CN116893324A - 一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，包括：天线辐射层、共面波导馈电层、电介质层和同轴接头，天线辐射层和共面波导馈电层敷设在电介质层的上表面；共面波导馈电层包括馈线和接地层，接地层由多个不规则多边形组成，接地层分布在所述电介质层表面四边处，且围绕所述天线辐射层设置，接地层的外边界与电介质层的外边界对齐；馈线与天线辐射层连接，馈线的两侧为接地层，同轴接头的芯线与馈线焊接，用来接收馈线传输的信号，同轴接头的两侧探针焊接在接地层上。本发明提供的柔性超高频天线传感器具有尺寸小、柔性可弯曲、频带宽、抗干扰能力强、灵敏度高、方向性好等特点，能够确保电力设备安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及局部放电检测技术领域，特别是涉及一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器。
背景技术
随着国家经济的高速发展，电网运行的电压等级不断提高，电力的总需求也在不断扩大，因此，电网的安全稳定运行变得越来越重要。电缆附件是电力电缆中的薄弱环节，容易发生击穿、烧坏甚至爆炸。根据最近几年全国电力电缆的抢修记录和故障电缆材料分析，可以总结出电力电缆运行故障最为常见的五种原因：外力因素、绝缘受潮、化学腐蚀、长期过负荷和电缆质量因素。其中电缆附件为多层固体介质复合结构，受制作与安装限制，安装成型往往都在现场条件下，这就导致众多因素能够影响其绝缘性能，故障概率也会远高于电缆本体。对交联聚乙烯电力电缆运行故障类型统计与分析表明，电缆运行故障有67％是由电缆附件的故障引起的，其中对于敷设在地下的电力电缆，受潮气影响电缆附件处易发生沿面放电是其主要故障原因，占电力电缆故障总数的97％以上，对电力系统安全稳定运行造成严重影响。
在电场作用下，绝缘结构中只有局部区域发生放电，而不是大面积或贯穿整个导体的放电，这个现象称之为局部放电。电力电缆接头产生局部放电时，会产生单极性脉冲，且上升沿能达到纳秒级、脉冲宽度很窄，同时向两个方向进行传播，因此其产生的放电脉冲信号频段是很宽的，等效频率可达到GHz。超高频法是检测在局部放电发生时所激发的超高频电磁波信号，其频段分布在300MHz-3GHz，而电气设备所处环境中常见的电磁干扰频段都在300MHz以下，因此该频段可以有效规避环境中的电磁信号干扰，有灵敏度高、准确性好的特点。
局部放电是电气设备绝缘劣化的前期表现，通过对局部放电的检测可以实现对绝缘状态的准确把握。局部放电监测技术的目的是早期发现绝缘潜在的故障或缺陷，从而尽可能地减少潜在事故的发生。
超高频天线作为局部放电所产生的超高频电磁波的传感器，是局部放电检测系统的重要组成部分，其性能的好坏直接决定了对局部放电信号识别的准确率，而性能较好的超高频传感器应该具有频带宽、驻波比下、增益大、方向性好等特点，应对于电缆附件的特殊曲面外表面，天线应具有柔性可弯曲的性能，才可敷设于电缆附件半导电层或硅橡胶表面，达到天线内置的效果，更有益于对超高频电磁波信号的接收。
发明内容
本发明的目的是提供一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，具有尺寸小、柔性可弯曲、频带宽、抗干扰能力强、灵敏度高、方向性好等特点，能够确保电力设备安全稳定运行。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，包括：天线辐射层、共面波导馈电层、电介质层和同轴接头，所述天线辐射层和共面波导馈电层敷设在所述电介质层的上表面；
所述共面波导馈电层包括馈线和接地层，所述接地层由多个不规则多边形组成，所述接地层分布在所述电介质层表面四边处，且围绕所述天线辐射层设置，所述接地层的外边界与所述电介质层的外边界对齐；所述馈线与所述天线辐射层连接，所述馈线的两侧为所述接地层，所述同轴接头的芯线与所述馈线焊接，用来接收馈线传输的信号，所述同轴接头的两侧探针焊接在所述接地层上。
进一步地，所述电介质层的材料为相对介电常数为3.5的聚酰亚胺；所述电介质层的形状为正方形，其边长为110mm，厚度为0.25mm，用以作为绝缘层。
进一步地，所述天线辐射层的材料为厚度为5μm-50μm的铜或银或铝；所述天线辐射层由两个矩形拼接而成。
进一步地，所述天线辐射层由长为67.2mm、宽为20.2mm的第一矩形和长为26.2mm、宽为17.5mm的第二矩形拼接而成，其中，第一矩形的长边拼接到第二矩形的长边，第一矩形的长边与第二矩形的长边的一端对齐。
进一步地，所述馈线的宽度为1.75mm、长度为5.36mm，且所述馈线与两侧相邻的所述接地层之间间隙的宽度为0.3mm。
进一步地，所述接地层由宽度为3.17mm的矩形环，和长为47mm、宽为22.5mm的矩形及长为58mm、宽为25.8mm的矩形拼接而成宽为25.8mm的矩形拼接而成。
进一步地，所述同轴接头为SMA母头，所述同轴接头的芯线通过焊锡与所述馈线焊接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1.本发明提供的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器是柔性平板结构，尺寸小，安装时仅需贴在被检测设备表面，并且该天线传感器体积较小，不会给电气设备带来新的绝缘隐患，可以达到内置的效果；
2.本发明提供的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器在平直状态下的频带范围为630MHz-1.18GHz，能够有效接收到局部放电所产生的超高频电磁波信号，且检测的准确度高；
