CN101581746A - 用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器，包括：天线模块，用于多点检测局部放电射频信号，并实现射频信号波形的耦合输出；封装模块，用于封装天线模块。本发明实现了时域响应特性良好，有效测量频带宽，在测量频带内检测信号的相位中心不随中心频率的改变而变化，且具有较高的测量灵敏度的效果，克服了现有技术中由于定位测量传感器的时域响应特性较差，有效测量频带较窄，在测量频带内检测信号的相位中心随中心频率的改变而变化，导致定位参量的测量精度较低的问题。

Description

用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器

技术领域

本发明涉及变压器维护领域，具体而言，涉及一种用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器。

背景技术

电力变压器是电力系统的枢纽设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。对实际故障的统计分析表明，绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因，而局部放电是造成绝缘故障的重要原因。

准确的局部放电故障定位不仅对局部放电危害程度的评估有重要作用，而且是实现变压器状态检修的基本前提之一，可以为变压器状态检修提供科学的指导，以便维护人员有针对地进行设备维修，此外，还有利于迅速排查故障和提高维修水平，同时也对改进变压器的结构设计、提高制造工艺水平具有指导意义。

相关技术提供了一种变压器局部放电定位方案-超宽带射频定位方案。该方案利用天线传感器检测局部放电射频信号(属于空间电磁波)实现了电力变压器局部放电故障定位。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中由于定位测量传感器的时域响应特性较差，有效测量频带较窄，在测量频带内检测信号的相位中心随中心频率的改变而变化，导致定位参量的测量精度较低。

发明内容

本发明旨在提供一种用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器，能够解决相关技术中由于定位测量传感器的时域响应特性较差，有效测量频带较窄，在测量频带内检测信号的相位中心随中心频率的改变而变化，导致定位参量的测量精度较低的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器，该传感器包括：天线模块，用于多点检测局部放电射频信号，并实现射频信号波形的耦合输出；封装模块，用于封装天线模块，使传感器在变压器内部环境中安全、稳定地运行。

因为采用上述技术方案，所以克服了相关技术中由于定位测量传感器的时域响应特性较差，有效测量频带较窄，在测量频带内检测信号的相位中心随中心频率的改变而变化，导致定位参量的测量精度较低的问题，进而达到了时域响应特性良好，有效测量频带宽，在测量频带内检测信号的相位中心不随中心频率的改变而变化，且具有较高的测量灵敏度的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的传感器的结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的天线模块的结构图；

图3示出了根据本发明一个实施例的封装模块的结构图；

图4(a)示出了单极探针天线的实验波形图；

图4(b)示出了阿基米德螺旋天线的实验波形图；

图4(c)示出了根据本发明一个实施例的的平面等角螺旋天线的实验波形图；

图5示出了根据本发明一个实施例的超宽带射频定位系统的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的传感器的结构图，包括：

天线模块10，用于多点检测局部放电射频信号，并实现射频信号波形的耦合输出；

封装模块20，用于封装天线模块。

上述实施例利用天线模块10完成对变压器局部放电射频信号的检测，并实现射频信号波形的耦合输出；以及利用封装模块20完成对天线模块的封装。本实施例通过多点检测局部放电源辐射射频电磁波信号，在多路同步信号波形中提取信号的相对时延参量，传感器对局部放电射频信号的耦合输出波形上升时间短、单次振荡脉冲时间短，从而明显减小时延测量误差，提高定位精度，从而使得检测信号的时域响应特性较好，达到了有效地测量频带宽，在测量频带内检测信号的相位中心不随中心频率的改变而变化，且具有较高的测量灵敏度的效果，克服了现有技术中由于定位测量传感器的时域响应特性较差，有效测量频带较窄，在测量频带内检测信号的相位中心随中心频率的改变而变化，导致定位参量的测量精度较低的问题。

同时，在上述实施例中，采用适合于传感器在变压器内部环境中运行的封装模块，对天线模块进行封装，使得传感器可以在变压器油中环境长期稳定运行，同时确保传感器的检测性能。

图2示出了根据本发明一个实施例的天线模块示意图，如图2所示，天线模块10包括：反射腔101、吸收体102、平面等角螺旋天线103、馈电巴伦104和同轴线单元(图中未示出)，其中

反射腔101为金属腔体；

吸收体102和平面等角螺旋天线103置于反射腔中，等角螺旋天线103置于吸收体102之上，吸收体102用于吸收射频信号；

馈电巴伦104置于反射腔101内，与等角螺旋天线103和反射腔101固定在一起，用于实现宽带阻抗变换，以及射频信号的不平衡-平衡变换；

同轴线单元，用于实现射频信号波形的耦合输出。

本实施例的天线模块10首先利用平面等角螺旋天线103接收射频信号，并利用置于平面等角螺旋天线103之下的吸收体102吸收射频信号，然后利用馈电巴伦104实现宽带阻抗变换以及射频信号的不平衡-平衡变换，最后利用50欧姆同轴线单元，实现射频信号波形的耦合输出，并连接到收信系统。

