電力電纜局放檢測(cè)的超高頻傳感器天線設(shè)計(jì)

魯 創(chuàng)，任 萍

應(yīng)用研究

電力電纜局放檢測(cè)的超高頻傳感器天線設(shè)計(jì)

魯 創(chuàng)1，任 萍2

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文以檢測(cè)電力電纜局部放電的超高頻傳感器天線為研究對(duì)象，在常用的UHF天線中阿基米德螺旋天線具有較寬的工作頻帶以及優(yōu)良的低頻工作特性，因此本文用ANSYS HFSS設(shè)計(jì)了一款用于電力電纜UHF傳感器的阿基米德螺旋天線。研究了不同外徑阿基米德螺旋天線的S11參數(shù)，通過(guò)改進(jìn)阿基米德螺旋天線兩臂結(jié)構(gòu)對(duì)S11參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線工作頻帶較寬、S11參數(shù)遠(yuǎn)低于-10 dB。這為用于電力電纜的UHF傳感器天線設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

阿基米德螺旋天線 超高頻天線 局部放電 傳感器

0 引言

電力電纜作為傳輸電能的主要介質(zhì)，常用于城市地下電力線路鋪設(shè)，是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1]。若電力電纜長(zhǎng)1期存在局部放電,會(huì)造成電纜絕緣擊穿。因此對(duì)電力電纜進(jìn)行局部放電信號(hào)監(jiān)測(cè)必不可少。超高頻檢測(cè)法以其良好的靈敏度和抗干擾能力，成為局部放電檢測(cè)的主要方式[2-4]。

目前，針對(duì)電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域使用超高頻檢測(cè)系統(tǒng)的研究較少，考慮到GIS與電力電纜絕緣劣化周期存在差異，不能簡(jiǎn)單的將檢測(cè)GIS局部放電超高頻傳感器的研究成果應(yīng)用于電纜設(shè)備。電纜發(fā)生局部放電信號(hào)頻率較低且絕緣劣化周期長(zhǎng)，更加關(guān)注于絕緣劣化中后期，檢測(cè)頻帶范圍更寬，UHF天線應(yīng)能夠接收到寬頻帶PD信號(hào)。因此，如何拓寬天線低頻工作頻帶以及提高工作頻帶內(nèi)信號(hào)傳輸效率顯得尤為重要。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了頻帶分別為350～750 MHz外置式振子天線和340～440 MHz微帶天線，其工作帶寬較窄。文獻(xiàn)[6]根據(jù)Hilbert分形原理設(shè)計(jì)了一種四階Hilbert分形天線，達(dá)到小型化的同時(shí)有多段工作頻端，單個(gè)工作頻段偏窄。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的單極子天線采用RLC加載技術(shù)，滿足其駐波比小于2.5的阻抗帶寬比為172%，設(shè)計(jì)工作頻帶為30～440 MHz，高度0.4 m，該天線頻帶參數(shù)雖然達(dá)到寬帶化指標(biāo)要求，但頻段內(nèi)增益不足，僅為-32dBi，且天線外形尺寸較大，無(wú)法在電力電纜檢測(cè)場(chǎng)景下應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]根據(jù)同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種同軸波導(dǎo)天線，外形尺寸符合超高頻傳感器使用場(chǎng)景要求，工作頻帶范圍1～3.5 GHz，由于電力電纜PD信號(hào)頻率集中在1GHz以下，因此該天線接收的PD信號(hào)強(qiáng)度較弱，影響后級(jí)采樣電路靈敏度。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)并分析了不同包角下的等焦螺旋天線帶寬，一款等角螺旋天線和小型化阻抗變換器，天線在頻帶為0.9GHz～3GHz間的S11參數(shù)小于-10 dB，具有超寬的工作頻帶。由于螺旋天線外形只由角度決定，不包含線性長(zhǎng)度，天線特性不受頻率變化影響，因此可以得到較寬的頻帶范圍。

