GIS 局部放電檢測天線本體和巴倫共面柔性小型化特高頻天線傳感器研究

張國治 韓景琦 劉健犇 陳 康 張 碩

（1.湖北工業(yè)大學(xué)新能源及電網(wǎng)裝備安全監(jiān)測湖北省工程研究中心 武漢 430068 2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 武漢 430074 3.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 武漢 430072 4.電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國電力科學(xué)研究院有限公司）武漢 430074）

0 引言

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Substation,GIS）是電力系統(tǒng)變電站中的兩大件之一，具有對高壓電路開斷和高壓配電的作用，由于其占地面積少、安裝靈活方便、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。GIS 的絕緣狀態(tài)與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。據(jù)相關(guān)研究表明[4-5]，目前GIS 絕緣故障的主要原因是其內(nèi)部的局部放電（Partial Discharge,PD）引起的各種絕緣缺陷，一旦不及時(shí)處理將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備事故和電網(wǎng)事故[6-8]。

PD 是導(dǎo)體間絕緣僅部分擊穿的電氣放電，在PD 過程中會(huì)輻射出電磁信號(hào)[9]，利用天線檢測特高頻（Ultra High Frequency,UHF，300 MHz～3 GHz）頻段電磁波信號(hào)可實(shí)現(xiàn)PD 絕緣缺陷的有效檢測和抑制現(xiàn)場電暈干擾。目前，國內(nèi)出廠的220 kV 及以上電壓等級(jí)GIS 均裝有UHF 監(jiān)測系統(tǒng)或者預(yù)留有UHF 監(jiān)測接口。根據(jù)安裝方式的不同可將UHF 傳感器分為外置式和內(nèi)置式兩種：外置式UHF 傳感器主要有Hilbert 分形天線[10]、外置微帶貼片天線[11]、小型準(zhǔn)橫向電磁場TEM 喇叭天線[12]、超寬帶振子天線[13]等，外置型優(yōu)點(diǎn)是不影響設(shè)備內(nèi)部電場影響、安裝檢測靈活等，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大、抗干擾能力弱和靈敏度低等；內(nèi)置式UHF 傳感器主要有阿基米德螺旋天線[14]以及等角螺旋天線。內(nèi)置式傳感器實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般將其安裝在GIS 的法蘭盤處[15]，受GIS 金屬腔體對外界電磁干擾屏蔽作用的影響，內(nèi)置型具有靈敏度高、受環(huán)境干擾能力小[16-17]等優(yōu)點(diǎn)。在眾多內(nèi)置天線類型中螺旋天線具有寬頻帶、圓極化[18]等優(yōu)點(diǎn)，獲得了諸多科研工作者的關(guān)注。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種平面阿基米德螺旋天線（Archimedean spiral antenna），通過正弦波加載的方式減小天線的直徑以便于天線內(nèi)置，該天線實(shí)測顯示出優(yōu)良的性能；文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置式的小型化平面等角螺旋天線，通過內(nèi)置PD 接收性能實(shí)測證明該內(nèi)置式天線的有效性。但是，這些內(nèi)置式螺旋傳感器都是剛性基底，在安裝時(shí)無法實(shí)現(xiàn)與GIS 內(nèi)部弧形結(jié)構(gòu)的共形，容易破壞GIS 內(nèi)部電場分布。另外，螺旋天線的有效工作需要設(shè)計(jì)巴倫來實(shí)現(xiàn)平衡饋電和阻抗匹配，基底巴倫的存在增加了螺旋天線的剖面高度，增加了天線傳感器內(nèi)置的難度。這些因素一定程度上阻礙了內(nèi)置式螺旋天線在GIS PD 檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對內(nèi)置式螺旋天線UHF 傳感器的不足和現(xiàn)有剛性基底UHF 天線傳感器內(nèi)置GIS 后存在破壞設(shè)備內(nèi)部電場分布的風(fēng)險(xiǎn)問題，本文結(jié)合柔性天線傳感器的設(shè)計(jì)思想，從傳感器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和測試等方面展開研究：設(shè)計(jì)一種寬頻帶、以柔性介質(zhì)為基底、巴倫與天線本體共面的UHF 螺旋天線傳感器，并且對天線直徑進(jìn)行小型化優(yōu)化。最后，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和搭建的PD 檢測試驗(yàn)平臺(tái)對設(shè)計(jì)的柔性天線傳感器進(jìn)行PD 檢測性能測試。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線原理

