射脉冲峰值。文献[10]采用环形天线和对数周期天线对弓网电弧的电磁干扰信号进行了测量，研究发现，干扰信号的集中频段为30～300 MHz，在频段30～60 MHz内最严重。文献[11-12]分析了电流、接触压力、列车运行速度对弓网电弧电磁干扰频率带宽的影响规律。文献[13]采用多款天线结合线路实测及实验室半实物仿真试验，研究了弓网离线电弧电磁频谱特性。文献[14]通过时频分析天线获得了弓网电弧电磁辐射信号的频率分布范围、特征频率、辐射强度等信息，为抑制电弧电磁干扰提供了理论依据。文献[15]基于三阶Hilbert天线试验分析了模拟接头松动时，串联故障电弧的电磁辐射信号特性。文献[16]采用喇叭天线研究不同间隙电弧的电磁辐射特性，指出直流电弧电磁辐射分布在高频到超高频，属于宽带辐射。文献[17]利用4阶Hilbert天线研究了不同电流突变情况下直流电弧的电磁辐射特性。文献[18]利用分形天线采集了直流故障电弧的电磁辐射信号，发现直流故障电弧存在36～41 MHz的特征频率，且与气压、电极直径、形状均无关。文献[19]利用天线检测了故障电弧的电磁辐射信号，发现电弧起始和发展阶段频谱不同。文献[20]利用天线就金具电晕放电横向特性和极化特性进行了研究，初步测量了绝缘子电晕放电辐射电磁波的频谱范围为30～90 MHz。可见，利用天线可对电弧的电磁辐射信号进行较好地测量，但目前针对输电线路带电作业电位转移电弧电磁辐射特性的研究却未见相关报道。

本文根据输电线路等电位带电作业电位转移电弧的特点，设计4阶Hilbert分形天线，搭建模拟输电线路带电作业电位转移电弧试验平台，对转移电弧的电磁辐射特性进行了测量，并通过频谱特性分析获得电磁辐射信号的频带分布，研究可为实际输电线路带电作业电位转移电弧的电磁干扰研究提供参考。

1 4阶Hilbert天线设计

1.1 天线仿真模型

分形天线具有独特的空间填充性，使得在较小的物理范围内实现较大的电气长度，有效扩展了天线带宽，减小了天线尺寸[21]，此外自相似性通常与天线的多频特性相关[22]。因此，4阶Hilbert分形天线可以实现天线的小型化和多频段设计[18]。图1为三阶Hilbert分形天线模型，由平行导线、短路终端和附加导线三个部分组成[23]。其分形曲线的维数可表示为

图1 三阶Hilbert模型

(1)

式中n为Hilbert分形曲线的阶数。

当分形阶数分别为3、4时，对应的维度分别为1.694和1.834。维数取值范围为1～2，当阶数趋于很大时，分形曲线的计算维度将无限接近于2。电弧电磁辐射的相关研究表明：电弧电磁辐射频段主要集中在0～500 MHz之间。

天线仿真模型由三层组成，1～3层分别为：导线层、介质层和接地层，在HFSS软件中求解模式选择模式驱动，设置扫频范围为0～500 MHz，扫描步进为0.2 MHz，选用介电常数为4.6的FR4环氧树脂作为天线的介质层，导线层和接地层材质均选用良导体铜。天线采用同轴线馈电的方式，同轴线穿过介质层将导线层和接地层相连实现天线馈电，由于同轴线位于天线内部，所以选用集总端口激励方式。只有定义了辐射边界条件，HFSS软件才能实现天线的远区计算，通常设置辐射边界与天线模型的间隔为1/4个波长[24]。导体宽度、导体厚度和介质厚度等参数对天线的性能均有影响[25]，通过参数扫描确定天线的整体尺寸为165×165 mm2，导体层导线宽度为2 mm，介质层厚度为1.6 mm，4阶Hilbert天线具体模型如图2所示。

图2 天线仿真模型

1.2 天线性能分析

首先对天线性能参数驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)、回波损耗(S11)和输出阻抗进行分析。分形天线驻波比的仿真结果如图3所示，结果显示0～500 MHz的频率范围内，存在多个VSWR<5 dB的频段，其传输功率达到55.6%[17]。因此，设计的天线具有合适的驻波比水平和良好的宽频特性，能够满足电弧电磁辐射带宽的检测要求。

图3 驻波比结果

研究发现，天线的输入阻抗和谐振频率会随着馈电点位置的改变而发生变化，因此，通过适当调节馈电点位置，使天线输入阻抗约为50 Ω，达到与馈线阻抗匹配，提高天线功率传输的效率[17]。Hilbert天线的一个巨大优势就在于通过改变非中心的馈电点位置能够改变输出阻抗[26]。文献[14]对4阶Hilbert分形天线馈电点位置进行了讨论，最终确定馈电点在图2所示位置。天线回波损耗和输出阻抗的仿真结果分别如图4和图5所示，由仿真结果可知，该天线在0～500 MHz之间存在多个谐振频点，在通过高频同轴电缆与示波器相连时，可与同轴电缆实现良好的阻抗匹配。

