变压器局部放电超高频检测传感器设计的探讨

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1、第29~／2009年第4期湖南哩经验与探讨变压器局部放电超高频检测传感器设计的探讨廉国海，蒋庆云(1．湖南省电力公司，湖南长沙410007；2．福建塔福州超高压输变电局，福建福州350013)摘要：针对变压器的运行和结构特点，分析了用于变压器局部放电超高频信号检测的传感器设计要求，介绍了双臂阿基米德平面螺旋天线的基本原理和设计方法，分析了天线馈电的基本原理，提出了应用印刷电路对称转换器对天线进行馈电的设计思想。关键词：局部放电；超高频；双臂阿基米德平面螺旋天线；印刷电路对称转换器中图分类号：TM406文献标识码：A文章编号：1008-0198(2009)04-0057-03时，有效接收

2、区沿螺线移动。当频率发生变化时，1超高频传感器的基本原理主要辐射区随之变动，但方向图基本不变，因此螺1．1螺旋天线的结构旋天线具有宽带特性。对应最低工作频率，天线必在电力变压器局部放电超高频检测系统中，传须有1．25倍波长的周长。对最高工作频率，要由感器需适合在线安装运行，并且具有较高的检测灵馈电点间的间隔尺寸来确定，其间隔也必须小于A／4】敏度，因此，超高频传感器的设计必须满足下述要。天线最大接收方向在螺旋线平面的法线方求：(I)结构尺寸小巧，能在不改变变压器结构向上，且是双向的，主瓣宽度约为6O。一80。。为和不影响变压器运行的前提下实现在线检测；(2)避免电流在螺旋最外层的边沿上

3、反射，通常在最外能实现带宽为500～1500MHz的局部放电信号检层螺旋线的末端用吸收电阻或有损耗的材料端接。测，并具有良好的频率响应特性；(3)具有较高阿基米德螺旋天线具有一系列优点，正日益受的信号检测灵敏度；(4)具有较高的抗干扰能力到重视。但由于其辐射是双向的，因而增益较低。及干扰信号区分能力。据此，设计了可用于变压器为了获得单向辐射特性，可在其一边加装反射腔。局部放电超高频检测的天线传感器，即双臂阿基米由于反射腔是一个谐振器件，必然会使天线工作频德螺旋天线，如图1所示。带变窄，也就是说，用反射腔实现单向辐射，提高增益，是以牺牲工作带宽为代价的。平衡馈电的阻抗变换器可放在反射腔内

4、，这样避免了方向图倾斜并允许用同轴线馈电。1．2螺旋天线的藕合原理天线接收电磁波原理及等效电路如图2所示。设有1束局部放电产生的电磁波人射到螺旋天线，来波电场E可分解为2个分量：1个分量垂直于电磁波传播方向和天线轴线构成的平面，记为E；另1分量在上述平面内，记为E。由电磁场理图1双臂阿基米德螺旋天线论可知，只有沿天线表面切线方向的电场分量E，=EsinO才能在天线上产生感生电流。相应地，在螺旋的周长为1个波长附近的区域，形成平在天线的一段线元出上，来波电场所激发的感应面螺旋的主要辐射区。周长约为1个波长的那些环电动势为出，在负载中产生的电流为d。各带就形成了螺旋天线的有效接收区，工作频

5、率改变收稿日期：2009-04-02·57·经验与探讨湖南电力第29；~／2009年第4期变，对于非导磁性介质来说，波长的变化主要由占决定，越大，波长越短，相应接收天线的体积也越小。因此，文中采取在天线周围浇铸具有较高介电常数介质的方法予以解决。天线螺旋双臂用印刷电路技术制造，覆铜，基板选用介电常数较低的聚四氟乙烯板，材料板厚度约为1．2mm。为避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，在最外层螺旋线的末端用吸收电阻或有损耗的材料端接。文中设计的阿基米德双螺旋天线工作图2天线接收电磁波原理及等效电路频率为5o0—1500MHz。个线元出上的感应电动势是沿天线分布的，因此，3超高频传感器的馈电设

6、计天线流向负载的电流为d厶之和。经推导可以得出，螺旋天线作为接收天线时，天线输入端产生3．1基本原理的感应电动势为：天线系统包括2部分：天线和馈电线，统称为=F(0，)Ia(1)天馈系统。天馈系统的匹配包含2方面的内容：平式中=^。E为天线输入端产生的开路电压，。衡一不平衡转换和阻抗变换¨引。为天线的有效高度，F(0，)为天线的归一化方平衡转换：如果将同轴线的内外导体直接与天向函数。从而，可以得到天线输出端的感生电流线的2个臂相接，2个臂上将得到不对称的电流分(Z为天线的输入阻抗)：布，如图3所示。，^=彘(2)2超高频传感器的设计双臂阿基米德螺旋天线设计中的关键参数可按下述原则选择¨

7、：(1)外径D取决于下限工作频率对应的波长A一，一般应使其周长C=vD≥1．25A一。(2)内径2ro是2个馈电点之间的距离，对天线的阻抗匹配和上限工作频率影响较大。一般图3同轴线馈电时天线的不平衡现象应取2r0