李賓賓, 劉 成, 田 宇, 蘇 洋, 羅 沙, 鄭 浩

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230022; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230061)

0 引 言

氣體絕緣開關(guān)(gas insulated switchgear,GIS)設(shè)備憑借封閉性好、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低等特點(diǎn),在電力系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用,但是GIS設(shè)備一旦發(fā)生故障,故障的定位和檢修過程都比常規(guī)電氣設(shè)備更加困難,因此GIS設(shè)備的絕緣故障及時(shí)預(yù)警十分重要。局部放電信號(hào)檢測(cè)作為當(dāng)前電氣設(shè)備故障預(yù)警的主要途徑[1-2],具有多種多樣的檢測(cè)手段,但是由于GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且多種局部放電檢測(cè)方法易受現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響,難以應(yīng)用于GIS設(shè)備變電站的局部放電信號(hào)檢測(cè)。超高頻(ultra-high frequency,UHF)局部放電檢測(cè)法接收的電磁波信號(hào)所處的頻帶較高(300～3 000 MHz),能夠避開現(xiàn)場(chǎng)大部分的電磁干擾信號(hào)(通常在300 MHz以下),適合應(yīng)用于GIS設(shè)備局部放電帶電檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3-4]。

UHF天線傳感器是超高頻局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件[5-6],在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),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(cè)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(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的帶電檢測(cè),更難以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的GIS設(shè)備的內(nèi)置式在線監(jiān)測(cè)[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(nèi)保持良好的性能參數(shù),同時(shí)自身較小的尺寸也符合GIS局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工程需求[8-10]。

針對(duì)阿基米德平面螺旋天線的相關(guān)設(shè)計(jì)研究,近幾年國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量工作,但是研究對(duì)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(yīng)用于電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的阿基米德平面螺旋天線的設(shè)計(jì)研究比較少,同時(shí)如何在保持天線工作頻帶內(nèi)良好參數(shù)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(shè)備局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)于天線寬頻帶、小尺寸的工程需要[15],本文設(shè)計(jì)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(duì)天線輻射單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化,得到了最優(yōu)化尺寸的阿基米德螺旋天線,并通過試驗(yàn)對(duì)天線的局部放電檢測(cè)性能加以驗(yàn)證。

1 阿基米德平面螺旋天線的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體按螺旋形狀刻蝕在厚度均勻的絕緣介質(zhì)板上,并用巴倫進(jìn)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(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)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(duì)應(yīng)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(duì)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(duì)螺旋天線的A、B2點(diǎn)進(jìn)行反相饋電,即相位相差π。在2條螺旋線上分別取P、Q2點(diǎn),且2點(diǎn)到原點(diǎn)O的距離相等,即從B點(diǎn)沿著螺旋線繞至P點(diǎn)的長度與從A點(diǎn)沿另一螺旋線繞至Q點(diǎn)的長度相等,因此在螺旋線上的P、Q2點(diǎn)的電流相位仍相差π?，F(xiàn)考察與Q點(diǎn)相鄰螺旋線上的點(diǎn)Q′,當(dāng)螺旋增長率a較小時(shí),弧長PQ′可近似為以r為半徑的圓的半周長,因此相鄰點(diǎn)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(shù)k0,如果取半徑r=λ/(2π),那么Q和Q′之間的相位差為2π,根據(jù)傳輸線原理,2根相鄰傳輸線上的電流同方向會(huì)彼此增強(qiáng)并在平面的法向側(cè)形成最強(qiáng)輻射[16]。

因此,周長約為一個(gè)波長λ的區(qū)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(dòng)。在天線設(shè)計(jì)中,螺線外徑D與天線下限工作頻率對(duì)應(yīng)的波長λmax一般有如下關(guān)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(shí)現(xiàn),這與檢測(cè)天線小型化的要求相違背。

2 阿基米德平面螺旋天線的設(shè)計(jì)與仿真

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

2.1 天線輻射單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算

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

(2) 平面螺旋天線內(nèi)徑2r0。阿基米德螺旋天線的內(nèi)徑2r0則與天線的上限工作頻率fH對(duì)應(yīng)的波長λmin相關(guān),即

