CN102540033A - 用于gis局部放电超高频检测的内置传感器 - Google Patents

用于gis局部放电超高频检测的内置传感器 Download PDF

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CN102540033A CN2012100337073A CN201210033707A CN102540033A CN 102540033 A CN102540033 A CN 102540033A CN 2012100337073 A CN2012100337073 A CN 2012100337073A CN 201210033707 A CN201210033707 A CN 201210033707A CN 102540033 A CN102540033 A CN 102540033A
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魏旭
杨景刚
贾勇勇
费益军
卞超
王存超
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Abstract

本发明公开了一种用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，包含微带天线以及短路销钉，所述微带天线包含金属贴片、介质层、金属底板以及馈电杆，所述短路销钉直接连接金属贴片和金属底板。采用上述结构的内置传感器，馈电杆与传感器信号连接线（高频同轴线）的内芯相接，作为传感器信号输出的正极；信号连接线的屏蔽层与金属底板相接，作为信号输出的接地端；金属贴片与金属底板之间通过短路销钉直接连接，用于抑制静态模，并对传感器输出信号进行高压限制，防止其感应工频高压信号。这样的内置传感器可以方便地在不影响GIS内部场强分布的情况下，通过类似GIS中吸附剂的安装窗口安装于GIS腔体中，具有优异的检测灵敏度。

