2.4 超高频局部放电检测技术

高压电力开关设备内部存在绝缘缺陷时，在强电场作用下使得缺陷部位的电场强度增大，从而容易导致该部位发生未贯穿整个绝缘的放电，即局部放电。若局部放电长期存在，最终会造成高压开关设备绝缘击穿。因此对高压开关设备内部局部放电信号进行检测是判断高压开关设备是否存在绝缘故障的必要手段。美国电气与电子工程师学会（IEEE）、国际大电网会议（CIGRE）和国际电工委员会（IEC）推荐将局部放电检测作为电力设备绝缘状态评估、设备运行寿命预测和设备安全运行保障的有效方法。局部放电会伴随电、光、声等多种物理和化学现象的出现，常用的检测方法主要有脉冲电流法、超高频（UHF）法、暂态对地电压（TEV）法、超声波法及紫外法。

UHF法自20世纪80年代提出以来，由于其抗干扰能力强、灵敏度高以及便于进行局部放电源的定位等优点而成为研究热点。国际大电网会议（CIGRE）积极推动UHF法的标准化。国内外学者已对变压器、GIS、电力电缆和开关柜等电力设备中的局部放电检测开展了大量工作，设计了多种模拟实验装置，获得了不同典型缺陷下的放电图谱和特征；研究UHF电磁波的传播特性，设计了多种不同类型的传感器，并实现了在线检测。然而，电力开关设备内部空间有限，装设天线不能影响开关设备的内部绝缘，对UHF天线的尺寸有更高要求。电力开关设备内部结构复杂、零部件多，UHF信号在内部传播会发生折射和反射，信号衰减严重、特征复杂。因此，对UHF天线的性能，如电压驻波比、增益和方向性等参数有更高要求。

UHF天线是UHF检测系统的核心，其接收性能的优劣直接决定检测效果的好坏，并对信号后期处理的难易程度有着极大影响。近年来，国内外学者对超高频PCB天线的设计、仿真、优化和实验测试进行了大量的研究，但对于不同类型PCB天线的特性差异缺乏定量化的分析。本节根据电力设备局部放电信号检测的需求，在分析UHF天线的工作原理和指标参数的基础上，基于PCB技术设计了四种不同原理结构的UHF天线，通过仿真和实验检验了天线性能。利用GTEM小室提供标准场对天线进行了系数标定，并通过局部放电实验系统测试了天线的时域检测性能，以期在综合分析不同类型PCB天线的尺寸和性能后，为电力设备局部放电检测中UHF天线选型提供参考。

2.4.1 UHF法理论分析

电力开关设备内部出现局部放电时，通常将局部放电源等效成一个点源，根据麦克斯韦方程组，推导出动态向量位 A 、动态标量位 φ 和源关系的方程组

式中 μ ——空间磁导率；

δ _c ——电流密度；

ε ——介电常数；

ρ ——激励源。

引入洛伦兹条件：

将式（2-33）代入动态方程，令 V 为电荷的分布空间，可得其解为

式（2-35）说明局部放电时产生的电磁波按照速度 v 沿着 r 方向传播，是位移和时间的函数，电磁波能量沿着传播方向流动。

2.4.2 天线理论基础

用于电力设备局部放电UHF检测的天线是一种接收天线。其工作原理是：天线导体在电磁场的作用下产生感应电动势和感应电流，然后将此高频感应电流输入到与天线相连的检测设备，从而实现了UHF信号的检出。当电磁波信号波动时，天线闭合导体回路会产生感应电动势，可将其等效为一个电压源，如图2-29所示，该等效电压源的开路电压为 u _o ，该电压源的输入阻抗为 Z _in = R _in +j X _in ，负载阻抗为 Z _L 。若天线极化形式与接收电磁波相匹配，即输入阻抗 Z _in 等于负载阻抗 Z _L 的共轭，且电磁波波动方向与天线的最大接收方向相同时，天线向馈线输出功率最大，表达式为

衡量天线性能的主要指标如下：

1.电压驻波比

电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）指传输线上电压的最大振幅值与电压的最小振幅值之比，其反映了天线与馈线之间的匹配情况。VSWR与反射系数有关，计算公式为

式中 Г ——反射系数。

可见，电压驻波比越接近1，天线损耗越小，匹配越好。一般认为在实际应用中，天线的电压驻波比小于2的情况下效果较好。

2.回波损耗

回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式来表示，单位是dB。计算公式为

回波损耗与VSWR存在着对应关系，VSWR小于2对应回波损耗小于-10dB，一般可以认为小于-10dB的频带范围即为天线的带宽。

3.输入阻抗

天线的输入阻抗为馈电面上电压与电流的比值，计算公式为

同轴电缆一般选择50Ω，为达到良好的阻抗匹配，要求天线输入阻抗的实部接近50，虚部接近0。

4.增益

天线的增益是指在相同条件下，实际天线与理想的辐射单元（ η =1）在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。计算公式为

