CN105676094A - 一种用于gis局部放电检测的外置式传感器 - Google Patents

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周华
张弛
徐华
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    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Abstract

本发明公开了一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，包括：用于接收GIS局部放电所产生的电磁波信号的翼型贴片天线；翼型贴片天线的外部包覆有用于固定在GIS的盆式绝缘子上的传感器外壳，传感器外壳还用于封装翼型贴片天线，以及屏蔽外部干扰信号；传感器外壳上设有用于连接外接馈电同轴电缆的馈电N型同轴接头；传感器外壳内还设有用于连接翼型贴片天线和馈电N型同轴接头的第一同轴电缆。在设计传感器时，根据翼型贴片天线的形状和大小等参数可以调节和定义传感器的回波损耗以及频带带宽，以实现和盆式绝缘子泄露的电磁波信号的主要频带相对应，从而保证了传感器具有较宽的检测带宽和较高的灵敏度。

Description

一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器
技术领域
本发明涉及电力设备绝缘状态诊断技术领域，特别是涉及一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器。
背景技术
气体绝缘组合电器(GasInsulatedSwitchgear，GIS)具有占地空间小、运行可靠性高等优点，在变电站内逐渐获得广泛应用。GIS在装配及运行过程中可能会产生影响绝缘性能的缺陷，如在中心导杆上产生划痕、断路器开断过程中产生金属微粒等。GIS采用高气压SF6气体绝缘，且内部电场为稍不均匀场，内部存在的缺陷会引起局部电场增强，引发局部放电甚至绝缘击穿。
其中，局部放电表现为上升沿极陡、脉宽极窄的电流脉冲，会激发出特高频段(300MHz～3GHz)的电磁波。GIS的同轴结构为一个良好的波导，可以有效地传播局部放电产生的电磁波信号，因此可利用天线接收电磁波信号进而检测局部放电。现场变电站的GIS有许多间隔组成，各个间隔之间采用盆式绝缘子分割，盆式绝缘子起到机械支撑与气体隔离两方面的作用。局部放电产生的电磁波信号可由敞开式盆式绝缘子或封闭盆式绝缘子的浇铸孔泄露出来，因此可以将传感器安装在盆式绝缘子上以检测泄露的电磁波信号，这种传感器称为外置式传感器。外置式传感器具有不侵入GIS腔体且安装方便等多方面的优点，在GIS局部放电耐压试验及带电检测中均获得广泛应用。
目前已有GIS外置式传感器包括矩形贴片天线、喇叭天线、双极子天线等。但是，矩形贴片天线接收频段一般较窄，检测灵敏度低；喇叭天线体积过大，不便于携带；双极子天线虽然结构简单，但安装时需要合理选择位置，要求现场人员具有一定的天线基础知识。另外，目前许多天线有效检测带宽未经过合理设计，不能与盆式绝缘子泄露电磁波的主要频带对应起来(600MHz～2GHz)，因此检测灵敏度不高。
因此，如何提供一种检测灵敏度高、便于携带且适用于现场应用的GIS外置式局部放电检测传感器是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，具有较高的检测林敏度，且便于携带，适用于现场应用。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，包括：
用于接收GIS局部放电所产生的电磁波信号的翼型贴片天线；
所述翼型贴片天线的外部包覆有用于固定在所述GIS的盆式绝缘子上的传感器外壳，所述传感器外壳还用于封装所述翼型贴片天线，以及屏蔽外部干扰信号；
所述传感器外壳上设有用于连接外接馈电同轴电缆的馈电N型同轴接头；
所述传感器外壳内还设有用于连接所述翼型贴片天线和所述馈电N型同轴接头的第一同轴电缆。
优选地，所述翼型贴片天线包括：
介质基片和两片翼型金属贴片，所述两片翼型金属贴片对称设置在所述介质基片上，且所述两片翼型金属贴片上各设置一个用于与所述第一同轴电缆及屏蔽层连接的过孔焊盘。
优选地，所述翼型金属贴片为梯形金属贴片，所述梯形金属贴片的高度范围为20mm～40mm，包括端点值；所述梯形金属贴片的两腰之间的张角范围为90°～120°，包括端点值。
