CN109061423A - 一种锥形局部放电特高频传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锥形局部放电特高频传感器及其设计方法，该传感器包括金属接地板(1)、锥形天线(2)和电容环(3)，所述的金属接地板(1)固定在锥形天线(2)的锥体顶点下方，所述的电容环(3)固定在锥形天线(2)的锥体开口端，所述的金属接地板(1)和电容环(3)所在平面相互平行且垂直于锥形天线(2)的中轴线，所述的电容环(3)边缘通过多根金属柱(4)固定连接所述的金属接地板(1)。与现有技术相比，本发明设计的传感器使得锥形天线在尺寸较小的条件下获得低频段满足要求的驻波比，有效避免了低频段驻波比和天线尺寸难以同时满足的困难，有效提高局部放电特高频测量的准确性和可靠性。

Description

一种锥形局部放电特高频传感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其设计方法，尤其是涉及一种锥形局部放电特高频传感器及其设计方法。

背景技术

大量故障统计表明，在一般电气设备故障中，50％以上都是由绝缘引起的。发生绝缘故障的原因主要是绝缘薄弱处的局部放电引起的绝缘老化和失效，并最终导致绝缘的击穿。局部放电(PD)是造成绝缘劣化的主要原因，也是绝缘劣化的主要征兆和表现形式。局部放电活动在绝缘材料内部产生物理现象和化学变化。局部放电活动能够导致声、电和光能的发射，这使得能够采用不同的方法来进行检测和分析局部放电活动的出现。

用特高频法检测高压电气设备中局部放电产生的特高频信号最早由英国Strathclyde大学在20世纪80年代提出并且开始研究。1986年，特高频法被最先引进用于英国的Tomess变电站的420kV GIS设备上。此后十余年，越来越多的制造商和用户对特高频法作了研究，并在300MHZ-1500MHz频段获得了大量实践经验。在新修订的IEC60270和IEC60517中，均将这种方法作为局放检测的主要方法之一。

国内对特高频法研究起步较晚，国内西安交通大学、清华大学、重庆大学、华北电力大学、上海交通大学等单位最近几年曾进行过将特高频技术应用于GIS局部放电的检测试验平台、检测装置的研制和模型试验，但原有研究主要集中在特高频局部放电信号的通用性测量方法的研究，对于针对特定电气设备结构和特点的缺陷放电特性以及传播特性、传感器布置方式、视在放电量的校核预测、精确放电源定位以及实用的缺陷故障模式识别和诊断系统目前基本上还是一项空白。

基于特高频技术的电检测法可以有效避开常规局部放电检测中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，检测灵敏度高；能识别故障类型和进行定位；现场安装布置方便等优点。鉴于特高频法的上述优势，国内外都对这种检测方法进行了广泛的研究，并且取得了很多重要进展，部分产品已经应用在实际中。

特高频传感器是影响局部放电特高频局部放电检测性能的主要因素之一，也是检测系统中耦合高压电气设备绝缘缺陷局部放电信号的第一个器件，因此，特高频传感器的性能决定了整个检测系统的性能。然而，目前国内局部放电检测设备生产制造商在传感器方面的科研方面投入的精力不够，反而将大量精力投入到后续的硬件电路及软件开发上。因此，致使目前市场上所用的特高频传感器国外品牌性能较好，而国内传感器或多或少存在一些问题。

特高频传感器一般都是基于天线原理，其特征参数主要有测量带宽、灵敏度、驻波比以及电磁屏蔽性能等。国际上较有代表性的局部放电特高频传感器测量带宽在300MHz～1500MHz，灵敏度(平均等效高度)最高可达到12mm，驻波比在通带范围内一般低于3，部分传感器自带信号放大功能，且电磁屏蔽效果较好。国内由于在传感器上重视不够，部分研制的传感器采用微带天线原理，带宽较窄；部分传感器的灵敏度较低，甚至低于国网公司要求的8mm；而部分传感器的驻波比在低频段较大，无法满足整个频带内小于3的要求，而且曲线不平坦；部分传感器电磁屏蔽效果差，对干扰噪声起不到良好的屏蔽效果。因此，在这种情况下，需要发明并设计一种能满足各方面性能的适合局部放电检测的天线型传感器。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锥形局部放电特高频传感器及其设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锥形局部放电特高频传感器，该传感器包括金属接地板、锥形天线和电容环，所述的金属接地板固定在锥形天线的锥体顶点下方，所述的电容环固定在锥形天线的锥体开口端，所述的金属接地板和电容环所在平面相互平行且垂直于锥形天线的中轴线，所述的电容环边缘通过多根金属柱固定连接所述的金属接地板。