式中 P ₁ 、 P ₂ ——实际天线与参考天线在同一点处所产生的信号的功率密度。一般来说，天线增益越大，接收到的信号强度越大。

5.方向性

天线辐射远场区的电场可表示为

式中 f （ θ ， φ ）——天线的方向性函数；

K ——传播常数， K =2π/ λ 。

当用图形进行表示便是天线的方向图，其表征的是天线的接收性能与空间坐标的关系。方向图中最大辐射方向的辐射瓣称为主瓣，其宽度表征最大辐射方向能量的集中程度，主瓣宽度愈小，天线的方向性越好。

2.4.3 UHF天线的结构与尺寸

研究表明，电力设备中局部放电辐射的电磁波信号频率高达数吉赫兹，而电力设备运行环境中电磁干扰信号的频率一般不高于200MHz。为了避免受到其他电磁干扰信号的影响，UHF天线的工作频带通常设计在300MHz～3GHz的范围。另外，电力设备的结构紧凑、零部件多，对绝缘间距有严格要求。

局部放电检测UHF天线应具有以下特点：

①尺寸合理，占用空间小，不影响电力设备的正常运行及内部绝缘，便于安装固定；②抗干扰能力强，工作频带范围为300MHz～3GHz，且在工作频带内电压驻波比小于2；③方向性好，保证天线能够接收来自所关注方向的局部放电UHF信号；④增益高，便于天线检测微弱局部放电信号。

根据上述要求，基于PCB技术设计了四种不同类型的天线。各种天线的原理和结构分别如下。

1.微带天线

微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基板的一面敷以金属辐射贴片，另一面全部敷以金属薄层作为接地板而制成的。由于采用微带线馈电，需要加上一段1/4波长阻抗转换器使得天线的输入阻抗与同轴电缆匹配。如图2-30所示，微带天线的基本结构包括基板、金属辐射贴片、金属接地板、微带馈线和1/4波长阻抗转换器。

2.缝隙天线

缝隙天线是在微带天线的基础上，在其金属接地板上开槽制成的。在本节的设计中，微带馈线采用偏心馈电方式，在金属接地板上开倒U形槽，利用曲流技术，通过弯折改变电路路径，实现了小型化天线技术。如图2-31所示，缝隙天线的基本结构包括基板、微带馈线、金属接地板和辐射缝隙。

3.偶极子天线

偶极子天线工作时，电磁波信号由天线馈电面馈入，经过微带巴伦和传输线传输到天线的两臂。为了保证偶极子天线上电流的平衡，在天线和同轴线之间插入一个转换器，即微带巴伦。微带巴伦和微带传输线起到阻抗变换的作用，调节传输线的长度和三角形巴伦的大小，就可以调整该天线的输入阻抗。如图2-32所示，偶极子天线的基本结构包括天线基板、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和馈电面。

4.螺旋天线

螺旋天线的两臂由4条等角螺旋线构成，其外形由角度决定，不包含线性长度，可以避免频率变化时天线的线性电长度发生相应变化而破坏天线的电性能，即天线的性能不受频率的影响。但由于螺旋天线的输入阻抗较大，需单独设计加工一个阻抗变换器来实现阻抗匹配。如图2-33所示，螺旋天线的基本结构包括基板、天线两臂（等角螺旋线）和阻抗变换器。

根据上述各天线的结构和原理，实际制作出的各天线样机尺寸如表2-2所示。

由表2-2可以看出，设计四种天线的尺寸均可满足在电力设备内部安装的要求，其中缝隙天线与偶极子天线在小型化这一点优势尤为明显，而螺旋天线由于需安装阻抗变换器的缘故，体积较大。

2.4.4 UHF天线性能参数

为得到所设计四种天线的性能参数，利用HFSS软件进行仿真分析。设置各天线仿真的中心频率为970MHz，扫频范围为500MHz～1.5GHz，步长为1MHz。各天线参数的仿真结果如下。

1.电压驻波比

图2-34为四种天线的电压驻波比仿真结果。可以发现微带天线、缝隙天线和偶极子天线在970MHz频率点上VSWR达到最小，分别为1.08、1.20和1.15，且VSWR小于2的带宽分别为50MHz、18MHz和121MHz；螺旋天线在整个扫频范围0.5～1.5GHz内VSWR基本均小于2，工作带宽达到1GHz以上。

2.阻抗匹配

图2-35为天线阻抗匹配的仿真结果。可以发现微带天线、缝隙天线和偶极子天线在中心频率时的输入阻抗分别为51.5+j6.4Ω、44.6-j7.6Ω、48-j5.5Ω，且在各自的带宽范围内均接近50Ω；其中，微带天线在频率超出带宽范围时，阻抗的实部和虚部均出现较大幅度的变化；螺旋天线的输入阻抗实部在50Ω左右，虚部在0Ω左右。综上所述，四种天线在各自带宽范围内的阻抗接近50Ω，匹配效果较好。

