检测高压电缆附件局部放电用超高频蝶形天线的研究＊

汪 沨，石 倩†，刘 烨，姚亚利，张广东

（1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082； 2.西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039；3.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071； 4.甘肃省电力科学研究院，甘肃 兰州 730050）

高压电缆附件（包括中间接头和终端头）内部结构较为复杂，加之附件往往都是用户人工组装，安装和制作工艺不佳容易导致电缆附件内存在各种潜在的绝缘缺陷.因此，高压电缆附件是高压电缆绝缘的最薄弱环节和运行故障的最典型部位.相关统计表明：高压电缆线路的运行故障有80%以上是由于电缆附件绝缘缺陷诱发的[1].由于高压电缆附件的制作工艺相当复杂，绝缘要求高，制作成本高，因此对高压电缆附件开展绝缘检测的研究，对于保障电缆安全运行具有重要实用价值.

目前，国内外普遍认为对高压电缆绝缘状况评估的最佳方法是进行局部放电（partial discharge，PD）检测[2].而超高频（ultra－high frequency，UHF）检测法具有抗干扰能力强和能够判断出绝缘系统中局部放电的性质和来源[3]，特别适合现场监测 .局部放电信号UHF检测法的关键在于传感器.目前，传感器主要分内置传感器[4]和外置天线[5－6]两类.由于电缆附件的多层屏蔽结构影响了电磁波的传播.复合介质交界面处的折、反射会引起信号衰减和畸变的发生，又因为PD信号微弱，等值频率极高，故增加了UHF信号检测的难度，因此要求传感器有良好的灵敏度和频率响应特性.

本文研制了内置于电缆附件的共面波导（coplanar waveguide，CPW）馈电蝶形超宽带天线传感器.蝶形天线属于超宽频（ultra－wideband，UWB）天线[7]，具有结构简单、便于设计安装、易于低频辐射等优点，适合安装于电缆附件的内部.在实验室搭建的模拟电缆附件装置中进行实际测量，为实现电缆附件PD超高频检测奠定了基础.

1 蝶形天线的分析与设计

1.1 超高频天线的选择

要实现对电缆附件PD超高频检测，要求传感器具有以下基本特性：1）中心频率在超高频段能避开低频干扰，驻波比小于2的条件下频带应尽量宽；2）结构简单，尺寸小，便于使用和安装，能检测到PD信号，方向性良好；3）具备较高的灵敏度和增益，易于实现阻抗匹配.根据上述要求，同时考虑现场安装和天线应具有小尺寸，质量轻，易于阻抗匹配，集成化等特点，所以选择CPW馈电蝶形天线.

1.2 蝶形天线的结构与工作原理

根据电缆附件PD激发的电磁波传播特性和接收天线的原理，设计了一种几何形状简单、具有宽频特性的蝶形贴片天线，此天线结合了微带天线和CPW传输线的优点.

天线结构和实物如图1所示.CPW馈电蝶形天线由金属贴片、介质板、金属反射板和馈线组成.

图1 蝶形天线结构图和实物图Fig.1 Structure and actual picture of bow－tie antenna

介质板选取的是介电常数较低的聚四氟乙烯板，它的介电常数εr为2.2，介质基板的厚度h为1.6mm.经过多次优化后，天线尺寸参数如下：蝶形贴片的长L宽W分别为158mm，52mm，共面波导的参数s，t分别为2.0mm，5.4mm，波端口w0为5.78mm.

蝶形天线频率的计算公式为：

式中：fr为谐振频率；c为电磁波传播速度；εr为介电常数；L，W分别为蝶形贴片的长和宽；s为缝隙馈线的宽度；h为介质板的厚度；w0为波端口宽度.

1.3 蝶形天线的带宽

为满足电缆附件局部放电UHF检测的要求，天线应具有尽可能宽的频带.天线的相对带宽公式为：

式中：fmax和fmin分别为工作频带的上下限频率；f0为中心频率.

为扩宽天线的频带，本文选择了CPW馈电方式，采用CPW馈电方式能有效拓宽天线的带宽.文献[8]给出的共面波导馈电的结果使得蝶形天线的带宽达到36%.文献[9－10]对蝶形天线的结构进行改进，其天线的性能更加优越.

2 蝶形天线的计算和性能分析

2.1 驻波比

电压驻波比系数VSWR通常用来表征天线与馈线的匹配情况，计算公式为：

其中：Γ为反射损耗的反射系数 .它与传输特性阻抗的关系为：

式中：Zi为天线的输入阻抗；Zc为传输特性阻抗.

图2为利用Ansoft HFSS仿真得到的驻波比曲线，图3为利用Agilent E5061B矢量网络分析仪实测的驻波比曲线.由图2和图3可知，蝶形天线的中心频率为450MHz，驻波比小于2的绝对带宽为350～580MHz，驻波比曲线呈“U”型.“U”型的驻波比曲线表明：天线在工作频段内的信号基本没有衰减，然而在工作频段外的信号衰减很快.由图2和图3可以看出，实测曲线和仿真曲线基本吻合，两者的差别主要由制作尺寸误差和设计的蝶形天线使用了可调节的加载阻抗造成.从天线的工作频段可以看出，设计的天线能够满足电缆附件PD检测的需求.

