1、第6 0 卷第7 期2023年7 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.7Jul.15,2023VFTO传感器标定用同轴传输腔体结构设计张榆,谢施君，丁卫东闫佳胤,王涵宇3,张晨萌（1.国网四川电力公司电力科学研究院，成都6 10 0 9 4；2.西安交通大学，西安7 10 0 49；3.国网四川省电力公司经济技术研究院，成都6 10 0 41)摘要：针对特快速暂态过电压（VeryFast TransientOvervoltage，VFT O)对电力设备的安全稳定运行造成严重危害，对VFTO进行准确测量具有重要意义。
2、针对目前应用较为广泛的基于耦合电容法的VFTO传感器,文中设计了2 kV方波标定平台，采用同轴传输腔体结构模拟GIS母线筒，并通过仿真研究了不同腔体结构参数对方波标定平台传输特性的影响，给出了结构优化方案。仿真结果表明，同轴传输腔体主段内导体外半径为44.7 5mm，外导体内半径为10 0 mm时，波阻抗为50 Q；内导体绝缘支撑宜采用三支柱支撑方式，锥形传输线过渡段长度40 0 mm，末端匹配筒为指数型且长度为30 mm时，该方波发生器具有较好的传输性能。结合仿真研究结果搭建了方波标定平台，输出幅值大于2 kV,上升沿小于1ns,满足VFTO传感器标定要求。关键词：方波发生器；VFTO传感器
3、；传输性能D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.07.027中图分类号：TM933Optimization design of coaxial transmission cavity structure forZhang Yu,Xie Shijun,Ding Weidong,Yan Jiayin,Wang Hanyu,Zhang Chenmeng(1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610041,China.2.School of Electrical En
4、gineering,Xian Jiaotong University,Xi an 710049,China.3.Economic Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Company,Chengdu 610041,China)Abstract:VFTO(very fast transient overvoltage)has caused serious damage to the stable and safe operation of power e-quipment.Therefore,it is of great
5、significance for accurate measurement of VFTO.Aiming at the widely used VFTO sen-sor based on coupling capacitance method,the 2 kV square wave calibration platform has been designed in this paperthrough using coaxial transmission cavity structure to simulate GIS busbar.The effects of different cavit
6、y structure parame-ters on the transmission characteristics of the square wave calibration platform are explored by simulation research,and thestructure optimization scheme is given.The simulation results show that when the outer diameter of the inner conductor ofthe coaxial transmission cavity is 4
7、3.46 mm and the inner diameter of the outer conductor is 100 mm,the wave impedanceof the coaxial transmission cavity is 50 Q2.The inner conductor insulation support shall adopt the tri-post insulator,andthe square wave source has better transmission performance when the length of conical coaxial tra
8、nsmission line is 380mm,and the end matching segment has an exponential shape with the length of 30 mm.Combined with the results of sim-ulation research,the square wave calibration platform is built.The output amplitude is greater than 2 kV and the rise timeis less than 1 ns,which meets the calibrat