本文選擇阿基米德螺旋天線作為UHF傳感器天線，通過(guò)ANSYS HFSS射頻仿真軟件仿真分析不同外徑下阿基米德螺旋天線的S11參數(shù)，這對(duì)如何選取合適的阿基米德螺旋天線尺寸起到關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)天線兩臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，然后將改進(jìn)后的阿基米德螺旋天線與巴倫組合成整體，得到工作頻帶內(nèi)具有S11參數(shù)遠(yuǎn)小于-10 dB的天線模型。利用尖端放電試品模擬局部放電，使用優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線進(jìn)行局部放電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，對(duì)用于檢測(cè)電力電纜局部放電的超高頻傳感器前端阿基米德螺旋天線設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 阿基米德螺旋天線設(shè)計(jì)

1.1 阿基米德螺旋天線參數(shù)

依據(jù)天線理論中的部分參數(shù)指標(biāo)來(lái)形容超高頻傳感器天線性能。用來(lái)定義天線性能的參數(shù)包括：駐波比、S11參數(shù)、輸入阻抗和增益等[10]。天線的駐波比與S11參數(shù)均表示天線的信號(hào)傳輸效率，可用來(lái)表征天線的工作帶寬。而天線與饋線的阻抗匹配優(yōu)劣由天線的輸入阻抗決定，本文取天線輸入阻抗與S11參數(shù)為指標(biāo)對(duì)UHF天線性能展開研究。

1) 輸入阻抗

天線的輸入阻抗為天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值，計(jì)算公式為：

式中，Z為天線輸入阻抗，U為饋電端輸入電壓，I為輸入電流。天線輸入阻抗為純電阻表示天線與饋線連接達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，其值與饋線特征阻抗相等，此時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射。工程領(lǐng)域一般不用輸入阻抗描述天線帶寬，而是由天線電壓駐波比或S11參數(shù)的最大允許值決定[11]。

2) S11參數(shù)

超高頻天線在空間中接收的電磁波信號(hào)，一部分會(huì)經(jīng)傳輸線傳到后級(jí)電路進(jìn)行處理，另一部分會(huì)在交界處發(fā)生反射而損失掉[12]。為從數(shù)值上衡量天線和與其相連傳輸線的匹配狀態(tài)，定義電壓反射系數(shù)如下所示:

Z為天線輸入阻抗，Z為傳輸線阻抗。天線的回波損耗反映天線輸入阻抗與傳輸線阻抗的匹配程度，決定了天線輸入能量和輸出能量的效率，工程領(lǐng)域常用11參數(shù)表示回波損耗(RL),計(jì)算公式為:

為電壓反射系數(shù)，當(dāng)S11=-10 dB時(shí)，表示天線阻抗達(dá)到良好匹配，僅有10%的輸入功率反射到饋電端口。

1.2 阿基米德螺旋天線結(jié)構(gòu)

本文采用的天線本體是雙臂阿基米德螺旋天線，如圖1所示。阿基米德螺旋天線一臂的曲線方程為：

式中0是初始半徑，為常數(shù)表示螺旋增加率，為輻角。

另一臂為前一臂旋轉(zhuǎn)180°，曲線方程為：

兩臂的起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是天線的內(nèi)徑r0，天線工作頻帶的高頻端受螺旋線起始內(nèi)徑影響，關(guān)系式為：

圖2 不同外徑下的阿基米德螺旋天線

由圖3所示，隨著天線外徑尺寸增加，11參數(shù)曲線振蕩幅度越小，尺寸越大的阿基米德螺旋天線11參數(shù)變化更加平穩(wěn)，穩(wěn)定后的11參數(shù)值約-10 dB，此時(shí)天線阻抗也趨于穩(wěn)定，約為110 Ω，此時(shí)具有最優(yōu)阻抗匹配特性，對(duì)信號(hào)的傳輸效率達(dá)到最高。結(jié)果表明天線11參數(shù)直接影響天線工作頻段。但滿足用于電力電纜的UHF傳感器阿基米德螺旋天線尺寸較大，不適于安裝，因此本文對(duì)阿基米德螺旋天線的雙臂進(jìn)行改進(jìn)。

1.3 改進(jìn)平面阿基米德螺旋天線設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)阿基米德螺旋天線尺寸、11參數(shù)和阻抗分析，本文采用改進(jìn)阿基米德螺旋天線兩臂結(jié)構(gòu)對(duì)11參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如圖4所示，天線尺寸一定情況下，改進(jìn)后天線雙臂等效于增加天線外圈周長(zhǎng)，優(yōu)化天線低頻段S11參數(shù)[14～16]。由于最外圈兩臂上對(duì)稱的兩點(diǎn)上電流相位特性保持不變，所以最外圈螺旋線的正弦加載不會(huì)對(duì)阿基米德螺旋天線增益和方向性造成破壞[17]。最后對(duì)螺旋線線寬以及線間距進(jìn)行選擇后，得出最佳的設(shè)計(jì)方案。

