CN104515940B - 一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，包括微带缝隙天线和SMA接头；微带缝隙天线包括介质基片；介质基片一侧为开槽的金属接地板，相对的另一侧为微带馈线；SMA接头与微带馈线电连接。整体看金属接地板上的开槽形状为倒U形，细节设计上采用曲流技术，通过弯折改变表面激励电流路径，实现天线小型化。该超高频传感器在应用时，质量轻、体积小、易于制造，利于在开关柜内部的安置，同时灵敏度高，馈电结构简单、紧凑，馈线损耗较小。经过仿真和实验验证，该传感器在带宽范围内的回波损耗小于‑10dB；此外，通过对微带馈线参数及馈电位置的优化，有效地实现了与标准50Ω同轴传输线的阻抗匹配。

Description

一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器

【技术领域】

本发明属于电力设备状态监测领域，涉及一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器。

【背景技术】

高压开关柜是电力系统非常重要的电气设备，其内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁。根据1989～1992年间全国电力系统6～10kV开关柜事故统计，绝缘和载流引起的故障占总数的40.2％，其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的79.0％。

开关柜设备局部放电量的大小，是评价该类设备健康状态是否良好的关键指标，也是前期发现开关柜设备绝缘隐患，保障开关柜设备安全运行的关键。

超高频局部放电检测系统通过接收柜体内局部放电产生的超高频电磁波，实现局放的检测和模式识别。它可在设备不停电的情况下进行安装，并对设备状况进行实时动态监测，具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度。超高频传感器通常选用微带天线，可松缩带固定，这样既能避免现场干扰，同时还保证检测系统的灵敏度。

微带缝隙天线，是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线对其馈电的天线。缝隙实际上可以是任何形状，但通常只对一些基本的微带缝隙形状进行研究，如矩形缝隙、环形缝隙、锥形缝隙等。利用微带缝隙天线设计的超高频传感器，将无线传输的系统整合在一张基板上，所以不仅体积相当小，而且制造成本也相对低廉，同时可以保证无线传输的可靠性。

然后现有超高频传感器却存在着增益低、带宽窄、效率低的问题同时，还存在着天线性能与体积的矛盾。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，以解决现有超高频传感器增益低、带宽窄、效率低等问题；本发明提供的一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器具有小型化、高增益的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，包括微带缝隙天线和SMA接头；微带缝隙天线包括介质基片；介质基片一侧为开槽的金属接地板，相对的另一侧为微带馈线；SMA接头与微带馈线电连接。

优选的，所述介质基片采用介电常数为4.4的环氧板加工制成。

优选的，所述的微带馈线和金属接地板分别刻蚀在所述介质基片的一侧表面上，且均为铜材料制成。

优选的，介质基片呈矩形，其尺寸为100mm×30mm；微带馈线呈矩形，位于介质基片底部左侧，其长度为26mm，宽度为3mm；微带馈线的长边与介质基片的宽度方向平行；微带馈线的短边与介质基片的长度方向平行；微带馈线的顶端距离介质基片顶端的距离为4mm；微带馈线的左端距离介质基片左端的距离为29mm；在金属接地板上刻蚀形成有倒U形的缝隙槽。

优选的，缝隙槽包括两条长9.55mm、宽度4mm的垂直矩形槽与一条长92mm、宽4mm的水平矩形槽；水平矩形槽的长边与介质基片的长度方向平行，水平矩形槽的短边与介质基片的宽度方向平行；水平矩形槽的长边顶端距离介质基片顶端的距离为4mm；水平矩形槽的左端距离介质基片左端的距离为4mm，平矩形槽的右端距离介质基片右端的距离为4mm；两个垂直矩形槽分别设置在水平矩形槽左端下部和右端下部，且与水平矩形槽连通；垂直矩形槽的长边与介质基片的宽度方向平行，垂直矩形槽的短边与介质基片的长度方向平行；垂直矩形槽的顶端距离介质基片顶端的距离为8mm；左端垂直矩形槽的左端距离介质基片左端的距离为4mm，右端垂直矩形槽的右端距离介质基片右端的距离为4mm；在水平矩形槽长边的内侧开4个12mm×2mm的小矩形槽；最左端的小矩形槽距离左端垂直矩形槽的右端的距离为6mm，相邻小矩形槽的间距为8mm，最右端的小矩形槽距离右端垂直矩形槽的左端的距离为6mm；小矩形槽位于水平矩形槽下部长边的下部，且与水平矩形槽相连通；小矩形槽的长边与介质基片的长度方向平行，小矩形槽的短边与介质基片的宽度方向平行。

