CN101527221A - 一种外置式的gis局部放电的超高频监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及于电力设备绝缘状态监测技术，公开了一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，包括介质本体和两个电极板；所述介质本体由上底面为矩形、下底面为内弧面的四棱锥台，以及与四棱锥台上底面连为一体的长方体组成，所述四棱锥台具有一对对称的梯形侧面和一对对称的底边为弧线的侧面，其内弧面与待测GIS的盆式绝缘子的外径相配合；所述两个电极板分别贴附在所述四棱锥台的两个底边为弧线的侧面上，并延伸至所述长方体的相应矩形面上；所述长方体的贴附电极板的矩形面的几何中心为电极板的馈电中心。

Description

一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器

技术领域

本发明涉及于电力设备绝缘状态监测技术，特别涉及一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器。

背景技术

GIS(Gas Insulated metal-enclosed Switchgear)局部放电的监测传感器面临的关键问题是如何在强电磁干扰环境下有效提取微弱信号。GIS局部放电的监测要求在GIS运行的现场条件下进行，由于现场条件下存在大量的电磁干扰信号，尤其在常规GIS局部放电的监测传感器所使用的频段为几十kHz～几百kHz，干扰信号的强度一般远远大于所要监测的局部放电信号，使得局部放电监测的电信号采集无法实现。

GIS运行现场的干扰源主要有：架空线和变电站母线上的电晕脉冲、导体接触不良产生的电弧放电、站内可控硅产生的强电脉冲、其它设备内部的放电、无线电波、载波通讯、系统内开关动作等，这些干扰主要集中在200MHz以下频段。虽然也存在超高频干扰信号，但由于在传播路径上衰减很快，并且很容易被屏蔽，因此一般不能到达GIS设备。

相比之下，GIS的同轴结构是一个良好的波导，其内部的局部放电辐射出的超高频(300～3000MHz)电磁波可在内部有效地传播。因此，选择超高频段的电磁信号作为监测信号，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰。UHF法就是通过超高频传感器接收电力设备内部局部放电所产生的超高频电磁波来实现局部放电的监测。

实际运行中的GIS装置是由许多间隔组成的，每个间隔之间采用盆式绝缘子封闭。局部放电产生的电磁波除了在GIS内部沿轴线传播外，还会从盆式绝缘子处泄漏到外部空间。因此，传感器可以安装在GIS内部和盆式绝缘子的外部。按照安装位置的不同，超高频传感器可分为内置式和外置式两种。

内置式传感器特点是抗干扰性能好，灵敏度高，但是安装内置传感器容易破坏GIS内部电场结构，对制造安装的要求较高。外置式传感器安装在GIS金属外壳和盆式绝缘子连接处，接收从该处泄露出来的电磁波，简单方便。由于我国多数GIS产品并没有在出厂时预装内置传感器，因此，外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器的研究成为重点。

目前GIS局部放电的超高频监测中常用的外置式传感器可按频带宽度分为两种：宽带传感器和窄带传感器。宽带传感器测量的频带很宽，一般为数百MHz，包含的信息量较大，能更精确地研究GIS内局部放电的频率成分；窄带传感器一般选取某一中心频率附近数MHz或数十MHz宽度的频率进行测量。

发明内容

针对以上技术现状，本发明的目的在于另辟蹊径，提供一种宽频带、高灵敏度、外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器。

为达到上述目的，本发明采用超高频法测量GIS中的局部放电信号，其原理为：运行中的GIS设备内部充有高气压SF₆气体，其绝缘强度和击穿场强都很高。当局部放电在很小范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流。对信号进行频谱分析，可以知道其等值频率最大大可达1GHz，属于处于微波波段的超高频电磁波(300-3000MHz)。同轴结构的GIS是一个良好的波导结构，超高频电磁波可在其内部有效的传播，而且信号衰减相对很小(试验表明，1GHz的电磁波在直径为0.5m的GIS内传播所产生的衰减只有3-5dB/km.)。电力系统中的电晕放电等主要电磁干扰信号的频率一般在150MHz以下，而且其在空气中传播，衰减很快。另外，超高频段内的其它干扰也相对较少，因此，可以选择超高频段的电磁信号作为监测信号。本发明同时利用GIS的自身结构，采用外置式，非常方便，其原因是：GIS并不是完全金属封闭的，通常由许多段间隔组成，不同间隔处由盆式绝缘子进行连接，在GIS外部的盆式绝缘子处接收辐射出的电磁波，可以反映出GIS内部局部放电的情况，从而达到使用超高频法测量GIS中局部放电的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，包括介质本体和两个电极板；所述介质本体由上底面为矩形、下底面为内弧面的四棱锥台，以及与四棱锥台上底面连为一体的长方体组成，所述四棱锥台具有一对对称的梯形侧面和一对对称的底边为弧线的侧面，其内弧面与待测GIS的盆式绝缘子的外径相配合；所述两个电极板分别贴附在所述四棱锥台的两个底边为弧线的侧面上，并延伸至所述长方体的相应矩形面上；所述长方体的贴附电极板的矩形面的几何中心为电极板的馈电中心。

