局部放电超高频检测分形天线及其制备方法.pdf

本发明公开了一种局部放电超高频检测分形天线，局部放电超高频检测分形天线，包括电介质层和导线层，所述导线层敷设于电介质层的上表面，所述导线层包括多条首尾相连的弯曲导线段，所述导线段根据Hilbert四阶分形原理进行设置，组成四阶辐射天线元件；所述导线层在电介质层上的覆盖面为矩形面，所述覆盖面的边长为导线层的边长，所述导线段上设置有馈电点，本发明的分形天线方向性好、频带宽、驻波比小、便于阻抗匹配，能够满足变压器局部放电在线监测超高频检测的要求；另外，本发明还公开了一种局部放电超高频检测分形天线的制备方法。

1.  局部放电超高频检测分形天线，包括电介质层(1)和导线层(2)，所述导线层(2)敷设于电介质层(1)的上表面，其特征在于：所述导线层(2)包括多条首尾相连的弯曲导线段(22)，所述导线段(22)根据Hilbert四阶分形原理进行设置，组成四阶辐射天线元件；所述导线层(2)在电介质层(1)上的覆盖面为矩形面，所述覆盖面的边长为导线层(2)的边长，所述导线段(22)上设置有馈电点(3)。

2.  根据权利要求1所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：还包括接地层(4)，所述接地层(4)敷设在电介质层(1)的下表面。

3.  根据权利要求2所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：所述馈电点(3)设置在最接近于所述导线层(2)的几何中心点处的导线段(22)上。

4.  根据权利要求3所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：所述导线层(2)的边长取值范围为30～200mm，所述导线段(22)的宽度(a)的取值范围为1～10mm，所述电介质层(1)的厚度(b)的取值范围为1～4mm。

5.  根据权利要求4所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：所述导线段(22)为铜箔。

6.  根据权利要求5所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：所述导线段(22)上镀有锡层。

7.  根据权利要求6所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：所述电介质层(1)为环氧树脂电介质板，其介电常数为4.4，所述电介质层(1)的边长长于导线层(2)的边长，其差值范围为2～8mm。

8.  根据权利要求7所述的局部放电超高频检测分形天线，其特征在于：所述导线层(2)的边长为100mm，所述导线段(22)的宽度(a)为4mm，所述电介质层(1)的厚度(b)为3mm。

9.  制备如权利要求1所述的局部放电超高频检测分形天线的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)计算分形天线谐振频率，确定天线的Hilbert分形阶数和外围尺寸；
2)采用电磁场计算软件仿真优化，得到Hilbert分形天线的导线线宽、介质板厚度、介质介电常数以及天线馈电点位置；
3)根据步骤1)和步骤2)所得结果，设计印制电路板并通过电路板制作工艺得到如权利要求1所述的局部放电超高频检测分形天线。