由于吸收体102对电磁波有显著的吸收作用，使得平面等角螺旋天线103由双向辐射的螺旋面变为单向辐射。将平面等角螺旋天线103和吸收体102置于金属反射腔101中，可有效地阻止外界电磁干扰，降低天线的副瓣，增强其抗干扰能力。

馈电巴伦104置于反射腔101内，反射腔101的深度决定于馈电巴伦104的长度，同时馈电巴伦104与平面等角螺旋天线103和反射腔101固定在一起，能够满足机械强度要求，降低振动等机械冲击的影响，使得天线模块10结构稳定、牢固。馈电巴伦104可实现宽带阻抗变换及射频信号的不平衡-平衡变换。由于平面等角螺旋天线103为平衡结构，而同轴线单元为不平衡结构，故当用同轴线单元馈电时需要进行不平衡到平衡的变换。一种简洁的馈电巴伦实现方法是采用微带线到平衡双线的渐变。这种渐变一方面实现了不平衡到平衡的变换，另一方面还完成了阻抗变换。从平衡双线到平面等角螺旋天线103之间的连接通过镀银锡青铜线焊接实现。

图3示出了根据本发明一个实施例的封装模块的结构图，包括环氧树脂层201和固定单元202，其中环氧树脂层201用于整体密封天线模块10；固定单元202与天线模块10相连接，用于将天线模块10固定在变压器中。

本实施例的封装模块20利用环氧树脂层201对天线模块10进行整体密封，得到封装后的天线模块，确保了天线模块10的密封性及耐油性，并利用固定单元202连接封装后的天线模块，形成传感器整体，并将其固定在变压器中。

环氧树脂在10GHz时相对介电常数和介质损耗角正切值的典型值分别为4和0.014，且耐油、耐高温、具有良好的密封性及相应的机械性能，故选用环氧树脂作为天线模块10的封装材料，使得天线模块10在高温环境下具有良好的机械和密封特性，同时对天线模块10的电磁性能的影响较小，在定位使用的信号频段内该影响可以忽略不计，不会造成信号强度的大幅衰减或是相位信息的改变。封装模块20与天线模块10及变压器的机械结构相适应，实现了传感器在变压器油中环境的长期稳定运行。

优选地，如图2所示，天线模块10还包括：支撑体105，其置于反射腔101之中，用于支撑吸收体102。

本实施例的天线模块10还包括支撑体105，支撑体105填充于反射腔101中，以支撑同样填充在反射腔101中的吸收体102。本实施例中支撑体105为边长为2.5～3mm的正六边形蜂窝玻璃纤维。

安装天线模块10时，先用丙酮清洗半平形螺旋面(天线接收面)，在螺旋面的背面均匀地涂上胶粘剂，并用馈电巴伦104上的引出线穿过螺旋面上的小孔，小心地把螺旋面放置在反射腔101上，并保证螺旋面的终端水平线与腔体上的刻线对准。完成上述辐射面的安装后，再将螺旋面置于反射腔101上，使劲压平螺旋面，使之完全粘接在支撑体105上，并剪除多余的焊接线。

优选地，平面等角螺旋天线103的螺旋增长率为0.125。

平面等角螺旋天线的曲线方程为R＝R₀·e^a·3π，其中，a为平面等角螺旋天线的螺旋增长率，是平面等角螺旋天线的重要参数，螺旋增长率a越大，则行波成分越大，但由于终端过早截断，故终端反射较严重，导致匹配较差；螺旋增长率a越小，则行波成分越小，终端截断较迟，故反射较少，匹配程度较好。

本实施例中，根据螺旋曲线方程R＝R₀·e^a·3π，得到平面等角螺旋天线的螺旋增长率为a＝0.125；极端情况下，螺旋增长率a＝0时，平面螺旋天线变为阿基米德螺旋天线。

对本实施例的平面等角螺旋天线103进行对比实验，即对变压器油中气泡局部放电源加压使其发生局部放电，将本实施例的平面等角螺旋天线(a＝0.125)与单极探针天线、阿基米德螺旋天线(a＝0)同时置于距放电源相距离处，利用高采样率数字示波器对三路检测信号波形进行采样对比，图4(a)、图4(b)、图4(c)分别示出了单极探针天线、阿基米德螺旋天线、本实施例的平面等角螺旋天线的实验波形图，表1示出了由图5(a)、图5(b)、图5(c)中波形统计得到的三类天线检测信号波形的时延误差，可见本实施例的平面等角螺旋天线的时域响应特性远优于其他两类对比天线。

表1三类天线检测放电信号波形的时延误差

天线类型	单极探针天线	阿基米德螺旋天线	本实施例的平面等角螺旋天线
				时延误差td	0.5ns	0.8ns	0.2ns

优选地，平面等角螺旋天线103的螺旋线起始半径R₀＝λ_min/4；平面等角螺旋天线103的螺旋线外径R_L＝λ_min/2π；其中，λ_min是射频信号的最小波长。

