Hilbert分形天線仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)Hilbert分形天線體積小，可作為內(nèi)置式超高頻天線通過變壓器放油閥置于變壓器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)。分別設(shè)計(jì)了2階和3階Hilbert分形天線，采用Ansoft電磁場(chǎng)仿真軟件，計(jì)算Hilbert分形天線諧振頻率fr及其輸出阻抗Ro，并分析了分形天線外圍尺寸L、分形天線階數(shù)n、天線導(dǎo)體寬度b和饋電點(diǎn)對(duì)fr和Ro的影響。

　　Hilbert分形天線采用印制電路板制作，電介質(zhì)板的介電常數(shù)和厚度由仿真優(yōu)化確定。仿真設(shè)置電路板相對(duì)介電常數(shù)優(yōu)化范圍為3～5，板厚度為1～3mm，分形天線頻帶范圍為300kHz～3GHz，仿真終止條件為諧振頻率處駐波比低于2。1所示為采用中心饋電的2階和3階Hilbert分形天線的fr和Ro隨天線L、n和b變化的仿真計(jì)算結(jié)果，最優(yōu)的電介質(zhì)板介電常數(shù)和厚度分別為4.4和1.6mm。由1可見，fr隨L的增大而降低；n的增加會(huì)導(dǎo)致fr降低；隨著b的增加，fr會(huì)相應(yīng)提高。

　　同時(shí)可以看出，增加n會(huì)引起Ro增加，減小b會(huì)提高輸出電阻Ro。對(duì)于采用中心饋電的Hilbert分形天線而言，很難通過調(diào)整天線參數(shù)使Ro接近50Ω，不利于與50Ω傳輸電纜匹配。

　　通過改變饋電點(diǎn)位置，可改變諧振頻率點(diǎn)天線的輸出阻抗。2所示為L(zhǎng)＝30mm、b＝2mm的3階Hilbert分形天線分別在如2所示的5個(gè)饋電點(diǎn)饋電時(shí)，天線在諧振頻率點(diǎn)fr的輸出阻抗Ro的仿真結(jié)果�？梢钥闯�，fr隨饋電點(diǎn)位置的改變很小，而Ro卻隨饋電點(diǎn)位置發(fā)生很大變化；當(dāng)饋電點(diǎn)設(shè)計(jì)在點(diǎn)4（如2所示）時(shí)，天線Ro最接近于50Ω。

　　模型試驗(yàn)5所示為3種典型變壓器油紙絕緣缺陷。5（a）中高壓電極和接地電極直徑為200mm，厚度為10mm，氣隙放電模型中采用3層紙板疊加制作，中層紙板中心孔徑為100mm，絕緣紙板厚度為0.5mm，直徑為500mm；5（b）中高壓電極和接地電極尺寸與5（a）中所用電極相同，絕緣紙板厚度和直徑也相同；5（c）中高壓針電極錐角度為5°，針身直徑為10mm，接地電極與其他2個(gè)模型接地電極相同，針板電極間隙高度為10mm。

　　局部放電超高頻信號(hào)功率譜分析7所示的3種缺陷模型局部放電實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)的功率譜如12所示�？梢姡瑲庀斗烹姷姆中翁炀�實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)（a）能量分布在200MHz以下、400～700MHz及900～1200MHz等頻段，且在183MHz、478MHz和1210MHz3個(gè)頻率點(diǎn)能量相對(duì)較高；沿面放電的分形天線實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)（b）能量分布頻段與氣隙放電相似，但在超過600MHz頻段的能量很低，在40MHz、183MHz和478MHz頻率點(diǎn)上的能量相對(duì)較高；油中電暈放電的分形天線實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)（c）能量集中在40MHz，在120MHz和195MHz2個(gè)頻率點(diǎn)具有一定的能量。

　　以上分析明，Hilbert分形天線對(duì)3種不同類型局部放電響應(yīng)信號(hào)的功率譜具有明顯的差別，可用于區(qū)分不同類型的局部放電，為進(jìn)一步提取局部放電超高頻信號(hào)特征，進(jìn)行局部放電模式識(shí)別，判斷變壓器內(nèi)部故障類型奠定了基礎(chǔ)。

