开关柜局部放电超高频在线监测天线的研究

南京工程学院电力工程学院、国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司的研究人员陈磊、唐建、王智睿,在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文,针对高压开关柜局部放电超高频检测天线应具有宽频带、高增益、小尺寸的性能要求,引入Koch分形结构和空气层理论,设计出了一种新型的Koch分形微带天线。

采用仿真软件HFSS对天线模型的结构参数进行优化分析,选取一组最优参数制作天线实物。仿真结果是,天线尺寸180mm×180mm,VSWR<5的检测频带为535~825MHz,天线的平均增益为1.5dB。仿真结果表明该天线满足开关柜局部放电超高频检测要求。

近年来,随着我国电网规模不断扩大,高压开关柜作为电力系统中的关键组件得到越来越广泛的应用。高压开关柜由于其内部空间狭小、零件繁多、结构复杂,绝缘距离小等特点,比其他电力设备更容易出现绝缘缺陷从而引发局部放电故障。一般来说,局部放电产生的电流脉冲能够激励起超高频段的电磁信号(0.3~3GHz),由于该频段外界干扰几乎不存在,所以人们逐渐将超高频在线检测的方法作为检测局部放电信号的重要手段。

超高频(ultra high frequency, UHF)传感器是局部放电超高频检测系统中的核心器件,用于局放检测的UHF传感器主要有以阿基米德螺旋天线为代表的非频变天线、以单极天线为代表的线天线和以微带天线为代表的面天线等。其中由于微带天线具有剖面低、体积小、易于集成等诸多优点逐渐成为UHF传感器中的研究热点。

但是相比较于其他天线,微带天线的频带较窄,这在一定程度上限制了其在电力设备局部放电检测系统中的应用,若能在展宽微带天线检测频带的同时又保持上述优点,则能够得到一种体积较小、易于安装和检测灵敏度高的微带天线。

本文设计的微带天线通过增加介质板厚度和空气层结构有效地展宽了天线频带。并引入Koch分形理论来增加辐射贴片的有效长度,在降低谐振频率的同时实现了天线结构尺寸的小型化。在理论计算方面,利用圆形微带结构拟合Koch分形结构的方法估算出分形天线的主要尺寸,最后由三维电磁仿真软件(high frequency structure simulator, HFSS)建立天线模型,并通过仿真计算配置最优天线模型参数。仿真结果表明,本文设计的天线能够满足开关柜局部放电超高频在线检测的要求。

图1 Koch曲线迭代过程

图2 Koch分形天线结构

图4 Koch微带天线模型

结论

本文在引入Koch分形理论在传统矩形微带天线的基础上设计出了一种适用于开关柜局部放电超高频检测天线。利用电磁仿真软件HFSS对该天线进行建模仿真优化,得到以下结论:

利用圆形微带结构拟合Koch分形天线结构的方法,能够正确地计算出天线模型各个方面的尺寸。通过改变微带贴片形状和馈电点位置、增加介质基底和空气层的厚度,可以有效地展宽频带并降低谐振频率,在满足宽频化和低频化的同时还能实现天线的小型化,便于后期安装。

所设计的超高频传感器在VSWR<5的检测频带为535~825MHz,在检测频带内,天线的方向性良好,且平均增益为1.5dB,可满足对开关柜局部放电超高频信号的采集要求。