圖3 天線特性與尺寸關(guān)系

圖4 改進(jìn)阿基米德螺旋天線

由圖3b可知螺旋天線在頻帶上最小11參數(shù)約為-10 dB，原因?yàn)榉抡嫣炀€的饋電端口電阻為50 Ω，等同于將對(duì)稱平衡結(jié)構(gòu)的天線直接連接50 Ω非平衡結(jié)構(gòu)同軸電纜，此時(shí)為非平衡饋電狀態(tài)，阻抗匹配效果差，因此使11參數(shù)劣化[18]。為拓寬天線11≤-10 dB的頻帶，本文設(shè)計(jì)一款漸變微帶巴倫。

1.4 巴倫設(shè)計(jì)

采用在天線與同軸電纜間連接漸變微帶巴倫的形式提高天線與同軸電纜間阻抗匹配。漸變微帶巴倫的漸變微帶線電長(zhǎng)度越長(zhǎng)，饋電平衡性越好，傳統(tǒng)巴倫從天線后方饋電，本文設(shè)計(jì)的漸變微帶巴倫，將巴倫曲折處理，使其成為側(cè)面饋電，大大降低了天線高度，在滿足降低UHF傳感器高度的同時(shí)拓寬了天線11≤-10 dB的工作頻帶[19～20]。曲折化漸變微帶巴倫如圖5所示。巴倫阻抗匹配后輸入阻抗仿真結(jié)果如圖6所示，阻抗值由110 Ω下降到50 Ω，在0.3 GHz～1.9 GHz頻率范圍內(nèi)，阻抗值符合設(shè)計(jì)期望。如圖7所示，實(shí)際測(cè)試結(jié)果中，在設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)電阻值基本穩(wěn)定在50 Ω，電抗為0 Ω，輸入阻抗可近似認(rèn)為純電阻輸入，達(dá)到理想匹配要求。

圖5 微帶漸進(jìn)線巴倫

圖6 巴倫匹配后的輸入阻抗仿真圖

圖7 巴倫匹配后的輸入阻抗實(shí)測(cè)圖

2 改進(jìn)阿基米德螺旋天線性能參數(shù)

2.1 S11參數(shù)

利用ANSYS HFSS射頻仿真軟件建立改進(jìn)的雙臂阿基米德螺旋天線與巴倫的仿真模型，將兩個(gè)元件建立連接后仿真分析其11參數(shù)。設(shè)置掃頻范圍為0～2 GHz，中心頻率為1 GHz，步長(zhǎng)為0.01 GHz。對(duì)阿基米德螺旋天線仿真所測(cè)11參數(shù)曲線如圖8所示。從圖中可以看出，在0.35 GHz～3 GHz的頻率范圍內(nèi)11≤-10 dB。

圖8 仿真螺旋S11參數(shù)曲線

2.2 天線的增益和方向圖

天線的方向性表征天線與其所在的不同空間坐標(biāo)接收或發(fā)出信號(hào)的性能，表示天線方向性越好輻射或接收信號(hào)的能力強(qiáng)弱。天線的方向圖主瓣越窄，增益越高。由于阿基米德螺旋天線具有軸向?qū)ΨQ特性，本文選取了9個(gè)頻率點(diǎn)，分別為500 MHZ，800 MHZ，1 GHz，1.2 GHz，1.5 GHz以及2 GHz進(jìn)行測(cè)試，坐標(biāo)采用極坐標(biāo)的形式，如圖9所示。天線在所測(cè)頻帶具有良好的雙向性，主瓣中輻射功率達(dá)到最大值的一半時(shí)，兩個(gè)矢徑間夾角稱為主瓣寬度，主瓣寬度用來(lái)表示天線功率輻射集中程度，方向圖越尖銳，代表天線輻射越集中。