优选的，所述小矩形槽采用曲流技术制备而成。

优选的，所述的SMA接头焊接在微带馈线上，且与输入阻抗为50Ω的同轴传输线连接。

优选的，所述微带天线的服务频段是955MHz至985MHz范围内，带宽大于30MHz；所述微带天线在955MHz至985MHz范围内的回波损耗小于-10dB，在谐振频率970MHz达到-21.3dB以下。

优选的，所述微带天线在970MHz中心频率处，天线的输入阻抗为44.6-j7.6Ω。

本发明的超高频传感器，其主体为微带缝隙天线，与传统微带缝隙天线结构类似，包括介质基片、开槽的金属接地板和微带馈线。介质基片选用介电常数为4.4的环氧树脂板；金属接地板设置在介质基片一侧，在其上开倒U形槽，利用曲流技术，通过弯折改变表面激励电流路径，实现天线小型化；微带馈线设置在介质基片另一侧，采用偏心馈电方式。

相比较现有技术，本发明的超高频传感器体积足够小，且利用缝隙形状与馈电方式的优化，使其增益足够大、回波损耗足够小，能够满足开关柜在线监测的要求。该超高频传感器在应用时，质量轻、体积小、易于制造，利于在开关柜内部的安置，同时灵敏度高，馈电结构简单、紧凑，馈线损耗较小。经过仿真和实验验证，该传感器在带宽范围内的回波损耗(S11参数)小于-10dB，故可以有效地检测到开关柜内部局部放电产生的超高频电磁波信号。此外，通过对微带馈线参数及馈电位置的优化，有效地实现了与标准50Ω同轴传输线的阻抗匹配。

当结合相应附图并通过如下的详细描述，本发明的以上及其它的目的、特征及优点会变得更清楚。

【附图说明】

图1(a)、图1(b)和图1(c)分别是传统微带天线结构图、侧视图和俯视图；

图2(a)和图2(b)是一种典型传统微带缝隙天线实施例的结构图、回波损耗图；

图3是本发明超高频传感器的侧视图；

图4(a)是本发明超高频传感器的微带缝隙天线的一个最佳实施例的几何尺寸图；

图4(b)为本发明超高频传感器的立体示意图；

图5是本发明超高频传感器的最佳实施例的回波损耗图。

图6是本发明超高频传感器的最佳实施例的方向图。

图7是本发明超高频传感器的最佳实施例的阻抗匹配图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。为了与本发明进行比较，首先对传统的微带天线进行描述。

参见图1(a)至图1(c)所示，对微带天线的辐射机理进行说明。对于图1(a)所示的矩形贴片微带天线，从理论上讲采用传输线模型来分析其性能。图1(a)所示的矩形贴片微带天线包括矩形介质基片20，介质基片20上贴有辐射贴片10，辐射贴片10连接有馈线30。假设辐射贴片10的长度近似为半波长，宽度为w，介质基片2的厚度为h，工作波长为λ。可以将辐射贴片10、介质基片20和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，并在传输线的两端断开形成开路。由于介质基片的厚度h<<λ，故电场沿着厚度h的方向基本没有变化。在最简单的情况下，假设电场沿着宽度w方向也没有变化。那么，在只考虑主模激励(TM10模)的情况下，传输线的场结构如图1(b)所示，辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的。在两开路端的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于辐射贴片长度约为半个波长，因此两垂直分量电场方向相反，水平分量电场方向相同。所以，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的两个辐射缝隙40，缝隙宽度为ΔL(近似等于基片厚度h)，长度为w，两缝隙相距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场垂直于w方向，如图1(c)所示。实际上，微带缝隙天线的辐射机理与此等效。