1.1.1 基本形式的阿基米德螺旋天線

阿基米德螺旋天線是以導(dǎo)電性良好的金屬做成的具有螺旋形狀的天線，具有良好的寬頻帶和圓極化特性，其曲線方程為

式中，r0為起始半徑；a為螺旋增長率；φ為角度（弧度）；（r,φ）為曲線上任意點(diǎn)的極坐標(biāo)。天線在寬頻帶內(nèi)阻抗特性優(yōu)化可以由互補(bǔ)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即阿基米德螺旋天線的臂寬和兩臂間距寬度相等。另一臂的方程是通過旋轉(zhuǎn)180°得來，所以另一臂方程為

圖1 展示了阿基米德天線的原理，天線輻射主要由天線兩臂上相反相位的電流產(chǎn)生。在螺旋天線上取對稱兩點(diǎn)P、Q，兩點(diǎn)到原點(diǎn)的距離相等，在天線內(nèi)徑處施加相反相位的饋電。此時(shí)，A 點(diǎn)所在臂上電流流向臂內(nèi)，B 點(diǎn)所在臂的電流流向臂外。在歷經(jīng)半圈后輻射臂上的電流已完全相反，從B 點(diǎn)流到Q 點(diǎn)的電流和另一臂的電流相位仍然相差π，此時(shí)電流帶為主要輻射帶。如果取直徑R=λ/π，P 點(diǎn)和P＇點(diǎn)電流相位正好相差2π，根據(jù)傳輸線原理，在相同平面內(nèi)，相鄰傳輸線上電流方向相同會(huì)增強(qiáng)彼此在平面法線方向上形成的最強(qiáng)輻射[19]。

圖1 阿基米德螺旋天線工作原理Fig.1 Schematic diagram of Archimedes spiral antenna

螺線的內(nèi)徑2r0影響天線的最高工作頻率和饋電性能，一般取值依據(jù)為

式中，λH為最高頻率對應(yīng)的波長。

螺線外徑2rM取決于最低工作頻率對應(yīng)的波長λL，一般取為

由此可見，天線的工作帶寬由天線的內(nèi)、外徑?jīng)Q定，結(jié)合GIS 內(nèi)置式天線對小型化的要求。因此對螺旋天線的內(nèi)、外徑的合理設(shè)計(jì)具有非常重要的工程意義。

1.1.2 小型化

研究表明，延長天線輻射單元上電流流經(jīng)的路程可以使得天線在相同輻射帶半徑的情況下，降低其對應(yīng)的工作頻率[20]。另外，由于兩臂上相鄰兩點(diǎn)的電流相位特性仍保持不變，曲折化處理并不影響天線的方向圖和增益特性[21]。目前通過對天線兩臂進(jìn)行方波、正弦波、三角波等函數(shù)對天線進(jìn)行曲折。當(dāng)三種曲折方式的幅值和頻率相同時(shí)，由曲折方式的路徑關(guān)系可知方波路徑最長，正弦波其次，三角波最短。因方波和三角波會(huì)使得天線建模復(fù)雜化，同時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生尖端從而影響天線性能[22]，因此本文采用如圖2 所示的正弦波方式作為阿基米德螺旋天線小型化的加載函數(shù)。

圖2 正弦波曲折化天線Fig.2 Sinusoidal zigzag antenna

由式（3）和式（4）可知，螺旋天線的外徑?jīng)Q定了天線最低頻率對應(yīng)的波長，內(nèi)徑?jīng)Q定天線最高頻率對應(yīng)的波長，因此為保證天線高頻性能的同時(shí)，使得天線工作帶寬朝著低頻移動(dòng)，在內(nèi)6 圈半時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)阿基米德螺旋的方式，從第6 圈半開始對天線進(jìn)行正弦波曲折化處理。在曲折化過程中，正弦波幅值b，以及一圈所含正弦波周期n都是正弦波加載的關(guān)鍵參數(shù)。

