电力电缆局放检测的超高频传感器天线设计

2023-01-03鲁创，任萍

船电技术 2022年12期

关键词：阿基米德巴伦频带

鲁创，任萍

应用研究

电力电缆局放检测的超高频传感器天线设计

鲁创1，任萍2

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文以检测电力电缆局部放电的超高频传感器天线为研究对象，在常用的UHF天线中阿基米德螺旋天线具有较宽的工作频带以及优良的低频工作特性，因此本文用ANSYS HFSS设计了一款用于电力电缆UHF传感器的阿基米德螺旋天线。研究了不同外径阿基米德螺旋天线的S11参数，通过改进阿基米德螺旋天线两臂结构对S11参数进行优化，结果表明优化后的阿基米德螺旋天线工作频带较宽、S11参数远低于-10 dB。这为用于电力电缆的UHF传感器天线设计提供了一定的理论依据。

阿基米德螺旋天线超高频天线局部放电传感器

0 引言

电力电缆作为传输电能的主要介质，常用于城市地下电力线路铺设，是电力系统网络的重要组成部分[1]。若电力电缆长1期存在局部放电,会造成电缆绝缘击穿。因此对电力电缆进行局部放电信号监测必不可少。超高频检测法以其良好的灵敏度和抗干扰能力，成为局部放电检测的主要方式[2-4]。

目前，针对电力电缆局部放电在线监测领域使用超高频检测系统的研究较少，考虑到GIS与电力电缆绝缘劣化周期存在差异，不能简单的将检测GIS局部放电超高频传感器的研究成果应用于电缆设备。电缆发生局部放电信号频率较低且绝缘劣化周期长，更加关注于绝缘劣化中后期，检测频带范围更宽，UHF天线应能够接收到宽频带PD信号。因此，如何拓宽天线低频工作频带以及提高工作频带内信号传输效率显得尤为重要。文献[5]设计了频带分别为350～750 MHz外置式振子天线和340～440 MHz微带天线，其工作带宽较窄。文献[6]根据Hilbert分形原理设计了一种四阶Hilbert分形天线，达到小型化的同时有多段工作频端，单个工作频段偏窄。文献[7]设计的单极子天线采用RLC加载技术，满足其驻波比小于2.5的阻抗带宽比为172%，设计工作频带为30～440 MHz，高度0.4 m，该天线频带参数虽然达到宽带化指标要求，但频段内增益不足，仅为-32dBi，且天线外形尺寸较大，无法在电力电缆检测场景下应用。文献[8]根据同轴结构设计一种同轴波导天线，外形尺寸符合超高频传感器使用场景要求，工作频带范围1～3.5 GHz，由于电力电缆PD信号频率集中在1GHz以下，因此该天线接收的PD信号强度较弱，影响后级采样电路灵敏度。文献[9]设计并分析了不同包角下的等焦螺旋天线带宽，一款等角螺旋天线和小型化阻抗变换器，天线在频带为0.9GHz～3GHz间的S11参数小于-10 dB，具有超宽的工作频带。由于螺旋天线外形只由角度决定，不包含线性长度，天线特性不受频率变化影响，因此可以得到较宽的频带范围。

本文选择阿基米德螺旋天线作为UHF传感器天线，通过ANSYS HFSS射频仿真软件仿真分析不同外径下阿基米德螺旋天线的S11参数，这对如何选取合适的阿基米德螺旋天线尺寸起到关键作用。通过对天线两臂结构进行改进，然后将改进后的阿基米德螺旋天线与巴伦组合成整体，得到工作频带内具有S11参数远小于-10 dB的天线模型。利用尖端放电试品模拟局部放电，使用优化后的阿基米德螺旋天线进行局部放电信号采集实验，对用于检测电力电缆局部放电的超高频传感器前端阿基米德螺旋天线设计进行实验验证。

