GIS 局部放电检测天线本体和巴伦共面柔性小型化特高频天线传感器研究

张国治 韩景琦 刘健犇 陈 康 张 硕

（1.湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心 武汉 430068 2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 武汉 430074 3.武汉大学动力与机械学院 武汉 430072 4.电网环境保护国家重点实验室（中国电力科学研究院有限公司）武汉 430074）

0 引言

气体绝缘组合电器（Gas Insulated Substation,GIS）是电力系统变电站中的两大件之一，具有对高压电路开断和高压配电的作用，由于其占地面积少、安装灵活方便、绝缘性能好等优点，在电力系统获得了广泛的应用[1-3]。GIS 的绝缘状态与电力系统的安全稳定运行息息相关。据相关研究表明[4-5]，目前GIS 绝缘故障的主要原因是其内部的局部放电（Partial Discharge,PD）引起的各种绝缘缺陷，一旦不及时处理将可能导致严重的设备事故和电网事故[6-8]。

PD 是导体间绝缘仅部分击穿的电气放电，在PD 过程中会辐射出电磁信号[9]，利用天线检测特高频（Ultra High Frequency,UHF，300 MHz～3 GHz）频段电磁波信号可实现PD 绝缘缺陷的有效检测和抑制现场电晕干扰。目前，国内出厂的220 kV 及以上电压等级GIS 均装有UHF 监测系统或者预留有UHF 监测接口。根据安装方式的不同可将UHF 传感器分为外置式和内置式两种：外置式UHF 传感器主要有Hilbert 分形天线[10]、外置微带贴片天线[11]、小型准横向电磁场TEM 喇叭天线[12]、超宽带振子天线[13]等，外置型优点是不影响设备内部电场影响、安装检测灵活等，缺点是结构尺寸大、抗干扰能力弱和灵敏度低等；内置式UHF 传感器主要有阿基米德螺旋天线[14]以及等角螺旋天线。内置式传感器实际应用时，一般将其安装在GIS 的法兰盘处[15]，受GIS 金属腔体对外界电磁干扰屏蔽作用的影响，内置型具有灵敏度高、受环境干扰能力小[16-17]等优点。在众多内置天线类型中螺旋天线具有宽频带、圆极化[18]等优点，获得了诸多科研工作者的关注。文献[14]设计了一种平面阿基米德螺旋天线（Archimedean spiral antenna），通过正弦波加载的方式减小天线的直径以便于天线内置，该天线实测显示出优良的性能；文献[15]设计了一种内置式的小型化平面等角螺旋天线，通过内置PD 接收性能实测证明该内置式天线的有效性。但是，这些内置式螺旋传感器都是刚性基底，在安装时无法实现与GIS 内部弧形结构的共形，容易破坏GIS 内部电场分布。另外，螺旋天线的有效工作需要设计巴伦来实现平衡馈电和阻抗匹配，基底巴伦的存在增加了螺旋天线的剖面高度，增加了天线传感器内置的难度。这些因素一定程度上阻碍了内置式螺旋天线在GIS PD 检测领域的应用。

针对内置式螺旋天线UHF 传感器的不足和现有刚性基底UHF 天线传感器内置GIS 后存在破坏设备内部电场分布的风险问题，本文结合柔性天线传感器的设计思想，从传感器的设计、优化和测试等方面展开研究：设计一种宽频带、以柔性介质为基底、巴伦与天线本体共面的UHF 螺旋天线传感器，并且对天线直径进行小型化优化。最后，利用矢量网络分析仪和搭建的PD 检测试验平台对设计的柔性天线传感器进行PD 检测性能测试。

1 天线设计

1.1 天线原理

1.1.1 基本形式的阿基米德螺旋天线

阿基米德螺旋天线是以导电性良好的金属做成的具有螺旋形状的天线，具有良好的宽频带和圆极化特性，其曲线方程为

式中，r0为起始半径；a为螺旋增长率；φ为角度（弧度）；（r,φ）为曲线上任意点的极坐标。天线在宽频带内阻抗特性优化可以由互补结构来实现，即阿基米德螺旋天线的臂宽和两臂间距宽度相等。另一臂的方程是通过旋转180°得来，所以另一臂方程为

图1 展示了阿基米德天线的原理，天线辐射主要由天线两臂上相反相位的电流产生。在螺旋天线上取对称两点P、Q，两点到原点的距离相等，在天线内径处施加相反相位的馈电。此时，A 点所在臂上电流流向臂内，B 点所在臂的电流流向臂外。在历经半圈后辐射臂上的电流已完全相反，从B 点流到Q 点的电流和另一臂的电流相位仍然相差π，此时电流带为主要辐射带。如果取直径R=λ/π，P 点和P＇点电流相位正好相差2π，根据传输线原理，在相同平面内，相邻传输线上电流方向相同会增强彼此在平面法线方向上形成的最强辐射[19]。

