2.4 超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)

高壓電力開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部存在絕緣缺陷時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下使得缺陷部位的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，從而容易導(dǎo)致該部位發(fā)生未貫穿整個(gè)絕緣的放電，即局部放電。若局部放電長(zhǎng)期存在，最終會(huì)造成高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣擊穿。因此對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)是判斷高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是否存在絕緣故障的必要手段。美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）、國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦將局部放電檢測(cè)作為電力設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備運(yùn)行壽命預(yù)測(cè)和設(shè)備安全運(yùn)行保障的有效方法。局部放電會(huì)伴隨電、光、聲等多種物理和化學(xué)現(xiàn)象的出現(xiàn)，常用的檢測(cè)方法主要有脈沖電流法、超高頻（UHF）法、暫態(tài)對(duì)地電壓（TEV）法、超聲波法及紫外法。

UHF法自20世紀(jì)80年代提出以來(lái)，由于其抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高以及便于進(jìn)行局部放電源的定位等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）積極推動(dòng)UHF法的標(biāo)準(zhǔn)化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)變壓器、GIS、電力電纜和開(kāi)關(guān)柜等電力設(shè)備中的局部放電檢測(cè)開(kāi)展了大量工作，設(shè)計(jì)了多種模擬實(shí)驗(yàn)裝置，獲得了不同典型缺陷下的放電圖譜和特征；研究UHF電磁波的傳播特性，設(shè)計(jì)了多種不同類型的傳感器，并實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)。然而，電力開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部空間有限，裝設(shè)天線不能影響開(kāi)關(guān)設(shè)備的內(nèi)部絕緣，對(duì)UHF天線的尺寸有更高要求。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多，UHF信號(hào)在內(nèi)部傳播會(huì)發(fā)生折射和反射，信號(hào)衰減嚴(yán)重、特征復(fù)雜。因此，對(duì)UHF天線的性能，如電壓駐波比、增益和方向性等參數(shù)有更高要求。

UHF天線是UHF檢測(cè)系統(tǒng)的核心，其接收性能的優(yōu)劣直接決定檢測(cè)效果的好壞，并對(duì)信號(hào)后期處理的難易程度有著極大影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超高頻PCB天線的設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于不同類型PCB天線的特性差異缺乏定量化的分析。本節(jié)根據(jù)電力設(shè)備局部放電信號(hào)檢測(cè)的需求，在分析UHF天線的工作原理和指標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于PCB技術(shù)設(shè)計(jì)了四種不同原理結(jié)構(gòu)的UHF天線，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了天線性能。利用GTEM小室提供標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)對(duì)天線進(jìn)行了系數(shù)標(biāo)定，并通過(guò)局部放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試了天線的時(shí)域檢測(cè)性能，以期在綜合分析不同類型PCB天線的尺寸和性能后，為電力設(shè)備局部放電檢測(cè)中UHF天線選型提供參考。

2.4.1 UHF法理論分析

電力開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)局部放電時(shí)，通常將局部放電源等效成一個(gè)點(diǎn)源，根據(jù)麥克斯韋方程組，推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)向量位A、動(dòng)態(tài)標(biāo)量位φ和源關(guān)系的方程組

式中 μ——空間磁導(dǎo)率；

δ_c——電流密度;

ε——介電常數(shù);

ρ——激勵(lì)源。

引入洛倫茲條件：

將式（2-33）代入動(dòng)態(tài)方程，令V為電荷的分布空間，可得其解為

式（2-35）說(shuō)明局部放電時(shí)產(chǎn)生的電磁波按照速度v沿著r方向傳播，是位移和時(shí)間的函數(shù)，電磁波能量沿著傳播方向流動(dòng)。

2.4.2 天線理論基礎(chǔ)

用于電力設(shè)備局部放電UHF檢測(cè)的天線是一種接收天線。其工作原理是:天線導(dǎo)體在電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，然后將此高頻感應(yīng)電流輸入到與天線相連的檢測(cè)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了UHF信號(hào)的檢出。當(dāng)電磁波信號(hào)波動(dòng)時(shí)，天線閉合導(dǎo)體回路會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可將其等效為一個(gè)電壓源，如圖2-29所示，該等效電壓源的開(kāi)路電壓為u_o，該電壓源的輸入阻抗為Z_in=R_in+jX_in，負(fù)載阻抗為Z_L。若天線極化形式與接收電磁波相匹配，即輸入阻抗Z_in等于負(fù)載阻抗Z_L的共軛，且電磁波波動(dòng)方向與天線的最大接收方向相同時(shí)，天線向饋線輸出功率最大，表達(dá)式為