最終經(jīng)過參數(shù)仿真確定天線正弦波螺旋圈數(shù)為4 圈，正弦波振幅b=1.5 mm，正弦波周期數(shù)n=40。螺旋線寬度與兩條螺線的間距均為1.5 mm，螺旋增長率為0.955。

本文設(shè)計(jì)的天線工作頻率在600 MHz～3 GHz，對應(yīng)的最大波長λL=500 mm，最小波長λH=100 m，根據(jù)傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線尺寸設(shè)計(jì)原則，螺旋外徑2rM=199 mm，螺旋內(nèi)徑2r0=25 mm，經(jīng)過曲折化后，天線螺旋外徑減小到2rM=149 mm。本文在具體設(shè)計(jì)正弦波曲折臂平面螺旋天線過程中，除了天線輻射面的設(shè)計(jì)之外，同時(shí)還對饋電巴倫進(jìn)行設(shè)計(jì)，與天線本體達(dá)到共面，極大地減小天線整體體積。

1.2 巴倫設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

由于常規(guī)的巴倫會(huì)增加螺旋天線的剖面高度，給天線的內(nèi)置造成了極大的不便，因此本文提出將巴倫和天線本體進(jìn)行共面來減小天線剖面高度。根據(jù)傳統(tǒng)尺寸計(jì)算原則，內(nèi)圈螺旋臂長決定天線高頻工作頻率，比如，3 GHz 對應(yīng)的是r0=12.5 mm。因此，本文天線設(shè)計(jì)從（8.77 mm,403.75 °）處開始螺旋，即在保證了天線最高工作頻率的同時(shí)，給巴倫與天線本體共面留下了空間。

1.2.1 間隙比對天線阻抗影響

Wang Yawei 等對阿基米德螺旋天線螺旋線與螺旋線間距的比值對天線阻抗的影響做過深入研究[23]。輻射體螺旋臂的寬度與螺旋臂之間的間隙比值對輻射體的輸入阻抗影響很大，可以通過改變該比值來降低天線阻抗。定義螺旋線的線寬與螺旋線間距比值為間隙比（Ratio of Metal Width Arm Space,RMWAS），由式（1）可知，線寬w與間距的比值RMWAS 可表示為

圖3 給出了在起始點(diǎn)（1.5 mm,0 °）到（8.77 mm,403.75 °）范圍內(nèi)改變正常阿基米螺旋天線的RMWAS的示意圖。圖4 提供了不同恒定RMWAS 值下仿真所得到的天線阻抗變化。從圖 4 中可以看出，當(dāng)RMWAS=1 時(shí)，天線阻抗在140 Ω，當(dāng)RMWAS=2時(shí)，天線阻抗可以降至120 Ω，當(dāng)RMWAS=5 時(shí)，天線阻抗會(huì)隨頻率增大，從50 Ω 逐漸變?yōu)?0 Ω，RMWAS=9 時(shí)，天線阻抗會(huì)從40 Ω 逐漸變?yōu)?0 Ω。隨著RMWAS 的增大，天線阻抗先會(huì)逐漸減小，但在不同RMWAS 下，天線阻抗在低頻都會(huì)出現(xiàn)振蕩，且天線的輸入電抗也會(huì)隨RMWAS 的增加逐漸增大。

圖3 改變天線間距示意圖Fig.3 Schematic diagram of changing antenna spacing

圖4 不同恒定間隙比下天線阻抗示意圖Fig.4 Schematic diagram of antenna impedance at different constant clearance ratios

結(jié)合以上分析，選取合適的間隙比對天線阻抗匹配效果至關(guān)重要，圖5 給出了天線在不同恒定間隙比下的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）示意圖。由圖5 可以看出，恒定間隙比下天線駐波比效果并不理想，當(dāng)間隙比為9 時(shí)也只有少部分頻段的VSWR 小于2。