图1 阿基米德螺旋天线工作原理Fig.1 Schematic diagram of Archimedes spiral antenna

螺线的内径2r0影响天线的最高工作频率和馈电性能，一般取值依据为

式中，λH为最高频率对应的波长。

螺线外径2rM取决于最低工作频率对应的波长λL，一般取为

由此可见，天线的工作带宽由天线的内、外径决定，结合GIS 内置式天线对小型化的要求。因此对螺旋天线的内、外径的合理设计具有非常重要的工程意义。

1.1.2 小型化

研究表明，延长天线辐射单元上电流流经的路程可以使得天线在相同辐射带半径的情况下，降低其对应的工作频率[20]。另外，由于两臂上相邻两点的电流相位特性仍保持不变，曲折化处理并不影响天线的方向图和增益特性[21]。目前通过对天线两臂进行方波、正弦波、三角波等函数对天线进行曲折。当三种曲折方式的幅值和频率相同时，由曲折方式的路径关系可知方波路径最长，正弦波其次，三角波最短。因方波和三角波会使得天线建模复杂化，同时会在结构上产生尖端从而影响天线性能[22]，因此本文采用如图2 所示的正弦波方式作为阿基米德螺旋天线小型化的加载函数。

图2 正弦波曲折化天线Fig.2 Sinusoidal zigzag antenna

由式（3）和式（4）可知，螺旋天线的外径决定了天线最低频率对应的波长，内径决定天线最高频率对应的波长，因此为保证天线高频性能的同时，使得天线工作带宽朝着低频移动，在内6 圈半时采用标准阿基米德螺旋的方式，从第6 圈半开始对天线进行正弦波曲折化处理。在曲折化过程中，正弦波幅值b，以及一圈所含正弦波周期n都是正弦波加载的关键参数。

最终经过参数仿真确定天线正弦波螺旋圈数为4 圈，正弦波振幅b=1.5 mm，正弦波周期数n=40。螺旋线宽度与两条螺线的间距均为1.5 mm，螺旋增长率为0.955。

本文设计的天线工作频率在600 MHz～3 GHz，对应的最大波长λL=500 mm，最小波长λH=100 m，根据传统的阿基米德螺旋天线尺寸设计原则，螺旋外径2rM=199 mm，螺旋内径2r0=25 mm，经过曲折化后，天线螺旋外径减小到2rM=149 mm。本文在具体设计正弦波曲折臂平面螺旋天线过程中，除了天线辐射面的设计之外，同时还对馈电巴伦进行设计，与天线本体达到共面，极大地减小天线整体体积。

1.2 巴伦设计及其优化

由于常规的巴伦会增加螺旋天线的剖面高度，给天线的内置造成了极大的不便，因此本文提出将巴伦和天线本体进行共面来减小天线剖面高度。根据传统尺寸计算原则，内圈螺旋臂长决定天线高频工作频率，比如，3 GHz 对应的是r0=12.5 mm。因此，本文天线设计从（8.77 mm,403.75 °）处开始螺旋，即在保证了天线最高工作频率的同时，给巴伦与天线本体共面留下了空间。

1.2.1 间隙比对天线阻抗影响

Wang Yawei 等对阿基米德螺旋天线螺旋线与螺旋线间距的比值对天线阻抗的影响做过深入研究[23]。辐射体螺旋臂的宽度与螺旋臂之间的间隙比值对辐射体的输入阻抗影响很大，可以通过改变该比值来降低天线阻抗。定义螺旋线的线宽与螺旋线间距比值为间隙比（Ratio of Metal Width Arm Space,RMWAS），由式（1）可知，线宽w与间距的比值RMWAS 可表示为

图3 给出了在起始点（1.5 mm,0 °）到（8.77 mm,403.75 °）范围内改变正常阿基米螺旋天线的RMWAS的示意图。图4 提供了不同恒定RMWAS 值下仿真所得到的天线阻抗变化。从图 4 中可以看出，当RMWAS=1 时，天线阻抗在140 Ω，当RMWAS=2时，天线阻抗可以降至120 Ω，当RMWAS=5 时，天线阻抗会随频率增大，从50 Ω 逐渐变为90 Ω，RMWAS=9 时，天线阻抗会从40 Ω 逐渐变为80 Ω。随着RMWAS 的增大，天线阻抗先会逐渐减小，但在不同RMWAS 下，天线阻抗在低频都会出现振荡，且天线的输入电抗也会随RMWAS 的增加逐渐增大。

