CN111157860A - 一种高频电磁波谐振腔传感器 - Google Patents

一种高频电磁波谐振腔传感器 Download PDF

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彭晶
王科
谭向宇
邓云坤
马仪
赵现平
李�昊
刘红文
张文斌
李彤
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Abstract

本发明公开了一种高频电磁波谐振腔传感器,包括:谐振腔外壳、设于谐振腔外壳底部的底座保护套、贯穿谐振腔外壳底部中心和底座保护套中心的同轴电缆接头和设在谐振腔外壳内与同轴电缆接头连接的探头;探头包括探测板和与探测板连接的支撑座,支撑座设在探测板的中心位置,以及,支撑座与同轴电缆接头连接;谐振腔外壳嵌于底座保护套内,以及,谐振腔外壳远离底座保护套的顶部中心设有圆孔。本发明的技术方案中谐振腔的工作频带较宽,通过谐振使高频信号获得增强,然后聚集在传感器探头上,从而提高传感器的测量精度,并且避免了对已投运的GIS设备进行改造,安装方便,减少了运行和检修造成的不便。

Description

一种高频电磁波谐振腔传感器
技术领域
本发明涉及电力技术领域,尤其涉及一种高频电磁波谐振腔传感器。
背景技术
气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear,GIS),因其结构紧凑、占地面积小、噪音低、检修周期长甚至不需要检修以及运行安全可靠性高等优点,以及随着电网建设的发展,变电站建设中由于场地条件、地址状况和环境条件的限制,使用的情况越来越多。但是随着运行年限的增长,GIS设备运行故障出现的几率越来越高。由于GIS设备完全封闭,一旦发生故障,其检修处理难度大,恢复供电慢,并且所造成的影响比敞开式的电力设备要严重的多并且更加难以处理。
一直以来,普遍认为GIS设备结构紧凑、检修周期长甚至无需检修,然而,随着GIS设备运行年限的增长,内部绝缘故障成为影响其安全可靠运行的重要因素。GIS设备内部产生绝缘缺陷的原因很多,其种类主要有:金属突起类缺陷、异物及自由微粒缺陷、悬浮电位缺陷、绝缘子类缺陷、SF6气体混有水蒸气等。
特高频检测法(Ultra-High-Frequency,UHF)是目前局部放电检测的主流方法之一。GIS设备内充有一定压力、绝缘性能和灭弧能力良好的SF6气体,因而发生在GIS内部的局部放电与空气中的电晕放电有所不同。空气中的电晕放电,频率一般在200MHz以下,而发生在GIS设备内的放电脉冲信号上升时间和持续时间都极短,仅几个纳秒,相对应的频域十分宽广。一般采用频率范围300MHz-3GHz的特高频传感器来接收该局放信号,这样就避免了空气中电晕放电的干扰。该方法的原理是根据局部放电所激发的电磁波的上述特性,使用特高频传感器来接收特高频信号,同时对接收到的信号进行分析以确定绝缘缺陷类型。该检测方法的优点是抗电磁干扰能力强,灵敏度高。虽然对其的研究和应用已经取得一定的成果,但仍存在许多问题要解决,其中UHF传感器的安装方式是特别需要注意的。UHF传感器是特高频检测系统的关键部分,可根据安装方式分为内置式和外置式两种,内置式传感器安装在GIS罐体内,虽然灵敏度较高,但是对于已经安装的GIS设备,需要对GIS罐体进行改造,其成本过高。而外置式传感器通常安装在GIS盆式绝缘子上,虽然具有安装使用方便的特点,但是其检测灵敏度不如内置传感器。
发明内容
本发明提供了一种高频电磁波谐振腔传感器,以解决已有的UHF传感器安装不便和灵敏度不高的问题。
本发明提供一种高频电磁波谐振腔传感器,包括:谐振腔外壳、设于所述谐振腔外壳底部的底座保护套、贯穿所述谐振腔外壳底部中心和所述底座保护套中心的同轴电缆接头和设在所述谐振腔外壳内与所述同轴电缆接头连接的探头;
所述探头包括探测板和与所述探测板连接的支撑座,所述支撑座设在所述探测板的中心位置,以及,所述支撑座与所述同轴电缆接头连接;
