CN103149507A - 外置式特高频局部放电检测传感器 - Google Patents

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外置式特高频局部放电检测传感器,包括金属屏蔽外壳、微带天线、同轴电缆连接器,金属屏蔽外壳为底部开口的盒体且长侧壁的下底边为弧形,微带天线设置于金属屏蔽外壳内;微带天线为矩形贴片天线,导体贴片长边上各设置有内凹的弧形切口,弧形切口以导体贴片的几何中心为对称中心对称设置,微带天线通过介质基板设置于金属屏蔽外壳内,微带天线的接地板为金属屏蔽外壳;在金属屏蔽外壳内设置有集成电路板,集成电路板上设置与微带天线相连的低噪放大电路、检波电路、通过同轴电缆连接器将信号输出的放大电路及电源电路。本发明将微带天线、集成电路板与屏蔽外壳集于一体,灵敏度高,信号失真小,信噪比特性好,能最大限度保留局放信号的特征信息。

Description

外置式特高频局部放电检测传感器
技术领域
[0001] 本发明属于高压电力设备局部放电检测技术领域,特别涉及一种外置式的特高频局部放电检测传感器,用于检测气体绝缘组合电器设备(Gas Insulated Switchgear,以下简称GIS)内部局部放电情况。
背景技术
[0002] 在高压电力系统中,由于制造工艺、运输以及装配过程中不可避免的缺陷,例如引入灰尘、导电颗粒或设备内形成的金属尖端及空穴等,容易引发电力系统中各种形式的局部放电,从而导致高压设备的绝缘击穿,使电力系统发生故障,给国民经济造成损失,因此对局部放电现象进行准确检测及测量是保障电力系统正常工作至关重要的环节。
[0003] 局部放电的电信号的带宽宽,约为IOOMHz〜5GHz。局放电信号在高压电力系统内部传输,期间会通过如气体绝缘组合开关中的盆式绝缘子等设备绝缘处泄露至外界空间环境中。由于局放电信号在设备内部传播的过程中会发生衰减、反射以及散射,因此传输到外界环境中的信号强度很小,同时由于高压电力系统绝缘处尺寸与结构的不同,传输出来的局放电信号的频段也会有所不同。经过现场对GIS设备中局放电信号的频谱测试知道,泄露出来的局放电信号的幅度较强的频段约为500MHz〜3GHz,同时由于GIS盆式绝缘子处的特殊结构和尺寸,能够泄露的信号主要为高频信号,因此需要有相应频段的高灵敏度传感器对局放电信号进行检测。
[0004] 近年来高压电力设备局部放电检测已经发展得较为成熟,局部放电的检测方法主要为超高频检测法和超声波检测法。超声波检测法具有抗电磁干扰能力和方向性较好的特点,但是其灵敏度较低并且有较大的背景噪声,因此实际应用不多。超高频检测法由于其高灵敏度和动态范围宽近几年来发展较快,现有的超高频检测传感器根据安装方式的不同可分为内置式传感器和外置式传感器,内置传感器设置于高压电力设备内部,由此可以有效地避免外界干扰,但是需预先植入高压电力设备内部,不仅工程量大,对制造安装的要求较高,成本也高,而且不经改造无法应用于现有的高压电力设备中。外置式传感器一般安装在高压电力设备的外壳和盆式绝缘子连接处,与内置式传感器相比使用简单,安装方便,在实际应用中适用范围较广。
[0005] 如专利号为200320109957.7、发明名称为“一种超宽频带局部放电检测传感器”的中国实用新型专利所公开的局部放电检测传感器,在由环氧板制作的封装盒内安放频带带宽范围为IOMHz〜3000MHz的宽频带检测天线,天线一端有50欧的匹配阻抗,一侧有用于馈电的SMA高频同轴连接器,在封装盒的底面开有缝隙,使用时该开设有缝隙的底面朝向盘式绝缘子与金属壳体的缝隙处进行局部放电检测。又如专利号为200610054229.9、发明名称为“气体绝缘组合电器局部放电在线检测定位装置及定位方法”的中国发明专利中提到的传感器阵列所使用的微带贴片天线,其带宽也较窄,为300MHz〜430MHz,与前述专利中的外置式传感器一样,由于空间中3000MHZ以下干扰很多,传感器采用频带宽度较窄的检测天线时,容易对测得的局放信号产生干扰甚至会造成误判。