图5 输出阻抗

1.3 天线PCB制作

根据上述天线参数，制作4阶Hilbert分形天线，天线PCB实物的正反面如图6所示。实际使用过程中，在天线馈电点安装SMA母头，通过阻值为50 Ω的同轴电缆与示波器相连即可。

图6 4阶Hilbert天线实物

2 带电作业电位转移模拟试验

2.1 试验平台及布置

输电线路带电作业电位转移模拟试验平台主要包括工频电压试验回路和电位转移装置，具体布置如图7所示，图中包括：调压器、工频试验变压器、模拟导线、电位转移装置、平板电极、分压器以及采集装置等。工频变压器最大输出电压为100 kV，模拟导线直径和长度为3 cm和1 m、两端设有均压球。其中模拟导线用于模拟高压导线，平板电极用于模拟穿屏蔽服的工作人员，转移电极用于模拟工作人员手持的转移棒。

图7 试验平台与装置

模拟导线和平板电极的具体布置如图8所示，模拟导线放置于环氧树脂绝缘支架上，其与大地之间的距离为H；平板电极同样固定于环氧树脂支架，通过调节其与导体之间的距离h来模拟转移距离(作业人员与高压导线之间的距离)的变化。转移电极与模拟导线之间的距离d(模拟转移棒与高压导线之间的距离)可根据需要进行调整。同时，为了减小电位转移装置对导线与平板电极之间电场的影响，转移棒放置方向垂直于模拟导线。阻容分压器变比为10 000∶1，用于测量变压器的实时输出电压，天线用于采集电弧的电磁信号，测量范围为0～500 MHz。

图8 具体布置

2.2 电位转移电流的测量

进出等电位时，等电位人员和测量装置处于中间和高电位，存在强电磁干扰，并且脉冲电流信号的频率高，对测量装置的抗干扰能力和采样率都有较高的要求[4]。因此，采用无感同轴分流器和光纤光栅隔离采集系统对电位转移电流进行测量，其测量系统如图9所示。

图9 电位转移电流测量系统

将同轴分流器串入转移电极与平板电极之间，当模拟导线与转移电极之间产生电弧时，模拟导线与平板电极之间的电容Ca存储的能量(电荷)会通过电弧-同轴分流器释放，从而形成瞬态电流，即电位转移电流。为尽可能减小同轴分流器对转移电流的影响，无感同轴分流器的电阻取为5 mΩ，实测值为4.695 mΩ。

由于同轴分流器位于高压侧，暴露于强电磁干扰环境中，为了减少电磁辐射干扰对转移电流测量的影响，将同轴分流器的输出信号通过同轴电缆与光纤光栅隔离采集系统(包括变送器和接收器，两者通过光纤相连)相连，最后将接收器的输出信号接至示波器即可。光栅隔离系统的带宽可达20 MHz，示波器型号为DPO405B，最大采样率可达2.5 G/s，存储容量可达20 M。

2.3 具体试验步骤

1)按图7、图8所示搭建试验回路，调整模拟导线对地高度H为85 cm，将平板电极置于导线正下方，其与导线之间距离h为20 cm；转移电极置于导线与平板电极之间，其与导线之间的距离d根据需要调整。

2)无感同轴分流器输入端分别与转移电极和平板电极相连，输出端接光纤光栅隔离采集系统；Hilbert天线放置于试验平台一侧，其离转移电极的距离为3 m，同时为了提高天线测量准确性，调整天线正面中心与转移电弧平齐。所有输出信号均通过同轴电缆与示波器相连，示波器的采样频率设置为100或250 MHz。

3)采用均匀升压法升高电压，当转移电极与导线之间出现稳定的电弧放电时，停止施加电压，同步采集施加的工频电压U、电位转移电流I和天线电磁辐射信号。

3 试验结果与分析

3.1 电位转移电流特性分析

调整转移电极与模拟导线之间的距离d为3 cm，当施加电压U为35 kV(有效值)左右，出现稳定电弧。同轴分流器和分压器采集的转移电流和电压波形如图10所示。可以看出，转移电极与导线间隙均在电压峰值时发生击穿，击穿时导线电压出现小幅度跌落，同时会出现尖峰脉冲，这可能与间隙击穿瞬间产生的电磁干扰有关。由电位转移电流波形可知，每个电压周期(20 ms)最多出现一个电流脉冲，整个燃弧过程转移电流峰值最大达到3 200 A左右，平均值接近3 000 A。对图10中虚线区域内的脉冲进行局部放大，可以看出，单次燃弧过程中，转移电流呈衰减振荡，持续时间为1 μs左右。

图10 导线电压及电位转移电流波形

保持d为3 cm不变，提高模拟导线电压至40 kV(有效值)左右时，得到转移电流波形如图11所示。

图11 电位转移电流波形

图11中电位转移脉冲波形特征与图10基本一致，但脉冲数量明显增加，每个电压周期至少有1个电流脉冲，部分周期在电压峰值附近甚至出现了两次连续电弧放电过程(2个电流脉冲)；同时，转移电流峰值也有所增大，最大值和平均值分别为3 500和3 100 A。可见导线施加电压增大后，转移电极与导线之间的间隙更容易击穿，放电频率与电流脉冲峰值均明显增大。对图11中虚线区域的波形进行局部放大，其变化规律与图10基本相同，转移电流脉冲仍呈衰减振荡，振荡时间仍在1 μs左右。

