CN103777121A - 变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，包括：环线微带天线面板1、屏蔽盒2、BNC接头3；环线微带天线面板1设置在屏蔽盒2中；BNC接头3连接环线微带天线面板1；环线微带天线面板1包括：环形微带金属贴片101、圆形介质基板102；环形微带金属贴片101附着在圆形介质基板102的一侧；环形微带金属贴片101上开设有沿其径向方向延伸的槽。本发明基于环线天线理论，设计了一款应用于变电站局放检测的传感器，该传感器频带覆盖了局放信号能量的主要分布频率范围，具有检测灵敏度高、频段响应合理、尺寸小、便于携带和安装等特点，可以满足变电站局部放电检测和定位的要求。

Description

变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器

技术领域

本发明涉及局放检测领域，具体地，涉及变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器。

背景技术

特高频(ultra high frequency，UHF)法以其灵敏度高、覆盖范围广、能够识别并定位放电源等优点，成为近二十年来国内外局放检测领域研究的重点和热点。目前常用的变电站局部放电检测传感器的频带范围为300MHz～1.5GHz的超宽带天线。该频段不光包含了手机信号频段等干扰信号，且宽频天线的尺寸一般较大，不便于携带和安装。如何减少局放测量中的干扰信号，减小传感器的尺寸是局放传感器研究的一个热点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器。

根据本发明提供的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，包括：环线微带天线面板1、屏蔽盒2、BNC接头3；

环线微带天线面板1设置在屏蔽盒2中；

BNC接头3连接环线微带天线面板1。

优选地，环线微带天线面板1包括：环形微带金属贴片101、圆形介质基板102；

环形微带金属贴片101附着在圆形介质基板102的一侧；

环形微带金属贴片101上开设有沿其径向方向延伸的槽；

环形微带金属贴片101的两端由圆形介质基板102上的金属通孔引至圆形介质基板102的另一侧形成馈电点103；

馈电点103通过馈线连接至BNC接头3。

优选地，环形微带金属贴片101的尺寸规格为：

r=5cm，

a=4cm，

b=1cm，

其中，r为环形微带金属贴片101所构成天线的半径，a为槽的深度，b为槽的宽度。

优选地，BNC接头3为50欧姆BNC型接头。

优选地，圆形介质基板102采用FR4材料，其相对介电常数为4.3。

优选地，圆形介质基板102的厚度为0.1cm。

优选地，还包括：传感器防水罩，其中，环线微带天线面板1、屏蔽盒2、BNC接头3均位于传感器防水罩内。

优选地，传感器防水罩采用高硅氧玻璃纤维材料制成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明基于环线天线理论，设计了一款应用于变电站局放检测的传感器，该传感器频带覆盖了局放信号能量的主要分布频率范围，具有检测灵敏度高、频段响应合理、尺寸小、便于携带和安装等特点，可以满足变电站局部放电检测和定位的要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器中环线微带天线面板的结构示意图；

图3为反射系数曲线；

图4、图5为仿真计算的传感器在500MHz的E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）的方向图（请见虚线）；

图6为灵敏度曲线。

图中：

1  为环线微带天线面板；

101  为环形微带金属贴片；

102  为圆形介质基板；

103  为馈电点；

2  为屏蔽盒；

3  为BNC接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

常用的变电站局部放电特高频传感器为频段范围在300MHz～1.5GHz的超宽带天线，该频段内包含诸手机等通信信号的干扰，不同类型局放的特高频信号能量的频率分布是不同的，根据不同频段内的能量分布可以实现放电类型的识别。据此，为提高检测灵敏度，提高检测信号信噪比，本发明根据环形天线原理设计了变电站局部放电检测与定位用多频段特高频窄带传感器。传感器谐振频段设定在480MHz-530MHz,800MHz-850MHz和100MHz-1200MHz三个范围；通过参数测试研究了所设计传感器的性能；使用传感器对电晕放电、沿面放电、自由金属微粒放电等典型局部放电模型产生的放电信号进行了测量，分析了测量信号的功率谱。参数测试及试验应用结果，该传感器频段响应合理，灵敏度高，满足变电站局部放电检测和定位的要求。