10.  如权利要求9所述的制备局部放电超高频检测分形天线的方法，其特征在于：还包括步骤4)，在局部放电超高频检测分形天线上，对导线段镀锡。

局部放电超高频检测分形天线及其制备方法
技术领域
本发明涉及分形天线设计领域，特别涉及一种局部放电超高频检测分形天线及其制备方法。
背景技术
变压器是电力系统中最关键的设备之一，它的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。但由于变压器长期运行，故障和事故总不可能完全避免，且引发故障和事故又出于众多方面的原因。在变压器故障中，绝缘故障占有很高的比重，而在发生绝缘故障前会产生局部放电现象，所以，通过变压器局部放电的在线监测，可及时发现变压器内部的潜伏性故障，避免发生突发性的绝缘故障，有利于电力系统的安全运行。
由于局部放电的检测和评价是变压器绝缘状况监测的重要手段。因此，无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都非常关心局部放电检测技术的发展。
目前，我国110kv及以上大型变压器大多采用油浸式变压器，对于此种变压器，油中局部放电是造成变压器绝缘故障的主要因素，油中局部放电会产生纳秒级的电流脉冲，激发频率可以达到上GHz的电磁波。鉴于此种特点，科技人员研究出超高频法来进行相关监测，该法是通过检测伴随局部放电点产生的、频率为200MHz～3000MHz的电磁波来判断局部放电的方法，由于其具有抗干扰能力强、灵敏度高的特点，近年来已经成为了变压器局部放电检测中的重要方法。
变压器局部放电在线监测超高频监测法的关键技术之一是超高频天线，其性能的好坏直接影响局部放电信号的提取与后期处理。目前普遍用于变压器局部放电在线监测超高频检测的天线主要有阿基米德双臂平面螺旋天线、圆锥天线和偶极子天线等，实际应用经验表明：现有天线的检测频带较窄，损失了较多的局部放电信息；输出阻抗较低，不利于与信号传输线路形成良好的阻抗匹配；方向角较窄，不利于接收微弱的局部放电信号。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有天线检测频带较窄、输出阻抗较低、方向角较窄的缺点，公开了一种局部放电超高频检测分形天线，其方向性好、频带宽、驻波比小、便于阻抗匹配，能够满足变压器局部放电在线监测超高频检测的要求；另外，本发明还提供了一种局部放电超高频检测分形天线的制备方法。
本发明的目的之一是提供一种局部放电超高频检测分形天线，包括电介质层和导线层，所述导线层敷设于电介质层的上表面，所述导线层包括多条首尾相连的弯曲导线段，所述导线段根据Hilbert四阶分形原理进行设置，组成四阶辐射天线元件；所述导线层在电介质层上的覆盖面为矩形面，所述覆盖面的边长为导线层的边长，所述导线段上设置有馈电点；
进一步，还包括接地层，所述接地层敷设在电介质层的下表面；
进一步，所述馈电点设置在最接近于所述导线层的几何中心点处的导线段上；
进一步，所述导线层的边长取值范围为30～200mm，所述导线段的宽度的取值范围为1～10mm，所述电介质层的厚度的取值范围为1～4mm；
进一步，所述导线段为铜箔；
进一步，所述导线段上镀有锡层；
进一步，所述电介质层为环氧树脂电介质板，所述电介质层的边长长于导线层的边长，其差值范围为2～8mm。
进一步，所述导线层的边长为100mm，所述导线段的宽度为4mm，所述电介质层的厚度为3mm。
本发明同时提供了一种制备局部放电超高频检测分形天线的方法，包括以下步骤：
1)计算分形天线谐振频率，确定天线的Hilbert分形阶数和外围尺寸；
2)采用电磁场仿真软件仿真优化，得到Hilbert分形天线的导线线宽、介质板厚度、介质介电常数以及天线馈电点位置；
3)根据步骤1)和步骤2)所得结果，设计印制电路板的尺寸规格，并通过电路板制作工艺得到局部放电超高频检测分形天线；
进一步，还包括步骤4)，对局部放电超高频检测分形天线上的导线段镀锡。其目的在于防止铜箔的表面被氧化。
上述步骤3)中，所述电路板制作工艺是指现有的较为成熟的电路板制作工艺，包括雕刻法、热转印法、手描法、油印法、使用预涂布感光敷铜板法等等，其目的在于去掉印刷电路板铜箔上不需要的部分，得到符合设计要求的四阶分形天线元件。
分形技术是得益于数学上分形物体的一些特殊性质发展起来的。无论是自然界中的分形还是数学上的分形物体，都能够通过简单的算法一步步迭代生成，最终能够行成惊人的复杂结构。分形的特性之一就是″分维数″。这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间，也是其能够用于天线小型化设计的一个关键原因。在多种经典的分形曲线中，Hilbert(希尔伯特)曲线由于是由多节线段组成的，所以是一种比传统的曲线能够覆盖更多的空间的分形曲线，事实上，该种曲线几乎可以看作一系列的点来填满整个的正方形表面(本身仍保持是条曲线)。利用这种特性，天线的尺寸可以大大减小。
本发明的局部放电超高频检测分形天线具有以下有益效果：
1.在200MHz到3GHz范围内具有多个检测频带，检测频带较宽，检测频带内驻波比小于5，能够记录局部放电的大部分信息，不会造成遗漏情形；
2.具有50Ω的输出阻抗，易于与信号传输线路形成阻抗匹配；
