檢測高壓電纜附件局部放電用超高頻蝶形天線的研究＊

汪 沨，石 倩?，劉 燁，姚亞利，張廣東

（1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082； 2.西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；3.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071； 4.甘肅省電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

高壓電纜附件（包括中間接頭和終端頭）內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之附件往往都是用戶人工組裝，安裝和制作工藝不佳容易導(dǎo)致電纜附件內(nèi)存在各種潛在的絕緣缺陷.因此，高壓電纜附件是高壓電纜絕緣的最薄弱環(huán)節(jié)和運(yùn)行故障的最典型部位.相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：高壓電纜線路的運(yùn)行故障有80%以上是由于電纜附件絕緣缺陷誘發(fā)的[1].由于高壓電纜附件的制作工藝相當(dāng)復(fù)雜，絕緣要求高，制作成本高，因此對高壓電纜附件開展絕緣檢測的研究，對于保障電纜安全運(yùn)行具有重要實(shí)用價(jià)值.

目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)為對高壓電纜絕緣狀況評估的最佳方法是進(jìn)行局部放電（partial discharge，PD）檢測[2].而超高頻（ultra－h(huán)igh frequency，UHF）檢測法具有抗干擾能力強(qiáng)和能夠判斷出絕緣系統(tǒng)中局部放電的性質(zhì)和來源[3]，特別適合現(xiàn)場監(jiān)測 .局部放電信號(hào)UHF檢測法的關(guān)鍵在于傳感器.目前，傳感器主要分內(nèi)置傳感器[4]和外置天線[5－6]兩類.由于電纜附件的多層屏蔽結(jié)構(gòu)影響了電磁波的傳播.復(fù)合介質(zhì)交界面處的折、反射會(huì)引起信號(hào)衰減和畸變的發(fā)生，又因?yàn)镻D信號(hào)微弱，等值頻率極高，故增加了UHF信號(hào)檢測的難度，因此要求傳感器有良好的靈敏度和頻率響應(yīng)特性.

本文研制了內(nèi)置于電纜附件的共面波導(dǎo)（coplanar waveguide，CPW）饋電蝶形超寬帶天線傳感器.蝶形天線屬于超寬頻（ultra－wideband，UWB）天線[7]，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于設(shè)計(jì)安裝、易于低頻輻射等優(yōu)點(diǎn)，適合安裝于電纜附件的內(nèi)部.在實(shí)驗(yàn)室搭建的模擬電纜附件裝置中進(jìn)行實(shí)際測量，為實(shí)現(xiàn)電纜附件PD超高頻檢測奠定了基礎(chǔ).

1 蝶形天線的分析與設(shè)計(jì)

1.1 超高頻天線的選擇

要實(shí)現(xiàn)對電纜附件PD超高頻檢測，要求傳感器具有以下基本特性：1）中心頻率在超高頻段能避開低頻干擾，駐波比小于2的條件下頻帶應(yīng)盡量寬；2）結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，便于使用和安裝，能檢測到PD信號(hào)，方向性良好；3）具備較高的靈敏度和增益，易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.根據(jù)上述要求，同時(shí)考慮現(xiàn)場安裝和天線應(yīng)具有小尺寸，質(zhì)量輕，易于阻抗匹配，集成化等特點(diǎn)，所以選擇CPW饋電蝶形天線.

1.2 蝶形天線的結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)電纜附件PD激發(fā)的電磁波傳播特性和接收天線的原理，設(shè)計(jì)了一種幾何形狀簡單、具有寬頻特性的蝶形貼片天線，此天線結(jié)合了微帶天線和CPW傳輸線的優(yōu)點(diǎn).

天線結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1所示.CPW饋電蝶形天線由金屬貼片、介質(zhì)板、金屬反射板和饋線組成.

圖1 蝶形天線結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖Fig.1 Structure and actual picture of bow－tie antenna

介質(zhì)板選取的是介電常數(shù)較低的聚四氟乙烯板，它的介電常數(shù)εr為2.2，介質(zhì)基板的厚度h為1.6mm.經(jīng)過多次優(yōu)化后，天線尺寸參數(shù)如下：蝶形貼片的長L寬W分別為158mm，52mm，共面波導(dǎo)的參數(shù)s，t分別為2.0mm，5.4mm，波端口w0為5.78mm.

