文摘

一个单臂阿基米德螺旋天线,可以直接由50同轴电缆是本研究调查。每个天线参数优化仿真下超高频天线工作频带。电介质材料的影响,饲料锥角,天线负载比也检查了。局部放电(PD)实验进行了几种典型人工绝缘缺陷,和一个单臂阿基米德螺旋天线和一个典型的微带天线是用于PD测量。不同绝缘缺陷的PD特性也进行了分析。结果表明,所设计的天线适用于超高频监测。单臂螺旋天线的检测灵敏度优于普通的微带天线。前者可以在宽频带测量领域发挥作用。

1。介绍

局部放电(PD)检测已被广泛应用于变压器故障诊断和在线监测。潜伏在变压器绝缘故障可以通过PD检测有效地确定。早期的研究表明,PD脉冲变压器油中产生的增加时间很短,脉冲宽度是在纳秒级别。因此,电磁信号引起的PD脉冲可以包含超高频(UHF)乐队。超高频信号提取单独来减少噪声对PD信号的影响。常见的电磁干扰的频率乐队不是特高频带范围的;因此,消除干扰通过超高频检测是可行的。文献[1)已经证明使用阿基米德螺旋天线的可行性检测超高频局部放电信号发出电力变压器。几个实验也被用来研究天线性能。国际学者们进行了一系列的研究阿基米德螺旋天线。阿基米德螺旋天线的大小减少了通过改变天线臂的形状或执行一些复杂的加载技术在饲料终端;同时提高天线的性能在低频率根据(2- - - - - -6]。改变天线的辐射特性,改变天线的整体结构(7,8]。

然而,所有的阿基米德螺旋天线上面提到不能消除提要变压器的克制,在增加天线的高度剖面结构和天线的复杂性。阿基米德螺旋天线,美联储在2009年提出了一种不平衡的方式由Nakano et al .,, 2010年,还提出了一个单臂阿基米德螺旋天线的带宽是足够宽9,10]。单臂阿基米德螺旋天线(9)是建立在印刷电路板的天线实际(11]。然而,单臂阿基米德螺旋天线(9,11)不要函数在UHF波段;因此,他们不能直接用于PD检测电力设备。如果使用这些类型的天线,许多参数优化。

单臂阿基米德螺旋天线设计根据超高频检测需求因此在本研究中开发的。古怪的饲料的方法用于(9,11因为参数的变化修改)。讨论了各种参数对天线的影响,实现和几个精心设计的试验证明该天线的实用价值。

2。天线设计

2.1。工作原理

双臂阿基米德螺旋天线的工作原理可以解释当前的能带理论。如果两臂长度差别波长的一半,相邻的旋臂上的辐射是叠加的。因此,辐射集中在螺旋环皮带,周长约(12]。单臂阿基米德螺旋天线的工作原理也可以解释当前的能带理论。所不同的是,两个天线的辐射不是武器,而是来自一个,最终缩短天线的有效长度的手臂。也可以实现圆极化天线的宽带后适当调整。

2.2。天线结构

天线的结构如图1。天线主要由一个旋臂,一个FR4板、阀瓣和同轴针。逐渐减少结构应用于天线降低终端的强度反映当前的(13]。锥提要是用来提高频率特性。天线旋转是右撇子。提供了更多的细节图2。FR4板相对介电常数和介电损耗被选为衬底的天线。螺旋的外半径()是95.6毫米,内半径()是15.9毫米。螺旋圈的数量()是10,天线的手臂的宽度()是3.5毫米,螺旋增长率()为1.267毫米/ rad。阀瓣和螺旋天线之间的距离()是5毫米,圆盘半径()是30毫米。

3所示。仿真和优化

3.1。仿真模型

流行的电磁仿真软件ANSYS基于利用设计天线。解算器是基于有限元法(FEM)。简化模拟过程中,薄金属板被替换为一个2 d平面,和边界条件被设定完美e .天线的结构可以更清楚地理解数据1和2被认为是在一起。FR4板,其成功的章节中说明了对天线性能的影响,在模拟过程中被省略了。激励端口设置为集中。

3.2。对仿真结果的分析

天线的特性进行了分析通过快速扫描方法,即GHz-3 0.5 GHz的频带。天线性能的一个重要指标,相关的阻抗特性主要是阻抗匹配的天线。电压驻波比和总是利用价值的阻抗匹配情况下的工程14]。如果天线只配备了一个港口,和反射系数价值是相等的。具体公式如下: 在哪里输入阻抗的值是和给水管路的特性阻抗,主要的价值50。如果阻抗匹配,反射系数变成了零。因此,的价值或将小。