衡量天線性能的主要指標(biāo)如下：

1.電壓駐波比

電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）指?jìng)鬏斁€上電壓的最大振幅值與電壓的最小振幅值之比，其反映了天線與饋線之間的匹配情況。VSWR與反射系數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式為

式中 Г——反射系數(shù)。

可見(jiàn)，電壓駐波比越接近1，天線損耗越小，匹配越好。一般認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中，天線的電壓駐波比小于2的情況下效果較好。

2.回波損耗

回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，以對(duì)數(shù)形式來(lái)表示，單位是dB。計(jì)算公式為

回波損耗與VSWR存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，VSWR小于2對(duì)應(yīng)回波損耗小于-10dB，一般可以認(rèn)為小于-10dB的頻帶范圍即為天線的帶寬。

3.輸入阻抗

天線的輸入阻抗為饋電面上電壓與電流的比值，計(jì)算公式為

同軸電纜一般選擇50Ω，為達(dá)到良好的阻抗匹配，要求天線輸入阻抗的實(shí)部接近50，虛部接近0。

4.增益

天線的增益是指在相同條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元（η=1）在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比。計(jì)算公式為

式中 P₁、P₂——實(shí)際天線與參考天線在同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度。一般來(lái)說(shuō)，天線增益越大，接收到的信號(hào)強(qiáng)度越大。

5.方向性

天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的電場(chǎng)可表示為

式中 f（θ，φ）——天線的方向性函數(shù)；

K——傳播常數(shù)，K=2π/λ。

當(dāng)用圖形進(jìn)行表示便是天線的方向圖，其表征的是天線的接收性能與空間坐標(biāo)的關(guān)系。方向圖中最大輻射方向的輻射瓣稱為主瓣，其寬度表征最大輻射方向能量的集中程度，主瓣寬度愈小，天線的方向性越好。

2.4.3 UHF天線的結(jié)構(gòu)與尺寸

研究表明，電力設(shè)備中局部放電輻射的電磁波信號(hào)頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲，而電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中電磁干擾信號(hào)的頻率一般不高于200MHz。為了避免受到其他電磁干擾信號(hào)的影響，UHF天線的工作頻帶通常設(shè)計(jì)在300MHz～3GHz的范圍。另外，電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊、零部件多，對(duì)絕緣間距有嚴(yán)格要求。

局部放電檢測(cè)UHF天線應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

①尺寸合理，占用空間小，不影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行及內(nèi)部絕緣，便于安裝固定；②抗干擾能力強(qiáng)，工作頻帶范圍為300MHz～3GHz，且在工作頻帶內(nèi)電壓駐波比小于2；③方向性好，保證天線能夠接收來(lái)自所關(guān)注方向的局部放電UHF信號(hào)；④增益高，便于天線檢測(cè)微弱局部放電信號(hào)。

根據(jù)上述要求，基于PCB技術(shù)設(shè)計(jì)了四種不同類型的天線。各種天線的原理和結(jié)構(gòu)分別如下。

1.微帶天線

微帶天線是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)基板的一面敷以金屬輻射貼片，另一面全部敷以金屬薄層作為接地板而制成的。由于采用微帶線饋電，需要加上一段1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器使得天線的輸入阻抗與同軸電纜匹配。如圖2-30所示，微帶天線的基本結(jié)構(gòu)包括基板、金屬輻射貼片、金屬接地板、微帶饋線和1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器。

2.縫隙天線

縫隙天線是在微帶天線的基礎(chǔ)上，在其金屬接地板上開(kāi)槽制成的。在本節(jié)的設(shè)計(jì)中，微帶饋線采用偏心饋電方式，在金屬接地板上開(kāi)倒U形槽，利用曲流技術(shù)，通過(guò)彎折改變電路路徑，實(shí)現(xiàn)了小型化天線技術(shù)。如圖2-31所示，縫隙天線的基本結(jié)構(gòu)包括基板、微帶饋線、金屬接地板和輻射縫隙。

3.偶極子天線

偶極子天線工作時(shí)，電磁波信號(hào)由天線饋電面饋入，經(jīng)過(guò)微帶巴倫和傳輸線傳輸?shù)教炀€的兩臂。為了保證偶極子天線上電流的平衡，在天線和同軸線之間插入一個(gè)轉(zhuǎn)換器，即微帶巴倫。微帶巴倫和微帶傳輸線起到阻抗變換的作用，調(diào)節(jié)傳輸線的長(zhǎng)度和三角形巴倫的大小，就可以調(diào)整該天線的輸入阻抗。如圖2-32所示，偶極子天線的基本結(jié)構(gòu)包括天線基板、偶極子天線臂、微帶巴倫線、微帶傳輸線和饋電面。