圖5 不同恒定間隙比下天線VSWR 示意圖Fig.5 Schematic diagram of antenna VSWR at different constant clearance ratios

1.2.2 指數(shù)漸變間隙比巴倫

基于以上VSWR 小于2 的頻段較少問題，本文結(jié)合指數(shù)漸變巴倫的設(shè)計(jì)思想，采用漸變式間隙比使天線阻抗變化更加平滑，擴(kuò)寬VSWR 在2 以下的頻帶。通過確定漸變式間隙比大小改變巴倫首、末端的寬度。最后確定的巴倫始端W1=3 mm，末端W2=1 mm，如圖6 所示，巴倫第一段RMWAS 漸變從1.46 到5.16，巴倫第二段RMWAS 從3.91 到9.30。逐步改變巴倫RMWAS，實(shí)現(xiàn)在工作頻帶內(nèi)阻抗的降低。本文還對不同間隙比變化的情況進(jìn)行了研究，通過調(diào)整W2的寬度使得巴倫外圈RMWAS 從0.76到1.53，巴倫內(nèi)圈RMWAS 從0.69 到2.30。圖6、圖7 給出了指數(shù)漸變間隙比巴倫從3.91 到9.30 示意圖以及漸變到 2.30 的 VSWR 和恒定間隙比的VSWR 對比圖。

圖6 指數(shù)漸變間隙比巴倫示意圖Fig.6 Exponential gradient RMWAS balun schematic

圖7 恒定與漸變間隙比巴倫VSWR 仿真圖Fig.7 Constant and gradient RMWAS balun VSWR simulation diagram

根據(jù)圖6 給出指數(shù)漸變間隙比公式為

由圖7 可以看出，漸變式間隙比巴倫相比于恒定間隙比巴倫，可以使工作頻帶向相對低頻移動(dòng)，對比圖5，指數(shù)漸變式間隙比加寬天線VSWR 小于2 的頻帶。因局部放電信號(hào)輻射的UHF 大多存在于300 MHz～1.5 GHz[24]，根據(jù)圖7 所示仿真結(jié)果，最終選擇的天線實(shí)物的漸變式RMWAS 為9.3。

1.3 天線柔性化及實(shí)物制作

隨著柔性基底材料的出現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者基于不同柔性材料基底設(shè)計(jì)了多種柔性天線[25-27]，常用的柔性材料有，聚二甲硅氧烷（PDMS）[28]、聚酯薄膜（PET）[29]，聚酰亞胺（PI）[30]等材料。但目前設(shè)計(jì)的柔性天線大多應(yīng)用于通信及可穿戴領(lǐng)域，較少有涉及局部放電檢測。

表1 給出了PI、PDMS、PET 三種柔性材料的基本電學(xué)性能參數(shù)，PI 具有較低的介電常數(shù)εr，損耗正切角 tanδ能提高信號(hào)傳輸速度以及減小信號(hào)傳輸損失，較高的耐壓值降低了天線內(nèi)置時(shí)被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，PI 材料還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，優(yōu)良的力學(xué)性能和電性能被廣泛地應(yīng)用于電氣絕緣和微電子工業(yè)領(lǐng)域[31]，同時(shí)還具有耐輻射、阻燃和無毒的特性，因此本文選擇PI 柔性材料作為天線基底。

表1 柔性材料基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of flexible materials

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化后確定仿真結(jié)果能達(dá)到使用要求，天線本體與巴倫為一個(gè)整體，整體位于厚度為0.27 mm 的PI 介質(zhì)基板上，加工制作完成的天線輻射單元直徑為150 mm，相比于正常螺旋天線的直徑199 mm，徑向尺寸縮小了25 %，相比于傳統(tǒng)阿基米德螺旋天線，極大地減小了軸向尺寸，為天線內(nèi)置提供了便利。本文設(shè)計(jì)的天線整體實(shí)物如圖8 所示。

