GIS局部放电检测用阿基米德螺旋天线设计研究

李宾宾, 刘 成, 田 宇, 苏 洋, 罗 沙, 郑 浩

(1.国网安徽省电力有限公司 电力科学研究院,安徽 合肥 230022; 2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009; 3.国网安徽省电力有限公司,安徽 合肥 230061)

0 引 言

气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)设备凭借封闭性好、抗干扰能力强、故障率低等特点,在电力系统中得到普遍应用,但是GIS设备一旦发生故障,故障的定位和检修过程都比常规电气设备更加困难,因此GIS设备的绝缘故障及时预警十分重要。局部放电信号检测作为当前电气设备故障预警的主要途径[1-2],具有多种多样的检测手段,但是由于GIS设备结构复杂,并且多种局部放电检测方法易受现场电磁干扰的影响,难以应用于GIS设备变电站的局部放电信号检测。超高频(ultra-high frequency,UHF)局部放电检测法接收的电磁波信号所处的频带较高(300～3 000 MHz),能够避开现场大部分的电磁干扰信号(通常在300 MHz以下),适合应用于GIS设备局部放电带电检测和实时监测[3-4]。

UHF天线传感器是超高频局部放电检测系统的关键组件[5-6],在现场检测时,为了获取更多、更丰富的局部放电信息,要求工作带宽比较大的检测天线,但是目前通常采用增大天线尺寸的方法来拓宽工作带宽,而尺寸较大的天线不方便应用于现场的带电检测,更难以应用于结构较为复杂的GIS设备的内置式在线监测[7]。阿基米德平面螺旋天线作为一种超宽带非频变天线,能够在比较宽的工作频带(倍频带宽大于10)内保持良好的性能参数,同时自身较小的尺寸也符合GIS局部放电现场检测的工程需求[8-10]。

针对阿基米德平面螺旋天线的相关设计研究,近几年国内外学者也开展了大量工作,但是研究对象多为频率在3～20 GHz之间的通讯天线[11-14],此类螺旋天线的工作频率较高,天线尺寸较小。但是应用于电气设备局部放电检测的阿基米德平面螺旋天线的设计研究比较少,同时如何在保持天线工作频带内良好参数性能的前提下,尽量缩小天线自身的尺寸是目前存在的难题[9]。

为满足GIS设备局部放电现场检测对于天线宽频带、小尺寸的工程需要[15],本文设计了一种基本形式的阿基米德平面螺旋天线,利用Ansoft HFSS仿真软件对天线辐射单元的结构参数进行了仿真和优化,得到了最优化尺寸的阿基米德螺旋天线,并通过试验对天线的局部放电检测性能加以验证。

1 阿基米德平面螺旋天线的结构原理

平面螺旋天线是一种非频变天线,这类天线将金属辐射导体按螺旋形状刻蚀在厚度均匀的绝缘介质板上,并用巴伦进行馈电。阿基米德平面螺旋天线主要有双臂螺旋和四臂螺旋2种结构,其优点是频带宽、剖面低。

阿基米德平面螺旋天线的螺旋半径随着角度的增大而均匀增大,其曲线方程为:

r=r0+α(φ-φ0)

(1)

其中:φ0为螺旋天线的初始方位角;α为螺旋增长率;r0为与初始角度φ0相对应的螺旋线径向距离。

双臂阿基米德螺旋天线可近似等效为对称双线传输线,如图1所示。

图1 阿基米德螺旋天线等效原理图

对螺旋天线的A、B2点进行反相馈电,即相位相差π。在2条螺旋线上分别取P、Q2点,且2点到原点O的距离相等,即从B点沿着螺旋线绕至P点的长度与从A点沿另一螺旋线绕至Q点的长度相等,因此在螺旋线上的P、Q2点的电流相位仍相差π。现考察与Q点相邻螺旋线上的点Q′,当螺旋增长率a较小时,弧长PQ′可近似为以r为半径的圆的半周长,因此相邻点Q′之间电流的相位差为:

θ=π+(2π/λ)πr

(2)

其中:2π/λ为真空中的波数k0,如果取半径r=λ/(2π),那么Q和Q′之间的相位差为2π,根据传输线原理,2根相邻传输线上的电流同方向会彼此增强并在平面的法向侧形成最强辐射[16]。

因此,周长约为一个波长λ的区域是阿基米德平面螺旋天线的主辐射带,并且随着工作频率的下降,天线的主辐射带逐渐向外移动。在天线设计中,螺线外径D与天线下限工作频率对应的波长λmax一般有如下关系:

πD≥1.25λmax

(3)