图3 改变天线间距示意图Fig.3 Schematic diagram of changing antenna spacing

图4 不同恒定间隙比下天线阻抗示意图Fig.4 Schematic diagram of antenna impedance at different constant clearance ratios

结合以上分析，选取合适的间隙比对天线阻抗匹配效果至关重要，图5 给出了天线在不同恒定间隙比下的电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）示意图。由图5 可以看出，恒定间隙比下天线驻波比效果并不理想，当间隙比为9 时也只有少部分频段的VSWR 小于2。

图5 不同恒定间隙比下天线VSWR 示意图Fig.5 Schematic diagram of antenna VSWR at different constant clearance ratios

1.2.2 指数渐变间隙比巴伦

基于以上VSWR 小于2 的频段较少问题，本文结合指数渐变巴伦的设计思想，采用渐变式间隙比使天线阻抗变化更加平滑，扩宽VSWR 在2 以下的频带。通过确定渐变式间隙比大小改变巴伦首、末端的宽度。最后确定的巴伦始端W1=3 mm，末端W2=1 mm，如图6 所示，巴伦第一段RMWAS 渐变从1.46 到5.16，巴伦第二段RMWAS 从3.91 到9.30。逐步改变巴伦RMWAS，实现在工作频带内阻抗的降低。本文还对不同间隙比变化的情况进行了研究，通过调整W2的宽度使得巴伦外圈RMWAS 从0.76到1.53，巴伦内圈RMWAS 从0.69 到2.30。图6、图7 给出了指数渐变间隙比巴伦从3.91 到9.30 示意图以及渐变到 2.30 的 VSWR 和恒定间隙比的VSWR 对比图。

图6 指数渐变间隙比巴伦示意图Fig.6 Exponential gradient RMWAS balun schematic

图7 恒定与渐变间隙比巴伦VSWR 仿真图Fig.7 Constant and gradient RMWAS balun VSWR simulation diagram

根据图6 给出指数渐变间隙比公式为

由图7 可以看出，渐变式间隙比巴伦相比于恒定间隙比巴伦，可以使工作频带向相对低频移动，对比图5，指数渐变式间隙比加宽天线VSWR 小于2 的频带。因局部放电信号辐射的UHF 大多存在于300 MHz～1.5 GHz[24]，根据图7 所示仿真结果，最终选择的天线实物的渐变式RMWAS 为9.3。

1.3 天线柔性化及实物制作

随着柔性基底材料的出现，国内外学者基于不同柔性材料基底设计了多种柔性天线[25-27]，常用的柔性材料有，聚二甲硅氧烷（PDMS）[28]、聚酯薄膜（PET）[29]，聚酰亚胺（PI）[30]等材料。但目前设计的柔性天线大多应用于通信及可穿戴领域，较少有涉及局部放电检测。

表1 给出了PI、PDMS、PET 三种柔性材料的基本电学性能参数，PI 具有较低的介电常数εr，损耗正切角 tanδ能提高信号传输速度以及减小信号传输损失，较高的耐压值降低了天线内置时被击穿的风险。除此之外，PI 材料还具有优异的热稳定性，优良的力学性能和电性能被广泛地应用于电气绝缘和微电子工业领域[31]，同时还具有耐辐射、阻燃和无毒的特性，因此本文选择PI 柔性材料作为天线基底。

表1 柔性材料基本参数Tab.1 Basic parameters of flexible materials

根据上述参数进行仿真优化后确定仿真结果能达到使用要求，天线本体与巴伦为一个整体，整体位于厚度为0.27 mm 的PI 介质基板上，加工制作完成的天线辐射单元直径为150 mm，相比于正常螺旋天线的直径199 mm，径向尺寸缩小了25 %，相比于传统阿基米德螺旋天线，极大地减小了轴向尺寸，为天线内置提供了便利。本文设计的天线整体实物如图8 所示。