圖8 天線輻射面與天線背面Fig.8 The antenna radiant surface and the back of the antenna

2 天線性能分析

2.1 駐波比

天線的輸入阻抗為饋電的負(fù)載阻抗，輸入阻抗與傳輸線的匹配程度將直接決定天線的輸入能量和輸出能量的效率，其值在極少數(shù)情況下可以直接用理論計(jì)算[34]。通常用VSWR 來表明饋電端口阻抗的匹配程度。當(dāng)VSWR=1 時(shí)表明天線的阻抗已經(jīng)與饋線阻抗完全匹配，但在實(shí)際應(yīng)用中不可能實(shí)現(xiàn)；當(dāng)VSWR＞1 時(shí)，說明天線有一部分功率被反射回來，從而降低了輻射功率；當(dāng)VSWR＜2 時(shí)，說明輻射功率達(dá)到了88.9 %以上；當(dāng)VSWR＜3 時(shí)，說明輻射功率達(dá)到了75 %以上；一般工程上要求VSWR＜2，但對于GIS 局部放電檢測而言，由于GIS 氣室較小、PD 信號(hào)能量很強(qiáng)，UHF 天線作為信號(hào)接收裝置內(nèi)置時(shí)距離放電源較近，故一般認(rèn)為內(nèi)置天線在駐波比VSWR≤5 即可[35]。

使用Ansys HFSS 仿真軟件對天線模型進(jìn)行搭建，在300 MHz～3 GHz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行三維電磁場仿真，仿真所得駐波比曲線如圖9 所示。測試結(jié)果顯示天線彎曲之后輻射性能在700 MHz～1 GHz有些許惡化，其余結(jié)果基本一致。

圖9 仿真VSWR 曲線Fig.9 VSWR curves of simulation

實(shí)物制作完成后使用安捷倫所生產(chǎn)的 E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行彎曲駐波比測試，掃頻范圍為300 MHz～3 GHz，實(shí)測的駐波比曲線如圖10 所示，在790 MHz～1.8 GHz 頻段內(nèi)VSWR≤2，610 MHz～3 GHz 內(nèi)VSWR≤3.5，輻射性能良好。實(shí)物性能測試和仿真略有偏差，但變化趨勢基本相同。

圖10 實(shí)測VSWR 曲線Fig.10 Measured VSWR curves of test

2.2 方向特性

在通常情況下，天線向四周輻射電磁波的情況不是絕對均勻的，因此人們采用方向特性來表示方向不同造成的輻射電磁波的差異性。一般情況下不需要對空間每個(gè)方向都仔細(xì)地研究，因此在天線的設(shè)計(jì)和測試中往往只采用兩個(gè)互相垂直的主平面上的二維方向圖來表示天線在整個(gè)空間的輻射情況，即平行于磁場方向的H 面以及平行于磁場方向的E 面。

由于天線具有軸向的旋轉(zhuǎn)對稱性，所以測試了天線在1、1.5、2 和2.5 GHz 這4 個(gè)頻點(diǎn)天線在不同彎曲程度下的方向圖。不同頻點(diǎn)下的E 面和H 面方向圖如圖11 和圖12 所示。圖11、圖12 所示在E面和H 面4 個(gè)頻點(diǎn)都成“8 字形”，說明天線的接收輻射的范圍穩(wěn)定且集中，在全頻帶范圍內(nèi)具有良好的雙向輻射特性。