[0006] 专利号为200910021728.1、发明名称为“一种外置式GIS局部放电的超高频检测传感器”的中国发明专利公开一种超高频监测传感器,该传感器的在介质本体底边为弧线的侧面上粘附了电极,电极延伸至介质本体内。其与前述传感器天线相比带宽宽,天线的带宽为300MHz〜1GHz,抗干扰性好。但根据实际对局部放电信号频谱的测量发现,放电信号强度较大的频谱为500MHz〜3GHz之间,所以该超高频检测传感器检测效果并不是很好。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种可以有效接收局放电信号、灵敏度高,而且可以避免300MHz以下的低频干扰和GSM干扰的外置式特高频局部放电检测传感器。
[0008] 为了实现上述目的,本发明采取如下的技术解决方案:
[0009] 一种外置式特高频局部放电检测传感器,包括:金属屏蔽外壳、微带天线、同轴电缆连接器,金属屏蔽外壳为底部敞开的盒体,微带天线设置于金属屏蔽外壳内并面向金属屏蔽外壳的开口,以便于接收局部放电信号;微带天线为矩形贴片天线,微带天线的导体贴片的长边上各设置有一内凹的弧形切口,弧形切口以导体贴片的几何中心为对称中心对称设置,该两弧形切口的圆心的连线与导体贴片的短中心线重合,导体贴片设置于介质基板上,微带天线的接地板为金属屏蔽外壳;在金属屏蔽外壳内设置有集成电路板,集成电路板位于微带天线与屏蔽外壳顶壁之间,集成电路板上设置有依次连接的低噪放大电路、检波电路、放大电路以及分别与低噪放大电路、检波电路和放大电路相连的电源电路,低噪放大电路与微带天线相连,放大电路通过同轴电缆连接器将信号输出。
[0010] 优选的,所述微带天线的频带带宽为1.3GHz〜3.5GHz。
[0011] 优选的,所述导体贴片的长为179毫米,宽为70毫米,所述弧形切口的半径为32毫米,圆心角为138°。
[0012] 优选的,所述导体贴片为铜箔。
[0013] 优选的,所述微带天线的馈电点位于所述导体贴片的几何中心。
[0014] 优选的,所述微带天线采用同轴探针馈电,所述同轴探针馈线的内导体与所述导体贴片连接、外导体与金属屏蔽外壳连接。
[0015] 优选的,所述同轴探针馈线与所述微带天线的长度方向相垂直布置。
[0016] 优选的,所述同轴探针馈线与所述微带天线之间的夹角为2〜10°。
[0017] 优选的,所述介质基板的介电常数为2.55。
[0018] 优选的,所述导体贴片为厚度是0.1〜0.2毫米的铜片。
[0019] 由以上可知,本发明将具有特殊形状结构的微带天线和集成电路板都设置于屏蔽外壳内,屏蔽外壳不仅可以对外界干扰进行屏蔽,有效避免外界干扰,而且屏蔽外壳还充当微带天线的接地板,将微带天线、集成电路板与屏蔽外壳集于一体,使用频带带宽为
1.3GHz〜3.5GHz的微带天线,不仅可以有效的接收局放信号,灵敏度高,而且也避免了300MHZ以下的低频干扰;同时接收的局部放电信号经过低噪放大电路及检波电路后信号失真小,上升沿陡峭,信噪比特性好,能最大限度地保留局放信号的特征信息。
附图说明
[0020] 图1是本发明实施例1的结构示意图;[0021] 图2是图1的仰视图;
[0022] 图3为本发明实施例1微带天线的俯视图;
[0023] 图4为图3的侧视图;
[0024] 图5是本发明的电路原理框图;
[0025] 图6是本发明实施例1微带天线的驻波比图;
[0026] 图7是本发明实施例2微带天线的驻波比图;
[0027] 图8为本发明实施例3微带天线的驻波比图;
[0028] 图9为本发明实施例4微带天线的驻波比图。
[0029] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
[0030] 实施例1
[0031] 如图1和图2所示,本发明的外置式特高频局部放电检测传感器包括金属屏蔽外壳1、微带天线2、同轴电缆连接器3和集成电路板4。为了便于描述,以图1中的中心线A-A来定义上下的方向。