优选地，所述传感器外壳为金属外壳，所述金属外壳的底部包括一用于容所述GIS局部放电所产生的电磁波信号进入的敞口，所述金属外壳的底面和所述翼型贴片天线所在平面平行，所述翼型贴片天线所在平面和所述金属外壳的底面的距离范围为20mm～40mm，包括端点值。
优选地，所述金属外壳的侧壁为与所述GIS的盆式绝缘子相贴合的一边为弧形的金属侧壁。
优选地，所述翼型贴片天线通过灌封胶浇铸于所述传感器外壳内。
优选地，所述传感器外壳内设有用于支撑和固定所述翼型贴片天线的开口圆筒形支撑件。
优选地，所述介质基片为FR-4环氧玻璃布层压板。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例所提供的一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，包括：用于接收GIS局部放电所产生的电磁波信号的翼型贴片天线；翼型贴片天线的外部包覆有用于固定在GIS的盆式绝缘子上的传感器外壳，传感器外壳还用于封装翼型贴片天线，以及屏蔽外部干扰信号；传感器外壳上设有用于连接外接馈电同轴电缆的馈电N型同轴接头；传感器外壳内还设有用于连接翼型贴片天线和馈电N型同轴接头的第一同轴电缆。由于传感器采用了翼型贴片天线，在设计传感器时，根据翼型贴片天线的形状和大小等参数可以调节和定义传感器的回波损耗以及频带带宽，使得天线的频带落于600MHz～2GHz范围内，以实现和盆式绝缘子泄露的电磁波信号的主要频带对应起来，从而保证了传感器具有较宽的检测带宽和较高的灵敏度，此外，传感器壳体具有屏蔽外部干扰信号的功能，可以有效减少外部噪声信号的强度，提高传感器所在的检测系统的抗噪性。由于天线的参数已经设定，在安装时只需将传感器外壳固定在GIS的盆式绝缘子上即可，便于现场应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种具体实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器俯视图；
图2为本发明一种具体实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器的透视图；
图3为本发明一种具体实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器的翼型贴片天线结构示意图；
图4为本发明一种实施方式所提供的翼型贴片天线的贴片宽度L对回波损耗的影响示意图；
图5为本发明一种实施方式所提供的翼型贴片天线的梯形金属贴片张角对回波损耗的影响示意图；
图6为本发明一种实施方式所提供的翼型贴片天线距离金属外壳底面的距离对回波损耗的影响示意图；
图7为本发明一种实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器实测的等效高度曲线图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，具有较高的检测林敏度，且便于携带，适用于现场应用。
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
请参考图1和图2，图1为本发明一种具体实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器俯视图；图2为本发明一种具体实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器的透视图。
在本发明的一种具体实施方式中，一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，包括：用于接收GIS局部放电所产生的电磁波信号的翼型贴片天线2，其中，所谓的翼型贴片天线指的是贴片几何结构类似蝴蝶的两翼的天线；翼型贴片天线2的外部包覆有用于固定在GIS的盆式绝缘子上的传感器外壳1，传感器外壳1还用于封装翼型贴片天线2，以及屏蔽外部干扰信号；传感器外壳1上设有用于连接外接馈电同轴电缆的馈电N型同轴接头3；传感器外壳1内还设有用于连接翼型贴片天线和馈电N型同轴接头的第一同轴电缆4。