4.螺旋天線

螺旋天線的兩臂由4條等角螺旋線構(gòu)成，其外形由角度決定，不包含線性長(zhǎng)度，可以避免頻率變化時(shí)天線的線性電長(zhǎng)度發(fā)生相應(yīng)變化而破壞天線的電性能，即天線的性能不受頻率的影響。但由于螺旋天線的輸入阻抗較大，需單獨(dú)設(shè)計(jì)加工一個(gè)阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖2-33所示，螺旋天線的基本結(jié)構(gòu)包括基板、天線兩臂（等角螺旋線）和阻抗變換器。

根據(jù)上述各天線的結(jié)構(gòu)和原理，實(shí)際制作出的各天線樣機(jī)尺寸如表2-2所示。

由表2-2可以看出，設(shè)計(jì)四種天線的尺寸均可滿足在電力設(shè)備內(nèi)部安裝的要求，其中縫隙天線與偶極子天線在小型化這一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)尤為明顯，而螺旋天線由于需安裝阻抗變換器的緣故，體積較大。

2.4.4 UHF天線性能參數(shù)

為得到所設(shè)計(jì)四種天線的性能參數(shù)，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真分析。設(shè)置各天線仿真的中心頻率為970MHz，掃頻范圍為500MHz～1.5GHz，步長(zhǎng)為1MHz。各天線參數(shù)的仿真結(jié)果如下。

1.電壓駐波比

圖2-34為四種天線的電壓駐波比仿真結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)微帶天線、縫隙天線和偶極子天線在970MHz頻率點(diǎn)上VSWR達(dá)到最小，分別為1.08、1.20和1.15，且VSWR小于2的帶寬分別為50MHz、18MHz和121MHz；螺旋天線在整個(gè)掃頻范圍0.5～1.5GHz內(nèi)VSWR基本均小于2，工作帶寬達(dá)到1GHz以上。

2.阻抗匹配

圖2-35為天線阻抗匹配的仿真結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)微帶天線、縫隙天線和偶極子天線在中心頻率時(shí)的輸入阻抗分別為51.5+j6.4Ω、44.6-j7.6Ω、48-j5.5Ω，且在各自的帶寬范圍內(nèi)均接近50Ω；其中，微帶天線在頻率超出帶寬范圍時(shí)，阻抗的實(shí)部和虛部均出現(xiàn)較大幅度的變化；螺旋天線的輸入阻抗實(shí)部在50Ω左右，虛部在0Ω左右。綜上所述，四種天線在各自帶寬范圍內(nèi)的阻抗接近50Ω，匹配效果較好。

3.方向圖與增益

圖2-36分別為各天線在中心頻率的方向圖，其中虛線代表E面，實(shí)線代表H面。可以發(fā)現(xiàn)偶極子天線H面是全向性的，縫隙天線的H面也接近全向性，而微帶天線與螺旋天線方向性則一般；在方向圖上觀察各天線的最大增益可知，偶極子天線H面增益保持1.43dB不變，微帶天線、縫隙天線和螺旋天線的最大增益分別為-1.21dB、-0.13dB和3.30dB。

從仿真結(jié)果可以看出，四種天線在工作帶寬內(nèi)均可以達(dá)到良好的阻抗匹配，方向性和增益有所差異。表2-3為天線性能參數(shù)的對(duì)比，微帶天線與縫隙天線的帶寬及增益較??；螺旋天線在帶寬和增益方面具有顯著優(yōu)勢(shì)；縫隙天線和偶極子天線的方向性較好。

使用Agilent E5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)四種天線樣機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖2-37為四種天線樣機(jī)的電壓駐波比的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，微帶天線在960MHz處電壓駐波比達(dá)到最小1.23，電壓駐波比小于2的帶寬為55MHz；縫隙天線970MHz處電壓駐波比達(dá)到最小1.20，電壓駐波比小于2的帶寬為25MHz；偶極子天線中心頻率975MHz處電壓駐波比達(dá)到最小1.16，電壓駐波比小于2的帶寬為127MHz；而螺旋天線在500～700MHz、850MHz～1.5GHz內(nèi)VSWR基本均小于2，工作帶寬達(dá)到850MHz以上。上述測(cè)量結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。

