基于超高頻法測量電纜放電信號的研究

摘 要：超高頻法是檢測電纜放電的重要方法之一，文章通過對超高頻接收裝置的優(yōu)化，設(shè)計了一款阿基米德天線，其對電纜放電信號的檢測更為準確。然后通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS對該天線進行了仿真，仿真表明，優(yōu)化后的天線在多項指標上都比現(xiàn)有的阿基米德天線有明顯的優(yōu)勢。利用富蘭克林輪放電信號來模擬電纜放電信號，用兩個天線接收信號后進行對比，優(yōu)化后的天線所接收的信號比優(yōu)化前的天線所接收到的信號在強度、精確度上有了明顯的提升。

關(guān)鍵詞：電纜放電；超高頻法；阿基米德天線；Ansoft HFSS仿真

1 概述

電纜作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性對整個電力系統(tǒng)的安全運行都有重要的意義。電纜的局部放電導(dǎo)致絕緣損壞，很可能會產(chǎn)生重大電力事故，因此，通過局部放電的試驗，改進測量設(shè)備，能夠發(fā)現(xiàn)早期的故障隱患，對電力系統(tǒng)的溫度運行具有重要的意義。

該試驗主要研究天線傳感器接收到電纜放電所釋放的超高頻電磁波信號，通過超高頻信號，可以確定電纜的放電位置，放電強度等，所接收的信號越準確，越能滿足工程要求。該實驗搭建了放電接收裝置平臺，并且利用軟件進行了仿真，實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的天線在增益、軸比、駐波比、回波損耗等方面均有明顯提升。

2 阿基米德天線優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

為了降低傳輸過程中的損耗，優(yōu)化后的天線減小了螺旋臂的寬度，優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對比如下。

（1）駐波比：在400MHz-1GHz頻率內(nèi)，兩種天線仿真結(jié)果對比如圖1、2所示。

結(jié)果分析對比表明，優(yōu)化前后的兩種阿基米德螺旋天線都滿足駐波比小于2的設(shè)計要求，優(yōu)化后的阿基米德天線的駐波比更小，測量結(jié)果會更準確。

（2）回波損耗：在400MHz-1GHz頻率內(nèi)，兩種天線仿真結(jié)果對比如圖3、4所示。

結(jié)果分析對比表明，優(yōu)化前后的兩種阿基米德螺旋天線都滿足回波損耗小于-10的設(shè)計要求，但是優(yōu)化后的阿基米德天線在大部分頻率范圍內(nèi)的回波損耗更小，測量結(jié)果會更準確。

（3）軸比：在400MHz-1GHz頻率內(nèi)，兩種天線隨Theta （天線法相與天線仰俯面各方向夾角）變化的仿真結(jié)果如圖5、6所示。

結(jié)果分析對比表明，優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線在其工作的中心頻率700MHz處，在Theta=128.1039°時、Theta=232.3929°時的軸比為3dB。天線在104°的波束寬度里均滿足軸比小于3dB的要求。但是優(yōu)化后天線的圓極化特性更明顯，波束寬度更寬，實驗結(jié)果會更優(yōu)。

（4）優(yōu)化前后的阿基米德螺旋天線的三維增益方向圖如圖7、8所示。

仿真數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化前的阿基米德螺旋天線的增益值為3.8407e+000，優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線的增益值為5.5930e+000，優(yōu)化后的增益更高，接收信號的效率也大大提升。

（5）實物圖對比，如圖9、10所示。

3 兩種天線實驗結(jié)果對比分析

相同位置兩種天線試驗結(jié)果對比分析：

測試時天線位置保存不變，天線正前方為0°，正左方為90°，正后方為180°，正右方為270°。

優(yōu)化前測量結(jié)果如圖11、12所示。

優(yōu)化后測量結(jié)果如圖13、14所示。

實驗結(jié)果對比表明，在每個相同的位置，優(yōu)化后阿基米德螺旋天線接收到放電信號的幅值都是大于優(yōu)化前的，表明優(yōu)化后的阿基米德天線的接收效果更好。

4 結(jié)束語

通過仿真結(jié)果對比表明，文章設(shè)計的新款的阿基米德螺旋天線與之前的天線相比，在增多項指標上都有了明顯的改進，增益值比優(yōu)化前的增加了1.8dB，駐波比最小值比優(yōu)化前低了0.35，在大部分頻段內(nèi)，駐波比比原有的阿基米德螺旋天線都要小。

同時利用搭建的試驗平臺對放電信號進行了實際對比，結(jié)果表明，文章設(shè)計的新款阿基米德螺旋天線接收到的放電信號強度更明顯，尤其在垂直天線輻射面方向上，接收效果最佳?？傊?，優(yōu)化后的阿基米德螺旋天線采集的結(jié)果更準確，對于檢測電纜的故障有重要意義。

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作者簡介：梁永春，男，教授，西安交通大學博士畢業(yè)，主要研究方向：電纜故障檢測、風力發(fā)電等。