为了获得更低的工作频率,往往要通过增大天线径向尺寸来实现,这与检测天线小型化的要求相违背。

2 阿基米德平面螺旋天线的设计与仿真

按照局部放电电磁波信号的带宽分布以及超高频局部放电的检测要求,本文设计天线的性能指标为:下限工作频率为700 MHz,上限工作频率为3 GHz;工作频带内的电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于2;全频带内的最大增益不低于4 dB。

2.1 天线辐射单元结构参数的计算

(1) 平面螺旋天线外径D。根据阿基米德螺旋天线的辐射性质,螺旋外径D和天线的下限工作频率fL对应的波长λmax相关,将天线要求的下限工作频率fL=700 MHz对应的波长λmax=428.6 mm代入(3)式,计算可得到天线的外径D为170.5 mm。

(2) 平面螺旋天线内径2r0。阿基米德螺旋天线的内径2r0则与天线的上限工作频率fH对应的波长λmin相关,即

2r0<λmin/4

(4)

将天线要求的上限工作频率fH=3 000 MHz对应的波长λmin=100 mm代入(4)式,计算可得到天线内径2r0应小于25 mm,考虑到内径大小会影响阿基米德螺旋天线的阻抗特性和馈电巴伦的安装,本文中天线的内半径大小r0设定与馈电巴伦的厚度一致为2 mm,此时天线的内径2r0=4 mm。

(3) 螺旋线宽W、螺旋增长率α、螺旋圈数N。阿基米德螺旋天线的线宽W、螺旋增长率α和圈数N之间具有一定的联系,因此只需要确定其中的一个参数,天线辐射面的其他全部参数即可确定[17]。同时由于互补构造的阿基米德螺旋天线的线宽W和间距H是相等的,首先通过仿真和优化确定天线的螺旋线宽W,然后通过2πα=4W可以确定天线的螺旋增长率α。

最后确定天线的螺旋圈数N。螺旋圈数N是影响阿基米德螺旋天线辐射性能的重要参数,不宜过大也不宜过小,当阿基米德螺旋天线的外径D确定后,圈数N过小会使天线总长度变小,导致天线的“终端反射”效应加强不利于天线的低频特性;圈数N较大时虽然能减弱天线的终端效应,但是天线总长度太大不仅使加工难度加大,同时天线的传输损耗也会增大。在实际设计中一般认为N在10左右是比较合理的。

2.2 天线辐射单元结构参数的优化

确定了螺旋天线的外径和内径之后,在Ansoft HFSS仿真软件中分别建立线宽W为1、2、3 mm的天线辐射单元模型,通过比较3款天线的驻波比曲线和输入阻抗曲线,在天线外径不变的前提下比较宽度W对仿真结果的影响,寻找带宽为700～3 000 MHz阿基米德螺旋天线辐射面的最优参数设计[18-19]。

阿基米德螺旋天线辐射单元如图2所示,模型采用在2 mm厚FR4环氧介质基板表面的2个边界条件为Perfect E的曲面来模拟阿基米德螺旋天线辐射面的双臂金属导体,中心处的红色矩形部分则为天线的激励面,软件中采用集总端口激励。仿真时在500～3 000 MHz的频带内通过插值扫描法对天线的性能进行计算。

螺旋线宽W对仿真结果的影响见表1所列,从表1可以看出,随着螺旋线宽W的增加,天线VSWR小于2时所对应的下限工作频率逐渐增大,说明了天线的低频特性随着螺旋线宽W逐渐恶化,但是3款天线的仿真模型在700～3 000 MHz的工作频段内都满足VSWR小于2的工程设计要求。

此外螺旋线宽W不同时天线输入阻抗的波动幅度也存在差异,阻抗实部波动幅度分别为20、9、29 Ω,虚部波动幅度分别为30、12、33 Ω。但是当W=2 mm时,天线VSWR、阻抗实部和虚部等参数的浮动程度最小,阻抗虚部也最接近于0,同时当W=2 mm时螺旋圈数N=10.375,也符合工程设计中对于螺旋天线圈数的要求。

2.3 阿基米德平面螺旋天线的性能

基于阿基米德螺旋天线辐射单元尺寸优化的仿真结果,在ANSYS HFSS软件中搭建参数优化之后的天线辐射面和馈电巴伦连接的整体模型如图3所示,并在500～3 000 MHz的频率范围内对天线模型进行三维电磁场仿真[20-21],同时使用矢量网络分析仪对加工的天线实物进行端口匹配和增益大小等参数的测量。

图3 阿基米德螺旋天线HFSS仿真模型

2.3.1 端口参数

线宽W=2 mm的阿基米德平面螺旋天线的端口参数如图4所示,包括天线的回波损耗和驻波比曲线。从图4a可以看出，天线回波损耗S11为-10 dB时对应的低频截止频率为642 MHz;从图4b可以看出，天线的驻波比VSWR为2时对应的低频截止频率为631 MHz,两者均低于要求的下限工作频率700 MHz,说明了天线在低频端的参数满足要求。

