基於特高頻法檢測電氣設備局部放電的改進Vivaldi天線

武漢大學電氣工程學院的研究人員周文俊、劉宇舜、李鵬飛、喻劍輝， 在2017年第12期《電工技術學報》上撰文， 為提高檢測變電站電氣設備局部放電產生的特高頻（UHF）信號的有效性， 基於超寬頻漸變槽線天線理論， 在傳統Vivaldi天線的側邊增加漸變槽線和諧振腔後， 通過模擬及實測發現， 改進後的天線工作頻段由1.2～3GHz擴展至0.5～3GHz。 同時提高了天線的指向性， 而保持工作頻段上天線相位中心不變。

改進後的天線在工作頻段上具有更高的增益和靈敏度， 在2GHz時增益達到7.9dBi， 平均靈敏度大於12mm。 為驗證所設計天線效果， 在實驗室搭建了基於預製缺陷變壓器的試驗平臺，

結果表明所設計的天線可以有效檢測到局部放電的UHF信號。 與傳統Vivaldi天線、加脊TEM喇叭天線和螺旋天線相比， 改進Vivaldi天線檢測靈敏度較高， 脈衝時域回應特性更好， 利於進一步的信號分析。

變電站是電力系統中的核心樞紐， 由變壓器、互感器和斷路器等多種高壓電氣設備組成[1]。 電氣設備的絕緣、劣化程度多用局部放電信號來表徵[2]。 當局部放電發展到一定程度時， 會導致絕緣擊穿， 引發設備故障[3]。 特高頻（Ultra HighFrequency, UHF）法是通過接收局部放電在空間激發的UHF（0.3～3GHz）電磁波信號， 進行局部放電檢測和定位[4]。 該方法具有抗干擾能力強、靈敏度高等優點， 已成為局部放電檢測的重要方法[5]。

在使用UHF法檢測變電站高壓電氣設備局部放電時，

需用到高頻寬、高指向性和高增益的天線感測器[6]。 目前檢測電氣設備的UHF局部放電檢測天線主要分為內置天線和外置天線兩種[7]。 由於在已投運的電氣設備中安裝內置天線較困難， 同時會影響設備內的電場分佈， 故外置天線更有利於現場檢測[8]。 受到天線體積與自身特性等因素的限制， 目前國內外研製的檢測天線無法滿足上述UHF法的要求。

文獻[9]研製的振子天線和文獻[10]研製的環形天線在1GHz以下的低頻具有良好的特性， 但在1GHz以上頻段埠反射損耗較高， 無法有效檢測局部放電信號的高頻特徵資訊， 不利於缺陷模式識別及定位。 文獻[11]研製的指向性喇叭天線在較高頻段具有指向性和增益，

但在低頻段增益較低， 天線在檢測頻率低於1GHz的局部放電信號時靈敏度較差。 文獻[12]研製的超寬頻微帶天線和文獻[13]研製的盤錐天線在局部放電UHF頻段有較好的阻抗匹配和較高的增益， 但指向性較差， 不利於故障定位。

本文針對局部放電輻射的UHF電磁波覆蓋頻段寬、信號弱的特點， 根據超寬頻漸變槽線天線理論， 對傳統Vivaldi天線進行改進設計， 在保持天線體積不變的同時， 進一步提升了天線的性能。 模擬與試驗結果表明， 該天線工作頻段符合局部放電UHF感測器設計標準[14]， 同時具有較高的指向性與增益， 適於電氣設備局部放電帶電檢測。

圖1 Vivaldi天線結構

結論

1）本文基於超寬頻漸變槽線天線理論， 通過在傳統Vivaldi天線側邊增加漸變槽線和諧振腔， 改善天線表面電流分佈， 從而提高天線性能。 在保持天線體積不變的情況下， 改進Vivaldi天線的工作頻段由1.2～3GHz擴展到0.5～3GHz。

在工作頻段範圍內， 改進天線的指向性得到提高， 在3GHz時3dB夾角僅為43.9°。 與傳統Vivaldi天線相比， 改進Vivaldi天線增益和靈敏度得到提高， 增益在2GHz時達到7.9dBi，

靈敏度平均值為28.54mm。 改進Vivaldi天線性能參數滿足電氣設備外置局部放電UHF感測器設計標準要求， 且體積小、重量輕， 適合在變電站現場安裝使用。

2）試驗結果表明， 與傳統Vivaldi天線、加脊TEM喇叭天線和螺旋天線相比， 改進Vivaldi天線接收到的局部放電UHF信號幅值更高， 在局部放電UHF頻段內具有良好的幅頻回應特性。 同時該天線接收到的時域信號末端衰減較快， 對局部放電脈衝信號時域響應特性更好， 為局部放電信號的研究與識別提供了更準確的原始波形。