CN102565642B - 一种用于gis 内部局部放电在线监测超高频传感器 - Google Patents
一种用于gis 内部局部放电在线监测超高频传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器。该超高频传感器体积小，灵敏度高，频带宽度为700MHz-3GHz。经过仿真和实验验证，该传感器的在带宽范围内S11参数小于-10dB，故可以有效地检测到由GIS内部局部放电产生的超高频电磁波信号。此外，利用指数渐变微带传输线设计经过弯折变化设计出的阻抗变换器减小了传感器所占体积，更利于传感器在GIS内部的安置。
Description
技术领域
本发明涉及GIS内部局部放电在线监测领域，具体涉及一种应用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器。
背景技术
随着GIS的广泛应用，其运行的可靠性越来越受到人们的关注。然而在制造和装配的过程中，不可避免地会存在一些绝缘缺陷，如自由金属微粒、固定突起、悬浮电位和绝缘气隙等。这些缺陷具有微小隐蔽的特点，在常规实验中难以发现。但是一旦GIS投入运行，就可能会引发局部放电，最终在长期运行的过程中会导致绝缘事故。因此，GIS内部局部放电的在线监测对于预防事故的发生，发现早期潜在危险有着重要的意义。
局部放电信号产生的电流脉冲具有非常短的上升时间，这种脉冲包括了超高频段(UHF)内的频率成分。此时GIS可以看作为低损耗的同轴传输线，相当于一个良好的波导管，电磁波信号在其中传播衰减很小，所以用一个超高频信号传感器即可获得GIS内由局部放电产生的超高频信号。但是由局部放电产生的电磁波脉冲信号的频带非常随机，对任意横电波或者横磁波而言，只要高于其截至频率的电磁波信号均可以在GIS内传播。所以用于局部放电在线监测的天线装置应该选用超宽频天线。另外，常常被用作超高频范围(300MHz-3GHz)的传感器的超宽频天线的输入阻抗一般是135Ω左右。而同轴传输线的阻抗一般为50Ω，若不采用阻抗变换的装置将传感器的输入阻抗由135Ω变换为50Ω，电磁波信号经过传感器时会产生很大的衰减。
基于以上这两种原因，常用的局部放电在线监测超高频传感器存在着明显不足。
例如中国专利申请号为200910104428.X，名称为“电气设备局部放电超高频定位监测装置及方法”的专利，利用套筒单极子天线作为超高频电磁波信号的接受装置。文中所述该天线的中心频率是425MHz，驻波比小于2的带宽仅为350MHz-500MHz，是窄带天线的一种。而GIS内部局部放电产生的超高频电磁波信号的频率范围非常广，若采用文中所述的套筒单极子天线作为高频电磁波信号的接收装置，频率高于500MHz的电磁波信号经过天线时能量会产生很大的衰减，进而在局部放电的在线监测过程中会造成信号的丢失和监测的失误。
再如中国专利申请号为200320109957.7，名称为“一种超宽频带局部放电检测传感器”的专利，设计了一种带宽为100MHz-3000MHz的超宽频天线，却将一个50Ω的匹配阻抗直接与天线连接起来和同轴传输线匹配。由于阻抗的不匹配，电磁波在通过天线进入同轴传输线的时候会产生很大的回波损耗，也会在局部放电的在线监测过程中造成信号的丢失和监测的失误。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明根据GIS内部自身结构的特点，设计并提供一种能够应用于GIS内部局部放电在线监测的超高频传感器，其带宽为700MHz-3GHz。
所述的平面等角螺旋天线是一种超宽频天线，用于接收局部放电产生的超高频电磁波信号。所述的阻抗变换器将平面等角螺旋天线的输入阻抗由135Ω变换到可由同轴传输线无损接受的50Ω，有效地减少了电磁波的回波损耗，提高了超高频信号的传输效率，从而更好地满足了GIS内部局部放电在线监测的要求。