[0032] 本实施例的屏蔽外壳I是由一对短侧壁la、一对长侧壁Ib以及与短侧壁Ia和长侧壁Ib相连的顶壁Ic组成的底部敞开的盒体形状,短侧壁Ia与长侧壁Ib相邻设置,其中,长侧壁Ib的下底边Id为弧形底边,该弧形的下底边Id从长侧壁Ib的下边缘向上内凹,其弧度与盆式绝缘子外形相对应,以便于检测时放置在盆式绝缘子上。短侧壁Ia是下底边为直线的方形结构。此外,屏蔽外壳还可以采用其它形状的盒体结构。
[0033] 在屏蔽外壳I内设置有微带天线2,微带天线2由导体贴片2-1、介质基板2_2和接地板组成,导体贴片2-1设置于介质基板2-2上,导体贴片2-1面向屏蔽外壳I的开口 Ie设置,以便于接收局部放电信号。本发明的微带天线2为矩形贴片天线,本实施例中微带天线2的导体贴片2-1为铜箔,导体贴片2-1设置于介电常数为2.55的介质基板2_2上,介质基板2-2的材质为聚四氟乙烯。微带天线2安装在屏蔽外壳I内,金属材质的屏蔽外壳I同时充当微带天线2的接地板。
[0034] 如图2所示,本发明的导体贴片2-1为长方形片体,在导体贴片2-1的两长边2_la上均加工有一弧形切口 2-lb,该弧形切口 2-lb向导体贴片2-1的几何中心方向内凹,设置于该两长边2-la上的弧形切口 2-lb以导体贴片2-1的几何中心为对称中心对称设置,且该两弧形切口 2-lb的圆心的连线与导体贴片2-1的短中心线b-b重合。本实施例中导体贴片2-1的长为179毫米,宽为70毫米,弧形切口 2-lb的半径r为32毫米,弧形切口 2_lb的圆心角α为138°。本发明的微带天线2的频带带宽优选为1.3GHz〜3.5GHz,该频带带宽范围内不仅可以有效的接收局放信号,灵敏度高,而且避免了 300MHz以下的低频干扰和GSM干扰。
[0035] 本实施例中微带天线2的馈电点A位于导体贴片2-1的几何中心,微带天线2采用同轴探针馈电,如图3及图4所示,同轴探针馈线s与微带天线2的长度方向(任一导体贴片2-1的长边2-la)相垂直布置,同轴探针馈线s与微带天线2之间的夹角β为2°。同轴探针馈线s的内导体与导体贴片2-1连接,外导体与屏蔽外壳I连接,使屏蔽外壳I成为微带天线2的接地板。[0036] 在屏蔽外壳I内还设置有集成电路板4。在屏蔽外壳I中微带天线2靠近屏蔽外壳I的开口 Ie设置,集成电路板4靠近屏蔽外壳I的顶壁Ic设置,集成电路板4位于微带天线2与屏蔽外壳I的顶壁Ic之间。同时参照图5,集成电路板4上设置有依次连接的低噪放大电路4-1、检波电路4-2、放大电路4-3以及电源电路4-4,电源电路4_4分别与低噪放大电路4-1、检波电路4-2和放大电路4-3相连,微带天线2通过同轴线和微波高频连接器(SmalI AType,简称SMA接头)与低噪放大电路4_1的输入端相连,微带天线2接收从GIS设备中泄露的局部放电信号,通过低噪放大电路4-1对接收到的微弱的电信号进行放大,然后通过检波电路4-2检测出其包络,再通过放大电路4-3对包络信号进行进一步放大,最后输出。本实施例的放大电路4-3的输出端通过同轴电缆连接器3与后续电路相连。由于局部放电信号泄露出来的电磁波信号相当微弱,本发明在检波电路4-2前端设置低噪放大电路4-1,可以保持较低噪声系数,有效地放大接收到的放电信号,确保整体电路的信噪比。
[0037] 参照图6,图6为实施例1的微带天线的驻波比图,由图6可以看出,本实施例的微带天线在0.75〜3.6GHz的频段范围内驻波比在2以下,阻抗带宽宽,能够很好的覆盖局部放电有用检测频段。
[0038] 实施例2
[0039] 本实施例与实施例1不同的地方在于:本实施例中同轴探针馈线s与微带天线2之间的夹角β为5°。图7为实施例2的微带天线的驻波比图,由图7可以看出,本实施例的微带天线在I〜4GHz的频段范围内驻波比在2以下,阻抗带宽宽,能够很好的覆盖局部放电有用检测频段。
[0040] 实施例3
[0041] 本实施例与实施例1不同的地方在于:本实施例中同轴探针馈线s与微带天线2之间的夹角β为10°。图8为实施例3的微带天线的驻波比图。由图8可以看出,本实施例的微带天线在1.75〜4.2GHz的频段范围内驻波比在2以下,能够较好的覆盖局部放电有用检测频段。