图2(a)为传统微带缝隙天线的结构图。其包括：介质基片20、微带馈线40、接地板50和辐射缝隙40。图2(b)为该天线的回波损耗图。回波损耗是表示信号反射性能的参数，它说明入射功率的一部分被反射回到信号源。典型情况下设计者的目标是至少-10dB的回波损耗，而在该实施例中，谐振频率m1处的回波损耗为-10.07dB，小于-10dB的频带宽度也很窄，因此该传统天线的性能一般。

请参阅图3所示，本发明一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，包括微带缝隙天线和SMA接头4。微带缝隙天线包括介质基片1，介质基片1为环氧树脂板，其相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm。介质基片1一侧为开槽的金属接地板2，相对的另一侧为微带馈线3。SMA接头4焊接在微带馈线3上，采用侧馈方式与输入阻抗为50Ω的标准同轴传输线相连接。

图4(a)为本发明超高频传感器的微带缝隙天线的一个最佳实施例的几何尺寸图。馈电方式采用的是侧馈微带线，辐射阵子在微带线的屏蔽导体上刻蚀而成，即所开的缝隙。介质基片1尺寸L×W为100mm×30mm，设置矩形的微带馈线3于介质基片1底部左侧，其长度L₁为26mm，宽度W₁为3mm；微带馈线3的长边与介质基片1的宽度方向平行；微带馈线3的短边与介质基片1的长度方向平行；微带馈线3的顶端距离介质基片1顶端的距离为W-L₁＝4mm；微带馈线3的左端距离介质基片1左端的距离为29mm。介质基片1顶部为覆铜的金属接地板2，在金属接地板2上刻蚀形状新颖的缝隙槽20，缝隙槽20可以看做倒U形，由两条长W₂-4＝9.55mm的垂直矩形槽21与一条长L₂＝92mm水平矩形槽22组成，且矩形缝隙宽度S均为4mm；水平矩形槽22的长边与介质基片1的长度方向平行，水平矩形槽22的短边与介质基片1的宽度方向平行；水平矩形槽22的长边顶端距离介质基片1顶端的距离为W-L₁＝4mm；水平矩形槽22的左端距离介质基片1左端的距离为4mm，平矩形槽22的右端距离介质基片1右端的距离为4mm。两个垂直矩形槽21分别设置在水平矩形槽22左端下部和右端下部，且与水平矩形槽22连通。垂直矩形槽21的长边与介质基片1的宽度方向平行，垂直矩形槽21的短边与介质基片1的长度方向平行；垂直矩形槽21的顶端距离介质基片1顶端的距离为8mm；左端垂直矩形槽21的左端距离介质基片1左端的距离为4mm，右端垂直矩形槽21的右端距离介质基片1右端的距离为4mm。在水平矩形槽22上采用曲流技术，即在其长边的内侧开4个L₃×W₃＝12mm×2mm的小矩形槽220，最左端的小矩形槽220距离左端垂直矩形槽21的右端的距离为6mm，相邻小矩形槽220的间距为8mm，最右端的小矩形槽220距离右端垂直矩形槽21的左端的距离为6mm；小矩形槽220位于水平矩形槽22下部长边的下部，且与水平矩形槽22相连通；小矩形槽220的长边与介质基片1的长度方向平行，小矩形槽220的短边与介质基片1的宽度方向平行。微带天线接地板曲流技术指的是通过在接地板上开槽实现电流路径改变的小型化天线技术。在接地板上开槽可以达到和贴片上开槽同样的曲流效果。保持天线贴片的形状不变，在地板上开槽，可以引导贴片中的电流发生弯曲，从而增加电流路径的有效长度，降低谐振频率。同时，由于接地板开槽造成了微带天线Q值的降低，天线的带宽也会有相应的增加。

图5为本发明超高频传感器的回波损耗关于频率的曲线，从该图可以说明，本发明超高频传感器的服务频段是955MHz至985MHz范围内，带宽在30MHz以上，因此它可以较容易地进行局部放电信号测量。本发明微带天线由于在955MHz至985MHz范围内的回波损耗是-10dB以下，特别是在谐振频率970MHz达到-21.3dB以下，所以反射电流的损耗值是非常小的。而且，它的带宽可以保持在30MHz量级上。