图2 蝶形天线仿真驻波比曲线Fig.2 VSWR of bowtie antenna sensor theory

图3 蝶形天线实测驻波比曲线Fig.3 VSWR of bowtie antenna sensor measurement

超宽带信号是指－10dB相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500MHz的无线电信号[11].本文设计的蝶形天线相对带宽达到52.2%，属于超宽频带天线.

2.2 增 益

天线增益是综合衡量天线能量和方向特性的参数，通常以天线在最大辐射方向上的增益作为天线的增益，以天线在最大辐射方向的方向系数作为这一天线的方向性系数[12].

天线在某方向的增益G是它在该方向的辐射强度同天线以同一输入功率向空间均匀辐射的辐射强度之比，即

式中：U为天线在某方向的辐射强度；Pin为输入功率.

天线增益G与方向性系数D的关系为：

在天线的损耗忽略不计的条件下，天线的方向性系数定义为：在同样距离和相同辐射功率条件下，天线方向图上最大功率密度与全向天线（即理想点源）的辐射功率密度之比，即

η为天线的辐射效率，它是天线的辐射功率和输入功率的比值，即

使用Ansoft HFSS建模后仿真可以得到蝶形天线的三维增益方向图，如图4所示 .从图4可以看出，当频率为350～585MHz时，天线的最大辐射方向增益均≥3.14dB.

2.3 平面方向图

利用Ansoft HFSS仿真的天线平面方向图如图5所示，其中θ，φ为球坐标中的角度变量.图5是对φ＝0°和φ＝90°时球坐标中的角度变量进行了仿真计算，在350～585MHz频率内，天线的H面（φ＝0°）近似圆形，说明CPW馈电蝶形天线全向性很好；E面（φ＝90°）两波瓣相互对称，在350～585MHz频率内，3dB波束宽度均≥76°，具有较宽波束，证明此天线在E面方向性良好，且在0°和－180°上具有最佳方向性.

图4 蝶形天线的三维增益方向图Fig.4 The three dimensional gain directional diagram of bowtie antenna

图5 蝶形天线平面方向图Fig.5 The direction of bowtie antenna

3 蝶形天线的实测研究

为检验蝶形天线传感器检测超高频PD信号的能力，在实验室对电缆附件模拟装置产生的PD信号进行检测.实验原理如图6所示，2段总长度为4.4m的110kV高压电缆通过一个模拟的电缆中间接头连接在一起，末端连接应力锥和均压帽，一端连接在实验变压器上.在电缆附件模拟装置的电缆线芯上设置一个人工金属凸出物缺陷，用内置圆环形传感器与内置蝶形天线两个检测单元进行检测对比，检测后的信号经过滤波放大处理，并输入数字存储示波器记录波形.

模拟中间接头的内部绝缘分布是按照多层固体复合介质绝缘状态设计的，其结构如图7所示.当实验电压达到局放起始电压值时，局部放电会在主绝缘与绝缘层之间的界面发生.

图6 电缆接头局放检测接线图Fig.6 Wiring diagram of partial discharge in cable accessories

图7 模拟电缆中间接头Fig.7 The simulative cable joint

图8为蝶形天线在22.5kV时测得的PD波形和频谱图.从图8中可以看出，内置的蝶形天线传感器不仅可以检测到清晰的局部放电信号，而且具有较高的幅值和灵敏度，能满足PD检测的需要，同时还能彻底隔离工频信号的干扰和避免空间电晕和周期性脉冲信号的干扰.从频谱图还可以看出，PD信号的频谱主要集中在600MHz之前，这与天线的截止频率相吻合.

图8 蝶形天线测得的局放信号和频谱Fig.8 PD signal and frequency spectrum detected by bowtie antenna

4 结 论

1）根据电缆附件的结构特点和仿真计算，设计了适合于电缆附件PD超高频检测的CPW馈电的蝶形天线，天线中心频率为450MHz，在θ为0°和－180°时具有最佳方向性.

2）采用CPW馈电方式，使天线获得了超宽频带特性，经仿真和测量，驻波比小于2的带宽为350～585MHz，整个驻波比成“U”型，使得天线在整个工作频带内的增益稳定，中心频率处的增益达到3.14dB.

3）蝶形天线具有结构简单、尺寸小的优点，便于安装于电缆附件的内部，从而大大提高检测灵敏度和抗干扰能力.

4）在实验室测量表明，所设计的CPW馈电的蝶形天线能够满足局部放电检测的需要，其有较高的灵敏度和良好的方向性，同时天线的结构特点适合于电缆附件的安装，同时还能彻底地隔离工频信号的干扰和避免空间电晕和周期性脉冲信号的干扰.

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