具体地，变电站内电气设备局部放电信号的能量一般集中在400MHz-500MHz,600MHz-750MHz和1100MHz-1200MHz三个范围，本发明基于环线天线理论，设计了一款应用于变电站局放检测的传感器，该传感器频带覆盖了局放信号能量的主要分布频率范围，灵敏度高，尺寸小，便于携带和安装。

1、变电站局放检测用特高频传感器的性能要求

对变电站局放特高频信号进行检测的关键是接收传感器的性能，由于局放信号频率成分高达数GHz，且信号在传播过程中存在衰减，因此要求检测传感器有足够的带宽范围和很高的灵敏度，同时由于放电源方位是未知的，需要传感器具有全向检测性能，因此，为了实现变电站放电源的检测和定位，采用的特高频传感器设计时需要考虑如下几个方面的要求：

1.1、反射系数

反射系数S₁₁是衡量天线与馈线匹配情况的指标，其定义为：

$S_{11}=\frac{Z_{\mathrm{in}}-Z_c}{Z_{\mathrm{in}}+Z_c}---\left(1\right)$

式中：Z_in为天线输入阻抗；Z_c为馈线特征阻抗。

当天线反射系数小于-10dB时，表明天线作为辐射器时，功率损失约为10%，阻抗匹配较好，由天线的互易定理，该天线作为传感器时，同样具有较好的匹配特性。

1.2、方向性系数

方向性系数D用来描述天线电磁波辐射能量的集中程度，其定义为：在总辐射功率相同和同一距离的条件下，天线在最大辐射方向上场强的平方E_max与无方向性点源在同一位置的场强E₀的平方之比，记为D：

$D={\frac{{\left|E_{\max }\right|}^2}{{\left|E_0\right|}^2}|}_{P_r=P_{r0}}---\left(2\right)$

上式中P_r和P_r0为天线和无方向性点源的辐射功率。

方向性系数的定义是基于天线的辐射特性，由天线的互易定理，当天线用于变电站局放空间检测时，由于放电源位置的不明确性，要求天线的方向性为全向或近似全向。

1.3、灵敏度

灵敏度反映的是传感器将空间电场转化为电压输出的能力。特高频传感器的灵敏度H_e(f)由下式来定义：

$H_e\left(f\right)=\frac{V\left(f\right)}{E\left(f\right)}---\left(3\right)$

式中V(f)为天线感应电势，E(f)为入射电磁波电场强度，f为入射电磁波频率。

英国国家电网公司NGC对特高频传感器在500MHz-1500MHz的灵敏度做了明确的规定，超过80%频率范围的最小有效高度为2mm，全频率范围的平均有效高度大于6mm。

2.宽频多频点特高频传感器的设计

2.1、环形天线基本原理

环形天线属于闭合回路类型天线，其由一根导体弯曲成一圈或多圈且导体两端闭合在一起。环形天线可分为两种：一种是导体长度以及一圈的最大线性尺寸相对于工作波长非常小；另一种是导体总长度和环尺寸与工作波长有相当的可比性。

当环线微带天线的周长与工作波长相当时，环线微带天线的工作频率f_r可由式（4）确定：

$f_r=\frac{C}{L}---\left(4\right)$

其中，L为环周长，C为光速。

采用曲流技术能增加天线的有限长度，可达到降低天线谐振频率，实现天线小型化的目的。同时通过在天线的适当位置开槽改变微带天线各种自然模的场分布可实现天线双频或者多频工作。

2.2传感器的结构

本发明设计的特高频传感器主要由环线微带天线面板、馈线、50欧姆BNC型接头和屏蔽盒等组成，如图1所示。

为了保护传感器元件，将环线微带天线面板、馈线、50欧姆BNC型接头和屏蔽盒都设置在传感器防水罩内，传感器防水罩材料为高硅氧玻璃纤维，该材料具有高透波、高机械强度、耐高温、防水、防尘等特点，确保传感器能长期工作于室外。