2r0<λmin/4

(4)

將天線要求的上限工作頻率fH=3 000 MHz對(duì)應(yīng)的波長λmin=100 mm代入(4)式,計(jì)算可得到天線內(nèi)徑2r0應(yīng)小于25 mm,考慮到內(nèi)徑大小會(huì)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(nèi)半徑大小r0設(shè)定與饋電巴倫的厚度一致為2 mm,此時(shí)天線的內(nèi)徑2r0=4 mm。

(3) 螺旋線寬W、螺旋增長率α、螺旋圈數(shù)N。阿基米德螺旋天線的線寬W、螺旋增長率α和圈數(shù)N之間具有一定的聯(lián)系,因此只需要確定其中的一個(gè)參數(shù),天線輻射面的其他全部參數(shù)即可確定[17]。同時(shí)由于互補(bǔ)構(gòu)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(yōu)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(shù)N。螺旋圈數(shù)N是影響阿基米德螺旋天線輻射性能的重要參數(shù),不宜過大也不宜過小,當(dāng)阿基米德螺旋天線的外徑D確定后,圈數(shù)N過小會(huì)使天線總長度變小,導(dǎo)致天線的“終端反射”效應(yīng)加強(qiáng)不利于天線的低頻特性;圈數(shù)N較大時(shí)雖然能減弱天線的終端效應(yīng),但是天線總長度太大不僅使加工難度加大,同時(shí)天線的傳輸損耗也會(huì)增大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般認(rèn)為N在10左右是比較合理的。

2.2 天線輻射單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

確定了螺旋天線的外徑和內(nèi)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(duì)仿真結(jié)果的影響,尋找?guī)挒?00～3 000 MHz阿基米德螺旋天線輻射面的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)[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(huán)氧介質(zhì)基板表面的2個(gè)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(dǎo)體,中心處的紅色矩形部分則為天線的激勵(lì)面,軟件中采用集總端口激勵(lì)。仿真時(shí)在500～3 000 MHz的頻帶內(nèi)通過插值掃描法對(duì)天線的性能進(jìn)行計(jì)算。

螺旋線寬W對(duì)仿真結(jié)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(shí)所對(duì)應(yīng)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(nèi)都滿足VSWR小于2的工程設(shè)計(jì)要求。

此外螺旋線寬W不同時(shí)天線輸入阻抗的波動(dòng)幅度也存在差異,阻抗實(shí)部波動(dòng)幅度分別為20、9、29 Ω,虛部波動(dòng)幅度分別為30、12、33 Ω。但是當(dāng)W=2 mm時(shí),天線VSWR、阻抗實(shí)部和虛部等參數(shù)的浮動(dòng)程度最小,阻抗虛部也最接近于0,同時(shí)當(dāng)W=2 mm時(shí)螺旋圈數(shù)N=10.375,也符合工程設(shè)計(jì)中對(duì)于螺旋天線圈數(shù)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(yōu)化的仿真結(jié)果,在ANSYS HFSS軟件中搭建參數(shù)優(yōu)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(nèi)對(duì)天線模型進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真[20-21],同時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的天線實(shí)物進(jìn)行端口匹配和增益大小等參數(shù)的測(cè)量。

圖3 阿基米德螺旋天線HFSS仿真模型

2.3.1 端口參數(shù)

線寬W=2 mm的阿基米德平面螺旋天線的端口參數(shù)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(shí)對(duì)應(yīng)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(shí)對(duì)應(yīng)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(shù)滿足要求。

同時(shí)天線在700～3 000 MHz的工作頻段內(nèi)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(xiàng)參數(shù)指標(biāo)在工作頻帶內(nèi)均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),天線的阻抗匹配程度較高。

圖4 最優(yōu)阿基米德螺旋天線端口參數(shù)

2.3.2 輻射參數(shù)