    分形天線仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)Hilbert分形天線體積小，可作為內(nèi)置式超高頻天線通過變壓器放油閥置于變壓器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)。分別設(shè)計(jì)了2階和3階Hilbert分形天線，采用Ansoft電磁場(chǎng)仿真軟件，計(jì)算Hilbert分形天線諧振頻率fr及其輸出阻抗Ro，并分析了分形天線外圍尺寸L、分形天線階數(shù)n、天線導(dǎo)體寬度b和饋電點(diǎn)對(duì)fr和Ro的影響。

　　Hilbert分形天線采用印制電路板制作，電介質(zhì)板的介電常數(shù)和厚度由仿真優(yōu)化確定。仿真設(shè)置電路板相對(duì)介電常數(shù)優(yōu)化范圍為3～5，板厚度為1～3mm，分形天線頻帶范圍為300kHz～3GHz，仿真終止條件為諧振頻率處駐波比低于2。1所示為采用中心饋電的2階和3階Hilbert分形天線的fr和Ro隨天線L、n和b變化的仿真計(jì)算結(jié)果，最優(yōu)的電介質(zhì)板介電常數(shù)和厚度分別為4.4和1.6mm。由1可見，fr隨L的增大而降低；n的增加會(huì)導(dǎo)致fr降低；隨著b的增加，fr會(huì)相應(yīng)提高。

　　同時(shí)可以看出，增加n會(huì)引起Ro增加，減小b會(huì)提高輸出電阻Ro。對(duì)于采用中心饋電的Hilbert分形天線而言，很難通過調(diào)整天線參數(shù)使Ro接近50Ω，不利于與50Ω傳輸電纜匹配。

　　通過改變饋電點(diǎn)位置，可改變諧振頻率點(diǎn)天線的輸出阻抗。2所示為L(zhǎng)＝30mm、b＝2mm的3階Hilbert分形天線分別在如2所示的5個(gè)饋電點(diǎn)饋電時(shí)，天線在諧振頻率點(diǎn)fr的輸出阻抗Ro的仿真結(jié)果。可以看出，fr隨饋電點(diǎn)位置的改變很小，而Ro卻隨饋電點(diǎn)位置發(fā)生很大變化；當(dāng)饋電點(diǎn)設(shè)計(jì)在點(diǎn)4（如2所示）時(shí)，天線Ro最接近于50Ω。

　　模型試驗(yàn)5所示為3種典型變壓器油紙絕緣缺陷。5（a）中高壓電極和接地電極直徑為200mm，厚度為10mm，氣隙放電模型中采用3層紙板疊加制作，中層紙板中心孔徑為100mm，絕緣紙板厚度為0.5mm，直徑為500mm；5（b）中高壓電極和接地電極尺寸與5（a）中所用電極相同，絕緣紙板厚度和直徑也相同；5（c）中高壓針電極錐角度為5°，針身直徑為10mm，接地電極與其他2個(gè)模型接地電極相同，針板電極間隙高度為10mm。

　　局部放電超高頻信號(hào)功率譜分析7所示的3種缺陷模型局部放電實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)的功率譜如12所示�？梢姡瑲庀斗烹姷姆中翁炀�實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)（a）能量分布在200MHz以下、400～700MHz及900～1200MHz等頻段，且在183MHz、478MHz和1210MHz3個(gè)頻率點(diǎn)能量相對(duì)較高；沿面放電的分形天線實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)（b）能量分布頻段與氣隙放電相似，但在超過600MHz頻段的能量很低，在40MHz、183MHz和478MHz頻率點(diǎn)上的能量相對(duì)較高；油中電暈放電的分形天線實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)（c）能量集中在40MHz，在120MHz和195MHz2個(gè)頻率點(diǎn)具有一定的能量。

　　以上分析明，Hilbert分形天線對(duì)3種不同類型局部放電響應(yīng)信號(hào)的功率譜具有明顯的差別，可用于區(qū)分不同類型的局部放電，為進(jìn)一步提取局部放電超高頻信號(hào)特征，進(jìn)行局部放電模式識(shí)別，判斷變壓器內(nèi)部故障類型奠定了基礎(chǔ)。

 

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