具体地，环线微带天线面板模型如图2所示。环线微带天线面板包括：环形微带金属贴片、圆形介质基板。环形微带金属贴片构成圆环形天线，圆环形天线上开设有沿其径向方向延伸的槽。

如图2所示，本发明中天线的设计方案有两个关键因素，1）采用曲流技术在圆环形天线开槽增加了天线有效长度；2）在天线上开槽实现天线的多频率工作。通过仿真调试最终确定天线尺寸规格为：r=5cm，a=4cm，b=1cm，其中，r为环形天线半径，a为槽的深度，b为槽的宽度，介质板材料为FR4，其相对介电常数为4.3，厚度为0.1cm。

环形微带金属贴片附着在圆形介质基板一侧，环形微带金属贴片的两端由金属通孔引至介质基板的另一侧，形成馈电点，馈电点通过馈线连接至BNC接头。

本发明基于环形天线理论提供的新型的特高频传感器具有如下的特点：

-工作频段为480MHz-520MHz，800MHz-850MHz和1100MHz-1150MHz，覆盖了放电信号能量集中的主要频率范围；

-具有近似全向的特性；

-灵敏度高，H_e(f)平均值大于10mm。

实验室局放实验表明，本发明设计的特高频传感器能完全满足变电站局放检测的需要。

2.2、传感器参数计算及与性能分析

图3为传感器的反射系数曲线，其中，虚线为仿真计算得到的反射系数曲线，实线为安捷伦E5071C网络分析仪测试得到的反射系数曲线。

由图3中仿真和实测的驻波比曲线可以看到，两者之间的一致性较好，在480MHz-520MHz，800MHz-850MHz和1100MHz-1150MHz范围内反射系数小于-10dB，覆盖了放电信号能量分布的主要频率范围。

图4、图5为仿真计算的传感器在500MHz的E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）的方向图（虚线）。

由仿真结果可以看到，传感器在E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）具有近似全向的方向特性，能够满足局放检测定位中的全向性要求。

图6给出了传感器的灵敏度H_e曲线，由图6可知，在500MHz-2GHz频率范围内天线H_e均值为12.55mm，且超过80%频率范围H_e大于2mm，满足英国国家电网规定的对特高频传感器灵敏度的要求（参见文献：The National Grid Company plc.Technical GuidanceNote TGN(T)121,Issue1.Capacitive couplers for UHF partial discharge monitoring[S],1997.）。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，包括：环线微带天线面板（1）、屏蔽盒（2）、BNC接头（3）；

环线微带天线面板（1）设置在屏蔽盒（2）中；

BNC接头（3）连接环线微带天线面板（1）。

2.根据权利要求1所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，环线微带天线面板（1）包括：环形微带金属贴片（101）、圆形介质基板（102）；

环形微带金属贴片（101）附着在圆形介质基板（102）的一侧；

环形微带金属贴片（101）上开设有沿其径向方向延伸的槽；

环形微带金属贴片（101）的两端由圆形介质基板（102）上的金属通孔引至圆形介质基板（102）的另一侧形成馈电点（103）；

馈电点（103）通过馈线连接至BNC接头（3）。

3.根据权利要求2所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，环形微带金属贴片（101）的尺寸规格为：

r=5cm，

a=4cm，

b=1cm，

其中，r为环形微带金属贴片（101）所构成天线的半径，a为槽的深度，b为槽的宽度。

4.根据权利要求1所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，BNC接头（3）为50欧姆BNC型接头。

5.根据权利要求2或3所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，圆形介质基板（102）采用FR4材料，其相对介电常数为4.3。

6.根据权利要求5所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，圆形介质基板（102）的厚度为0.1cm。

7.根据权利要求1所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，还包括：传感器防水罩，其中，环线微带天线面板（1）、屏蔽盒（2）、BNC接头（3）均位于传感器防水罩内。

8.根据权利要求7所述的变电站局部放电检测及定位用多频段特高频窄带传感器，其特征在于，传感器防水罩采用高硅氧玻璃纤维材料制成。

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