圖11 不同頻點(diǎn)下的E 面方向圖Fig.11 E-plane patterns at different frequencies

圖12 不同頻點(diǎn)下的H 面方向圖Fig.12 H-plane patterns at different frequencies

3 天線的實(shí)測研究

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證柔性小型化平面螺旋天線檢測UHF 局部放電信號(hào)的實(shí)際性能，本文在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬GIS 典型缺陷局部放電試驗(yàn)平臺(tái)，通過與其他成熟UHF 檢測天線進(jìn)行對比試驗(yàn)，同時(shí)對設(shè)計(jì)的小型化平面螺旋天線的實(shí)物在不同彎曲程度下的檢測性能進(jìn)行了驗(yàn)證。圖13 為實(shí)驗(yàn)室搭建的GIS 典型缺陷局部放電模擬試驗(yàn)回路示意圖，該試驗(yàn)回路由工頻交流電源、濾波器、試驗(yàn)變壓器控制臺(tái)、工頻試驗(yàn)變壓器、保護(hù)電阻、分壓器以及模擬GIS 實(shí)際結(jié)構(gòu)的腔體組成，其中試驗(yàn)變壓器、保護(hù)電阻、分壓電路等都是無局部放電設(shè)備。測試UHF 檢測天線放置于GIS 模擬腔體罐的觀察鏡處。試驗(yàn)中，在GIS 模擬腔體中設(shè)置針-板局部放電模型以模型GIS 內(nèi)部金屬尖刺突出物缺陷，在GIS 模擬腔體中充以0.4 MPa的SF6氣體。信號(hào)采集使用泰克高性能數(shù)字示波器（Tektronix*MS044）四通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器信號(hào)，所有通道提供1.5 GHz 帶寬和6.25 GS/s 實(shí)時(shí)取樣頻率。

圖13 試驗(yàn)電路Fig.13 Test circuit

基于局部放電測量國家標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11304.8-2019《特高頻法局部放電帶電檢測技術(shù)規(guī)范》[36]，本文天線測試的最大放電量在20 pC 以下。

3.2 天線對比測試

本文使用文獻(xiàn)[37]所設(shè)計(jì)的外置特高頻傳感器（如圖14 所示）進(jìn)行對比測試。矩形螺旋天線實(shí)物圖如圖14 所示。將兩種天線同時(shí)放置于GIS 模擬腔體罐的觀察鏡處，試驗(yàn)加壓至33.5 kV，放電量約為6 pC 時(shí)從兩種傳感器檢測到的單次PD UHF 信號(hào)如圖15 所示?？梢钥闯?，外置特高頻傳感器所測到的最大信號(hào)幅值為10.60 mV、柔性螺旋天線所測到的最大信號(hào)幅值為11.37 mV，分別在約0.15 μs、0.4 μs后衰減至背景噪聲水平。可以看出兩者均能清晰地識(shí)別局部放電信號(hào)，柔性天線UHF 信號(hào)末端會(huì)出現(xiàn)振蕩，試驗(yàn)表明，柔性天線接收PD 信號(hào)性能良好。

圖14 矩形螺旋天線實(shí)物圖Fig.14 Physical map of rectangular spiral antenna

圖15 兩種天線PD 檢測性能對比Fig.15 PD UHF detection performance comparison

3.3 柔性天線在不同彎曲程度下的性能測試

試驗(yàn)加壓至34 kV、放電量約為6 pC 條件下對彎曲半徑為0、100、200 mm 柔性天線進(jìn)行性能檢測，試驗(yàn)中彎曲程度通過已知弧長以及彎曲半徑確定天線兩端直線距離來保證塑性形變后彎曲程度達(dá)到所需要求。檢測到的PD 輻射電磁波信號(hào)如圖16 所示。從圖16 中可以看出，在彎曲半徑分別為0、100、200 mm 時(shí)本文設(shè)計(jì)的柔性天線監(jiān)測到的電磁波信號(hào)峰值分別為11.70、10.70、11.66 mV，信號(hào)幅值差別很小，表明彎曲程度對天線感知PD 輻射電磁波信號(hào)的能力影響很小，PD 輻射電磁波信號(hào)經(jīng)過約0.3 μs衰減至背景噪聲水平，能從時(shí)域波形上面清晰分辨出背景噪聲以及PD 信號(hào)。

圖16 不同彎曲半徑下的實(shí)測UHF 信號(hào)Fig.16 Measured and obtained UHF signals

圖17 為天線在0、100、200 mm 三種彎曲半徑下接收到的PD 電磁波信號(hào)頻譜，圖18 為背景噪聲頻譜。對比圖17 與圖18 可知，背景噪聲信號(hào)主要頻點(diǎn)在900 MHz 和1.8 GHz，這兩個(gè)頻率為4G 通信頻率[38]，而在針板缺陷模型下，設(shè)計(jì)的柔性天線檢測到的局部放電 UHF 信號(hào)主要頻帶集中在800 MHz 以下。總體上，設(shè)計(jì)的柔性天線能有效檢測到PD UHF 信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖17 UHF 信號(hào)頻譜Fig.17 UHF signal spectrum

