电缆局部放电宽带平面螺旋天线设计

杨浩亮　焦红超　石晓义

（中机国能电力工程有限公司邯郸分公司，河北邯郸　056000）

电缆局部放电宽带平面螺旋天线设计

杨浩亮焦红超石晓义

（中机国能电力工程有限公司邯郸分公司，河北邯郸056000）

电缆局部放电检测是诊断XLPE电缆早期故障的有效方法。当电缆发生局部放电时，在超高频段有丰富的频率分量，而宽带平面螺旋天线是检测超高频局部放电信号非常有效的传感器。利用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对对数螺旋天线和阿基米德螺旋天线进行了仿真和分析，仿真结果表明两种天线在400MHZ～1GHZ有效工作频带内，都具有较高的灵敏度和优越的性能，能够满足各项性能指标的要求。由于阿基米德螺旋天线具有较小的尺寸，较大的增益和结构简单的优点，并且便于安装使用，被用来检测XLPE电缆局部放电的超高频信号。

电缆局放平面螺旋天线Ansoft HFSS

1　引言

XLPE电缆线路在城市供电电网中占有极其重要的地位。X LPE 电缆的安全运行对整个电力系统的稳定至关重要，一旦发生故障，将引起所辖地区重大的停电事故，造成较大的经济和社会影响［1］。而局部放电是电缆绝缘故障早期的主要表现形式，它既是引起绝缘劣化的主要原因之一，又是表征绝缘状况的主要特征量。对电缆局部放电进行检测是定量分析绝缘劣化程度的有效方法之一［2］。

电缆局部放电检测是诊断XLPE电缆早期故障的有效方法。局部放电的检测方法主要包括声测法、温度测量法等非电气测量法和差分法、电磁耦合法、电容耦合法、方向耦合传感器及超高频法等电气测量法。超高频法是近年来发展起来的一项新技术，其原理是利用装设的天线传感器接收由电缆局放陡脉冲所激发并传播的超高频电磁波来检测局放信号。它的主要优点有：抗低频干扰能力强，能对局放源进行定位，根据所测信号的频谱，可以区分不同的缺陷类型，同时可进行长期现场监测，灵敏度能满足工程要求［3］。超高频法采用的传感器大致分为内置型和外置型两类。内置型传感器可以获得较高的灵敏度，但是对制作安装的要求较高，最常用的就是电容耦合传感器。外置型传感器的灵敏度较内置的差些，但是安装灵活，不影响设备的运行，安全性高，最常用的是天线传感器［4，5］。当电缆发生局部放电时，在超高频段有丰富的频率分量，而宽带平面螺旋天线是检测超高频局部放电信号非常有效的传感器。由此本文通过对阿基米德螺旋天线和对数螺旋天线两种平面螺旋天线进行对比，制作了一种工作频带在400MHZ～1GHZ的阿基米德螺旋天线，利用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对对数螺旋天线和阿基米德螺旋天线进行了仿真和分析，仿真结果表明两种天线在400MHZ～1GHZ有效工作频带内，都具有较高的灵敏度和优越的性能，满足各项性能指标的要求。

2　平面螺旋天线的设计

2.1天线的性能要求

为了使天线较准确的采集到XLPE电缆发生局部放电时所激发的电磁波信号，必须满足以下要求：

（l）可以较好的接收信号并且能抑制现场干扰信号；

（2）带宽和中心频率要合适，结构简单，尺寸小，便于使用和安装；

（3）电压驻波比小于2，并且具有较高的增益和灵敏度，易于实现阻抗匹配［6］。

2.2天线的设计

2.2.1等角螺旋天线

等角螺旋天线是一种频率无关天线，天线的形状由具有一公共轴和相同参数的等角螺旋线构成。天线具有由平衡馈电线馈电的两个臂，螺旋线的等角臂形成在同一平面上。天线表面非导电介质部分的形状和尺寸与螺旋等角臂的形状和尺寸全等。一般情况下该天线需视其对工作带宽的要求，用1.5～3匝做成［7］。螺旋线的极坐标表达式为：

r为螺旋线矢径；φ为极坐标中的旋转角；0r为°-0φ时的起始半径；α为螺旋率，它决定着螺旋张开的快慢。

天线的最低工作频率和最高工作频率可以按下式计算：

其中0R为螺旋臂起始点到原点的距离，lR为螺旋臂末端到原点的距离，minλ为上限工作频率对应的波长，maxλ为下限工作频率对应的波长。

用AnsoftHFSS软件做出的天线辐射面如图1。对数螺旋天线的各个尺寸为：R0-75mm ，Rl-187.5mm，匝数=1.5，α-1.8。

2.2.2阿基米德螺旋天线

式中lr为天线外径，0r为天线内径，minλ为上限工作频率对应的波长，maxλ为下限工作频率对应的波长。α愈小螺旋线的曲率半径愈小。在外径lr相同的条件下，螺旋线总长度越大，终端效应越小，波段持性较好。但α太小，圈数太多，传输损耗就会加大，通常取每臂大约20圈。螺旋线宽度大一些，其输入阻抗就低一些。自补结构输入阻抗理论值Ω5.188，实际结构输入阻抗约为Ω140左右。若螺旋线宽度大于间隙宽度，则可降低输入阻抗［8］。