圖9 天線方向圖

考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，天線在主向上輻射功率的集中程度通常以增益G表示，單位為分貝dB。針對(duì)UHF傳感器設(shè)計(jì)需求，傳感器應(yīng)該對(duì)局部放電信號(hào)有效感知并接受，將局部放電信號(hào)傳遞到后級(jí)進(jìn)行處理，為盡可能減少天線損耗，需要設(shè)計(jì)傳感器的期望增益盡可能高，改進(jìn)埃及米的阿基米德螺旋天線增益如表1所示。

表1 增益記錄表格

加工出天線實(shí)物，巴倫一端連接螺旋臂，另一端焊接SMA連接器，如圖10所示。通過(guò)NanoVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得實(shí)際天線11參數(shù)，如圖11所示。改進(jìn)后的阿基米德螺旋天線在0.5 GHz～1.9 GHz的范圍內(nèi)駐波比11≤-10 dB，最低值達(dá)到-27 dB，滿足工作頻帶寬、傳輸效率高的特點(diǎn)。為驗(yàn)證改進(jìn)阿基米德螺旋天線實(shí)用性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

圖10 改進(jìn)阿基米德螺旋天線實(shí)物圖

圖11 改進(jìn)阿基米德螺旋天線實(shí)測(cè)S11參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器的實(shí)用性，本文利用上文的UHF傳感器改進(jìn)阿基米德螺旋天線對(duì)實(shí)際局部放電信號(hào)進(jìn)行接收實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

為模擬實(shí)際電力電纜發(fā)生局部放電現(xiàn)象,采用如圖12所示的局部放電模型試品模擬尖端缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。放置UHF傳感器與超聲波局放傳感器距離試品相等位置，50 Ω同軸傳輸線連接包絡(luò)檢波電路，檢波輸出連接至數(shù)字示波器輸入通道，示波器帶寬100 MHz，最大采樣率1 GS/s。施加在放電模型上的電壓由0 V逐漸升高到9 kV，信號(hào)通過(guò)改進(jìn)阿基米德螺旋天線采集后經(jīng)自制的包絡(luò)檢波緩沖電路連接示波器，采集的PD信號(hào)如圖13所示。超高頻傳感器與超聲波傳感器雙通道同時(shí)采集PD信號(hào)，經(jīng)自制檢波電路連接采集系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)。采集的PD數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖12 尖端缺陷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖13 改進(jìn)阿基米德螺旋天線局部放電信號(hào)采集圖

示波器每格為100 mV，通過(guò)示波器所示改進(jìn)阿基米德螺旋天線采集PD信號(hào)的幅值高達(dá)210 mV，干擾噪聲幾乎都被包絡(luò)檢波濾除，局部放電特征信號(hào)辨識(shí)度高，證明了優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線在較寬的工作頻帶內(nèi)S11≤-10 dB，可以把局部放電信號(hào)有效地轉(zhuǎn)換成終端接收信號(hào)。

圖14 超高頻傳感器(藍(lán))和超聲波傳感器(綠)采集圖

由圖14可知，兩傳感器對(duì)采集到的局部放電特征信號(hào)具有同時(shí)性，證明了優(yōu)化阿基米德螺旋天線完全可以滿足對(duì)分布于0.3 GHz～3 GHz的PD信號(hào)采集要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)電力電纜局部放電檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一款工作頻帶寬、S11參數(shù)低的阿基米德螺旋天線，經(jīng)過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論如下:

1）通過(guò)分析得到阿基米德螺旋天線外徑與S11參數(shù)、工作頻帶之間的關(guān)系，對(duì)如何選取阿基米德螺旋天線尺寸起到關(guān)鍵作用。本文通過(guò)改進(jìn)阿基米德螺旋天線兩臂結(jié)構(gòu)、連接漸變微帶巴倫的方式對(duì)S11參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后阿基米德螺旋天線在0.5 GHz～1.9 GHz的頻帶間S11參數(shù)≤-10 dB，最低值達(dá)到-27 dB。

2）通過(guò)尖端缺陷模型模擬電力電纜局部放電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，超高頻傳感器與超聲波傳感器雙通道采集的局部放電信號(hào)具有同時(shí)性，優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線對(duì)分布于0.3 GHz～3 GHz的局部放電信號(hào)達(dá)到了較高的采集率。通過(guò)示波器分析優(yōu)化阿基米德螺旋天線采集到的局部放電信號(hào)波形，PD信號(hào)幅值高達(dá)210 mV，對(duì)局部放電信號(hào)辨識(shí)度較高。因此，優(yōu)化后阿基米德螺旋天線適用于檢測(cè)電力電纜局部放電。

[1] 李方利, 錢帥偉, 毛振宇, 等. 基于多傳感器融合技術(shù)的電纜附件局部放電檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2020(6): 53-60, 75.