所述谐振腔外壳嵌于所述底座保护套内,以及,所述谐振腔外壳远离所述底座保护套的顶部中心设有圆孔。
在本发明的一种可实现方式中,所述谐振腔外壳为圆柱形结构,其半径为100mm,长度为315mm,壁厚为2mm,所述探测板的板面为圆形结构,其半径为95mm。
在本发明的一种可实现方式中,所述谐振腔外壳内部靠近所述同轴电缆接头的一侧的底部设有一圈凸台,所述探测板置于所述凸台上,与所述谐振腔外壳的底部具有间隙。
在本发明的一种可实现方式中,所述探测板包括上表面的接收层、中间的介质层和下表面的接地层,所述介质层中心具有圆孔以便所述支撑座穿过,所述接地层靠近所述谐振腔外壳的底部,所述支撑座贯穿所述接地层的中心,以及所述支撑座外露的部分被所述接地层包裹,所述支撑座与所述接地层之间具有绝缘涂层。
在本发明的一种可实现方式中,所述底座保护套中心的圆孔直径小于所述谐振腔外壳底部中心的圆孔直径。
在本发明的一种可实现方式中,所述同轴电缆接头与所述支撑座连接的一侧外围设有一圈环形凸起,所述同轴电缆接头在所述环形凸起处的横截面的直径小于所述谐振腔外壳底部中心的圆孔直径,大于所述底座保护套中心的圆孔直径。
在本发明的一种可实现方式中,所述谐振腔外壳内的谐振腔工作在的模式下,中心频率为1GHz。
在本发明的一种可实现方式中,所述谐振腔外壳的材料为铝。
在本发明的一种可实现方式中,所述接收层为铜制贴片,所述介质层为聚四氟乙烯玻璃布层压板,厚度为20mm。
在本发明的一种可实现方式中,所述底座保护套的材料为硬质绝缘塑料。
由以上技术方案可知,本发明实施例提供了一种高频电磁波谐振腔传感器,包括:谐振腔外壳、设于谐振腔外壳底部的底座保护套、贯穿谐振腔外壳底部中心和底座保护套中心的同轴电缆接头和设在谐振腔外壳内与同轴电缆接头连接的探头;探头包括探测板和与探测板连接的支撑座,支撑座设在探测板的中心位置,以及,支撑座与同轴电缆接头连接;谐振腔外壳嵌于底座保护套内,以及,谐振腔外壳远离底座保护套的顶部中心设有圆孔。本发明的技术方案中谐振腔的工作频带较宽,通过谐振使高频信号获得增强,然后聚集在传感器探头上,从而提高传感器的测量精度,并且避免了对已投运的GIS设备进行改造,安装方便,减少了运行和检修造成的不便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高频电磁波谐振腔传感器的立体剖面图;
图2为本发明实施例提供的高频电磁波谐振腔传感器整体结构图;
图3为本发明实施例提供的图1中A部分所指的探测板的局部放大图。
图示说明:
1-谐振腔外壳;2-底座保护套;3-同轴电缆接头;4-探头;11-圆孔;12-凸台;31-凸起;41-探测板;42-支撑座;411-接收层;412-介质层;413-接地层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1为本发明实施例提供的一种高频电磁波谐振腔传感器的立体剖面图。如图1所示,本发明实施例提供的高频电磁波谐振腔传感器,包括:
谐振腔外壳1、设于所述谐振腔外壳1底部的底座保护套2、贯穿所述谐振腔外壳1底部中心和所述底座保护套2中心的同轴电缆接头3和设在所述谐振腔外壳1内与所述同轴电缆接头3连接的探头4;可选的,所述谐振腔外壳1为圆柱形结构,如图2所示,其中图2为本发明实施例提供的高频电磁波谐振腔传感器整体结构图。以及,所述谐振腔外壳1内的谐振腔工作在的模式下,中心频率为1GHz,在这种状态下,谐振腔外壳1的半径为100mm,长度为315mm,壁厚为2mm。具体计算方式如下:
模式是圆柱腔中系列中最低振荡模,将圆波导中工作模模的代入封闭式金属波导谐振器谐振波长公式:
可得振荡模的谐振波长λ0为:
模的特点是单模频带较宽,在本本发明实施例中,选择中心频率为1GHz,则波长为0.3m,选择半径为100mm,求得谐振腔长度为315mm。