图8 天线辐射面与天线背面Fig.8 The antenna radiant surface and the back of the antenna

2 天线性能分析

2.1 驻波比

天线的输入阻抗为馈电的负载阻抗，输入阻抗与传输线的匹配程度将直接决定天线的输入能量和输出能量的效率，其值在极少数情况下可以直接用理论计算[34]。通常用VSWR 来表明馈电端口阻抗的匹配程度。当VSWR=1 时表明天线的阻抗已经与馈线阻抗完全匹配，但在实际应用中不可能实现；当VSWR＞1 时，说明天线有一部分功率被反射回来，从而降低了辐射功率；当VSWR＜2 时，说明辐射功率达到了88.9 %以上；当VSWR＜3 时，说明辐射功率达到了75 %以上；一般工程上要求VSWR＜2，但对于GIS 局部放电检测而言，由于GIS 气室较小、PD 信号能量很强，UHF 天线作为信号接收装置内置时距离放电源较近，故一般认为内置天线在驻波比VSWR≤5 即可[35]。

使用Ansys HFSS 仿真软件对天线模型进行搭建，在300 MHz～3 GHz 频率范围内进行三维电磁场仿真，仿真所得驻波比曲线如图9 所示。测试结果显示天线弯曲之后辐射性能在700 MHz～1 GHz有些许恶化，其余结果基本一致。

图9 仿真VSWR 曲线Fig.9 VSWR curves of simulation

实物制作完成后使用安捷伦所生产的 E5063A矢量网络分析仪对天线进行弯曲驻波比测试，扫频范围为300 MHz～3 GHz，实测的驻波比曲线如图10 所示，在790 MHz～1.8 GHz 频段内VSWR≤2，610 MHz～3 GHz 内VSWR≤3.5，辐射性能良好。实物性能测试和仿真略有偏差，但变化趋势基本相同。

图10 实测VSWR 曲线Fig.10 Measured VSWR curves of test

2.2 方向特性

在通常情况下，天线向四周辐射电磁波的情况不是绝对均匀的，因此人们采用方向特性来表示方向不同造成的辐射电磁波的差异性。一般情况下不需要对空间每个方向都仔细地研究，因此在天线的设计和测试中往往只采用两个互相垂直的主平面上的二维方向图来表示天线在整个空间的辐射情况，即平行于磁场方向的H 面以及平行于磁场方向的E 面。

由于天线具有轴向的旋转对称性，所以测试了天线在1、1.5、2 和2.5 GHz 这4 个频点天线在不同弯曲程度下的方向图。不同频点下的E 面和H 面方向图如图11 和图12 所示。图11、图12 所示在E面和H 面4 个频点都成“8 字形”，说明天线的接收辐射的范围稳定且集中，在全频带范围内具有良好的双向辐射特性。

图11 不同频点下的E 面方向图Fig.11 E-plane patterns at different frequencies

图12 不同频点下的H 面方向图Fig.12 H-plane patterns at different frequencies

3 天线的实测研究

3.1 试验系统

为验证柔性小型化平面螺旋天线检测UHF 局部放电信号的实际性能，本文在实验室搭建了模拟GIS 典型缺陷局部放电试验平台，通过与其他成熟UHF 检测天线进行对比试验，同时对设计的小型化平面螺旋天线的实物在不同弯曲程度下的检测性能进行了验证。图13 为实验室搭建的GIS 典型缺陷局部放电模拟试验回路示意图，该试验回路由工频交流电源、滤波器、试验变压器控制台、工频试验变压器、保护电阻、分压器以及模拟GIS 实际结构的腔体组成，其中试验变压器、保护电阻、分压电路等都是无局部放电设备。测试UHF 检测天线放置于GIS 模拟腔体罐的观察镜处。试验中，在GIS 模拟腔体中设置针-板局部放电模型以模型GIS 内部金属尖刺突出物缺陷，在GIS 模拟腔体中充以0.4 MPa的SF6气体。信号采集使用泰克高性能数字示波器（Tektronix*MS044）四通道数字存储示波器信号，所有通道提供1.5 GHz 带宽和6.25 GS/s 实时取样频率。

图13 试验电路Fig.13 Test circuit

基于局部放电测量国家标准Q/GDW 11304.8-2019《特高频法局部放电带电检测技术规范》[36]，本文天线测试的最大放电量在20 pC 以下。

3.2 天线对比测试

本文使用文献[37]所设计的外置特高频传感器（如图14 所示）进行对比测试。矩形螺旋天线实物图如图14 所示。将两种天线同时放置于GIS 模拟腔体罐的观察镜处，试验加压至33.5 kV，放电量约为6 pC 时从两种传感器检测到的单次PD UHF 信号如图15 所示。可以看出，外置特高频传感器所测到的最大信号幅值为10.60 mV、柔性螺旋天线所测到的最大信号幅值为11.37 mV，分别在约0.15 μs、0.4 μs后衰减至背景噪声水平。可以看出两者均能清晰地识别局部放电信号，柔性天线UHF 信号末端会出现振荡，试验表明，柔性天线接收PD 信号性能良好。