本发明的进一步改进和特点在于：

(1)所述四棱锥台的上底面和其梯形侧面的下底边的垂直距离为设计频带的下限频率对应电磁波长的1/4。

(2)所述内弧面与其中一个电极板的近内弧面的端部之间设置有与介质本体连为一体的绝缘带；所述绝缘带的宽度为2～5mm。

(3)所述四棱锥台的两个梯形侧面的夹角为20°～60°。

(4)所述电极板为铜板。

(5)所述介质本体与待测GIS的盆式绝缘子的介电常数为同一数量级。

(6)所述介质本体与待测GIS的盆式绝缘子为同一材质。

本发明的传感器为喇叭状，适合于用来耦合超高频的GIS局部放电信号，避开了常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，从而显著地提高局部放电监测的信噪比。喇叭内部采用与GIS盆式绝缘子介电常数相近的材料作为介质本体，能够更好地消除传感器与盆式绝缘子之间空气的影响，将介质本体的矩形波导截面设计为内弧面，使传感器具有较高的增益、较低的电压驻波比(VSWR)、较宽的工作频带、信噪比高、灵敏度高，具有良好的传输信号相位中心不变性，并且重量轻、制造容易。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一个具体的超高频监测传感器的主视图；

图2为图1的俯视图；图1、图2中：

1——介质本体；

2——电极板；

3——绝缘带；

A——馈电中心；

l——介质本体中长方体的长度；

w——介质本体中长方体的宽度；

h——介质本体中长方体的高度；

w1——绝缘带的宽度；

H——内弧面宽度；

R——内弧面半径；

L——为四棱锥台的上底面和其梯形侧面的下底边的垂直距离；

th——张角，为四棱锥台的两个梯形侧面的夹角为20°～60°的1/2。

图3为张角th关于反射参数S的仿真结果图；横坐标为频率(Frenquency)，单位为MHz；纵坐标为S参数(S-Parameter)，单位为dB。

图4为w1值关于反射参数S的仿真结果图；横坐标为频率(Frenquency)，单位为MHz；纵坐标为S参数值(S-Parameter)，单位为dB。

图5(a)为具有两个对称电极板的传感器的短时激励和反射时域波形图；纵坐标为信号幅度(Time Signals)，单位为V；横坐标为时间(Time)，单位为ns。

图5(b)为具有绝缘带的不对称电极板的传感器的短时激励和反射时域波形图；纵坐标为信号幅度(Time Signals)，单位为V；横坐标为时间(Time)，单位为ns。

图6为252kV GIS局部放电的超高频监测传感器关于反射参数S的仿真结果图；横坐标为频率(Frenquency)，单位为MHz；纵坐标为S参数值(S-Parameter)，单位为dB。

图7为252kV GIS局部放电的超高频监测传感器关于反射参数S的实测结果图；横坐标为频率(Frenquency)，单位为MHz；纵坐标为S参数值(S-Parameter)，单位为dB。

具体实施方式

参照图1、图2、图3，外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，主要包括介质本体1和两个电极板2。

介质本体1由上底面为矩形、下底面为内弧面的四棱锥台，以及与四棱锥台上底面连为一体的长方体组成，四棱锥台具有一对对称的梯形侧面和一对对称的底边为弧线的侧面，其内弧面与待测GIS的盆式绝缘子的外径相配合；并且介质本体1与待测GIS的盆式绝缘子的介电常数相接近，或者为同一材质，这样可以减少耦合到的信号在不连续介质中的衰减。四棱锥台的两个梯形侧面的夹角为20°～60°，四棱锥台的上底面和其梯形侧面的下底边的垂直距离为设计频带的下限频率对应电磁波长的1/4，这样可以满足传感器的超高频带要求，又能保证传感器的体积适中。

电极板2为铜板，两个电极板2分别贴附在四棱锥台的两个底边为弧线的侧面上，并延伸至与四棱锥台连接的长方体的相应矩形面上；四棱锥台的下底面(内弧面)与其中一个电极板2的近内弧面的端部之间设置有与介质本体3连为一体的绝缘带3，可以进一步扩展传感器的频带。长方体的几何中心做为两个电极板的馈电中心，可以使相位色散最小，因此，传感器输出端的同轴线接头安装于长方体的贴附电极板的矩形面的几何中心。

针对国内252kV电压等级GIS设备，发明人制作了相应的252kV GIS局部放电的超高频监测传感器，其外观尺寸参照图1、图2所示。在对本发明做进一步的详细说明中，对可能影响传感器性能的参数分析，采用CST MicroWaveStudio 5.0软件做仿真计算。

