南京工程學(xué)院電氣工程學(xué)院、中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)江蘇電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司研究員陳雷、唐健、王志瑞在2019年《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，為了滿足寬帶、高增益、小尺寸的高壓開(kāi)關(guān)柜局放超高頻檢測(cè)天線的性能要求，在引入科赫分形結(jié)構(gòu)和空氣層理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型科赫分形微帶天線。

利用仿真軟件HFSS對(duì)天線模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，選擇了一組最優(yōu)參數(shù)作為天線對(duì)象。仿真結(jié)果表明，天線尺寸為180mm×180mm，VSWR < 5的檢測(cè)頻帶為535-825 MHz，天線平均增益為1.5dB，滿足超高頻檢測(cè)的要求。

近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高壓開(kāi)關(guān)柜已被廣泛用作電力系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。高電壓開(kāi)關(guān)柜由于其內(nèi)部空間小、部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣距離小等特點(diǎn)，比其他電力設(shè)備更容易出現(xiàn)絕緣缺陷，從而引起局部放電故障。一般來(lái)說(shuō)，局部放電產(chǎn)生的電流脈沖可以激發(fā)超高頻帶的電磁信號(hào)(0.3 ~ 3千兆赫)。由于該頻段幾乎沒(méi)有外界干擾，人們逐漸將超高頻在線檢測(cè)方法作為檢測(cè)局部放電信號(hào)的重要手段。

超高頻傳感器是局部放電超高頻檢測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備。用于局部放電檢測(cè)的超高頻傳感器主要包括以阿基米德螺旋天線為代表的非變頻天線、以單極天線為代表的線天線和以微帶天線為代表的面天線。其中，微帶天線以其低剖面、小體積、易集成等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為超高頻傳感器的研究熱點(diǎn)。

然而，與其他天線相比，微帶天線的頻帶較窄，這在一定程度上限制了其在電力設(shè)備局部放電檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。如果在加寬微帶天線的檢測(cè)頻帶的同時(shí)能夠保持上述優(yōu)點(diǎn)，則能夠獲得具有小體積、易于安裝和高檢測(cè)靈敏度的微帶天線。

本文設(shè)計(jì)的微帶天線通過(guò)增加介質(zhì)板和空氣層結(jié)構(gòu)的厚度，有效地拓寬了天線的頻帶。引入科赫分形理論來(lái)增加輻射貼片的有效長(zhǎng)度，可以降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)的小型化。在理論計(jì)算方面，通過(guò)將科赫分形結(jié)構(gòu)與圓形微帶結(jié)構(gòu)擬合，估算出分形天線的主要尺寸。最后，利用高頻結(jié)構(gòu)模擬器(HFSS)建立天線模型，通過(guò)仿真計(jì)算配置最佳天線模型參數(shù)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的天線能夠滿足超高頻在線檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜的要求。

圖1科赫曲線迭代過(guò)程

圖2科赫分形天線結(jié)構(gòu)

圖4科赫微帶天線模型

結(jié)論

本文在介紹科赫分形理論和傳統(tǒng)矩形微帶天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于開(kāi)關(guān)柜局部放電的超高頻探測(cè)天線。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行了優(yōu)化建模和仿真，得出以下結(jié)論:

采用圓形微帶結(jié)構(gòu)來(lái)擬合Koch分形天線結(jié)構(gòu)可以正確計(jì)算天線模型各個(gè)方面的尺寸。通過(guò)改變微帶貼片的形狀和饋電點(diǎn)的位置，增加介質(zhì)基片和空氣層的厚度，可以有效地?cái)U(kuò)展寬帶，降低諧振頻率，在滿足寬帶和低頻的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化，便于以后的安裝。

所設(shè)計(jì)的超高頻傳感器的檢測(cè)頻帶為535-825兆赫，VSWR小于5。在檢測(cè)頻段內(nèi)，天線具有良好的方向性，平均增益為1.5分貝，能夠滿足0+局部放電超高頻信號(hào)的捕獲要求。