GIS局部放電檢測用阿基米德螺旋天線設計研究

李賓賓, 劉 成, 田 宇, 蘇 洋, 羅 沙, 鄭 浩

(1.國網安徽省電力有限公司 電力科學研究院,安徽 合肥 230022; 2.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009; 3.國網安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230061)

0 引 言

氣體絕緣開關(gas insulated switchgear,GIS)設備憑借封閉性好、抗干擾能力強、故障率低等特點,在電力系統中得到普遍應用,但是GIS設備一旦發生故障,故障的定位和檢修過程都比常規電氣設備更加困難,因此GIS設備的絕緣故障及時預警十分重要。局部放電信號檢測作為當前電氣設備故障預警的主要途徑[1-2],具有多種多樣的檢測手段,但是由于GIS設備結構復雜,并且多種局部放電檢測方法易受現場電磁干擾的影響,難以應用于GIS設備變電站的局部放電信號檢測。超高頻(ultra-high frequency,UHF)局部放電檢測法接收的電磁波信號所處的頻帶較高(300～3 000 MHz),能夠避開現場大部分的電磁干擾信號(通常在300 MHz以下),適合應用于GIS設備局部放電帶電檢測和實時監測[3-4]。

UHF天線傳感器是超高頻局部放電檢測系統的關鍵組件[5-6],在現場檢測時,為了獲取更多、更豐富的局部放電信息,要求工作帶寬比較大的檢測天線,但是目前通常采用增大天線尺寸的方法來拓寬工作帶寬,而尺寸較大的天線不方便應用于現場的帶電檢測,更難以應用于結構較為復雜的GIS設備的內置式在線監測[7]。阿基米德平面螺旋天線作為一種超寬帶非頻變天線,能夠在比較寬的工作頻帶(倍頻帶寬大于10)內保持良好的性能參數,同時自身較小的尺寸也符合GIS局部放電現場檢測的工程需求[8-10]。

針對阿基米德平面螺旋天線的相關設計研究,近幾年國內外學者也開展了大量工作,但是研究對象多為頻率在3～20 GHz之間的通訊天線[11-14],此類螺旋天線的工作頻率較高,天線尺寸較小。但是應用于電氣設備局部放電檢測的阿基米德平面螺旋天線的設計研究比較少,同時如何在保持天線工作頻帶內良好參數性能的前提下,盡量縮小天線自身的尺寸是目前存在的難題[9]。

為滿足GIS設備局部放電現場檢測對于天線寬頻帶、小尺寸的工程需要[15],本文設計了一種基本形式的阿基米德平面螺旋天線,利用Ansoft HFSS仿真軟件對天線輻射單元的結構參數進行了仿真和優化,得到了最優化尺寸的阿基米德螺旋天線,并通過試驗對天線的局部放電檢測性能加以驗證。

1 阿基米德平面螺旋天線的結構原理

平面螺旋天線是一種非頻變天線,這類天線將金屬輻射導體按螺旋形狀刻蝕在厚度均勻的絕緣介質板上,并用巴倫進行饋電。阿基米德平面螺旋天線主要有雙臂螺旋和四臂螺旋2種結構,其優點是頻帶寬、剖面低。

阿基米德平面螺旋天線的螺旋半徑隨著角度的增大而均勻增大,其曲線方程為:

r=r0+α(φ-φ0)

(1)

其中:φ0為螺旋天線的初始方位角;α為螺旋增長率;r0為與初始角度φ0相對應的螺旋線徑向距離。

雙臂阿基米德螺旋天線可近似等效為對稱雙線傳輸線,如圖1所示。

圖1 阿基米德螺旋天線等效原理圖

對螺旋天線的A、B2點進行反相饋電,即相位相差π。在2條螺旋線上分別取P、Q2點,且2點到原點O的距離相等,即從B點沿著螺旋線繞至P點的長度與從A點沿另一螺旋線繞至Q點的長度相等,因此在螺旋線上的P、Q2點的電流相位仍相差π。現考察與Q點相鄰螺旋線上的點Q′,當螺旋增長率a較小時,弧長PQ′可近似為以r為半徑的圓的半周長,因此相鄰點Q′之間電流的相位差為:

θ=π+(2π/λ)πr

(2)

其中:2π/λ為真空中的波數k0,如果取半徑r=λ/(2π),那么Q和Q′之間的相位差為2π,根據傳輸線原理,2根相鄰傳輸線上的電流同方向會彼此增強并在平面的法向側形成最強輻射[16]。

因此,周長約為一個波長λ的區域是阿基米德平面螺旋天線的主輻射帶,并且隨著工作頻率的下降,天線的主輻射帶逐漸向外移動。在天線設計中,螺線外徑D與天線下限工作頻率對應的波長λmax一般有如下關系:

πD≥1.25λmax

(3)