Description

用于GIS局部放电超高频检测的内置传感器
技术领域
本发明涉及一种安装于GIS内部的基于微带天线原理的圆盘型传感器，用以检测GIS中局部放电所产生的超高频电磁波信号，属于高电压输变电技术领域。
背景技术
SF6气体绝缘组合电器GIS（Gas Insulated Switchgear）具有空间体积小、占地面积少、不受外界环境影响、运行安全可靠、有利于环境保护、配置灵活和维护简单、检修周期长等优点，自问世以来便得到了广泛应用。但是，由于GIS是大型全封闭组合式结构，一旦出现故障便需要较长的维修时间，造成重大损失。因此，在GIS发生故障前，检测到并判断其内部缺陷情况就显得尤为重要。
在GIS的事故中，绝缘事故占了很大的比重，目前针对该类事故的检测方法主要有：耐压试验和局部放电检测法。其中尤以局部放电检测法的应用最为方便。
目前常用的局部放电检测方法主要分为：电测法和非电测法。电测法包含脉冲电流法、超高频检测法等；而非电测法主要有超声波检测法、气体成分检测法等。而电测法中的超高频检测法具有检测周期短、抗干扰能力强且不需要停电检测等优点，该方法的应用日趋广泛。
GIS中，局部放电时会发生正负电荷中和，伴随有一个具有快速上升前沿，其上升时间小于1ns的陡的电流脉冲，与此同时还向四周辐射出0.3-3GHz的电磁波。超高频检测法便是通过超高频传感器检测该电磁波信号来评估GIS内部的绝缘状况。
根据传感器安装位置的不同，常用的超高频传感器分为安装于GIS腔体中的内置式传感器和安装GIS腔体外壁上的外置式传感器。外置式传感器一般安装在盆式绝缘子外壁上，由于绝缘子对电磁波信号具有反射与吸收的作用，加上GIS外部复杂的电磁环境，外置式传感器的灵敏度和抗干扰能力较差。与此相比，内置式传感器安装在GIS腔体内部，具有更好的检测性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：根据GIS局部放电超高频检测法的需要，提供一种基于微带天线原理的内置传感器，其可以在不影响GIS设备运行的情况下，对局部放电所产生的电磁波信号进行检测。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：包含微带天线以及短路销钉，所述微带天线包含金属贴片、介质层、金属底板以及馈电杆，所述短路销钉直接连接金属贴片和金属底板。
作为上述技术方案的一种优选，金属贴片为圆盘贴片，设金属贴片的物理半径为                                               
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE002
，设介质层的相对介电常数为
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE004
，设介质层的高度为
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE006
，则满足数学式（1）：
（1）
其中：
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE010
是是传感器中主模式的谐振频率；
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE014
为第一类
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE016
阶Bessel函数
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE018
的导数
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE020
的第个零点；
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE024
为光速；
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE026
为记入边缘效应后圆盘贴片的等效半径，而圆盘贴片的物理半径与等效半径的关系为：
Figure 2012100337073100002DEST_PATH_IMAGE028
。
采用上述技术方案，本发明相对于现有技术达到了如下有益效果：
馈电杆与传感器信号连接线（高频同轴线）的内芯相接，作为传感器信号输出的正极；信号连接线的屏蔽层与金属底板相接，作为信号输出的接地端；金属贴片与金属底板之间通过短路销钉直接连接，用于抑制静态模，并对传感器输出信号进行高压限制，防止其感应工频高压信号。同时，与传统结构天线相比，微带天线具有剖面薄，体积小，重量轻，成本低等优点，特别是，它可方便地与馈电网络和器件集成成块，与微电子技术紧密结合，功能强，可以方便地在不影响GIS内部场强分布的情况下，通过类似GIS中吸附剂的安装窗口安装于GIS腔体中，具有优异的检测灵敏度。
经过仿真分析与现场测试，该传感器具有很高的检测灵敏度。该传感器在一定的频谱范围内，对局部放电产生的超高频电磁波信号具有较高的检测灵敏度，而且具有较强的抗干扰能力。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明，其中：
图1是本发明的用于GIS局部放电超高频检测的内置传感器的优选实施方式的结构示意图；
图2是图1沿A方向的剖面图；
图3是图1所示实施方式在电磁波主模式工作频率为600MHz的驻波比曲线及检测灵敏度曲线；
图4是图1所示实施方式的短路销钉距离馈电杆在35mm到75mm之间变化的传感器灵敏度曲线；
图5是图1所示实施方式进行110kVGIS加压试验性能测试实验的接线示意图；
图6是图5的传感器B所测信号的时域波形及其幅频特性曲线。
具体实施方式
图1、图2显示的是本发明的用于GIS局部放电超高频检测的内置传感器的优选实施方式。如图所示，本实施方式的内置传感器包含微带天线以及短路销钉，所述微带天线包含金属贴片1、介质层3、金属底板2以及馈电杆4，所述短路销钉5直接连接金属贴片1和金属底板2。所述金属贴片1和金属底板2均为圆盘形状。
其中，馈电杆4与传感器信号连接线（高频同轴线）的内芯相接，作为传感器信号输出的正极；信号连接线的屏蔽层与金属底板2相接，作为信号输出的接地端；短路销钉5则用于抑制静态模，并对传感器进行保护。
短路销钉5的引入是为了抑制内置传感器在工频高压下耦合的信号，保护传感器输出连接的相关设备与人身安全；同时短路销钉5的引入还可以抑制静态模，并使得传感器采取了直接接地保护措施，这样既改善GIS腔体在传感器附近的场强分布，又使得传感器在高压场强下的低频感应输出信号变得很微弱，确保测试设备长期安全稳定运行。在本实施方式的内置式传感器中使用四颗短路销钉5将圆盘贴片1与金属底板2直接相连，并且均匀分布在以馈电杆4为圆心的圆上。
本实施方式的内置式传感器通过类似GIS中吸附剂的安装窗口安装于GIS腔体中，具有优异的检测灵敏度。另外，金属底板2上设置有两道安装O型密封圈22的密封槽，可防止安装传感器后GIS本体的气体泄漏。
作为本实施方式的一种优选，除金属底板2外的其他部件，即金属贴片1、介质层3、馈电杆4及短路销钉5通过整体浇铸加工成一体结构。采用整体浇铸方式加工，可显著降低传感器密封复杂度，同时有助于对传感器核心部件进行保护。同时，金属底板2的半径在不影响设备的情况下应尽可能做大。
另外，传感器的圆盘贴片、金属底板、馈电杆和短路销钉可以由导电性能良好的铝合金材料加工而成。
为了最大程度的提升内置传感器的性能，对影响内置传感器的性能的参数的优选进行说明。通过仿真分析得知，内置传感器的谐振频率、带宽及灵敏度主要受如下几方面参数影响：金属贴片1的半径、金属底板2的半径、介质层3的高度及其材料的介电常数、以及短路销钉5和金属贴片1中心的相对位置。
（一）圆盘金属贴片1的半径、介质层3的高度及其材料的介电常数主要由传感器中电磁波主模式的谐振频率决定，需根据传感器的性能要求进行选择。
设金属贴片的物理半径为
Figure 522252DEST_PATH_IMAGE002
，设介质层的相对介电常数为
Figure 917462DEST_PATH_IMAGE004
，设介质层的高度为
Figure 731834DEST_PATH_IMAGE006
，则满足数学式（1）：
（1）
Figure 993444DEST_PATH_IMAGE008
其中：
Figure 260478DEST_PATH_IMAGE010
是是传感器中主模式
Figure 459378DEST_PATH_IMAGE012
的谐振频率；
Figure 128256DEST_PATH_IMAGE014
为第一类
Figure 59303DEST_PATH_IMAGE016
阶Bessel函数
Figure 813633DEST_PATH_IMAGE018
的导数
Figure 550645DEST_PATH_IMAGE020
的第
Figure 11713DEST_PATH_IMAGE022
个零点；为光速；
Figure 683183DEST_PATH_IMAGE026
为记入边缘效应后圆盘贴片的等效半径，而圆盘贴片的物理半径
Figure 958306DEST_PATH_IMAGE002
与等效半径
Figure 539460DEST_PATH_IMAGE026
的关系为：
Figure 874627DEST_PATH_IMAGE028
。
其中的介质层可根据所需传感器的性能要求选用聚酯类、玻璃纤维等绝缘材料。
结合实施例1对数学式（1）限定的传感器的性能进行检测。考虑到现场电晕干扰一般在300MHz以下，而无线电通信频率在900MHz左右，并结合GIS中常见绝缘缺陷所引起的局部放电信号的频谱分布特点，本发明的传感器应当在400M-800MHz内具有较高的检测灵敏度。
实施例1
本实施例中：选定的内置传感器耦合的电磁波主模式工作频率为600MHz；选定本实施例的传感器中金属部件均选择铝合金材料；介质层3选择聚脂类材料。
如图3所示，其中灵敏度为传感器输出电压与中心点场强的比值，单位为毫米。结果表明，所设计的传感器中心频率为605MHz，驻波比小于2的绝对带宽为578～638MHz，相对带宽为9.9%，比通常微带天线带宽（1%～6%）稍宽。在灵敏度曲线中，0.3-1.5GHz的频率范围内灵敏度大于10mm的占比达到了79.1%，灵敏度大于6mm的占比达到了89.3%，而这也是反映超高频内置传感器输出特性的综合效果，表明传感器的性能较好。
（二）短路销钉5靠近金属贴片1的边缘，而馈电杆靠近传感器中心位置有助于提升传感器的性能。如图4显示的是短路销钉5距离金属贴片1中心点距离在35mm到75mm之间变化时的传感器灵敏度曲线，从中可以发现：短路销钉靠近圆盘边缘有助于提高传感器的检测灵敏度。
下面结合通过加压试验验证传感器的局部放电检测性能，对本实施方式的内置传感器做更进一步的说明。
图5显示的是将本实施方式的内置传感器A、B、C和D安装于110kVGIS试验段中母线间隔的吸附剂安装窗口的接线示意图。
在GIS中心导体上人为设置尖刺缺陷模型Q。当试验电压为50kV时，GIS中发生稳定的局部放电，此时脉冲电流法测得的局放量为3.1pC。
传感器B所测信号的时域波形及其幅频特性曲线如图6所示。从中可以发现，传感器输出信号幅值达到了220mV，表明所研制的超高频内置传感器具有很高的检测灵敏度，完全能满足GIS局部放电在线监测的要求。
上面结合附图与具体实施方式对本发明做了详细的说明，但本发明并不限于此，任何本技术领域的技术人员在所具备的知识范围内，在不违背本发明宗旨的前提下，可以对其做出各种变形与修改。 

