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在电力系统中,对架空线路电晕放电进行检测可以及时发现电晕放电的发生,有效排除线路安全隐患,避免产生更严重的事故。架空线路电晕放电产生的原因有:线路和绝缘子金具接触不良、绝缘子表面污秽、绝缘子老化或者线路断股等。电晕放电的发生会造成架空线路电能消耗、产生调频(FM)广播信号干扰、使输电设备局部温度升高等影响,而且放电自身会产生臭氧和氮氧化物等具有腐蚀性的气体,会加剧绝缘子等设备的老化,可能引发严重的线路故障,若能够及时检测并予以排除具有重要意义。
本文采用电磁波测量方法,研究了电晕放电射频电磁波的时频分布特性,根据电晕放电频谱分布特性设计了相应的射频检测天线和射频检测硬件电路。为了实现用无人机(UAV:Unmanned Aerial Vehicle)搭载检测装置进行架空线路近距离检测,设计了专用无人机搭载的射频检测装置外壳,形成了一套架空线路电晕放电无人机载式射频检测装置。在架空线路现场进行实验,验证了该检测装置的放电检测功能。主要工作如下:
①研究电晕放电的射频电磁波检测频段范围。建立模拟电晕放电试验平台,分析电晕放电产生射频电磁波信号的时域和频域分布特性,确定了电晕放电射频电磁波信号的主要频率分布。通过对户外架空线路的实际测量确定了干扰噪声主要分布频段,从而确定了电晕放电射频电磁波的检测频率范围为100MHz~500MHz。
②研究电晕放电射频电磁波检测天线。根据电晕放电射频电磁波检测频率范围以及无人机搭载的空间限制,要求天线能够实现放电检测所在频段和小尺寸结构。选用矩形螺旋天线和Hilbert分形天线作为主要研究对象,对两种天线的结构特性进行仿真分析。通过结合两种天线结构的特点,创新的提出了一种以Hilbert分形曲线为基本单元的矩形螺旋(RSHU:Rectangular Spiral with a Hilbert Unit)天线结构,经过仿真优化完成了天线的设计,最终天线尺寸为100mm×100mm×1.6mm。制作的天线实物重量为35g,通过放电试验验证了RSHU天线的检测功能。
③设计电晕放电检测硬件电路。将硬件电路分为低噪放大器(LNA)、滤波器、可变增益放大器(VGA)、包络检波、信号处理、后级放大、存储、WiFi通信、电源等部分,分别设计电路原理图,完成硬件电路的制作。根据无人机下方的可利用空间、射频检测天线的尺寸和硬件电路的占用空间,完成了可安装于无人机的射频检测装置外壳。
④架空线路电晕放电现场实验。将射频检测天线、硬件电路、装置外壳组装调试,形成了一套架空线路电晕放电的射频电磁波检测装置。为了验证本系统的性能,对500kV的架空输电线路进行了实地测量。操作无人机分别对架空线路杆塔左侧、右侧、跳串部位的绝缘子金具附近进行检测,成功测得不同部位的放电信号,并能够区分放电的相对强弱。
实验结果表明,本文提出并制作的架空线路电晕放电的射频电磁波检测装置能够实现无人机搭载进行近距离放电检测,为架空线路电晕放电检测提供了新型便捷的检测方法。
本文采用电磁波测量方法,研究了电晕放电射频电磁波的时频分布特性,根据电晕放电频谱分布特性设计了相应的射频检测天线和射频检测硬件电路。为了实现用无人机(UAV:Unmanned Aerial Vehicle)搭载检测装置进行架空线路近距离检测,设计了专用无人机搭载的射频检测装置外壳,形成了一套架空线路电晕放电无人机载式射频检测装置。在架空线路现场进行实验,验证了该检测装置的放电检测功能。主要工作如下:
①研究电晕放电的射频电磁波检测频段范围。建立模拟电晕放电试验平台,分析电晕放电产生射频电磁波信号的时域和频域分布特性,确定了电晕放电射频电磁波信号的主要频率分布。通过对户外架空线路的实际测量确定了干扰噪声主要分布频段,从而确定了电晕放电射频电磁波的检测频率范围为100MHz~500MHz。
②研究电晕放电射频电磁波检测天线。根据电晕放电射频电磁波检测频率范围以及无人机搭载的空间限制,要求天线能够实现放电检测所在频段和小尺寸结构。选用矩形螺旋天线和Hilbert分形天线作为主要研究对象,对两种天线的结构特性进行仿真分析。通过结合两种天线结构的特点,创新的提出了一种以Hilbert分形曲线为基本单元的矩形螺旋(RSHU:Rectangular Spiral with a Hilbert Unit)天线结构,经过仿真优化完成了天线的设计,最终天线尺寸为100mm×100mm×1.6mm。制作的天线实物重量为35g,通过放电试验验证了RSHU天线的检测功能。
③设计电晕放电检测硬件电路。将硬件电路分为低噪放大器(LNA)、滤波器、可变增益放大器(VGA)、包络检波、信号处理、后级放大、存储、WiFi通信、电源等部分,分别设计电路原理图,完成硬件电路的制作。根据无人机下方的可利用空间、射频检测天线的尺寸和硬件电路的占用空间,完成了可安装于无人机的射频检测装置外壳。
④架空线路电晕放电现场实验。将射频检测天线、硬件电路、装置外壳组装调试,形成了一套架空线路电晕放电的射频电磁波检测装置。为了验证本系统的性能,对500kV的架空输电线路进行了实地测量。操作无人机分别对架空线路杆塔左侧、右侧、跳串部位的绝缘子金具附近进行检测,成功测得不同部位的放电信号,并能够区分放电的相对强弱。
实验结果表明,本文提出并制作的架空线路电晕放电的射频电磁波检测装置能够实现无人机搭载进行近距离放电检测,为架空线路电晕放电检测提供了新型便捷的检测方法。