為了獲得更低的工作頻率,往往要通過增大天線徑向尺寸來實現,這與檢測天線小型化的要求相違背。

2 阿基米德平面螺旋天線的設計與仿真

按照局部放電電磁波信號的帶寬分布以及超高頻局部放電的檢測要求,本文設計天線的性能指標為:下限工作頻率為700 MHz,上限工作頻率為3 GHz;工作頻帶內的電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于2;全頻帶內的最大增益不低于4 dB。

2.1 天線輻射單元結構參數的計算

(1) 平面螺旋天線外徑D。根據阿基米德螺旋天線的輻射性質,螺旋外徑D和天線的下限工作頻率fL對應的波長λmax相關,將天線要求的下限工作頻率fL=700 MHz對應的波長λmax=428.6 mm代入(3)式,計算可得到天線的外徑D為170.5 mm。

(2) 平面螺旋天線內徑2r0。阿基米德螺旋天線的內徑2r0則與天線的上限工作頻率fH對應的波長λmin相關,即

2r0<λmin/4

(4)

將天線要求的上限工作頻率fH=3 000 MHz對應的波長λmin=100 mm代入(4)式,計算可得到天線內徑2r0應小于25 mm,考慮到內徑大小會影響阿基米德螺旋天線的阻抗特性和饋電巴倫的安裝,本文中天線的內半徑大小r0設定與饋電巴倫的厚度一致為2 mm,此時天線的內徑2r0=4 mm。

(3) 螺旋線寬W、螺旋增長率α、螺旋圈數N。阿基米德螺旋天線的線寬W、螺旋增長率α和圈數N之間具有一定的聯系,因此只需要確定其中的一個參數,天線輻射面的其他全部參數即可確定[17]。同時由于互補構造的阿基米德螺旋天線的線寬W和間距H是相等的,首先通過仿真和優化確定天線的螺旋線寬W,然后通過2πα=4W可以確定天線的螺旋增長率α。

最后確定天線的螺旋圈數N。螺旋圈數N是影響阿基米德螺旋天線輻射性能的重要參數,不宜過大也不宜過小,當阿基米德螺旋天線的外徑D確定后,圈數N過小會使天線總長度變小,導致天線的“終端反射”效應加強不利于天線的低頻特性;圈數N較大時雖然能減弱天線的終端效應,但是天線總長度太大不僅使加工難度加大,同時天線的傳輸損耗也會增大。在實際設計中一般認為N在10左右是比較合理的。

2.2 天線輻射單元結構參數的優化

確定了螺旋天線的外徑和內徑之后,在Ansoft HFSS仿真軟件中分別建立線寬W為1、2、3 mm的天線輻射單元模型,通過比較3款天線的駐波比曲線和輸入阻抗曲線,在天線外徑不變的前提下比較寬度W對仿真結果的影響,尋找帶寬為700～3 000 MHz阿基米德螺旋天線輻射面的最優參數設計[18-19]。

阿基米德螺旋天線輻射單元如圖2所示,模型采用在2 mm厚FR4環氧介質基板表面的2個邊界條件為Perfect E的曲面來模擬阿基米德螺旋天線輻射面的雙臂金屬導體,中心處的紅色矩形部分則為天線的激勵面,軟件中采用集總端口激勵。仿真時在500～3 000 MHz的頻帶內通過插值掃描法對天線的性能進行計算。

螺旋線寬W對仿真結果的影響見表1所列,從表1可以看出,隨著螺旋線寬W的增加,天線VSWR小于2時所對應的下限工作頻率逐漸增大,說明了天線的低頻特性隨著螺旋線寬W逐漸惡化,但是3款天線的仿真模型在700～3 000 MHz的工作頻段內都滿足VSWR小于2的工程設計要求。

此外螺旋線寬W不同時天線輸入阻抗的波動幅度也存在差異,阻抗實部波動幅度分別為20、9、29 Ω,虛部波動幅度分別為30、12、33 Ω。但是當W=2 mm時,天線VSWR、阻抗實部和虛部等參數的浮動程度最小,阻抗虛部也最接近于0,同時當W=2 mm時螺旋圈數N=10.375,也符合工程設計中對于螺旋天線圈數的要求。

2.3 阿基米德平面螺旋天線的性能

基于阿基米德螺旋天線輻射單元尺寸優化的仿真結果,在ANSYS HFSS軟件中搭建參數優化之后的天線輻射面和饋電巴倫連接的整體模型如圖3所示,并在500～3 000 MHz的頻率范圍內對天線模型進行三維電磁場仿真[20-21],同時使用矢量網絡分析儀對加工的天線實物進行端口匹配和增益大小等參數的測量。

圖3 阿基米德螺旋天線HFSS仿真模型

2.3.1 端口參數

線寬W=2 mm的阿基米德平面螺旋天線的端口參數如圖4所示,包括天線的回波損耗和駐波比曲線。從圖4a可以看出，天線回波損耗S11為-10 dB時對應的低頻截止頻率為642 MHz;從圖4b可以看出，天線的駐波比VSWR為2時對應的低頻截止頻率為631 MHz,兩者均低于要求的下限工作頻率700 MHz,說明了天線在低頻端的參數滿足要求。