所述的电容环内环边缘与锥形天线的锥体开口端固定连接。

所述的金属柱倾斜设置，金属柱与锥形天线中轴线呈设定夹角。

所述的多根金属柱均匀分布在电容环边缘。

一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据特性参数要求值设计传感器的尺寸参数；

(2)采用电磁仿真软件建立传感器模型，并设置该仿真模型的边界条件参数；

(3)根据仿真模型获取传感器的特性参数仿真值，并与特性参数要求值对比，判断误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤(4)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调整仿真模型，返回步骤(3)；

(4)研制传感器样机，采用网络分析仪测量传感器的特性参数实际值，并与特性参数要求值对比，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤(5)，若否，则执行误差分析，根据分析结果对样机优化，返回步骤(4)；

(5)高压电气设备局部放电实验室试验及现场测试验证。

所述的特性参数包括测量带宽、灵敏度、驻波比和电磁屏蔽效果。

所述的尺寸参数包括锥形天线的锥体尺寸、电容环尺寸和金属柱尺寸。

所述的边界条件参数包括材料属性、中心频率、计算精度和划分网格数。

所述的网络分析仪频率范围0～6GHz。

步骤(5)具体为：

(501)在高压电气设备中设置气隙和尖角缺陷；

(502)给高压设备加压，通过脉冲电流法确定缺陷产生局部放电；

(503)在高压设备金属外壳的缝隙处放置传感器样机，检测局部放电产生的电磁波。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的局部放电特高频传感器通过给锥形天线设计电容环及金属柱，使得锥形天线在尺寸较小的条件下获得低频段满足要求的驻波比，有效避免了低频段驻波比和天线尺寸难以同时满足的困难；

(2)本发明通过数值仿真方式、网络分析仪特性参数测量和高压设备缺陷放电测量联合设计优化，有效减小了理论和实验测量的误差，实现了对局部放电特高频传感器的优化设计；

(3)本发明的局部放电特高频传感器能有效提高局部放电特高频测量的准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明锥形局部放电特高频传感器的结构示意图；

图2为本发明锥形局部放电特高频传感器的设计方法的流程框图；

图中，1为金属接地板，2为锥形天线，3为电容环，4为金属柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种锥形局部放电特高频传感器，该传感器包括金属接地板1、锥形天线2和电容环3，金属接地板1固定在锥形天线2的锥体顶点下方，电容环3固定在锥形天线2的锥体开口端，金属接地板1和电容环3所在平面相互平行且垂直于锥形天线2的中轴线，电容环3边缘通过多根金属柱4固定连接金属接地板1。

电容环3内环边缘与锥形天线2的锥体开口端固定连接，金属柱4倾斜设置，金属柱4与锥形天线2中轴线呈设定夹角，多根金属柱4均匀分布在电容环3边缘。

锥形局部放电特高频传感器中电容环3的作用为优化与50欧姆馈线的阻抗匹配，金属柱4的作用为进一步扩展带宽以及小型化天线。与辐射方式对称性相关的金属柱4数量以及粗细对输入阻抗没有较大影响。本实施例金属柱4设置3根。

如图2所示，一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据特性参数要求值设计传感器的尺寸参数，其中，特性参数包括测量带宽、灵敏度(平均等效高度)、驻波比和电磁屏蔽效果，传感器的尺寸参数包括锥形天线2的锥体尺寸、电容环3尺寸和金属柱4尺寸；

本实施例中测量带宽设计为300MHz～1500MHz，一方面，现场电晕放电、广播通信等干扰其频率一般在300MHz以下，因此可以排除在测量通带范围内，另一方面待测局部放电信号频率成分较高，测量带宽的上限频率不能太小，否则能检测到的局部放电信号能量小，信噪比差；平均等效高度参照国外产品，不小于10mm；驻波比在通带范围内均不小于3，且曲线平坦；具有良好的电磁屏蔽效果。根据测量带宽、驻波比、灵敏度要求设计传感器的尺寸参数如下：锥形天线2的高度为60mm、开口端直径为90mm；电容环3外径为110mm，内径为90mm，厚度为2mm；金属柱4直径为2mm、倾斜度为60度(与金属接地板1所在平面的夹角)。