可见,本发明实施例中谐振腔为圆柱形,其工作在模式下,工作中心频率为1GHz,工作频带较宽,通过谐振使高频信号获得增强,然后聚集在传感器探头上,从而提高传感器的测量精度,并且避免了对已投运的GIS设备进行改造,安装方便,减少了运行和检修造成的不便。
所述谐振腔外壳1嵌于所述底座保护套2内,以及,所述谐振腔外壳1远离所述底座保护套2的顶部中心设有圆孔11;所述探头4包括探测板41和与所述探测板41连接的支撑座42,所述支撑座42设在所述探测板41的中心位置,以及,所述支撑座42与所述同轴电缆接头3连接;所述探测板41的板面为圆形结构,其半径为95mm。如图1所示,所述谐振腔外壳1内部靠近所述同轴电缆接头3的一侧的底部设有一圈凸台12,所述探测板41置于所述凸台12上,与所述谐振腔外壳1的底部具有间隙。
图3为本发明实施例提供的图1中A部分所指的探测板的局部放大图。如图3所示,所述探测板41包括上表面的接收层411、中间的介质层412和下表面的接地层413,所述介质层412中心具有圆孔以便所述支撑座42穿过,所述接地层413靠近所述谐振腔外壳1的底部,所述支撑座42贯穿所述接地层413的中心,以及所述支撑座42外露的部分被所述接地层413包裹,所述支撑座42与所述接地层413之间具有绝缘涂层。所述接收层411为铜制贴片,所述介质层412为聚四氟乙烯玻璃布层压板,厚度为20mm。
所述谐振腔外壳1的材料为铝,圆孔11正对着GIS腔体预留的浇筑孔。当GIS内部发生局部放电时,将产生高频电磁波信号,信号将通过浇筑孔处泄露。当高频电磁波信号通过圆孔11进入圆柱谐振腔后,在谐振腔工作模态频率范围内的高频信号会产生谐振,从而使信号增强,然后聚集在探测板41上。由于接收层411为圆形铜质金属材料,因此能够在足够宽的频带内接收到高频信号。接收层411中心连接有支撑座42,穿过介质层412和接地层413,连接到同轴电缆接头3,将接收到的信号进行输出。接地层413与同轴电缆相连接并且接地,能有效的屏蔽外界的干扰信号。
可选的,所述底座保护套2中心的圆孔直径小于所述谐振腔外壳1底部中心的圆孔直径。
可选的,所述同轴电缆接头3与所述支撑座42连接的一侧外围设有一圈环形凸起31,所述同轴电缆接头3在所述环形凸起31处的横截面的直径小于所述谐振腔外壳1底部中心的圆孔直径,大于所述底座保护套2中心的圆孔直径,使得同轴电缆接头3能够卡在谐振腔外壳1上,不易从谐振腔外壳1内掉出。另外,同轴电缆接头3属于标准件,型号为BNC-K/SMA-JBNC,阻抗为50Ω,并且可根据需求选择使用的型号,同轴电缆接头3通过电缆连接至采集卡或示波器,将采集到的信号输出。
可选的,所述底座保护套2的材料为硬质绝缘塑料,例如聚氯乙烯,对传感器起到固定支撑作用。
使用本发明实施例中的高频电磁波谐振腔传感器的方法如下:
S101,将高频电磁波谐振腔传感器安装在GIS腔体预留的浇筑孔处,其端口正对信号源的方向,为了使测量的结果更准确,可以同时安装多个高频电磁波谐振腔传感器;
S102,使用电缆将高频电磁波谐振腔传感器和采集卡或示波器相连接;若连接采集卡,则将采集卡与PC进行连接;
S103,在PC上使用数据采集分析软件进行分析处理。
由以上方案可知,本发明实施例提供了一种高频电磁波谐振腔传感器,包括:谐振腔外壳1、设于所述谐振腔外壳1底部的底座保护套2、贯穿所述谐振腔外壳1底部中心和所述底座保护套2中心的同轴电缆接头3和设在所述谐振腔外壳1内与所述同轴电缆接头3连接的探头4;所述探头4包括探测板41和与所述探测板41连接的支撑座42,所述支撑座42设在所述探测板41的中心位置,以及,所述支撑座42与所述同轴电缆接头3连接;所述谐振腔外壳1嵌于所述底座保护套2内,以及,所述谐振腔外壳1远离所述底座保护套2的顶部中心设有圆孔11。本发明的技术方案本中谐振腔的工作频带较宽,通过谐振使高频信号获得增强,然后聚集在传感器探头上,从而提高传感器的测量精度,并且避免了对已投运的GIS设备进行改造,安装方便,减少了运行和检修造成的不便。