同时天线在700～3 000 MHz的工作频段内回波损耗S11为-10.7～-18.7 dB,低于-10 dB;驻波比VSWR为1.82～1.26,小于2,即两项参数指标在工作频带内均符合设计标准,天线的阻抗匹配程度较高。

图4 最优阿基米德螺旋天线端口参数

2.3.2 辐射参数

阿基米德螺旋天线在仿真频带的中心频点(即f=1.75 GHz时)的辐射方向图如图5a所示,从图5a可以看出天线的方向图形状为“8”字形,说明天线上、下2个方向的辐射功能都比较良好。同时当θ=0°或180°时天线的增益最大,即天线辐射单元的法线方向具有天线的最大辐射强度,符合设计要求。

天线的平面辐射方向图如图5b所示,其中红色曲线为E面方向图,蓝色曲线为H面方向图。从图5可以看出天线的最大增益达到了4.7 dB,满足局部放电检测天线对于增益大小的要求,天线的方向性良好,能够有效接收局部放电信号的方向较为集中。

图5 最优阿基米德螺旋天线辐射参数

综上所述,天线较高的增益以及较强的辐射集中度都有利于对GIS设备中较微弱的局部放电信号进行有效检测。

3 天线检测性能的试验验证

基于阿基米德螺旋天线辐射单元的仿真模型,采用PCB雕刻技术制作完成的天线实物如图6所示。

图6 阿基米德螺旋天线实物

将天线辐射单元的金属螺旋导体,印制在厚度为2 mm的圆形FR4环氧介质基板上,加工制作完成的天线辐射单元的直径为173.6 mm。

实验室搭建的工频高压试验回路如图7所示,本文通过该试验回路模拟产生于环氧绝缘样件表面的沿面局部放电信号,验证阿基米德平面螺旋天线的检测性能[22]。实验室自行研制的局部放电模拟试验平台如图8所示，该平台依照GIS设备的结构，按照1∶1的比例制作了一段试验腔体，整个腔体的材料为亚克力有机玻璃。局部放电试验回路中的高压电源为工频试验变压器,放电模型为放置在圆形环氧树脂绝缘样件上的2片指形电极,两电极之间相距1.5 cm,实验时逐渐升高工频电压,通过检测两电极之间尚未击穿之前的局部放电信号来验证天线的检测性能。

图7 局部放电试验电路示意图

图8 局部放电模拟试验平台

实验时,将阿基米德螺旋天线放置在距离放电源1.5 m的位置,输出端不接射频放大器,使用型号为Tektronix Oscilloscope 5204B泰克示波器(带宽2 GHz,最大采样率10 GS/s)接收天线检测到的超高频局部放电信号。当试验电压升高至8 kV时,天线3次检测到的局部放电信号波形如图9所示。

从图9可以看出,3次采样得到的局部放电信号波形的峰值分别为21.2、28.2、22.8 mV,背景噪声平均值约为7.5 mV。

在本文对局部放电信号数据波形的分析中,定义了天线检测的局部放电信号的信噪比(signal noise ratio,SNR)为:

(6)

因此,根据实验结果的波形数据计算得出本文设计的阿基米德平面螺旋天线信噪约为3.21。阿基米德螺旋天线体积小、质量轻的优势适用于GIS局部放电的现场检测,同时在现场检测时可以在其输出端口后连接射频放大器提高检测微弱局部放电信号的能力,弥补增益的不足。

图9 实测局部放电信号波形

4 结 论

针对目前GIS设备局部放电现场检测的问题,本文采用HFSS三维电磁仿真软件设计了一种阿基米德平面螺旋天线,对天线辐射单元的结构参数进行了仿真和优化,对其端口参数和辐射特性进行了仿真和实测研究,并在实验室对天线的检测性能进行了试验验证,获得以下结论:

(1) 通过对阿基米德平面螺旋天线辐射单元的线宽W进行优化分析,得到了当线宽W为2 mm时,天线的端口参数和辐射参数均为最优仿真结果,天线的螺旋圈数N为10.375,符合工程设计中对于螺旋天线圈数的要求,此时天线的外径为173.6 mm。

(2) 阿基米德平面螺旋天线回波损耗S11小于-10 dB的带宽为700～3 000 MHz,频带内天线最大增益能够达到4.7 dB,同时具有较高的灵敏度和信噪比,能够检测到清晰的局部放电信号。

(3) 天线在工作频带内具有良好的双向辐射特性,随着频率升高,增益逐渐增大,辐射区域逐渐集中,满足GIS检测天线小尺寸、宽频带的设计要求。