回波损耗,ANSYS基于输出的参数之一,也是天线性能的一个重要指标。计算公式是

图3显示了天线回波损耗和频率之间的关系。回波损耗,这是不到10−dB,对应频带1.15 GHz - 2.4 GHz。绝对带宽成为1.25 GHz。然而,天线性能较低或高频率低于预期,因为天线的有效辐射面积的变化。天线在低频率下运行时,辐射区域位于有效辐射的边缘部分是不够长。如果天线在高频率、辐射区域成为饲料终端,在阀瓣和同轴针附近。这些因素影响天线的性能。

方向性,天线的另一个重要性能指标,如图4。图中还提供了天线三维辐射模式的操作在1.2 GHz的频率。天线可以两边辐射右旋和左旋极化波天线平面类似传统的阿基米德螺旋天线。最大的辐射方向性的设在()。后续的仿真表明,辐射模式- - - - - -飞机不再是全方位的,因为模拟频率增加。辐射模式大约是心形当模拟频率为1.7 GHz。辐射模式变成椭圆当模拟频率为2.0 GHz。

上面的现象称为如图5。波瓣分裂现象将出现在的辐射模式- - - - - -飞机如果模拟频率继续增加。这些结果表明,非对称结构的单臂阿基米德螺旋天线中的结果不对称天线的辐射方向图。当有效辐射面积位于阀瓣底部的范围,辐射模式完全是影响(9]。圆盘的半径为30毫米。因此,如果天线的运作超过1.6 GHz的频率,有效辐射面积将位于阀瓣的范围。辐射模式变化时,天线在1.7和2.0 GHz。

双臂阿基米德螺旋天线是一个典型的圆偏振天线,单臂一个也可以用作圆偏振天线。轴向比率是一个重要的参数来评估圆偏振的性能。圆极化带宽通常定义为相对应的频率范围内的轴向比率值小于3 dB。天线的频率响应轴比例如图6。圆极化带宽0.62 GHz - 2.03 GHz,基本上满足了设计要求。

3.3。天线的参数的影响

FR4板取代空气简化仿真模型。然而,天线通常是制造印刷电路板。因此,分析介电材料对天线性能的影响是必要的。当介质从空气FR4,用于制造印刷电路板,天线的输入阻抗变化的频率响应,如图7。图7还表明,频率乐队走向低频带,和阻抗降低到30。大量仿真表明,如果天线的大小保持不变,阻抗不能接近50即使其他参数(天线的介质材料除外)显著变化。因此,在这项研究中,天线臂和阀瓣之间的电介质材料不是一个单一的类型。空气和FR4组成材料。FR4板的厚度仅为1毫米,和空气层的厚度为4毫米。几个绝缘支架是用来保证天线臂和阀瓣之间的机械连接。仿真结果表明,电介质的影响可以忽略,如果FR4板的厚度仅为1毫米。可以使用前面的仿真结论在当前天线。如果天线工作在另一个环境,如石油、或科幻小说₆气体,很难校准阻抗变化,因为天线臂和阀瓣之间的介质的变化。所以天线设计本文建议使用在空气中在正常温度。

螺旋天线的内半径远远大于中提到的一个(11因为天线的工作频带是包含在超高频乐队。如果一个古怪的喂养方法,天线的结构会变得不稳定。因此,一个锥形过渡喂养法以保证结构稳定性。的价值对应于不同的锥角如图8。天线的回波损耗特性是理想当锥角为90°。如果锥角很小,喂养过渡变得不足。此外,当锥角太大,目前的金属板,这是90°范围内,影响最初的电流。因此,锥角应该是90°。

天线臂的宽度影响相邻耦合情况下的手臂。因此,分析造成的影响天线臂的宽度是必要的。如果手臂的宽度()变化,相邻天线之间的分离距离武器也将改变。因此,责任比,这被定义为(邻武器之间的距离),应用简化的问题。图9显示电压驻波比的关系和责任比例在1.9 GHz的频率。最优责任比例范围从0.35到0.5。因此,责任比设置为0.44。其他天线参数的影响,如天线高度和节盘半径,已经完全被Nakano et al。9),因此这里不讨论。

4所示。局部放电测量结果和分析

三种典型的电力设备缺陷模型被设计来验证检测能力的单臂阿基米德螺旋天线在实验室。一个典型的微带天线和脉冲电流检测方法也被用来确定单臂阿基米德螺旋天线在超高频检测有实用价值。