本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述,例如程序模块。一般地,程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明,在这些分布式计算环境中,由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中,程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,包括:
谐振腔外壳(1)、设于所述谐振腔外壳(1)底部的底座保护套(2)、贯穿所述谐振腔外壳(1)底部中心和所述底座保护套(2)中心的同轴电缆接头(3)和设在所述谐振腔外壳(1)内与所述同轴电缆接头(3)连接的探头(4);
所述探头(4)包括探测板(41)和与所述探测板(41)连接的支撑座(42),所述支撑座(42)设在所述探测板(41)的中心位置,以及,所述支撑座(42)与所述同轴电缆接头(3)连接;
所述谐振腔外壳(1)嵌于所述底座保护套(2)内,以及,所述谐振腔外壳(1)远离所述底座保护套(2)的顶部中心设有圆孔(11)。
2.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述谐振腔外壳(1)为圆柱形结构,其半径为100mm,长度为315mm,壁厚为2mm,所述探测板(41)的板面为圆形结构,其半径为95mm。
3.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述谐振腔外壳(1)内部靠近所述同轴电缆接头(3)的一侧的底部设有一圈凸台(12),所述探测板(41)置于所述凸台(12)上,与所述谐振腔外壳(1)的底部具有间隙。
4.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述探测板(41)包括上表面的接收层(411)、中间的介质层(412)和下表面的接地层(413),所述介质层(412)中心具有圆孔以便所述支撑座(42)穿过,所述接地层(413)靠近所述谐振腔外壳(1)的底部,所述支撑座(42)贯穿所述接地层(413)的中心,以及所述支撑座(42)外露的部分被所述接地层(413)包裹,所述支撑座(42)与所述接地层(413)之间具有绝缘涂层。
5.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述底座保护套(2)中心的圆孔直径小于所述谐振腔外壳(1)底部中心的圆孔直径。
6.根据权利要求5所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述同轴电缆接头(3)与所述支撑座(42)连接的一侧外围设有一圈环形凸起(31),所述同轴电缆接头(3)在所述环形凸起(31)处的横截面的直径小于所述谐振腔外壳(1)底部中心的圆孔直径,大于所述底座保护套(2)中心的圆孔直径。
7.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述谐振腔外壳(1)内的谐振腔工作在的模式下,中心频率为1GHz。
8.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述谐振腔外壳(1)的材料为铝。
9.根据权利要求4所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述接收层(411)为铜制贴片,所述介质层(412)为聚四氟乙烯玻璃布层压板,厚度为20mm。
10.根据权利要求1所述的高频电磁波谐振腔传感器,其特征在于,所述底座保护套(2)的材料为硬质绝缘塑料。
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