在本实施方式中，由于传感器采用了翼型贴片天线，在设计传感器时，根据翼型贴片天线的形状和大小等参数可以调节和定义传感器的回波损耗以及频带带宽，使得天线的频带落于600MHz～2GHz范围内，以实现和盆式绝缘子泄露的电磁波信号的主要频带对应起来，从而保证了传感器具有较宽的检测带宽和较高的灵敏度，此外，传感器壳体具有屏蔽外部干扰信号的功能，可以有效减少外部噪声信号的强度，提高传感器所在的检测系统的抗噪性。由于天线的参数已经设定，在安装时只需将传感器外壳固定在GIS的盆式绝缘子上即可，便于现场应用。
请参考图3、图4和图5，图3为本发明一种具体实施方式所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器的翼型贴片天线结构示意图；图4为本发明一种实施方式所提供的翼型贴片天线的贴片宽度L对回波损耗的影响示意图；图5为本发明一种实施方式所提供的翼型贴片天线的梯形金属贴片张角对回波损耗的影响示意图。
在上述实施方式的基础上，本发明一种实施方式中，翼型贴片天线包括：介质基片22和两片翼型金属贴片21，两片翼型金属贴片21对称设置在介质基片22上。在本实施方式中，优选介质基片为矩形基片，且介质基片为FR-4环氧玻璃布层压板，两片翼型金属贴片21相对于介质基片22的中心线相对布置，翼型金属贴片21的下表面黏贴在介质基片22的上表面。且两片翼型金属贴片上各设置一个用于与第一同轴电缆及屏蔽层连接的过孔焊盘，所谓的屏蔽层指的是同轴电缆的屏蔽层，其是同轴电缆的一部分，形成50欧姆的阻抗，用于屏蔽外部电磁波的干扰，从而两片翼型金属贴片构成的天线将接收到的GIS局部放电所产生的电磁波信号通过第一同轴电缆以及馈电N型同轴接头传输到外接的其他检测设备中，以供用户获取GIS局部放电信息。
其中，在本实施方式中，优选翼型金属贴片为梯形金属贴片，进一步优选为等腰梯形金属贴片，梯形金属贴片的高度范围为20mm～40mm，包括端点值；梯形金属贴片的两腰之间的张角范围为90°～120°，包括端点值。在本实施方式中，翼型金属贴片为梯形的金属贴片，则影响其性能的主要参数为该金属贴片的贴片宽度L及张角θ。其中，贴片宽度L即梯形金属贴片的高度，贴片宽度受GIS盆式绝缘子的尺寸所限制，不能宽于盆式绝缘子的宽度，因此在本实施方式中梯形金属贴片的高度范围为20mm～40mm，在本实施方式中，可以通过高频电磁波仿真软件仿真该传感器的主要性能参数，进而优化设计梯形金属贴片的尺寸，其中，该传感器的主要性能指标为回波损耗S11，其表征了传感器对辐射电磁波的反射程度，反射程度越小则回波损耗越小，天线接收信号的能力就越强。在工程中要求设计传感器在频段内回波损耗S11小于-10dB。
在本实施方式中，对该梯形金属贴片的贴片宽度L分别取10mm、15mm、20mm、25mm、30mm及35mm时的回波损耗S11进行仿真，结果如图4所示，可知贴片宽度的增加可降低检测频带及回波损耗，为了保证传感器具有较好的检测带宽，贴片宽度的选取以频带落于600MHz～2GHz范围内且回波损耗尽量低为标准，本实施方式中，则优选贴片宽度L＝30mm。
此外，对梯形金属贴片张角θ取30°、60°、90°、120°及150°时的回波损耗S11进行仿真，结果如图5所示，可知张角θ的增加可降低检测频带但会使回波损耗增大，而贴片宽度的选取以频带落于600MHz～2GHz范围且回波损耗尽量低为标准。本实施例中，因此，优选张角θ＝90°。
需要说明的是，本实施方式只是优选L＝30mm，θ＝90°，贴片宽度和张角的值根据实际需要进行设计，在此并不做限定。
在本发明的一种实施方式中，传感器外壳为金属外壳，金属外壳的底部包括一用于容GIS局部放电所产生的电磁波信号进入的敞口，金属外壳的底面和翼型贴片天线所在平面平行，翼型贴片天线所在平面和金属外壳的底面的距离范围为20mm～40mm，包括端点值。金属外壳的侧壁为与GIS的盆式绝缘子相贴合的一边为弧形的金属侧壁。翼型贴片天线通过灌封胶浇铸于传感器外壳内。如图1所示，优选传感器外壳内设有用于支撑和固定翼型贴片天线的开口圆筒形支撑件6。
采用金属外壳可以有效屏蔽外界的干扰信号，减少外部噪声信号的强度，且造价低廉，抗破坏性强，可以有效保护其内的翼型贴片天线。在本实施方式中，金属外壳和盆式绝缘子接触的一面敞开，即金属外壳一侧设有敞口，在安装时将敞口对准GIS的盆式绝缘子的浇注孔进行安装，优选的金属侧壁在敞口一侧的边缘呈圆弧形，使得金属外壳和GIS的盆式绝缘子紧密接触，既能防止金属壳体外侧的干扰信号通过金属外壳和盆式绝缘子之间的间隙进入金属壳体内，又能保证GIS局部放电产生的电磁波信号由盆式绝缘子的浇注孔进入传感器内。尤其是翼型贴片天线通过灌封胶浇铸于传感器外壳内，保证了天线的稳固性及现场应用，使得传感器整体设计坚固，抗破坏性更强，其中，优选灌封胶为环氧树脂灌封胶，灌封胶在将天线浇铸在金属外壳内的同时也会将第一同轴电缆浇铸在金属外壳内，可以保证天线的信号通过第一同轴电缆传输至外界，避免了由于震动等因素造成的第一同轴电缆和天线接触不良。而传感器外壳内设有用于支撑和固定翼型贴片天线的开口圆筒形支撑件，保证了在使用灌封胶浇铸的过程中翼型贴片天线位置的固定，且灌封胶可由开口流入开口圆筒形支撑件内，保证了整个传感器的完整结实灌封。