1 阿基米德螺旋天线设计

1.1 阿基米德螺旋天线参数

依据天线理论中的部分参数指标来形容超高频传感器天线性能。用来定义天线性能的参数包括：驻波比、S11参数、输入阻抗和增益等[10]。天线的驻波比与S11参数均表示天线的信号传输效率，可用来表征天线的工作带宽。而天线与馈线的阻抗匹配优劣由天线的输入阻抗决定，本文取天线输入阻抗与S11参数为指标对UHF天线性能展开研究。

1) 输入阻抗

天线的输入阻抗为天线馈电端输入电压与输入电流的比值，计算公式为：

式中，Z为天线输入阻抗，U为馈电端输入电压，I为输入电流。天线输入阻抗为纯电阻表示天线与馈线连接达到最优状态，其值与馈线特征阻抗相等，此时馈线终端没有功率反射。工程领域一般不用输入阻抗描述天线带宽，而是由天线电压驻波比或S11参数的最大允许值决定[11]。

2) S11参数

超高频天线在空间中接收的电磁波信号，一部分会经传输线传到后级电路进行处理，另一部分会在交界处发生反射而损失掉[12]。为从数值上衡量天线和与其相连传输线的匹配状态，定义电压反射系数如下所示:

Z为天线输入阻抗，Z为传输线阻抗。天线的回波损耗反映天线输入阻抗与传输线阻抗的匹配程度，决定了天线输入能量和输出能量的效率，工程领域常用11参数表示回波损耗(RL),计算公式为:

为电压反射系数，当S11=-10 dB时，表示天线阻抗达到良好匹配，仅有10%的输入功率反射到馈电端口。

1.2 阿基米德螺旋天线结构

本文采用的天线本体是双臂阿基米德螺旋天线，如图1所示。阿基米德螺旋天线一臂的曲线方程为：

式中0是初始半径，为常数表示螺旋增加率，为辐角。

另一臂为前一臂旋转180°，曲线方程为：

两臂的起点对应的是天线的内径r0，天线工作频带的高频端受螺旋线起始内径影响，关系式为：

图2 不同外径下的阿基米德螺旋天线

由图3所示，随着天线外径尺寸增加，11参数曲线振荡幅度越小，尺寸越大的阿基米德螺旋天线11参数变化更加平稳，稳定后的11参数值约-10 dB，此时天线阻抗也趋于稳定，约为110 Ω，此时具有最优阻抗匹配特性，对信号的传输效率达到最高。结果表明天线11参数直接影响天线工作频段。但满足用于电力电缆的UHF传感器阿基米德螺旋天线尺寸较大，不适于安装，因此本文对阿基米德螺旋天线的双臂进行改进。

1.3 改进平面阿基米德螺旋天线设计

基于上述对阿基米德螺旋天线尺寸、11参数和阻抗分析，本文采用改进阿基米德螺旋天线两臂结构对11参数进行优化。如图4所示，天线尺寸一定情况下，改进后天线双臂等效于增加天线外圈周长，优化天线低频段S11参数[14～16]。由于最外圈两臂上对称的两点上电流相位特性保持不变，所以最外圈螺旋线的正弦加载不会对阿基米德螺旋天线增益和方向性造成破坏[17]。最后对螺旋线线宽以及线间距进行选择后，得出最佳的设计方案。

图3 天线特性与尺寸关系

图4 改进阿基米德螺旋天线

由图3b可知螺旋天线在频带上最小11参数约为-10 dB，原因为仿真天线的馈电端口电阻为50 Ω，等同于将对称平衡结构的天线直接连接50 Ω非平衡结构同轴电缆，此时为非平衡馈电状态，阻抗匹配效果差，因此使11参数劣化[18]。为拓宽天线11≤-10 dB的频带，本文设计一款渐变微带巴伦。