4.1。人工绝缘缺陷模型

人工绝缘缺陷模型设计了基于模型(15]。的制备方法采用(16]。模型结构如图10。圆柱形电极的直径是25毫米,和圆盘电极的直径是80毫米,等于直径的环氧板的厚度是0.5毫米。气隙缺陷模型包括三个环氧板;中间有一个洞的直径38毫米。曲率半径的电极针电晕的缺陷模型是200μm,环氧树脂板和电极针之间的距离大约是3毫米。所有的人工绝缘缺陷模型放置在玻璃容器充满变压器油模拟变压器油中放电。

接线图如图11。检测阻抗是用来获得脉冲电流引起的PD信号。捕捉的超高频信号,天线被运送到示波器通过传输电缆。电缆的距离等于一个用于传输信号检测阻抗。检测阻抗被连接到接地冰线缺陷的模型,和天线组40厘米远离缺陷模型。所有的测试是在屏蔽室的尺寸是6米×4米×3.3米。单臂阿基米德螺旋天线的最大灵敏度范围从3.5到7.3 (dBi dBi天线在不同频率工作。

前的背景噪音应该测量测试。单组阿基米德螺旋天线的信号,信号从典型的微带天线,同时检测阻抗测量。每个缺陷记录的初始放电电压U₀最后测试电压,应获得的PD信号1.2 U₀。超高频天线之间的距离(包括螺旋和微带天线)和缺陷模型是40厘米,和传输电缆的长度是相同的。

4.2。测试结果和分析

单臂阿基米德螺旋天线的背景噪音测量是1.35 mV。没有观察到显著的脉冲干扰整个测试时间。此外,背景噪音水平保持稳定。电晕放电信号通过螺旋天线和检测阻抗图所示12。测量结果表明,信噪比(信噪比)的设计天线是满意的,电晕放电总是发生在测试电压的峰值。此外,负面的放电峰值更可能诱发超高频信号;这一现象可以解释通过针板电极放电理论(17]。尽管PD发生在积极的峰值,螺旋天线的测量灵敏度不是足够好而其检测阻抗。长针和圆盘电极之间的距离会导致长时间的增加正极性电流脉冲和超高频信号,诱导的电流脉冲,同时变弱18]。

图13显示了气隙放电信号通过螺旋天线。与油中电晕放电相比,气隙放电似乎更加活跃。它总是发生在0°-90°和180°-270°阶段的测试电压。在这些范围,测试电压的绝对值增加。考虑到气体是一种可恢复绝缘,PD电压降低的价值时,也不见了。因此,气隙放电总是发生在工频电压的1/4和3/4期(19]。

图14表明,PD表面放电模型的特征不明显,并从检测阻抗信号的振幅很小。超高频信号通过螺旋天线几乎覆盖了背景噪音。表面放电的发展相对缓慢,实验时间太短,获得一个好的PD结果(20.]。因此,天线的检测结果是不足够好。增加测试时间和执行信号去噪获得更好的表面放电数据是必要的。

上述分析表明,螺旋天线设计在这个研究可以有效地检测PD信号来自典型的变压器绝缘缺陷模型。信号的相位特性是显而易见的。天线与信噪比的一般测量的要求,天线可用于超高频检测。模拟PD现象发生在电力变压器准确,测试时间和人工模型应该设计合理。

4.3。对比试验与微带天线

的外部维度微带天线的中心频率900 MHz是15.8厘米×12.5厘米。因此,微带天线的面积接近200厘米²。天线设计在这个研究的面积大约是280厘米²。微带和螺旋天线接收同一PD源产生的超高频信号同时进行。去噪函数“wden”Matlab应用于预处理数据。图15显示了两个天线的输出信号在一个电压周期;缺陷模式是气隙缺陷。螺旋天线的检测灵敏度明显高于的微带天线。尽管螺旋天线的面积略大于微带,螺旋天线的敏感性是一个数量级高于典型的微带天线。使用螺旋天线检测air-dap PD信号的缺陷,其能量浓度比1 GHz频率低,似乎不足(16]。然而,只要螺旋天线充分利用高频率的能量分离,其检测效果优于一个窄带天线。

5。结论

单臂阿基米德螺旋天线操作在1.15 GHz - 2.4 GHz频段设计。其性能在实验室进行了研究。主要结论如下。(1)单臂阿基米德螺旋天线可以直接由50同轴电缆,可以在超高频波段操作。单臂天线的结构不同于的单臂一9]。(2)单臂阿基米德螺旋天线的带宽,和它的截面高度低于传统的双臂天线。然而,与双臂天线相比,单臂天线的方向性特征不够好,和它的表面积更大。(3)单臂阿基米德螺旋天线可以检测PD信号来自变压器绝缘缺陷。天线的敏感性明显高于一个窄带天线和这是第一次用单臂阿基米德螺旋天线领域的PD检测。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究是由美国国家科学基金会支持的中国(51321063)。