在本实施方式中，翼型贴片天线浇铸到金属外壳内之后，受金属外壳及环氧树脂灌封胶的影响，天线性能会发生变化，尤其是翼型贴片天线与金属外壳底部距离影响天线性能。距离金属外壳底部距离通过高频电磁波仿真软件仿真优化设计，对距离金属外壳距离d分别取为10mm、20mm、30mm及40mm时的回波损耗进行仿真，结果如图6所示，翼型贴片天线距离金属外壳底部的距离的选取以频带落于600MHz～2GHz范围内且回波损耗尽量低为标准，由图6可知在d＝20mm时频带落在600MHz～2GHz的比较靠近中心的位置且回波损耗较低，因此本实施例中优选d＝20mm。
此外，利用吉赫兹横向电磁场室实测了本发明外置型传感器的等效高度参数，其结果如图7所示。由图7可知本发明所提供的传感器在500MHz～1800MHz范围内等效高度参数He大于5mm，平均高度为17.1mm，可有效满足特高频局部放电的测量。
综上所述，本发明所提供的用于GIS局部放电检测的外置式传感器，其天线尺寸、以及天线与金属外壳间距等皆经过优化设计，使得该传感器检测带宽与盆式绝缘子电磁波泄露频段一致，从而保证了较宽的检测带宽和较高的灵敏度。其次，采用灌封胶将翼型贴片天线浇铸于金属外壳内，使得整体设计较为坚固，抗破坏性强，适用于现场GIS的局部放电检测，且传感器的尺寸相对较小，便于携带。最后，天线的接收面朝向盆式绝缘子，天线外部为具有屏蔽功能的传感器外壳，可以有效减少外部噪声的强度，提高了整个检测系统的抗噪性。
以上对本发明所提供一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于GIS局部放电检测的外置式传感器，其特征在于，包括：
用于接收GIS局部放电所产生的电磁波信号的翼型贴片天线；
所述翼型贴片天线的外部包覆有用于固定在所述GIS的盆式绝缘子上的传感器外壳，所述传感器外壳还用于封装所述翼型贴片天线，以及屏蔽外部干扰信号；
所述传感器外壳上设有用于连接外接馈电同轴电缆的馈电N型同轴接头；
所述传感器外壳内还设有用于连接所述翼型贴片天线和所述馈电N型同轴接头的第一同轴电缆。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述翼型贴片天线包括：
介质基片和两片翼型金属贴片，所述两片翼型金属贴片对称设置在所述介质基片上，且所述两片翼型金属贴片上各设置一个用于与所述第一同轴电缆及屏蔽层连接的过孔焊盘。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述翼型金属贴片为梯形金属贴片，所述梯形金属贴片的高度范围为20mm～40mm，包括端点值；所述梯形金属贴片的两腰之间的张角范围为90°～120°，包括端点值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器外壳为金属外壳，所述金属外壳的底部包括一用于容所述GIS局部放电所产生的电磁波信号进入的敞口，所述金属外壳的底面和所述翼型贴片天线所在平面平行，所述翼型贴片天线所在平面和所述金属外壳的底面的距离范围为20mm～40mm，包括端点值。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述金属外壳的侧壁为与所述GIS的盆式绝缘子相贴合的一边为弧形的金属侧壁。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述翼型贴片天线通过灌封胶浇铸于所述传感器外壳内。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述传感器外壳内设有用于支撑和固定所述翼型贴片天线的开口圆筒形支撑件。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述介质基片为FR-4环氧玻璃布层压板。
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