[2] 馬婷婷, 杜伯書, 孔曉曉, 等. 開關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2019(15): 71-76.

[3] 布赫. 基于35kV高壓開關(guān)柜的綜合局部放電檢測(cè)技術(shù)[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2019(21): 48-51, 69.

[4] 李賓賓, 劉成, 田宇, 等. GIS局部放電檢測(cè)用阿基米德螺旋天線設(shè)計(jì)研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2021, 44(2): 175-181.

[5] 朱慶超, 方佳, 金謀平. 關(guān)于阿基米德平面螺旋天線輻射特性的研究[J]. 微波學(xué)報(bào), 2018, 34(S1): 145-147.

[6] 徐海鵬, 申強(qiáng)強(qiáng), 承浩宇. 正弦函數(shù)加載阿基米德螺旋天線的設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2017, 37(2): 27-29.

[7] 馬世金, 王鵬, 董涵, 等. 用于高頻脈沖電壓下變頻電機(jī)絕緣放電檢測(cè)的特高頻天線設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(10): 3451-3459.

[8] 王永強(qiáng), 李建芳, 李長(zhǎng)元, 等. 檢測(cè)GIS局部放電的小型化平面螺旋天線研究[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(4): 1252-1258.

[9] 宋登峰. 高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的超高頻傳感器設(shè)計(jì)[D]. 焦作: 河南理工大學(xué), 2011.

[10] 王鐵軍. 基于局部放電的超高頻寬帶天線優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2011.

[11] 王嬋. 用于放電檢測(cè)的超高頻天線設(shè)計(jì)及檢測(cè)系統(tǒng)研制[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2020.

[12] 劉成. GIS局部放電檢測(cè)用小型化平面螺旋天線的設(shè)計(jì)研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2020.

[13] 汲勝昌, 王圓圓, 李軍浩, 等. GIS局部放電檢測(cè)用特高頻天線研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 高壓電器, 2015, 51(4): 163-172, 177.

[14] 趙海洋, 趙現(xiàn)平, 李振超, 等. 基于矩形超高頻天線陣列的局放源方向定位的研究[J]. 高壓電器, 2015, 51(4): 46-50.

[15] 沈鑫, 束洪春, 曹敏, 等. 變壓器局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)天線研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2016, 53(S1): 235-241.

[16] 王永強(qiáng), 馬超. 基于HFSS的超高頻傳感器采集天線特性分析[J]. 傳感器世界, 2014, 20(4): 21-25.

[17] 李天輝, 榮命哲, 王小華, 等. GIS內(nèi)置式局部放電特高頻傳感器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及測(cè)試研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(18): 5483-5493, 5548.

[18] 王有元, 劉強(qiáng), 陸國(guó)俊, 等. 開關(guān)柜結(jié)構(gòu)對(duì)超高頻電磁波傳播特性的影響分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(11): 293-300.

[19] 王有元, 吳俊鋒, 徐海鷹. 電力設(shè)備局部放電超高頻信號(hào)檢測(cè)用新型微帶天線[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(10): 136-144.

[20] 楊景剛, 劉競(jìng)存, 賈勇勇, 等. 局部放電檢測(cè)用超高頻天線的設(shè)計(jì)與性能對(duì)比[J]. 電測(cè)與儀表, 2016, 53(18): 21-27, 50.

[21] 李軍浩, 韓旭濤, 劉澤輝, 等. 電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)述評(píng)[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(8): 2583-2601.

[22] 胡興邦, 孫保華, 左炎春, 等. 小型化復(fù)合平面螺旋天線的設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2016, 32(S1): 156-158.

Design of UHF sensor antenna for partial discharge detection of power cable

Lu Chuang1, Ren Ping2

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TP212

A

1003-4862（2022）12-0011-06

2022-09-02

魯創(chuàng)（1987-），男，工程師。主要從事開關(guān)電器的研究。E-mail: luchuang712@163.com