3.具有球状的方向性，对来自各个方向的信号具有相同的增益，有利于接收在变压器油箱发生复杂折反射的局部放电信号，尤其对微弱信号具有高灵敏性。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的分形天线的结构示意图；
图2为分形天线的侧面示意图；
图3为导线段宽度a为2mm时，电介质层的厚度b取不同数值时的驻波比变化示意图；
图4为导线段宽度a为4mm时，电介质层的厚度b取不同数值时的驻波比变化示意图；
图5为导线段宽度a为6mm时，电介质层的厚度b取不同数值时的驻波比变化示意图；
图6为导线段宽度a为4mm，电介质层的厚度b为3mm时，天线三维方向和增益示意图；
图7为在本发明在1GHz范围内的实测驻波比示意图；
图8为局部放电超高频检测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1至图2所示，本发明包括电介质层1、导线层2和接地层4，导线层2敷设于电介质层1的表面，接地层4敷设在电介质层1的下表面；导线层2包括多条首尾相连的弯曲导线段22，导线段22根据Hilbert四阶分形原理进行设置，组成四阶辐射天线元件；导线层2在电介质层1上的覆盖面为矩形面，覆盖面的边长为导线层2的边长，导线段22上设置有馈电点3，馈电点3设置在最接近于导线层2覆盖面的几何中心点处的导线段22上。本实施例中，导线段22为铜箔，为延长其使用寿命和增强器信号的接受能力，在导线段22上镀有锡层；电介质层1采用环氧树脂电介质板，其介电常数为4.4，电介质层1的边长大于导线层2的边长，其差值范围为5mm。
本实施例中，导线层2的边长为100mm，导线段22的宽度a为4mm，电介质层1的厚度b为3mm。
图3至图6分别表示出导线段22的宽度a和电介质层1的厚度b取不同数值时，其驻波比的变化情况。
如图3所示，当a等于2mm，b等于1mm时，第一个谐振频率点为391MHz，第二个谐振频率点为616.5MHz，天线在这2个谐振频率处的带宽较窄；当a等于2mm，b等于2mm时，第一个谐振频率点为488.7MHz，第二个谐振频率点在924.8MHz，天线在这1个谐振点的带宽较窄；当a等于2mm，b等于3mm时，第一个谐振频率点为849.6MHz；当a等于2mm，b等于4mm时，天线的第一个谐振频率点在849.6MHz，天线在这该谐振点的带宽比较宽。
如图4所示，当a等于4mm，b等于1mm时，第一个驻波比小于2的频率点为1.293GHz；当a等于4mm，b等于2mm时，天线谐振频率点为571.4MHz，天线在这该谐振点的处的驻波比比较平坦，带宽很宽；当a等于4mm，b等于3mm时，天线第一个谐振频率点为278.2MHz，天线第二个谐振频率点为624.1MHz，天线第三个谐振频率点为909.8MHz，天线在这三个谐振频率点处的带宽都比较宽；当a等于4mm，b等于4mm时，第一个谐振频率点为285.7MHz，第二个谐振频率点为561.4MHz，天线在这二个谐振频率点处的带宽都比较窄。
如图5所示，当a等于6mm，b等于1mm时，天线第一个谐振频率点为353.4MHz，天线第二个谐振频率点为992.5MHz，天线在这2个谐振频率点处的带宽都比较宽；当a等于6mm，b等于2mm时，天线第一个谐振频率点为571.4MHz，天线在该谐振频率点处有很平坦的驻波比，带宽也比较宽；当a等于6mm，b等于3mm时，天线第一个谐振频率点为714.3MHz，天线在该谐振频率点处的带宽比较宽；当a等于6mm，b等于4mm时，天线的驻波比从600MHz到1.3GHz都比较平坦，但是第一个驻波比小于2的频率点为1.241GHz。
通过图3、图4和图5，可以看出，当天线的导线宽度a为4mm，介质厚度b为3mm时天线在1GHz以下有3个谐振频率点，且三个谐振频率点处带宽都比较宽，最能满足设计和使用的要求。
仿真得到的天线三维方向和增益示意图如图6所示。由图中可见，天线具有半球状的方向图，能接收来自各个方向的电磁波，其方向性和增益都比较好。
图7为本发明的分形天线在1GHz范围内的实测驻波比。天线的三个谐振频率为261.224MHz、515.679MHz和869.331MHz。天线在261.224MHz时驻波比约为1.7，在515.679MHz时驻波比约为1.4，在869.331MHz时驻波比约为1.3。驻波比VSWR小于5时，第一个谐振频率处的通频带约为150MHz～320MHz，第二个谐振频率处的通频带约为430MHz～620MHz，第三个谐振频率处的通频带约为740MHz～1GHz以上。本发明的分形天线检测频带较宽，检测频带内驻波比小于5，具有高灵敏度的特性，非常适合局部放电超高频的检测，能够记录大部分的局部放电信息，即使信号微弱，也能完整记录。
如图8所示的一套用于变压器局部放电超高频检测的装置，包括了本发明的分形天线4、放大滤波器5、高速数字采集器6和处理主机7，其中，分形天线4的馈电点通过同轴射频电缆8与放大滤波器5的输入端相联，放大滤波器5的输出端通过同轴射频电缆9与高速数字采集器6的信号输入端相联，高速数字采集器6与处理主机7之间通过数据总线联接10，分形天线4通过变压器的介质窗放置在变压器的箱体内壁，放大滤波器5安装在现场专用的控制柜内，高速数字采集器6和处理主机7安装在主控室内，以便运行人员能够方便地监测变压器内部的局部放电。
表1