用AnsoftHFSS软件做出的天线辐射面如图2。阿基米德螺旋天线的各个尺寸为：R0-2mm ，Rl-150mm，匝数=22.8，α-2。

图1　对数螺旋天线辐射面示意图

图2　阿基米德螺旋天线辐射面示意图

图3　平行双线渐变线巴伦

2.2.3巴伦的设计

平面螺旋天线是平衡对称结构，其馈电方式为平衡馈电。天线传输线采用50Ω同轴电缆，然而同轴线虽然属于超宽带馈电线，并且具有良好的宽频带特性，但是其馈电方式为非平衡馈电，因此需要增加平衡馈电到非平衡馈电的转换装置即巴伦。巴伦一般分为同轴线巴伦、双面微带线巴伦、共面微带线巴伦、三线巴伦和Marchand巴伦五种。本文采用指数渐变线式的平行双线微带巴伦，以此来满足宽带平面螺旋天线对于宽带、平衡馈电的要求。所谓平行双线分别指微带线和其对应的地板，当微带线的地板同微带线本身都应用指数渐变，且变换至同样的宽度时，就由初始端的非平衡馈电变成了平衡的平行双线馈电结构，并且在此变换过程中实现了阻抗变换，因此这种指数渐变线结构巴伦就实现了阻抗匹配和非平衡到平衡的变换［9］。

该巴伦分为正反两面，双面均为微带渐变线。始端宽度不同，接同轴电缆，终端宽度渐变到相等，接天线双臂。平行双线渐变线巴伦结构图如图3所示。

由于平面阿基米德螺旋天线的输入阻抗为Ω5.188，所以在工作频带内由输入端的Ω50变为输出端的Ω5.188。其非平衡端线宽1W可按微带线宽计算，W2-5* W1［10］。根据唯一性定理和镜像原理，其特性阻抗约为同样宽度的微带线端口阻抗的2倍，根据上述计算方法，可得巴伦的各项参数为

3　仿真结果

据XLPE电缆局部放电的特性，高频电磁仿真软件AnsoftHFSS对对数螺旋天线和阿基米德螺旋天线进行了仿真和分析。如下进行详细的分析。

天线的介质基板选取的是环氧树脂板，它的介电常数εr=4.4，介质基板的厚度h-1.6mm 。

图4　对数螺旋天线电压驻波比

图5　阿基米德螺旋天线电压驻波比

图6　阿基米德螺旋天线的三维增益方向图

图7　对数螺旋天线的三维增益方向图

图8　天线仿真图

图9　天线实物图

3.1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：VSWR-1+Γ/1-Γ，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：iZ为天线的输入阻抗；cZ为传输特性阻抗。对数螺旋天线电压驻波比如图4所示，阿基米德螺旋天线电压驻波比如图5所示。

3.2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。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；inP为输入功率［12］。阿基米德螺旋天线的三维增益方向图如图6所示，对数螺旋天线的三维增益方向图如图7所示：

由仿真结果分析可知，阿基米德螺旋天线具有较小的尺寸、较大的增益、结构简单的优点，并且便于安装使用。因此本设计采用阿基米德螺旋结构做出了天线实物，并进行了现场测试，天线仿真图图8和实物图图9如下：

4　结语

根据XLPE电缆局部放电的特性，高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对对数螺旋天线和阿基米德螺旋天线进行了仿真和分析，仿真结果表明两种天线在400MHZ～1GHZ有效工作频带内，都具有较高的灵敏度和优越的性能，能够满足各项性能指标的要求，并且设计了适合于XLPE电缆局放检测的超高频天线，天线中心频率为700MHZ，天线在Z轴正方向具有最大增益值。

设计采用平行双线渐变线巴伦经50Ω同轴电缆馈电，天线具有超宽频带特性，经仿真和测量，在整个有效带400MHZ～1GHZ内电压驻波比小于2，并且具有较高的增益和灵敏度，可以较好的接收信号并且能抑制现场干扰信号，易于实现阻抗匹配，测试达到了要求。

阿基米德螺旋天线具有较小的尺寸、较大的增益、结构简单的优点，被用来检测XLPE电缆局部放电的超高频信号，此天线具有便于对电缆局放进行非接触检测，其具有较高的灵敏度和良好的方向性，能够满足各项性能指标的要求，同时还可以隔离工频信号和避免空间电晕以及周期性脉冲信号的干扰。

［1］苏文群，张丽，钱勇等.XLPE电缆局放检测技术及其应用［J］.华东电力.2011，4：0644.

［2］唐矩，李伟，杨浩等.高压电缆附件局部放电超高频检测与分析［J］.电压技术，2009，35（7）：1571-1577.

［3］付婷婷.电缆附件局部放电监测超高频传感器电磁特性仿真及设计：湖南大学硕士学位论文，湖南：湖南大学，2010，4-8.

［4］邓志勇.电缆附件局放内置传感器与超高频检测的研究：重庆大学硕士论文，重庆：重庆大学，2008，3-7.

［5］胡凯等.高频传感器检测电缆附件局部放电的研究进展［J］.传感器与微系统.2010，4：1.

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