1.4 巴伦设计

采用在天线与同轴电缆间连接渐变微带巴伦的形式提高天线与同轴电缆间阻抗匹配。渐变微带巴伦的渐变微带线电长度越长，馈电平衡性越好，传统巴伦从天线后方馈电，本文设计的渐变微带巴伦，将巴伦曲折处理，使其成为侧面馈电，大大降低了天线高度，在满足降低UHF传感器高度的同时拓宽了天线11≤-10 dB的工作频带[19～20]。曲折化渐变微带巴伦如图5所示。巴伦阻抗匹配后输入阻抗仿真结果如图6所示，阻抗值由110 Ω下降到50 Ω，在0.3 GHz～1.9 GHz频率范围内，阻抗值符合设计期望。如图7所示，实际测试结果中，在设计区间内电阻值基本稳定在50 Ω，电抗为0 Ω，输入阻抗可近似认为纯电阻输入，达到理想匹配要求。

图5 微带渐进线巴伦

图6 巴伦匹配后的输入阻抗仿真图

图7 巴伦匹配后的输入阻抗实测图

2 改进阿基米德螺旋天线性能参数

2.1 S11参数

利用ANSYS HFSS射频仿真软件建立改进的双臂阿基米德螺旋天线与巴伦的仿真模型，将两个元件建立连接后仿真分析其11参数。设置扫频范围为0～2 GHz，中心频率为1 GHz，步长为0.01 GHz。对阿基米德螺旋天线仿真所测11参数曲线如图8所示。从图中可以看出，在0.35 GHz～3 GHz的频率范围内11≤-10 dB。

图8 仿真螺旋S11参数曲线

2.2 天线的增益和方向图

天线的方向性表征天线与其所在的不同空间坐标接收或发出信号的性能，表示天线方向性越好辐射或接收信号的能力强弱。天线的方向图主瓣越窄，增益越高。由于阿基米德螺旋天线具有轴向对称特性，本文选取了9个频率点，分别为500 MHZ，800 MHZ，1 GHz，1.2 GHz，1.5 GHz以及2 GHz进行测试，坐标采用极坐标的形式，如图9所示。天线在所测频带具有良好的双向性，主瓣中辐射功率达到最大值的一半时，两个矢径间夹角称为主瓣宽度，主瓣宽度用来表示天线功率辐射集中程度，方向图越尖锐，代表天线辐射越集中。

图9 天线方向图

考虑到实际应用场景，天线在主向上辐射功率的集中程度通常以增益G表示，单位为分贝dB。针对UHF传感器设计需求，传感器应该对局部放电信号有效感知并接受，将局部放电信号传递到后级进行处理，为尽可能减少天线损耗，需要设计传感器的期望增益尽可能高，改进埃及米的阿基米德螺旋天线增益如表1所示。

表1 增益记录表格

加工出天线实物，巴伦一端连接螺旋臂，另一端焊接SMA连接器，如图10所示。通过NanoVNA矢量网络分析仪测得实际天线11参数，如图11所示。改进后的阿基米德螺旋天线在0.5 GHz～1.9 GHz的范围内驻波比11≤-10 dB，最低值达到-27 dB，满足工作频带宽、传输效率高的特点。为验证改进阿基米德螺旋天线实用性能，对其进行实验分析。

图10 改进阿基米德螺旋天线实物图

图11 改进阿基米德螺旋天线实测S11参数

3 实验验证

为进一步验证传感器的实用性，本文利用上文的UHF传感器改进阿基米德螺旋天线对实际局部放电信号进行接收实验测试。

为模拟实际电力电缆发生局部放电现象,采用如图12所示的局部放电模型试品模拟尖端缺陷进行实验。放置UHF传感器与超声波局放传感器距离试品相等位置，50 Ω同轴传输线连接包络检波电路，检波输出连接至数字示波器输入通道，示波器带宽100 MHz，最大采样率1 GS/s。施加在放电模型上的电压由0 V逐渐升高到9 kV，信号通过改进阿基米德螺旋天线采集后经自制的包络检波缓冲电路连接示波器，采集的PD信号如图13所示。超高频传感器与超声波传感器双通道同时采集PD信号，经自制检波电路连接采集系统保存数据。采集的PD数据如图14所示。