所述的平面等角螺旋天线由单面覆铜的微波板材加工制成，频带宽度700MHz-3GHz，其天线双臂与阻抗变换器连接，该平面等角螺旋天线经过高频仿真软件Ansoft HFSS仿真设计，并通过实验验证，其阻抗带宽为700MHz-3GHz，在不加入阻抗变换器时该天线的输入阻抗为135Ω。
所述的阻抗变换器由双面覆铜的微波板材加工制成，其一端与天线双臂连接，另一端焊接SMA接头与输入阻抗为50Ω同轴传输线连接。该阻抗变换器采用指数渐变微带传输线，为了进一步满足GIS内部的结构狭小的特点，采取了外形的曲折化处理，在满足信号的无损传输的同时，使传感器的体积减小，能够将其安置在GIS内部。
附图说明
图1是平面等角螺旋天线和阻抗变换器连接关系的侧视图。
图2是平面等角螺旋天线的俯视图。
图3是阻抗变换器的侧视图。
图4是所述的用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器的S11实测曲线。
具体实施方式：
结合附图，对本发明专利做一详细说明。其中：图中斜线填充部分为覆铜，其余部分为介质基板。
在本发明专利应用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器，图1中所述应用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器包括平面等角螺旋天线1、阻抗变换器2和SMA接头3。所述平面等角螺旋天线由相对介电常数为2.65、厚度为1.5mm的微波板材加工而成，天线形状采用双臂等角螺旋结构，其S11参数小于-10dB的频带宽度经过Ansoft HFSS仿真及实验测定为700MHz-3GHz。所述阻抗变换器输入阻抗为135Ω一端通过位于平面等角螺旋天线板材上的穿孔与天线的双臂电连接。所述SMA接头位于阻抗变换器输入阻抗为50Ω一端，与阻抗变换器电连接。
图3中所述阻抗变换器采用阻抗变换器由双面覆铜的微波板材加工制成，阻抗变换器采用改进的渐变微带线结构，该结构体积较小，更易于将传感器放置到GIS中，其尺寸经过仿真确定，并经过实验验证，有效地将平面等角螺旋天线的输入阻抗由135Ω变换到50Ω，使所述的应用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器在700MHz-3GHz范围内S11参数小于-10dB。
图4是所述的用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器的S11实测曲线图。测量采用Agilent E8363B的网络矢量分析仪，其带宽为10MHz-40GHz。在700MHz-3GHz的频带范围内，所述传感器的S11参数小于-10dB。
Claims (1)
1.一种用于GIS内部局部放电在线监测超高频传感器，其特征在于：包括平面等角螺旋天线、阻抗变换器、SMA接头；平面等角螺旋天线与阻抗变换器的一端电连接，阻抗变换器的另一端和SMA接头电连接；
所述平面等角螺旋天线由相对介电常数为2.65、厚度为1.5mm的微波板材加工而成，天线形状采用双臂等角螺旋结构，天线的频带宽度700MHz-3GHz；
该传感器在频带宽度为700MHz-3GHz范围内S11参数小于-10dB；
所述阻抗变换器的一端与所述天线连接后进行弯曲，弯曲部分与所述天线所在平面基本平行，其水平尺度未超过天线半径；
所述阻抗变换器采用指数渐变微带传输线；
平面等角螺旋天线的输入阻抗通过阻抗变换器由135Ω变换到50Ω；
所述阻抗变换器输入阻抗为135Ω一端通过位于平面等角螺旋天线板材上的穿孔与天线的双臂电连接，所述SMA接头位于阻抗变换器输入阻抗为50Ω一端，与阻抗变换器电连接；
平面等角螺旋天线由单面覆铜的微波板材加工制成；
天线双臂通过微波板材上的穿孔与阻抗变换器电连接；
阻抗变换器采用由双面覆铜的微波板材加工制成，两面为对称形式结构。
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