9、ion requirements of VFTO sensor.Keywords:square wave source,VFTO sensor,transmission performance0引言特快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvolt-age,VFTO)会对电力系统中的一次及二次设备造成损害（绝缘子闪络、密度继电器损坏），对电力系统的危害基金项目：国网四川省电力公司科技项目（52 19 9 7 17 0 0 2 B）文献标识码：BVFTO sensor calibration文章编号：10 0 1-139 0(2 0 2 3)0 7-0 18 3-10极大
10、。因此,对VFTO进行准确的测量对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义1。目前,VFTO传感器标定方法尚无明确标准，大多数学者采用方波法对VFTO传感器进行标定12-14。同轴传输结构具有介质损耗小、频带宽和抗干扰能力强等优点13-14，是方波标定平台中的重要组成部分，其传输特性决定了一18 3 一第6 0 卷第7 期2023年7 月15日方波标定平台的输出性能，目前尚无针对方波标定平台同轴传输结构的系统研究文献15以SU-8方形柱作为支撑衬底,设计了波阻抗为50 Q、中心频率为38 GHz的微型矩形同轴线。由于其结构尺寸小，无法应用于方波标定平台中。文献16 发明了一种开域型横电磁波TE
11、M传输两端连接同轴电缆时的阻抗匹配结构，可以保证其特征阻抗为50 Q,同时可将最大驻波比降低到1.46。但这种结构没有用于安装VFTO传感器的窗口，窗口的引人及尺寸的改变会对其高频传输特性造成影响，从而影响方波标定平台的输出特性。文献17 利用数值保角变换,研究了内圆外矩同轴传输线内TEM波的场结构。但是由于内外导体形状不一致，用于方波标定平台中波阻抗匹配较难实现，容易造成波在传输过程中的折反射，从而影响标定平台输出性能。为了使得方波标定平台中同轴传输腔体具有良好的传输特性，需要对同轴传输腔体结构进行良好的设计保证波阻抗的连续性。在实际使用过程中，影响同轴传输腔体波阻抗的因素较多，但由于目前对
12、同轴传输腔体进行理论数值分析比较困难，只能通过仿真研究各个因素的影响。本文通过有限元电磁仿真软件，较为系统地研究了窗口、内导体绝缘支撑、过渡段及末端匹配等因素对于传输腔体波阻抗的影响规律,对于改善VFTO传感器标定系统输出波形，减小标定装置高频响应特性的不确定度具有重要意义。1同轴传输腔体结构设计及分析VFTO传感器标定用方波发生器结构中最重要的部分为同轴传输腔体，主要包括内导体，外导体，绝缘支撑部分，用于安装VFTO传感器的窗口，过渡段以及末端匹配（兼作标准测量系统），主要用于模拟VFTO传感器实际使用情况。为了保证同轴传输腔体良好的传输特性，需满足以下几个原则：(1)在波的传播过程中,所传
13、输信号最大频率范围内只传输TEM波，这就要求内外导体满足：C式中，fmax为传输信号的最大频率分量；c为对应介质中的电磁波传播速度；r为同轴传输腔体外导体内半径，r2为同轴传输腔体内导体外半径。（2)在波的传播过程中，为了减小波在同轴传输腔体传输过程中的折反射，应保持同轴传输腔体的特征阻抗与作为脉冲形成线的信号电缆一致，为50，内外导体尺寸应该满足：1Z。=2 元1n=5022一 18 4一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation式中为介质磁导率；8 为介质相对介电常数；11为同轴传输腔体外导体内半径，r2为同轴传输腔体内导体外半径。在进行同轴传输
14、腔体设计时，用于安装VFTO传感器的窗口位置及大小、内导体绝缘支撑的方式、位置及材料、过渡段的长度、末端匹配结构及安装时内导体偏移均会对同轴传输腔体的传输性能产生影响。因此,本文利用建模仿真分析的方法,对各因素的影响展开系统研究。2仿真建模研究及结果文中选用有限元电磁仿真软件（CST）对各影响因素进行仿真研究，建模结构如图1所示。文中设计的同轴腔体结构,与原有结构相比,将测量系统位置由垂直于同轴传输腔体改为同轴传输腔体末端，兼作末端匹配使用，减少同轴传输腔体的结构复杂性，有助于改善传输过程中波形畸变的情况。窗口内导体外导体维绝缘支撑过渡段末端匹配同轴腔体主段图1同轴传输腔体建模结构示意图Fig
15、.1 Schematic diagram of coaxial transmission cavity在仿真过程中,采用时域反射（Time Domain Re-flect,TDR）特征阻抗以及驻波比（voltage standing waveratio)来表征同轴传输腔体的传输性能17,TDR特征阻抗可以直观表征同轴传输腔体轴向特征阻抗的连续性,驻波比则表征其波形折反射的严重程度。TDR特征阻抗是根据特定算法，通过接收到的反射信号反推得到的模型各处的特征阻抗值，为一个随时间变化的值18 2 1。驻波比(VSWR)是指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比,和反射系数的关系如下：IV=1+IF长=VSW
16、R:(3)(1)式中为反射系数,其数值在0 到1之间,因此VSWR的值大于或等于1。故当VSWR=1时,阻抗完全匹配,无折反射发生。因此驻波比越小，代表其传输特性越优。2.1绝缘支撑对传输特性的影响在同轴传输腔体结构中,内外导体之间需要有绝缘材料作为机械支撑。绝缘支撑材料有尼龙、聚四氟乙烯等,其相对介电常数一般大于空气,由式(2)可知，绝缘支撑截面的特征阻抗小于无支撑处，因此有必要(2)对绝缘支撑的方式和位置进行研究和优化。Vol.60 No.7Jul.15,2023第6 0 卷第7 期2023年7 月15日2.1.1不同支撑方式的影响为了减小绝缘支撑对同轴传输腔体传输性能的影响，文中提出了四种绝缘支撑方案。方案一为绝缘圆环支撑，不改变传输腔体内外导体尺寸；方案二采用类似三支柱绝缘子结构，减少绝缘材料在截面的比例，不改变传输腔体内外导体尺寸；方案三采用绝缘圆环支撑,减小支撑处内导体尺寸，使其截面波阻抗维持在50Q；方案四支撑方式同样采用绝缘圆环支撑，增加支撑处外壳直径，使其截面波阻抗维持在50 Q。四种绝缘支撑方案的示意图如图2 所示。(a)方案一王王(c）方案三(d）方案四图2 同轴