(1)R、H、L值选取

在252kV GIS局部放电的超高频监测传感器中，参数R、H由GIS盆式绝缘子的尺寸决定，具体R、H值分别为法兰处盆形绝缘子外径520mm和厚度40mm；L值由设计频带的下限频率决定，为了扩展传感器监测的频率范围，取设计频带的下限频率为200MHz(电磁波长1.5m)，L值取1/4波长为37.5cm。

(2)张角th的选取

当传感器接收外部辐射来的电磁波信号时，在传感器的入端会发生反射。本发明用S参数来表征传感器对信号的反射能力，单位为dB。S参数与反射系数Γ_L的对应关系为

S＝20lg(|Γ_L|)                     (1)

驻波系数(VSWR)ρ与Γ_L的对应关系为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1+\left|{\mathrm{\Γ}}_L\right|}{1-\left|{\mathrm{\Γ}}_L\right|}---\left(2\right)$

工程中一般要求ρ＜2，由上述两式可得：

S＜-9.54dB

即设计的传感器在要求频段内S参数小于-10dB时，可满足要求。

在S参数小于-10dB的情况下，对th分别取10°、15°、20°、25°、30°，其结果如图3所示。张角的选取以传感器的反射系数尽量低而且平坦为标准。本实施例中，选取th＝20°。

(3)w、h和l尺寸的选取

根据平行平板特性阻抗计算公式：

$Z_c=120\mathrm{\π}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\frac{h}{w}$

馈电电源的电阻为50Ω，填充介质介电常数取为ε_r＝5.2，代入上式中，可得到：

$\frac{w}{h}=3.31$

仿真结果表明w和h的选取对喇叭天线传感器性能影响不大，实际设计中按比例给出w和h具体尺寸即可，l尺寸选取仅考虑到同轴线连接头的尺寸即可。w、h和l具体尺寸分别为68mm、20.5mm、20mm。根据天线馈电端口的特性，两个电极板的馈电中心位于长方体的贴附电极板的矩形面的几何中心时，可以使相位色散最小。

(4)w1尺寸的选取

两个电极板不对称，其中一个电极板的近弧面的端部切掉一段，在内弧面与该电极板的近内弧面的端部之间设置有与介质本体连为一体的绝缘带，监测时相当该电极板与GIS金属外壳构成一个加载电容。当参数选择合适时，能降低喇叭口处的反射系数，提高传感器的性能。绝缘带宽度w1在2～5mm时反射系数小，仿真结果如图4所示，当w1取3.5mm时，喇叭口的反射系数较小，而且在200MHz～1000MHz频段范围内较为平坦。

参照图5(a)、5(b)，图中前面幅值较大的信号为激励信号，后面幅值较小的信号为反射信号。当在盆形绝缘子与传感器的接触面上注入幅值为1V的脉冲的情况下，具有两个对称电极板的传感器(其两个电极板同时与盆形绝缘子两侧法兰接触)，与具有绝缘带的不对称电极板的传感器(只有一个电极板与盆形绝缘子一侧法兰接触)相比较，前者的反射信号的最大值约为0.3V，后者的反射信号的最大值约为0.075V。

对于252kV GIS局部放电的超高频监测传感器，在200MHz～1000MHz频段内的对其反射参数S进行了仿真计算，结果如图6所示，并使用AgilentE5062A ENA-L RF网络分析仪实测其反射参数S，结果图7所示。由图可知本发明的传感器在200MHz～1GHz范围内，除少数频率点外，S参数小于-10dB，即驻波比系数小于2，可满足超高频测量的要求。

Claims (8)

1、一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，包括介质本体和两个电极板；所述介质本体由上底面为矩形、下底面为内弧面的四棱锥台，以及与四棱锥台上底面连为一体的长方体组成，所述四棱锥台具有一对对称的梯形侧面和一对对称的底边为弧线的侧面，其内弧面与待测GIS的盆式绝缘子的外径相配合；所述两个电极板分别贴附在所述四棱锥台的两个底边为弧线的侧面上，并延伸至所述长方体的相应矩形面上；所述长方体的贴附电极板的矩形面的几何中心为电极板的馈电中心。

2、根据权利要求1所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述四棱锥台的上底面和其梯形侧面的下底边的垂直距离为设计频带的下限频率对应电磁波长的1/4。

3、根据权利要求1所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述内弧面与其中一个电极板的近内弧面的端部之间设置有与介质本体连为一体的绝缘带。

4、根据权利要求3所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述绝缘带的宽度为2～5mm。

5、根据权利要求1所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述四棱锥台的两个梯形侧面的夹角为20°～60°。

6、根据权利要求1所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述电极板为铜板。

7、根据权利要求1所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述介质本体与待测GIS的盆式绝缘子的介电常数为同一数量级。

8、根据权利要求1所述一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器，其特征在于，所述介质本体与待测GIS的盆式绝缘子为同一材质。

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