步骤2：采用电磁仿真软件建立传感器模型，并设置该仿真模型的边界条件参数，边界条件参数包括材料属性、中心频率、计算精度和划分网格数。

步骤3：根据仿真模型获取传感器的特性参数仿真值，并与特性参数要求值对比，判断误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤4，若否，则执行误差分析，根据分析结果调整仿真模型，返回步骤3。

具体地：仿真完成后，通过仿真软件查看仿真结果，对比所建模型的特性参数是否符合要求，并计算误差大小，分析是否在允许范围内。如果误差较大，根据尺寸参数对特性参数的影响规律，分析需要调整的尺寸参数，如金属柱4倾斜度、电容环3直径等，重新设计模型的尺寸并仿真，直到误差在允许范围内为止。

步骤4：研制传感器样机，采用网络分析仪(网络分析仪频率范围0～6GHz)测量传感器的特性参数实际值，并与特性参数要求值对比，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤5，若否，则执行误差分析，根据分析结果对样机优化，返回步骤4。

具体地：研制传感器样机除了研制上述天线模型外，同时需要研制屏蔽外壳，并考虑传感器输出信号的连接方式。研制的样机通过矢量网络分析仪来测量其特性参数，并将测量值与要求值对比，计算误差大小。如果误差较大，需要分析研制过程中的影响因素，判断是结构或者是屏蔽等原因，有针对性地重新研制或者优化改进，直到误差在允许范围内为止。

步骤5：高压电气设备(GIS、开关柜)局部放电实验室试验及现场测试验证。

具体地：

(501)在高压电气设备中设置气隙和尖角缺陷；

(502)采用加压系统给高压设备加压，利用脉冲电流法测量系统通过脉冲电流法确定缺陷产生局部放电(气隙放电或电晕放电)，其中，加压系统由调压器、滤波器、200kV/1A无局放工频试验变压器、控制台、分压器、滤波限流电阻等组成，脉冲电流法测量系统由RLC测量阻抗、局放仪、信号电缆等组成。

(503)在高压设备金属外壳的缝隙处放置传感器样机，检测局部放电产生的电磁波。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种锥形局部放电特高频传感器，其特征在于，该传感器包括金属接地板(1)、锥形天线(2)和电容环(3)，所述的金属接地板(1)固定在锥形天线(2)的锥体顶点下方，所述的电容环(3)固定在锥形天线(2)的锥体开口端，所述的金属接地板(1)和电容环(3)所在平面相互平行且垂直于锥形天线(2)的中轴线，所述的电容环(3)边缘通过多根金属柱(4)固定连接所述的金属接地板(1)。

2.根据权利要求1所述的一种锥形局部放电特高频传感器，其特征在于，所述的电容环(3)内环边缘与锥形天线(2)的锥体开口端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种锥形局部放电特高频传感器，其特征在于，所述的金属柱(4)倾斜设置，金属柱(4)与锥形天线(2)中轴线呈设定夹角。

4.根据权利要求1所述的一种锥形局部放电特高频传感器，其特征在于，所述的多根金属柱(4)均匀分布在电容环(3)边缘。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述的锥形局部放电特高频传感器的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据特性参数要求值设计传感器的尺寸参数；

(2)采用电磁仿真软件建立传感器模型，并设置该仿真模型的边界条件参数；

(3)根据仿真模型获取传感器的特性参数仿真值，并与特性参数要求值对比，判断误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤(4)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调整仿真模型，返回步骤(3)；

(4)研制传感器样机，采用网络分析仪测量传感器的特性参数实际值，并与特性参数要求值对比，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤(5)，若否，则执行误差分析，根据分析结果对样机优化，返回步骤(4)；

(5)高压电气设备局部放电实验室试验及现场测试验证。

6.根据权利要求5所述的一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，其特征在于，所述的特性参数包括测量带宽、灵敏度、驻波比和电磁屏蔽效果。

7.根据权利要求5所述的一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，其特征在于，所述的尺寸参数包括锥形天线(2)的锥体尺寸、电容环(3)尺寸和金属柱(4)尺寸。

8.根据权利要求5所述的一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，其特征在于，所述的边界条件参数包括材料属性、中心频率、计算精度和划分网格数。

9.根据权利要求5所述的一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，其特征在于，所述的网络分析仪频率范围0～6GHz。

10.根据权利要求5所述的一种锥形局部放电特高频传感器的设计方法，其特征在于，步骤(5)具体为：

(501)在高压电气设备中设置气隙和尖角缺陷；

(502)给高压设备加压，通过脉冲电流法确定缺陷产生局部放电；

(503)在高压设备金属外壳的缝隙处放置传感器样机，检测局部放电产生的电磁波。