阿基米德螺旋天線在仿真頻帶的中心頻點(diǎn)(即f=1.75 GHz時(shí))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(gè)方向的輻射功能都比較良好。同時(shí)當(dāng)θ=0°或180°時(shí)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(qiáng)度,符合設(shè)計(jì)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(lán)色曲線為H面方向圖。從圖5可以看出天線的最大增益達(dá)到了4.7 dB,滿足局部放電檢測(cè)天線對(duì)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(hào)的方向較為集中。

圖5 最優(yōu)阿基米德螺旋天線輻射參數(shù)

綜上所述,天線較高的增益以及較強(qiáng)的輻射集中度都有利于對(duì)GIS設(shè)備中較微弱的局部放電信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)。

3 天線檢測(cè)性能的試驗(yàn)驗(yàn)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(shù)制作完成的天線實(shí)物如圖6所示。

圖6 阿基米德螺旋天線實(shí)物

將天線輻射單元的金屬螺旋導(dǎo)體,印制在厚度為2 mm的圓形FR4環(huán)氧介質(zhì)基板上,加工制作完成的天線輻射單元的直徑為173.6 mm。

實(shí)驗(yàn)室搭建的工頻高壓試驗(yàn)回路如圖7所示,本文通過該試驗(yàn)回路模擬產(chǎn)生于環(huán)氧絕緣樣件表面的沿面局部放電信號(hào),驗(yàn)證阿基米德平面螺旋天線的檢測(cè)性能[22]。實(shí)驗(yàn)室自行研制的局部放電模擬試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，該平臺(tái)依照GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)，按照1∶1的比例制作了一段試驗(yàn)腔體，整個(gè)腔體的材料為亞克力有機(jī)玻璃。局部放電試驗(yàn)回路中的高壓電源為工頻試驗(yàn)變壓器,放電模型為放置在圓形環(huán)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(shí)驗(yàn)時(shí)逐漸升高工頻電壓,通過檢測(cè)兩電極之間尚未擊穿之前的局部放電信號(hào)來驗(yàn)證天線的檢測(cè)性能。

圖7 局部放電試驗(yàn)電路示意圖

圖8 局部放電模擬試驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)時(shí),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(hào)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(cè)到的超高頻局部放電信號(hào)。當(dāng)試驗(yàn)電壓升高至8 kV時(shí),天線3次檢測(cè)到的局部放電信號(hào)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(hào)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(duì)局部放電信號(hào)數(shù)據(jù)波形的分析中,定義了天線檢測(cè)的局部放電信號(hào)的信噪比(signal noise ratio,SNR)為:

(6)

因此,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的波形數(shù)據(jù)計(jì)算得出本文設(shè)計(jì)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(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)適用于GIS局部放電的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)可以在其輸出端口后連接射頻放大器提高檢測(cè)微弱局部放電信號(hào)的能力,彌補(bǔ)增益的不足。

圖9 實(shí)測(cè)局部放電信號(hào)波形

4 結(jié) 論

針對(duì)目前GIS設(shè)備局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的問題,本文采用HFSS三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了一種阿基米德平面螺旋天線,對(duì)天線輻射單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化,對(duì)其端口參數(shù)和輻射特性進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)研究,并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)天線的檢測(cè)性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,獲得以下結(jié)論:

(1) 通過對(duì)阿基米德平面螺旋天線輻射單元的線寬W進(jìn)行優(yōu)化分析,得到了當(dāng)線寬W為2 mm時(shí),天線的端口參數(shù)和輻射參數(shù)均為最優(yōu)仿真結(jié)果,天線的螺旋圈數(shù)N為10.375,符合工程設(shè)計(jì)中對(duì)于螺旋天線圈數(shù)的要求,此時(shí)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(nèi)天線最大增益能夠達(dá)到4.7 dB,同時(shí)具有較高的靈敏度和信噪比,能夠檢測(cè)到清晰的局部放電信號(hào)。

(3) 天線在工作頻帶內(nèi)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(qū)域逐漸集中,滿足GIS檢測(cè)天線小尺寸、寬頻帶的設(shè)計(jì)要求。