图12 尖端缺陷实验平台

图13 改进阿基米德螺旋天线局部放电信号采集图

示波器每格为100 mV，通过示波器所示改进阿基米德螺旋天线采集PD信号的幅值高达210 mV，干扰噪声几乎都被包络检波滤除，局部放电特征信号辨识度高，证明了优化后的阿基米德螺旋天线在较宽的工作频带内S11≤-10 dB，可以把局部放电信号有效地转换成终端接收信号。

图14 超高频传感器(蓝)和超声波传感器(绿)采集图

由图14可知，两传感器对采集到的局部放电特征信号具有同时性，证明了优化阿基米德螺旋天线完全可以满足对分布于0.3 GHz～3 GHz的PD信号采集要求。

4 结论

本文根据电力电缆局部放电检测需求，设计了一款工作频带宽、S11参数低的阿基米德螺旋天线，经过仿真分析和实验验证，得出结论如下:

1）通过分析得到阿基米德螺旋天线外径与S11参数、工作频带之间的关系，对如何选取阿基米德螺旋天线尺寸起到关键作用。本文通过改进阿基米德螺旋天线两臂结构、连接渐变微带巴伦的方式对S11参数进行优化，优化后阿基米德螺旋天线在0.5 GHz～1.9 GHz的频带间S11参数≤-10 dB，最低值达到-27 dB。

2）通过尖端缺陷模型模拟电力电缆局部放电信号采集实验，超高频传感器与超声波传感器双通道采集的局部放电信号具有同时性，优化后的阿基米德螺旋天线对分布于0.3 GHz～3 GHz的局部放电信号达到了较高的采集率。通过示波器分析优化阿基米德螺旋天线采集到的局部放电信号波形，PD信号幅值高达210 mV，对局部放电信号辨识度较高。因此，优化后阿基米德螺旋天线适用于检测电力电缆局部放电。

[1] 李方利, 钱帅伟, 毛振宇, 等. 基于多传感器融合技术的电缆附件局部放电检测系统[J]. 电器与能效管理技术, 2020(6): 53-60, 75.

[2] 马婷婷, 杜伯书, 孔晓晓, 等. 开关柜绝缘状态检测与故障诊断[J]. 电器与能效管理技术, 2019(15): 71-76.

[3] 布赫. 基于35kV高压开关柜的综合局部放电检测技术[J]. 电器与能效管理技术, 2019(21): 48-51, 69.

[4] 李宾宾, 刘成, 田宇, 等. GIS局部放电检测用阿基米德螺旋天线设计研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2021, 44(2): 175-181.

[5] 朱庆超, 方佳, 金谋平. 关于阿基米德平面螺旋天线辐射特性的研究[J]. 微波学报, 2018, 34(S1): 145-147.

[6] 徐海鹏, 申强强, 承浩宇. 正弦函数加载阿基米德螺旋天线的设计[J]. 雷达与对抗, 2017, 37(2): 27-29.

[7] 马世金, 王鹏, 董涵, 等. 用于高频脉冲电压下变频电机绝缘放电检测的特高频天线设计[J]. 高电压技术, 2020, 46(10): 3451-3459.

[8] 王永强, 李建芳, 李长元, 等. 检测GIS局部放电的小型化平面螺旋天线研究[J]. 高电压技术, 2016, 42(4): 1252-1258.

[9] 宋登峰. 高压开关柜局部放电监测系统的超高频传感器设计[D]. 焦作: 河南理工大学, 2011.

[10] 王铁军. 基于局部放电的超高频宽带天线优化设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2011.

[11] 王婵. 用于放电检测的超高频天线设计及检测系统研制[D]. 成都: 西南交通大学, 2020.

[12] 刘成. GIS局部放电检测用小型化平面螺旋天线的设计研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2020.