表2

表1所示为同一放电模型在三个试验电压下产生超高频信号频谱之间的相似度；表2所示为同一试验电压下不同放电模型产生超高频信号能量频谱之间的相似度。其中，油中气隙放电用字母G表示，油中沿面放电用字母S表示，油中悬浮电极放电用字母F表示，油中电晕放电用字母C表示，试验中采用的电压等级分别用Lv1，Lv2，Lv3表示。由表1可以看出，对于同一个放电模型，当试验电压改变时，超高频信号频谱之间的相似度变化不大；由表2可以看出，在同一实验电压下，不同类型的放电模型的测量得到的超高频信号频谱相似度较低，可以从波形的角度对不同类型的放电信号进行识别。有鉴于此，发明人对每一种放电模型三个电压等级的150组数据提取波形特征量-分维数，通过小波(小波包)分解得到小波(小波包)系数，对每一层的小波(每一个节点的小波包系数)计算分形维数，将得到的分形特征作为特征量，通过反向传播神经网络(BPNN)进行训练和识别。表3为BPNN识别结果表，由表3可以看出，采用该方法对四种放电类型的识别率非常高。分析原因主要是在于通过四阶分形天线测量得到的不同类型放电的超高频信号差异非常大，本发明的四阶Hilbert分形天线在1GHz以内具有三种检测频带，能够获得更加丰富的局部放电超高频信息。
表3

本发明的制备局部放电超高频检测分形天线的方法，主要包括以下步骤：
1)计算分形天线谐振频率，确定天线的Hilbert分形阶数和外围尺寸；
2)采用电磁场计算软件仿真优化Hilbert分形天线的导线线宽、介质板厚度、介质介电常数以及天线馈电点位置；其中馈电点的位置设定是在电磁场计算软件中，将馈电点离贴片中心的距离设为变量，进行参数扫描，作出输入阻抗与馈电点坐标曲线，找准50欧的对应点，该点即馈电点位置。
3)设计印制电路板并通过电路板制作工艺得到分形天线；
4)对分形天线上的导线段镀锡。
在步骤3)中，本实施例是根据步骤1)和步骤2)所得结果，采用Protel或PADS等设计软件绘出印制板图，用针式打印机输出到不干胶纸，然后将不干胶纸贴在已做清洁处理的适合尺寸的覆铜板上，使用切纸刀片沿线条轮廓切出，将需腐蚀部分纸条撕掉，投入三氯化铁溶液中腐蚀，大约经过30～60分钟，将印制电路板取出清洗，晒干后即完成制作。
当然，步骤3)中的电路板制作工艺还包括其他可实现的方式。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。