图6为本发明超高频传感器的增益方向图。在应用所述天线接收局部放电信号的过程中，在天线指向的角度范围[-30，30]，增益是大致均匀的；在天线所在平面(方向图中角度接近90度)，如标记m3处增益达到-26.00dB，具有较强的抑制作用，因此该传感器不容易受到来自天线附近的信号处理电路产生的噪声信号的影响。

图7为本发明超高频传感器的阻抗匹配图。从该图中可以说明，在970MHz中心频率处，天线的输入阻抗为44.6-j7.6Ω，接近标准50Ω，这说明该天线结构已达到良好的阻抗匹配。

本发明的超高频信号传感器主要应用于开关柜，并可以将天线基片与信号处理模块设计在一起，信号处理模块一般是由选频、调理、放大等电路构成。

尽管已参照附图描述了本发明，但应理解，这种描述并未将本发明限定于附图所示的实施例，仅用以说明本发明。本领域的技术人员将能理解，从说明书中揭示的实施例可以做出各种改形和变型。因此，本发明的范围应由所附各权利要求确定。

Claims (5)

1.一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于，包括微带缝隙天线和SMA接头(4)；微带缝隙天线包括介质基片(1)；介质基片(1)一侧为开槽的金属接地板(2)，相对的另一侧为微带馈线(3)；SMA接头(4)与微带馈线(3)电连接

介质基片呈矩形，其尺寸为100mm×30mm；微带馈线呈矩形，位于介质基片底部左侧，其长度为26mm，宽度为3mm；微带馈线的长边与介质基片的宽度方向平行；微带馈线的短边与介质基片的长度方向平行；微带馈线的顶端距离介质基片顶端的距离为4mm；微带馈线的左端距离介质基片左端的距离为29mm；在金属接地板(2)上刻蚀形成有倒U形的缝隙槽(20)；

缝隙槽(20)包括两条长9.55mm、宽度4mm的垂直矩形槽(21)与一条长92mm、宽4mm的水平矩形槽(22)；水平矩形槽(22)的长边与介质基片(1)的长度方向平行，水平矩形槽(22)的短边与介质基片(1)的宽度方向平行；水平矩形槽(22)的长边顶端距离介质基片(1)顶端的距离为4mm；水平矩形槽(22)的左端距离介质基片(1)左端的距离为4mm，水平矩形槽(22)的右端距离介质基片(1)右端的距离为4mm；两个垂直矩形槽(21)分别设置在水平矩形槽(22)左端下部和右端下部，且与水平矩形槽(22)连通；垂直矩形槽(21)的长边与介质基片(1)的宽度方向平行，垂直矩形槽(21)的短边与介质基片(1)的长度方向平行；垂直矩形槽(21)的顶端距离介质基片(1)顶端的距离为8mm；左端垂直矩形槽(21)的左端距离介质基片(1)左端的距离为4mm，右端垂直矩形槽(21)的右端距离介质基片(1)右端的距离为4mm；在水平矩形槽(22)长边的内侧4个12mm×2mm的小矩形槽(220)；最左端的小矩形槽(220)距离左端垂直矩形槽(21)的右端的距离为6mm，相邻小矩形槽(220)的间距为8mm，最右端的小矩形槽(220)距离右端垂直矩形槽(21)的左端的距离为6mm；小矩形槽(220)位于水平矩形槽(22)下部长边的下部，且与水平矩形槽(22)相连通；小矩形槽(220)的长边与介质基片(1)的长度方向平行，小矩形槽(220)的短边与介质基片(1)的宽度方向平行；

所述微带天线的服务频段是955MHz至985MHz范围内，带宽大于30MHz；所述微带天线在955MHz至985MHz范围内的回波损耗小于-10dB，在谐振频率970MHz达到-21.3dB以下；

所述微带天线在970MHz中心频率处，天线的输入阻抗为44.6-j7.6Ω。

2.根据权利要求1所述的一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于：所述介质基片采用介电常数为4.4的环氧板加工制成。

3.根据权利要求1所述的一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于：所述的微带馈线和金属接地板分别刻蚀在所述介质基片的一侧表面上，且均为铜材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于：所述小矩形槽(220)采用曲流技术制备而成。

5.根据权利要求1所述的一种用于开关柜内部局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于：所述的SMA接头焊接在微带馈线上，且与输入阻抗为50Ω的同轴传输线连接。