蝶形天線頻率的計(jì)算公式為：

式中：fr為諧振頻率；c為電磁波傳播速度；εr為介電常數(shù)；L，W分別為蝶形貼片的長和寬；s為縫隙饋線的寬度；h為介質(zhì)板的厚度；w0為波端口寬度.

1.3 蝶形天線的帶寬

為滿足電纜附件局部放電UHF檢測的要求，天線應(yīng)具有盡可能寬的頻帶.天線的相對帶寬公式為：

式中：fmax和fmin分別為工作頻帶的上下限頻率；f0為中心頻率.

為擴(kuò)寬天線的頻帶，本文選擇了CPW饋電方式，采用CPW饋電方式能有效拓寬天線的帶寬.文獻(xiàn)[8]給出的共面波導(dǎo)饋電的結(jié)果使得蝶形天線的帶寬達(dá)到36%.文獻(xiàn)[9－10]對蝶形天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其天線的性能更加優(yōu)越.

2 蝶形天線的計(jì)算和性能分析

2.1 駐波比

電壓駐波比系數(shù)VSWR通常用來表征天線與饋線的匹配情況，計(jì)算公式為：

其中：Γ為反射損耗的反射系數(shù) .它與傳輸特性阻抗的關(guān)系為：

式中：Zi為天線的輸入阻抗；Zc為傳輸特性阻抗.

圖2為利用Ansoft HFSS仿真得到的駐波比曲線，圖3為利用Agilent E5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測的駐波比曲線.由圖2和圖3可知，蝶形天線的中心頻率為450MHz，駐波比小于2的絕對帶寬為350～580MHz，駐波比曲線呈“U”型.“U”型的駐波比曲線表明：天線在工作頻段內(nèi)的信號(hào)基本沒有衰減，然而在工作頻段外的信號(hào)衰減很快.由圖2和圖3可以看出，實(shí)測曲線和仿真曲線基本吻合，兩者的差別主要由制作尺寸誤差和設(shè)計(jì)的蝶形天線使用了可調(diào)節(jié)的加載阻抗造成.從天線的工作頻段可以看出，設(shè)計(jì)的天線能夠滿足電纜附件PD檢測的需求.

圖2 蝶形天線仿真駐波比曲線Fig.2 VSWR of bowtie antenna sensor theory

圖3 蝶形天線實(shí)測駐波比曲線Fig.3 VSWR of bowtie antenna sensor measurement

超寬帶信號(hào)是指－10dB相對帶寬大于20%或者絕對帶寬大于500MHz的無線電信號(hào)[11].本文設(shè)計(jì)的蝶形天線相對帶寬達(dá)到52.2%，屬于超寬頻帶天線.

2.2 增 益

天線增益是綜合衡量天線能量和方向特性的參數(shù)，通常以天線在最大輻射方向上的增益作為天線的增益，以天線在最大輻射方向的方向系數(shù)作為這一天線的方向性系數(shù)[12].

天線在某方向的增益G是它在該方向的輻射強(qiáng)度同天線以同一輸入功率向空間均勻輻射的輻射強(qiáng)度之比，即

式中：U為天線在某方向的輻射強(qiáng)度；Pin為輸入功率.

天線增益G與方向性系數(shù)D的關(guān)系為：

在天線的損耗忽略不計(jì)的條件下，天線的方向性系數(shù)定義為：在同樣距離和相同輻射功率條件下，天線方向圖上最大功率密度與全向天線（即理想點(diǎn)源）的輻射功率密度之比，即

η為天線的輻射效率，它是天線的輻射功率和輸入功率的比值，即

使用Ansoft HFSS建模后仿真可以得到蝶形天線的三維增益方向圖，如圖4所示 .從圖4可以看出，當(dāng)頻率為350～585MHz時(shí)，天線的最大輻射方向增益均≥3.14dB.