3.方向图与增益

图2-36分别为各天线在中心频率的方向图，其中虚线代表 E 面，实线代表 H 面。可以发现偶极子天线 H 面是全向性的，缝隙天线的 H 面也接近全向性，而微带天线与螺旋天线方向性则一般；在方向图上观察各天线的最大增益可知，偶极子天线 H 面增益保持1.43dB不变，微带天线、缝隙天线和螺旋天线的最大增益分别为-1.21dB、-0.13dB和3.30dB。

从仿真结果可以看出，四种天线在工作带宽内均可以达到良好的阻抗匹配，方向性和增益有所差异。表2-3为天线性能参数的对比，微带天线与缝隙天线的带宽及增益较小；螺旋天线在带宽和增益方面具有显著优势；缝隙天线和偶极子天线的方向性较好。

使用Agilent E5061B矢量网络分析仪对四种天线样机的性能参数进行验证。图2-37为四种天线样机的电压驻波比的测试结果。可以看出，微带天线在960MHz处电压驻波比达到最小1.23，电压驻波比小于2的带宽为55MHz；缝隙天线970MHz处电压驻波比达到最小1.20，电压驻波比小于2的带宽为25MHz；偶极子天线中心频率975MHz处电压驻波比达到最小1.16，电压驻波比小于2的带宽为127MHz；而螺旋天线在500～700MHz、850MHz～1.5GHz内VSWR基本均小于2，工作带宽达到850MHz以上。上述测量结果与仿真数据相对误差均在10%以内。

2.4.5 天线系数的标定

为了获得被测电磁场的场强与天线输出电压的定量关系，需要对天线进行标定。本节利用GTEM小室内部产生的标准电磁场对天线进行标定。

在本节实验中，将制作好天线样机置于GTEM小室内，调制产生所需频率和场强的标准电磁场。样机分别通过50Ω同轴电缆与EMI接收机（德国R&S ESR EMI Test Receiver 10Hz～3.6GHz）连接，在每个频点处GTEM小室内电场强度达到10V/m时，通过EMI接收机记录天线的输出信号。

图2-38为四种天线样机在GTEM小室中的扫频测试结果，扫频范围为0.5～1.5GHz。对于螺旋天线，扫频范围内接收信号的幅值在150mV以上，基本稳定；对于偶极子天线，750MHz以下低频段信号幅值较低，750MHz以上高频段的信号幅值高达200mV；对于微带天线和缝隙天线，在中心频率970MHz左右的幅值稍高，其他频率信号幅值在50mV以下。

天线系数AF是入射电磁波在天线极化方向上电场强度与天线所接负载两端电压的比值，用来表征天线的接收特性。天线系数AF是频率 f 的函数。基于上述实验数据，分别对四种天线系数进行标定。利用实验数据计算得到的AF值描出散点图进行6次多项式拟合，拟合公式如（2-42）所示，系数值如表2-4所示。标定天线系数随频率变化的曲线如图2-39所示。

2.4.6 UHF天线局部放电测试实验

本节采用模拟局部放电源对天线样机进行局部放电实验测试。实验系统接线如图2-40所示，无局部放电变压器提供高压电源，放电模型采用针-板模型模拟局部放电源。采用德国Doble Lemke公司LDS-6数字式局部放电测试仪测量局部放电量，其最小检测PD脉冲电荷为1pC。示波器为美国Tektronix公司的DPO7104数字存储式示波器，输入通道带宽1GHz，采样率20GHz，存储深度32M。实验时，将UHF天线的最大增益面朝向局部放电模型放置，天线输出端经同轴电缆连接示波器。开始实验后，待测到的放电量数值稳定时，通过示波器采集所需的超高频信号波形。

图2-41为参考放电量320pC时，四种UHF天线样机所测到局部放电UHF信号的单周期波形。可以看出微带天线的接收信号峰值仅为5mV左右，若降低放电量，则难以检测到局放信号；缝隙天线的接收信号峰值为8mV，但由于其带宽低，无法有效地还原局部放电信号的真实形状；偶极子天线与螺旋天线的接收信号峰值分别为15mV和35mV，且测到的局部放电波形在示波器上清晰可见，检测效果良好。

与仿真结果相对比，螺旋天线带宽（1GHz）最大，偶极子天线带宽（121MHz）和微带天线带宽（50MHz）次之，缝隙天线带宽（18MHz）最小，反映在所接收的局部放电信号的时频特征上，螺线天线接收到的局部放电信号特征最丰富，缝隙天线接收到的局部放电信号特征损失最大；螺旋天线增益（3.30dB）最大，偶极子天线增益（1.43dB）和缝隙天线增益（-0.13dB）次之，微带天线增益（-1.21dB）最小，反映在所接收到的局部放电信号的幅值上，螺线天线接收到的局部放电信号的幅值最大，微带天线接收到的局部放电信号的幅值最小；仿真与实验结果吻合。