近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓開(kāi)關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。高壓開(kāi)關(guān)柜由于其內(nèi)部空間狹小、零件繁多、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)絕緣缺陷從而引發(fā)局部放電故障。一般來(lái)說(shuō)，局部放電產(chǎn)生的電流脈沖能夠激勵(lì)起超高頻段的電磁信號(hào)（0.3～3GHz），由于該頻段外界干擾幾乎不存在，所以人們逐漸將超高頻在線檢測(cè)的方法作為檢測(cè)局部放電信號(hào)的重要手段。

超高頻（ultra high frequency, UHF）傳感器是局部放電超高頻檢測(cè)系統(tǒng)中的核心器件，用于局放檢測(cè)的UHF傳感器主要有以阿基米德螺旋天線為代表的非頻變天線、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等。其中由于微帶天線具有剖面低、體積小、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸成為UHF傳感器中的研究熱點(diǎn)。

但是相比較于其他天線，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，若能在展寬微帶天線檢測(cè)頻帶的同時(shí)又保持上述優(yōu)點(diǎn)，則能夠得到一種體積較小、易于安裝和檢測(cè)靈敏度高的微帶天線。

本文設(shè)計(jì)的微帶天線通過(guò)增加介質(zhì)板厚度和空氣層結(jié)構(gòu)有效地展寬了天線頻帶。并引入Koch分形理論來(lái)增加輻射貼片的有效長(zhǎng)度，在降低諧振頻率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)尺寸的小型化。在理論計(jì)算方面，利用圓形微帶結(jié)構(gòu)擬合Koch分形結(jié)構(gòu)的方法估算出分形天線的主要尺寸，最后由三維電磁仿真軟件（high frequency structure simulator, HFSS）建立天線模型，并通過(guò)仿真計(jì)算配置最優(yōu)天線模型參數(shù)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的天線能夠滿足開(kāi)關(guān)柜局部放電超高頻在線檢測(cè)的要求。

圖1 Koch曲線迭代過(guò)程

圖2 Koch分形天線結(jié)構(gòu)

圖4 Koch微帶天線模型

結(jié)論

本文在引入Koch分形理論在傳統(tǒng)矩形微帶天線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一種適用于開(kāi)關(guān)柜局部放電超高頻檢測(cè)天線。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)該天線進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

利用圓形微帶結(jié)構(gòu)擬合Koch分形天線結(jié)構(gòu)的方法，能夠正確地計(jì)算出天線模型各個(gè)方面的尺寸。通過(guò)改變微帶貼片形狀和饋電點(diǎn)位置、增加介質(zhì)基底和空氣層的厚度，可以有效地展寬頻帶并降低諧振頻率，在滿足寬頻化和低頻化的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)天線的小型化，便于后期安裝。

所設(shè)計(jì)的超高頻傳感器在VSWR＜5的檢測(cè)頻帶為535～825MHz，在檢測(cè)頻帶內(nèi)，天線的方向性良好，且平均增益為1.5dB，可滿足對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電超高頻信號(hào)的采集要求。