圖18 背景噪聲頻譜Fig.18 Background noise spectrum

4 天線內(nèi)置測試

因GIS 模擬腔體罐在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮天線內(nèi)置時(shí)的情況，因此本次內(nèi)置試驗(yàn)將觀察鏡拆下，將原先的絕緣氣體SF6氣體換成正常大氣壓下的空氣，其余試驗(yàn)條件保持一致，然后將柔性天線內(nèi)置于GIS模擬腔體罐（接地外殼彎曲半徑為 137 mm）中，如圖19 所示。當(dāng)試驗(yàn)加壓至6 kV，放電量約為15 pC時(shí)接收局部放電UHF 波形如圖20 所示，頻譜分析如圖21 所示。從圖20 可以看出，本文設(shè)計(jì)的柔性天線傳感器內(nèi)置后能夠?qū)崿F(xiàn)放電輻射電磁波信號(hào)的有效監(jiān)測。從圖21 可以看出，本文設(shè)計(jì)的柔性天線傳感器監(jiān)測到的放電信號(hào)頻譜與圖18 中背景噪聲頻譜具有較高相似性，且頻譜能量主要集中在300 MHz 范圍以下，這是因?yàn)楫?dāng)絕緣介質(zhì)為空氣時(shí)，此時(shí)的放電屬于電暈放電，電暈放電輻射電磁波信號(hào)能量主要集中在 0～300 MHz。而本文設(shè)計(jì)柔性天線內(nèi)置后監(jiān)測到的電暈放電輻射電磁波信號(hào)能量分布范圍完全滿足這一特性，這也驗(yàn)證了GIS 內(nèi)置本文設(shè)計(jì)的柔性螺旋天線后能夠進(jìn)行PD 檢測的可行性。

圖19 柔性天線內(nèi)置安裝Fig.19 Built-in installation diagram of flexible antenna

圖20 測試結(jié)果Fig.20 Test results

圖21 測試結(jié)果頻譜Fig.21 Spectrum of test results

5 結(jié)論

針對變電站氣體絕緣組合電器（GIS）局部放電絕緣缺陷高靈敏監(jiān)測需求和現(xiàn)有剛性基底特高頻（UHF）天線傳感器內(nèi)置GIS 后存在破壞設(shè)備內(nèi)部電場分布的風(fēng)險(xiǎn)問題，本文開展天線本體和巴倫共面柔性小型化阿基米德天線傳感器研究，分析改變天線間隙比對天線的阻抗影響變化，同時(shí)天線基底改為PI 柔性材料，為內(nèi)置式天線提供一種新的思路，并且通過仿真和試驗(yàn)對設(shè)計(jì)天線性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證：

1）通過將巴倫與天線共面處理，極大地減小了天線軸向尺寸，天線本體厚度約為0.27 mm，同時(shí)采用正弦波曲折化的方式對天線進(jìn)行小型化，相比于未小型化的天線徑向尺寸減小了25 %，天線整體質(zhì)量約為12 g，該天線在內(nèi)置時(shí)安裝靈活，占用空間小，能夠貼合GIS 內(nèi)壁。實(shí)測天線駐波比，在790 MHz～1.8 GHz，VSWR≤2，在 610 MHz～3 GHz，VSWR≤3.5，輻射性能優(yōu)異，滿足內(nèi)置天線的檢測需求。

2）PD 實(shí)測表明，設(shè)計(jì)的共面巴倫柔性螺旋天線在彎曲半徑為0、100 和200 mm 時(shí)均能有效檢測PD 信號(hào)；同時(shí)，與成熟螺旋天線的PD 檢測性能對比也驗(yàn)證了天線的實(shí)用性。最后，將天線內(nèi)置于缺陷模擬腔體罐中進(jìn)行PD 檢測驗(yàn)證了其內(nèi)置后檢測PD 信號(hào)的有效性。