2.3 平面方向圖

利用Ansoft HFSS仿真的天線平面方向圖如圖5所示，其中θ，φ為球坐標(biāo)中的角度變量.圖5是對φ＝0°和φ＝90°時(shí)球坐標(biāo)中的角度變量進(jìn)行了仿真計(jì)算，在350～585MHz頻率內(nèi)，天線的H面（φ＝0°）近似圓形，說明CPW饋電蝶形天線全向性很好；E面（φ＝90°）兩波瓣相互對稱，在350～585MHz頻率內(nèi)，3dB波束寬度均≥76°，具有較寬波束，證明此天線在E面方向性良好，且在0°和－180°上具有最佳方向性.

圖4 蝶形天線的三維增益方向圖Fig.4 The three dimensional gain directional diagram of bowtie antenna

圖5 蝶形天線平面方向圖Fig.5 The direction of bowtie antenna

3 蝶形天線的實(shí)測研究

為檢驗(yàn)蝶形天線傳感器檢測超高頻PD信號(hào)的能力，在實(shí)驗(yàn)室對電纜附件模擬裝置產(chǎn)生的PD信號(hào)進(jìn)行檢測.實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示，2段總長度為4.4m的110kV高壓電纜通過一個(gè)模擬的電纜中間接頭連接在一起，末端連接應(yīng)力錐和均壓帽，一端連接在實(shí)驗(yàn)變壓器上.在電纜附件模擬裝置的電纜線芯上設(shè)置一個(gè)人工金屬凸出物缺陷，用內(nèi)置圓環(huán)形傳感器與內(nèi)置蝶形天線兩個(gè)檢測單元進(jìn)行檢測對比，檢測后的信號(hào)經(jīng)過濾波放大處理，并輸入數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄波形.

模擬中間接頭的內(nèi)部絕緣分布是按照多層固體復(fù)合介質(zhì)絕緣狀態(tài)設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)如圖7所示.當(dāng)實(shí)驗(yàn)電壓達(dá)到局放起始電壓值時(shí)，局部放電會(huì)在主絕緣與絕緣層之間的界面發(fā)生.

圖6 電纜接頭局放檢測接線圖Fig.6 Wiring diagram of partial discharge in cable accessories

圖7 模擬電纜中間接頭Fig.7 The simulative cable joint

圖8為蝶形天線在22.5kV時(shí)測得的PD波形和頻譜圖.從圖8中可以看出，內(nèi)置的蝶形天線傳感器不僅可以檢測到清晰的局部放電信號(hào)，而且具有較高的幅值和靈敏度，能滿足PD檢測的需要，同時(shí)還能徹底隔離工頻信號(hào)的干擾和避免空間電暈和周期性脈沖信號(hào)的干擾.從頻譜圖還可以看出，PD信號(hào)的頻譜主要集中在600MHz之前，這與天線的截止頻率相吻合.

圖8 蝶形天線測得的局放信號(hào)和頻譜Fig.8 PD signal and frequency spectrum detected by bowtie antenna

4 結(jié) 論

1）根據(jù)電纜附件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了適合于電纜附件PD超高頻檢測的CPW饋電的蝶形天線，天線中心頻率為450MHz，在θ為0°和－180°時(shí)具有最佳方向性.

2）采用CPW饋電方式，使天線獲得了超寬頻帶特性，經(jīng)仿真和測量，駐波比小于2的帶寬為350～585MHz，整個(gè)駐波比成“U”型，使得天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的增益穩(wěn)定，中心頻率處的增益達(dá)到3.14dB.

3）蝶形天線具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，便于安裝于電纜附件的內(nèi)部，從而大大提高檢測靈敏度和抗干擾能力.

4）在實(shí)驗(yàn)室測量表明，所設(shè)計(jì)的CPW饋電的蝶形天線能夠滿足局部放電檢測的需要，其有較高的靈敏度和良好的方向性，同時(shí)天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適合于電纜附件的安裝，同時(shí)還能徹底地隔離工頻信號(hào)的干擾和避免空間電暈和周期性脈沖信號(hào)的干擾.

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