同時天線在700～3 000 MHz的工作頻段內回波損耗S11為-10.7～-18.7 dB,低于-10 dB;駐波比VSWR為1.82～1.26,小于2,即兩項參數指標在工作頻帶內均符合設計標準,天線的阻抗匹配程度較高。

圖4 最優阿基米德螺旋天線端口參數

2.3.2 輻射參數

阿基米德螺旋天線在仿真頻帶的中心頻點(即f=1.75 GHz時)的輻射方向圖如圖5a所示,從圖5a可以看出天線的方向圖形狀為“8”字形,說明天線上、下2個方向的輻射功能都比較良好。同時當θ=0°或180°時天線的增益最大,即天線輻射單元的法線方向具有天線的最大輻射強度,符合設計要求。

天線的平面輻射方向圖如圖5b所示,其中紅色曲線為E面方向圖,藍色曲線為H面方向圖。從圖5可以看出天線的最大增益達到了4.7 dB,滿足局部放電檢測天線對于增益大小的要求,天線的方向性良好,能夠有效接收局部放電信號的方向較為集中。

圖5 最優阿基米德螺旋天線輻射參數

綜上所述,天線較高的增益以及較強的輻射集中度都有利于對GIS設備中較微弱的局部放電信號進行有效檢測。

3 天線檢測性能的試驗驗證

基于阿基米德螺旋天線輻射單元的仿真模型,采用PCB雕刻技術制作完成的天線實物如圖6所示。

圖6 阿基米德螺旋天線實物

將天線輻射單元的金屬螺旋導體,印制在厚度為2 mm的圓形FR4環氧介質基板上,加工制作完成的天線輻射單元的直徑為173.6 mm。

實驗室搭建的工頻高壓試驗回路如圖7所示,本文通過該試驗回路模擬產生于環氧絕緣樣件表面的沿面局部放電信號,驗證阿基米德平面螺旋天線的檢測性能[22]。實驗室自行研制的局部放電模擬試驗平臺如圖8所示，該平臺依照GIS設備的結構，按照1∶1的比例制作了一段試驗腔體，整個腔體的材料為亞克力有機玻璃。局部放電試驗回路中的高壓電源為工頻試驗變壓器,放電模型為放置在圓形環氧樹脂絕緣樣件上的2片指形電極,兩電極之間相距1.5 cm,實驗時逐漸升高工頻電壓,通過檢測兩電極之間尚未擊穿之前的局部放電信號來驗證天線的檢測性能。

圖7 局部放電試驗電路示意圖

圖8 局部放電模擬試驗平臺

實驗時,將阿基米德螺旋天線放置在距離放電源1.5 m的位置,輸出端不接射頻放大器,使用型號為Tektronix Oscilloscope 5204B泰克示波器(帶寬2 GHz,最大采樣率10 GS/s)接收天線檢測到的超高頻局部放電信號。當試驗電壓升高至8 kV時,天線3次檢測到的局部放電信號波形如圖9所示。

從圖9可以看出,3次采樣得到的局部放電信號波形的峰值分別為21.2、28.2、22.8 mV,背景噪聲平均值約為7.5 mV。

在本文對局部放電信號數據波形的分析中,定義了天線檢測的局部放電信號的信噪比(signal noise ratio,SNR)為:

(6)

因此,根據實驗結果的波形數據計算得出本文設計的阿基米德平面螺旋天線信噪約為3.21。阿基米德螺旋天線體積小、質量輕的優勢適用于GIS局部放電的現場檢測,同時在現場檢測時可以在其輸出端口后連接射頻放大器提高檢測微弱局部放電信號的能力,彌補增益的不足。

圖9 實測局部放電信號波形

4 結 論

針對目前GIS設備局部放電現場檢測的問題,本文采用HFSS三維電磁仿真軟件設計了一種阿基米德平面螺旋天線,對天線輻射單元的結構參數進行了仿真和優化,對其端口參數和輻射特性進行了仿真和實測研究,并在實驗室對天線的檢測性能進行了試驗驗證,獲得以下結論:

(1) 通過對阿基米德平面螺旋天線輻射單元的線寬W進行優化分析,得到了當線寬W為2 mm時,天線的端口參數和輻射參數均為最優仿真結果,天線的螺旋圈數N為10.375,符合工程設計中對于螺旋天線圈數的要求,此時天線的外徑為173.6 mm。

(2) 阿基米德平面螺旋天線回波損耗S11小于-10 dB的帶寬為700～3 000 MHz,頻帶內天線最大增益能夠達到4.7 dB,同時具有較高的靈敏度和信噪比,能夠檢測到清晰的局部放電信號。

(3) 天線在工作頻帶內具有良好的雙向輻射特性,隨著頻率升高,增益逐漸增大,輻射區域逐漸集中,滿足GIS檢測天線小尺寸、寬頻帶的設計要求。