Claims (10)

1.用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：包含微带天线以及短路销钉，所述微带天线包含金属贴片、介质层、金属底板以及馈电杆，所述短路销钉直接连接金属贴片和金属底板。
2.根据权利要求1所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：金属贴片为圆盘贴片，设金属贴片的物理半径为                                               ，设介质层的相对介电常数为
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE004
，设介质层的高度为
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE006
，则满足数学式（1）：
（1）
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE008
其中：
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE010
是是传感器中主模式
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE012
的谐振频率；
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE014
为第一类
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE016
阶Bessel函数
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE018
的导数
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE020
的第
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE022
个零点；为光速；
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE026
为记入边缘效应后圆盘贴片的等效半径，而圆盘贴片的物理半径
Figure 709393DEST_PATH_IMAGE002
与等效半径
Figure 564216DEST_PATH_IMAGE026
的关系为：
Figure 2012100337073100001DEST_PATH_IMAGE028
。
3.根据权利要求2所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：馈电杆在传感器的中心位置。
4.根据权利要求3所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：短路销钉有数颗，并均匀分布在以馈电杆为圆心的圆上。
5.根据权利要求4所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：短路销钉靠近金属贴片的边缘。
6.根据权利要求5所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：金属底板为圆形金属板，其半径大于金属贴片的半径。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：介质层的材料是聚氨酯类或玻璃纤维。
8.根据权利要求1-6任一项所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：金属贴片、介质层、馈电杆及短路销钉通过整体浇铸加工成一体结构。
9.根据权利要求1-6任一项所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：金属底板上设有O型密封圈。
10.根据权利要求1-6任一项所述的用于GIS局部放电超高频检测的内置式传感器，其特征在于：金属贴片、金属底板、馈电杆和短路销钉的材料均为铝合金材料。
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