2.4.5 天線系數(shù)的標(biāo)定

為了獲得被測(cè)電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)與天線輸出電壓的定量關(guān)系，需要對(duì)天線進(jìn)行標(biāo)定。本節(jié)利用GTEM小室內(nèi)部產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)電磁場(chǎng)對(duì)天線進(jìn)行標(biāo)定。

在本節(jié)實(shí)驗(yàn)中，將制作好天線樣機(jī)置于GTEM小室內(nèi)，調(diào)制產(chǎn)生所需頻率和場(chǎng)強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)電磁場(chǎng)。樣機(jī)分別通過(guò)50Ω同軸電纜與EMI接收機(jī)（德國(guó)R&S ESR EMI Test Receiver 10Hz～3.6GHz）連接，在每個(gè)頻點(diǎn)處GTEM小室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到10V/m時(shí)，通過(guò)EMI接收機(jī)記錄天線的輸出信號(hào)。

圖2-38為四種天線樣機(jī)在GTEM小室中的掃頻測(cè)試結(jié)果，掃頻范圍為0.5～1.5GHz。對(duì)于螺旋天線，掃頻范圍內(nèi)接收信號(hào)的幅值在150mV以上，基本穩(wěn)定；對(duì)于偶極子天線，750MHz以下低頻段信號(hào)幅值較低，750MHz以上高頻段的信號(hào)幅值高達(dá)200mV；對(duì)于微帶天線和縫隙天線，在中心頻率970MHz左右的幅值稍高，其他頻率信號(hào)幅值在50mV以下。

天線系數(shù)AF是入射電磁波在天線極化方向上電場(chǎng)強(qiáng)度與天線所接負(fù)載兩端電壓的比值，用來(lái)表征天線的接收特性。天線系數(shù)AF是頻率f的函數(shù)?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)四種天線系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的AF值描出散點(diǎn)圖進(jìn)行6次多項(xiàng)式擬合，擬合公式如（2-42）所示，系數(shù)值如表2-4所示。標(biāo)定天線系數(shù)隨頻率變化的曲線如圖2-39所示。

2.4.6 UHF天線局部放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本節(jié)采用模擬局部放電源對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行局部放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接線如圖2-40所示，無(wú)局部放電變壓器提供高壓電源，放電模型采用針-板模型模擬局部放電源。采用德國(guó)Doble Lemke公司LDS-6數(shù)字式局部放電測(cè)試儀測(cè)量局部放電量，其最小檢測(cè)PD脈沖電荷為1pC。示波器為美國(guó)Tektronix公司的DPO7104數(shù)字存儲(chǔ)式示波器，輸入通道帶寬1GHz，采樣率20GHz，存儲(chǔ)深度32M。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將UHF天線的最大增益面朝向局部放電模型放置，天線輸出端經(jīng)同軸電纜連接示波器。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后，待測(cè)到的放電量數(shù)值穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)示波器采集所需的超高頻信號(hào)波形。

圖2-41為參考放電量320pC時(shí)，四種UHF天線樣機(jī)所測(cè)到局部放電UHF信號(hào)的單周期波形?？梢钥闯鑫炀€的接收信號(hào)峰值僅為5mV左右，若降低放電量，則難以檢測(cè)到局放信號(hào)；縫隙天線的接收信號(hào)峰值為8mV，但由于其帶寬低，無(wú)法有效地還原局部放電信號(hào)的真實(shí)形狀；偶極子天線與螺旋天線的接收信號(hào)峰值分別為15mV和35mV，且測(cè)到的局部放電波形在示波器上清晰可見(jiàn)，檢測(cè)效果良好。

與仿真結(jié)果相對(duì)比，螺旋天線帶寬（1GHz）最大，偶極子天線帶寬（121MHz）和微帶天線帶寬（50MHz）次之，縫隙天線帶寬（18MHz）最小，反映在所接收的局部放電信號(hào)的時(shí)頻特征上，螺線天線接收到的局部放電信號(hào)特征最豐富，縫隙天線接收到的局部放電信號(hào)特征損失最大；螺旋天線增益（3.30dB）最大，偶極子天線增益（1.43dB）和縫隙天線增益（-0.13dB）次之，微帶天線增益（-1.21dB）最小，反映在所接收到的局部放電信號(hào)的幅值上，螺線天線接收到的局部放電信號(hào)的幅值最大，微帶天線接收到的局部放電信號(hào)的幅值最??；仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。