图14 矩形螺旋天线实物图Fig.14 Physical map of rectangular spiral antenna

图15 两种天线PD 检测性能对比Fig.15 PD UHF detection performance comparison

3.3 柔性天线在不同弯曲程度下的性能测试

试验加压至34 kV、放电量约为6 pC 条件下对弯曲半径为0、100、200 mm 柔性天线进行性能检测，试验中弯曲程度通过已知弧长以及弯曲半径确定天线两端直线距离来保证塑性形变后弯曲程度达到所需要求。检测到的PD 辐射电磁波信号如图16 所示。从图16 中可以看出，在弯曲半径分别为0、100、200 mm 时本文设计的柔性天线监测到的电磁波信号峰值分别为11.70、10.70、11.66 mV，信号幅值差别很小，表明弯曲程度对天线感知PD 辐射电磁波信号的能力影响很小，PD 辐射电磁波信号经过约0.3 μs衰减至背景噪声水平，能从时域波形上面清晰分辨出背景噪声以及PD 信号。

图16 不同弯曲半径下的实测UHF 信号Fig.16 Measured and obtained UHF signals

图17 为天线在0、100、200 mm 三种弯曲半径下接收到的PD 电磁波信号频谱，图18 为背景噪声频谱。对比图17 与图18 可知，背景噪声信号主要频点在900 MHz 和1.8 GHz，这两个频率为4G 通信频率[38]，而在针板缺陷模型下，设计的柔性天线检测到的局部放电 UHF 信号主要频带集中在800 MHz 以下。总体上，设计的柔性天线能有效检测到PD UHF 信号，满足设计要求。

图17 UHF 信号频谱Fig.17 UHF signal spectrum

图18 背景噪声频谱Fig.18 Background noise spectrum

4 天线内置测试

因GIS 模拟腔体罐在设计时未考虑天线内置时的情况，因此本次内置试验将观察镜拆下，将原先的绝缘气体SF6气体换成正常大气压下的空气，其余试验条件保持一致，然后将柔性天线内置于GIS模拟腔体罐（接地外壳弯曲半径为 137 mm）中，如图19 所示。当试验加压至6 kV，放电量约为15 pC时接收局部放电UHF 波形如图20 所示，频谱分析如图21 所示。从图20 可以看出，本文设计的柔性天线传感器内置后能够实现放电辐射电磁波信号的有效监测。从图21 可以看出，本文设计的柔性天线传感器监测到的放电信号频谱与图18 中背景噪声频谱具有较高相似性，且频谱能量主要集中在300 MHz 范围以下，这是因为当绝缘介质为空气时，此时的放电属于电晕放电，电晕放电辐射电磁波信号能量主要集中在 0～300 MHz。而本文设计柔性天线内置后监测到的电晕放电辐射电磁波信号能量分布范围完全满足这一特性，这也验证了GIS 内置本文设计的柔性螺旋天线后能够进行PD 检测的可行性。

图19 柔性天线内置安装Fig.19 Built-in installation diagram of flexible antenna

图20 测试结果Fig.20 Test results

图21 测试结果频谱Fig.21 Spectrum of test results

5 结论

针对变电站气体绝缘组合电器（GIS）局部放电绝缘缺陷高灵敏监测需求和现有刚性基底特高频（UHF）天线传感器内置GIS 后存在破坏设备内部电场分布的风险问题，本文开展天线本体和巴伦共面柔性小型化阿基米德天线传感器研究，分析改变天线间隙比对天线的阻抗影响变化，同时天线基底改为PI 柔性材料，为内置式天线提供一种新的思路，并且通过仿真和试验对设计天线性能进行了分析验证：

1）通过将巴伦与天线共面处理，极大地减小了天线轴向尺寸，天线本体厚度约为0.27 mm，同时采用正弦波曲折化的方式对天线进行小型化，相比于未小型化的天线径向尺寸减小了25 %，天线整体质量约为12 g，该天线在内置时安装灵活，占用空间小，能够贴合GIS 内壁。实测天线驻波比，在790 MHz～1.8 GHz，VSWR≤2，在 610 MHz～3 GHz，VSWR≤3.5，辐射性能优异，满足内置天线的检测需求。

2）PD 实测表明，设计的共面巴伦柔性螺旋天线在弯曲半径为0、100 和200 mm 时均能有效检测PD 信号；同时，与成熟螺旋天线的PD 检测性能对比也验证了天线的实用性。最后，将天线内置于缺陷模拟腔体罐中进行PD 检测验证了其内置后检测PD 信号的有效性。