[0042] 实施例4
[0043] 本实施例与实施例1不同的地方在于:本实施例中同轴探针馈线s与微带天线2之间的夹角β为20°。图9为实施例4的微带天线的驻波比图。由图9可以看出,本实施例的微带天线在2.75GHz与3.5GHz有两个谐振点,检测效果与前述实施例相比较差。
[0044] 由以上实施例可知,本发明优选将同轴探针馈线s与微带天线2之间的夹角β设置为2〜10°,在这个角度范围内微带天线的局部放电检测效果都比较好,可以覆盖局部放电有用检测频段,而且夹角β越小时,检测效果越好。此外,作为可选择的替代方案,微带天线的导体贴片也可以采用相同尺寸的厚度为0.1〜0.2毫米的铜片代替,当采用铜片作为导体贴片时,可将铜片安装在普通塑料板或介质板上后再固定在屏蔽外壳内,也可以直接将铜片安装在屏蔽外壳上。最优选的,微带天线与屏蔽外壳顶面之间的距离为设计频带的下限频率对应电磁波波长的1/4。
[0045] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种外置式特高频局部放电检测传感器,包括:金属屏蔽外壳、微带天线、同轴电缆连接器,所述金属屏蔽外壳为底部敞开的盒体,所述微带天线设置于所述金属屏蔽外壳内并面向金属屏蔽外壳的开口,以便于接收局部放电信号; 其特征在于: 所述微带天线为矩形贴片天线,在所述微带天线的导体贴片的长边上各设置有一内凹的弧形切口,所述弧形切口以所述导体贴片的几何中心为对称中心对称设置,该两弧形切口的圆心的连线与导体贴片的短中心线重合,所述导体贴片设置于介质基板上,所述微带天线的接地板为所述金属屏蔽外壳; 在所述金属屏蔽外壳内设置有集成电路板,所述集成电路板位于所述微带天线与所述屏蔽外壳顶壁之间,所述集成电路板上设置有依次连接的低噪放大电路、检波电路、放大电路以及分别与所述低噪放大电路、检波电路和放大电路相连的电源电路,所述低噪放大电路与所述微带天线相连,所述放大电路通过所述同轴电缆连接器将信号输出。
2.根据权利要求1所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述微带天线的频带带宽为1.3GHz〜3.5GHzο
3.根据权利要求1或2所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述导体贴片的长为179毫米,宽为70毫米,所述弧形切口的半径为32毫米,圆心角为138°。
4.根据权利要求1所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述导体贴片为铜箔。
5.根据权利要求1所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述微带天线的馈电点位于所述导体贴片的几何中心。
6.根据权利要求5所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述微带天线采用同轴探针馈电,所述同轴探针馈线的内导体与所述导体贴片连接、外导体与金属屏蔽外壳连接。
7.根据权利要求6所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述同轴探针馈线与所述微带天线的长度方向相垂直布置。
8.根据权利要求7所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述同轴探针馈线与所述微带天线之间的夹角为2〜10°。
9.根据权利要求1或4所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述介质基板的介电常数为2.55。
10.根据权利要求1所述的外置式特高频局部放电检测传感器,其特征在于:所述导体贴片为厚度是0.1〜0.2毫米的铜片。
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