3.2 电位转移电弧电磁辐射特性分析

4阶Hilbert天线的频率测量范围为0～500 MHz，而转移电弧电磁辐射信号的频带分布是未知，因此，设置示波器采样频率分别为100和250 MHz进行测量。当施加电压有效值为35 kV时，获得不同采样频率下转移电流与电磁辐射信号波形分别如图12和图13所示。

图12 转移电流与电磁辐射信号(采样率100 M)

由图12和图13可知，改变采样频率后，转移电流与电磁辐射信号波形随时间的变化规律基本类似，仅在脉冲数量上有差异，即采样频率增大，采样时间缩短，故采集到的脉冲数量也相应减少。同时，对图12中的电磁辐射脉冲②与对应的转移电流脉冲进行局部放大，具体如图14所示，可以看出，转移电流与电磁辐射脉冲变化趋势一致，两者上升沿、下降沿基本对应，即转移电流脉冲与电磁辐射信号脉冲在时间上具有一致性，且衰减振荡周期相同。出现转移电流脉冲的同时也会产生较大幅值的电磁辐射信号，但电磁辐射信号脉冲数量要多于转移电流，这主要与转移电流信号采集系统的采样频率较低有关；试验过程中，采用光纤光栅隔离采集系统对转移电流信号进行采集，但其最大采集频率只有20 MHz，可能会造成一些低强度高频率的转移电流脉冲未被采集，从而导致转移电流脉冲数量较电磁辐射脉冲少。

图14 转移电流脉冲与电磁辐射脉冲

为研究电磁辐射脉冲信号的频谱特性，对图12和图13中的典型电磁辐射脉冲①～③分别进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)，得到采样频率分别为100和250 MHz时，转移电弧电磁辐射脉冲的频谱变化规律，具体如图15和图16所示。可以看出：转移电弧的电磁辐射信号在频域上为脉冲波形，在0～125 MHz范围内均有分布；当采样频率为100 MHz时，电磁辐射的频域幅值整体差异较小，而当采样率为250 MHz时，幅值差异较大；在0～50 MHz范围内幅值较大，而在高于50 MHz频段范围内幅值较小，可见，电位转移电弧的电磁辐射信号主要分布在频段0～50 MHz内。

图15 频谱分布(采样频率100 M)

进一步分析可以发现，当采样频率为100和250 MHz时，电磁辐射脉冲均在频段10～30 MHz的幅值较大，且频域峰值均集中在14 MHz附近。因此，转移电弧电磁辐射脉冲的主要频带范围为10～30 MHz，且特征频率在14 MHz附近。

3.3 电弧特性对电磁辐射频段的影响分析

为了进一步分析电弧特性对电磁辐射频段的影响，当采样频率为250 MHz时，对导线施加电压为40 kV时的转移电流和电磁辐射信号进行分析，具体如图17所示。

对图17中典型的电磁辐射脉冲①～③进行FFT，得到电磁辐射脉冲的频谱变化规律如图18所示，与图16对比发现，不同施加电压下(即转移电弧燃烧特性发生改变)转移电弧电磁辐射脉冲均在频段10～30 MHz的幅值较大，且频域峰值均集中在14 MHz附近。

图16 频谱分布(采样频率250 M)

图17 转移电流与电磁辐射信号

图18 频谱分布

电弧电磁辐射频谱中，最大幅值对应的频率(特征频率f0)可通过下式进行估算[12]：

(2)

式中：ρ为电弧电阻率；ε0为空气的介电常数。

由式(2)可知，电磁辐射的特征频率取决于电弧电阻率和空气的介电常数，电弧电阻率由空间带电粒子数量、游离和去游离的强度决定，电弧电流的幅值影响较小，而空气介电常数不随电流幅值变化[17]。因此，电弧燃弧特性对电磁辐射频段影响较小。

4 结 论

本文开展了输电线路等电位带电作业电位转移模拟试验，获得了电位转移电弧电流和电磁辐射信号的变化规律，并基于FFT分析了转移电弧电磁辐射信号的频带分布，得到如下结论：

1)设计的4阶Hilbert天线驻波比、回波损耗和输出阻抗等参数符合测量要求，其性能满足对输电线路带电作业电位转移电弧电磁辐射特性测量的要求，并通过模拟试验验证了测量的有效性。

2)导线电压增大后，转移电极与导线之间的间隙更容易击穿，放电频率和转移电流脉冲峰值均明显增大。电磁辐射脉冲的变化规律与转移电流脉冲基本一致，当转移电流脉冲幅值较大时，对应的电磁辐射信号也较大，且电磁辐射信号与转移电流脉冲呈现相同的衰减振荡，振荡时间约为 1 μs。

3)电位转移电弧电磁辐射信号的频带主要分布在10～30 MHz，且辐射脉冲的频域峰值主要集中在14 MHz附近。