基于特高频法检测电气设备局部放电的改进Vivaldi天线
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
武汉大学电气工程学院的研究人员周文俊、刘宇舜、李鹏飞、喻剑辉，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文，为提高检测变电站电气设备局部放电产生的特高频（UHF）信号的有效性，基于超宽带渐变槽线天线理论，在传统Vivaldi天线的侧边增加渐变槽线和谐振腔后，通过仿真及实测发现，改进后的天线工作频段由1.2～3GHz扩展至0.5～3GHz。同时提高了天线的指向性，而保持工作频段上天线相位中心不变。
改进后的天线在工作频段上具有更高的增益和灵敏度，在2GHz时增益达到7.9dBi，平均灵敏度大于12mm。为验证所设计天线效果，在实验室搭建了基于预制缺陷变压器的试验平台，结果表明所设计的天线可以有效检测到局部放电的UHF信号。与传统Vivaldi天线、加脊TEM喇叭天线和螺旋天线相比，改进Vivaldi天线检测灵敏度较高，脉冲时域响应特性更好，利于进一步的信号分析。
变电站是电力系统中的核心枢纽，由变压器、互感器和断路器等多种高压电气设备组成[1]。电气设备的绝缘、劣化程度多用局部放电信号来表征[2]。当局部放电发展到一定程度时，会导致绝缘击穿，引发设备故障[3]。特高频（Ultra HighFrequency, UHF）法是通过接收局部放电在空间激发的UHF（0.3～3GHz）电磁波信号，进行局部放电检测和定位[4]。该方法具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，已成为局部放电检测的重要方法[5]。
在使用UHF法检测变电站高压电气设备局部放电时，需用到高带宽、高指向性和高增益的天线传感器[6]。目前检测电气设备的UHF局部放电检测天线主要分为内置天线和外置天线两种[7]。由于在已投运的电气设备中安装内置天线较困难，同时会影响设备内的电场分布，故外置天线更有利于现场检测[8]。受到天线体积与自身特性等因素的限制，目前国内外研制的检测天线无法满足上述UHF法的要求。
文献[9]研制的振子天线和文献[10]研制的环形天线在1GHz以下的低频具有良好的特性，但在1GHz以上频段端口反射损耗较高，无法有效检测局部放电信号的高频特征信息，不利于缺陷模式识别及定位。文献[11]研制的指向性喇叭天线在较高频段具有指向性和增益，但在低频段增益较低，天线在检测频率低于1GHz的局部放电信号时灵敏度较差。文献[12]研制的超宽频微带天线和文献[13]研制的盘锥天线在局部放电UHF频段有较好的阻抗匹配和较高的增益，但指向性较差，不利于故障定位。
本文针对局部放电辐射的UHF电磁波覆盖频段宽、信号弱的特点，根据超宽带渐变槽线天线理论，对传统Vivaldi天线进行改进设计，在保持天线体积不变的同时，进一步提升了天线的性能。仿真与试验结果表明，该天线工作频段符合局部放电UHF传感器设计标准[14]，同时具有较高的指向性与增益，适于电气设备局部放电带电检测。
图1 Vivaldi天线结构
结论
1）本文基于超宽带渐变槽线天线理论，通过在传统Vivaldi天线侧边增加渐变槽线和谐振腔，改善天线表面电流分布，从而提高天线性能。在保持天线体积不变的情况下，改进Vivaldi天线的工作频段由1.2～3GHz扩展到0.5～3GHz。
在工作频段范围内，改进天线的指向性得到提高，在3GHz时3dB夹角仅为43.9°。与传统Vivaldi天线相比，改进Vivaldi天线增益和灵敏度得到提高，增益在2GHz时达到7.9dBi，灵敏度平均值为28.54mm。改进Vivaldi天线性能参数满足电气设备外置局部放电UHF传感器设计标准要求，且体积小、重量轻，适合在变电站现场安装使用。
2）试验结果表明，与传统Vivaldi天线、加脊TEM喇叭天线和螺旋天线相比，改进Vivaldi天线接收到的局部放电UHF信号幅值更高，在局部放电UHF频段内具有良好的幅频响应特性。同时该天线接收到的时域信号末端衰减较快，对局部放电脉冲信号时域响应特性更好，为局部放电信号的研究与识别提供了更准确的原始波形。