取平面等角螺旋天线103的起始半径R₀＝λ_min/4＝7.5mm，可得其到馈电点的间距为D₀＝2(R₀-d)，其中，d为馈电点到螺旋起始点的线长，通常取d＝5mm。

由螺旋线外径R_L＝λ_min/2π，可得用于制作平面等角螺旋天线103的印制图形直径为D＝2R_L+D₀。

通常将平面等角螺旋天线设计为一圈半螺旋，故得到其半径为R＝R₀·e^a·3π；将平面等角螺旋天线的工作频率下限由平面等角螺旋天线的螺旋臂长决定，取其螺旋臂长为一个波长左右；平面等角螺旋天线的工作频率上限由R₀决定，其中R₀＝λ_min/4。

对本实施例的平面等角螺旋天线103进行测量，得实测参数为：

工作频率：2GHz～10GHz；

增益：0dBi～3dBi；

轴向轴比：≤3dB；

驻波比：≤3；

方向图：垂直面半平。

优选地，平面等角螺旋天线103的频率为2GHz～8GHz。

本实施例中平面等角螺旋天线103的频率设计为2GHz～8GHz，这是综合考虑了定位效果和接收灵敏度两个因素的结果。就定位效果而言，频率越高的信号越适合用作定位测量；而就接收灵敏度而言，频率升高，则各种损耗增加，导致接收灵敏度和信号的分辨率下降。本实施例选择对2GHz～6GHz频率范围的电信号进行处理，以获得满意的定位效果。同时，为了使平面等角螺旋天线103的频率特性能留有一定余量，故将平面等角螺旋天线103的频率设计为2GHz～8GHz。由于平面等角螺旋天线103特有的方向图和阻抗特性，所以在频率要求得到满足后，方向特性和阻抗特性便可得到满足。

本实施例采用A胶和/或B胶对平面等角螺旋天线103的焊接处和/或结构连接处进行加固，采用钢丝螺套对腔体安装结构安装处进行固定，使得传感器满足抗振动、抗冲击的强度要求。

优选地，馈电巴伦104的阻抗变换范围为50欧姆至160欧姆，使得平面等角螺旋天线103获得良好的匹配。

优选地，吸收体102是正六边形蜂窝吸收材料，选用该种材料增强了吸收体102对射频信号的吸收作用。

优选地，吸收体102的厚度为大于或等于λ_min/8，其中λ_min是射频信号的最小波长，采用这种厚度参数增强了吸收体102对射频信号的吸收作用。

图5示出了超宽带射频定位系统的示意图。该系统中，由四阵元天线阵列传感器检测局部放电源辐射的射频电磁波信号，得到四路同步信号，该信号波形经由四根等长的高频信号传输线缆传输至信号处理装置的高速采集示波器，由高速采集示波器从四路同步信号波形中提取出信号的相关参量，最后根据相关参量得到放电源空间位置，从而完成空间定位。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了时域响应特性良好，有效测量频带宽，在测量频带内检测信号的相位中心不随中心频率的改变而变化，且具有较高的测量灵敏度的效果；同时，使得传感器可以在变压器油中环境的长期稳定运行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于变压器局部放电超宽带射频定位的传感器，其特征在于，包括：

天线模块，用于多点检测局部放电射频信号，并实现所述射频信号的耦合输出；

封装模块，用于封装所述天线模块。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述天线模块包括：反射腔、吸收体、平面等角螺旋天线、馈电巴伦和同轴线单元，其中

所述反射腔为金属腔体；

所述吸收体和所述平面等角螺旋天线置于所述反射腔中，所述平面等角螺旋天线置于所述吸收体之上，所述吸收体用于吸收所述射频信号；

所述馈电巴伦设置于所述反射腔内，与所述平面等角螺旋天线和所述反射腔固定在一起，用于实现宽带阻抗变换，以及所述射频信号的不平衡-平衡变换；

所述同轴线单元，用于实现所述射频信号的耦合输出。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述封装模块包括环氧树脂层和固定单元，其中

所述环氧树脂层用于整体密封所述天线模块；

所述固定单元与所述天线模块相连接，用于将所述天线模块固定在所述变压器中。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述天线模块还包括：

支撑体，其置于所述反射腔之中，用于支撑所述吸收体。

5.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述平面等角螺旋天线的螺旋增长率为0.125。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，

所述平面等角螺旋天线的螺旋线起始半径R₀＝λ_min/4；

所述平面等角螺旋天线的螺旋线外径R_L＝λ_min/2π；

其中，λ_min是所述射频信号的最小波长。

7.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述平面等角螺旋天线的频率为2GHz～8GHz。

8.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述馈电巴伦的阻抗变换范围为50欧姆至160欧姆。

9.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述吸收体是正六边形蜂窝吸收材料。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述吸收体的厚度为大于或等于λ_min/8，其中

λ_min是所述射频信号的最小波长。

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