3.本发明提供的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器在平直状态下最大增益可达到3.9dB，能接收到局部放电产生微弱的超高频信号，有较高的信噪比和灵敏度，能及时检测到局部放电的发生；
4.本发明提供的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器方向性好，能够接收来自各个方向的的放电信号，抗干扰能力强，进一步提高了检测的准确度和精度。
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，下面描述中的附图仅仅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为本发明电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的柔性超高频天线传感器在平直状态下的关于S11参数的仿真结果图；
图3为本发明提供的柔性超高频天线传感器在曲率半径为15cm下弯折示意图；
图4为本发明提供的柔性超高频天线传感器在曲率半径为15cm下弯折的关于S11参数的仿真结果图；
图5为本发明提供的柔性超高频天线传感器在曲率半径为5cm下弯折示意图；
图6为本发明提供的柔性超高频天线传感器在曲率半径为5cm下弯折的关于S11参数的仿真结果图；
附图标记说明：
1、天线辐射层；2、电介质层；3、共面波导馈电层；4、馈线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，包括：天线辐射层1、共面波导馈电层3、电介质层2和同轴接头，所述天线辐射层1和共面波导馈电层3敷设在所述电介质层2的上表面；
所述共面波导馈电层3包括馈线4和接地层，所述接地层由多个不规则多边形组成，所述接地层分布在所述电介质层2表面四边处，且围绕所述天线辐射层1设置，所述接地层的外边界与所述电介质层2的外边界对齐；所述馈线4与所述天线辐射层1连接，所述馈线4的两侧为所述接地层，所述同轴接头的芯线与所述馈线4焊接，用来接收馈线4传输的信号，所述同轴接头的两侧探针焊接在所述接地层上。
其中，所述电介质层2的材料为相对介电常数为3.5的聚酰亚胺；所述电介质层2的形状为正方形，其边长为110mm，厚度为0.25mm，用以作为绝缘层。示例地，天线辐射层1和接地层可以通过机器加工将铜喷在电介质层2上表面，形成双层结构。
所述天线辐射层1的材料为厚度为5μm-50μm的铜或银或铝；所述天线辐射层1由两个矩形拼接而成。示例地，所述天线辐射层1由长为67.2mm、宽为20.2mm的第一矩形和长为26.2mm、宽为17.5mm的第二矩形拼接而成，其中，第一矩形的长边拼接到第二矩形的长边，第一矩形的长边与第二矩形的长边的一端对齐。
示例地，所述馈线4的宽度为1.75mm、长度为5.36mm，且所述馈线4与两侧相邻的所述接地层之间间隙的宽度为0.3mm。
所述接地层由宽度为3.17mm的矩形环，和长为47mm、宽为22.5mm的矩形及长为58mm、宽为25.8mm的矩形拼接而成宽为25.8mm的矩形拼接而成。所述馈线穿设在宽度为3.17mm的矩形环，并且与两侧相邻接地层距离设定的间隙。
所述同轴接头为SMA母头，所述同轴接头的芯线通过焊锡与所述馈线4焊接。
S11参数：S11是S参数(Scatter参数，即散射参数)中的一个，表示回波损耗特性，此参数表示天线的发射效率好不好，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。通常认为S11参数小于-10dB的频段区间为天线有效频段。S11参数越小说明天线的传输效率越高。
如图2至图6所示，图2展示了本发明提供的天线传感器在平直状态下的关于S11参数的仿真结果，图2中，回波损耗小于-10d的工作频段为630MHz～1.18GHz，低频谐振频率为764MHz，高频谐振频率为1.04GHz，该天线具有双频特性，工作频带宽，满足设计需求。
图3展示了本发明提供的天线传感器在曲率半径为15cm下弯折状态，图4为天线传感器在曲率半径为15cm下弯折状态的关于S11参数的仿真结果；图4中，曲率半径为15cm时，可见回波损耗小于-10dB带宽范围略微减小，但低频谐振频率为646.7MHz，高频谐振频率为1.02GHz，高频区回波损耗减小，证明该天线传感器在形变为曲率半径为15cm，天线发生形变对性能几乎没有影响，满足设计要求。
图5展示了本发明提供的天线传感器展示了本发明提供的天线传感器在曲率半径为5cm下弯折状态，图6为本发明提供的天线传感器在曲率半径为5cm下弯折状态的关于S11参数的仿真结果；图6中，曲率半径为5cm时，可见回波损耗小于-10dB带宽范围减小，但低频谐振频率为630MHz，高频谐振频率为1.02GHz，高频区回波损耗减小，证明该天线传感器在形变为曲率半径为5cm，仍可满足对电缆接头的局部放电检测要求。
因S11参数表征天线的性能，考虑到该柔性天线在实际使用时需安装在不同电压等级的电缆接头中，各电压等级的电缆接头直径大小也不同，理论分析得到，天线弯曲程度越大，天线的谐振频率会增加，同时S11参数的上升，可能也会导致天线的可用频段发生变化，因此通过仿真天线在不同弯曲程度下的S11参数，计算其可用带宽，验证了该柔性天线安装在不同直径大小的天线接头上时，仍具有较低的谐振频率和较宽的可用带宽，对于电缆接头的局部放电检测仍有明显效果。
对于圆柱形电缆接头，在对其进行局部放电测量时，需要将将天线粘贴在电缆接头，根据相关理论计算，天线的可用频带的范围是与天线的尺寸有着直接关系的，天线尺寸越大，其谐振频率越低，实验中证明越低频率的电磁波信号更利于传播，也就更方便进行检测，因此，既需要降低天线的谐振频率，同时又要要求天线的尺寸够小可以敷设在电缆接头，这是一个矛盾的过程，所以选用柔性材料作为天线的基底，天线可以弯曲，厚度小可以内置在电缆接头中进行检测。实际测量过程中，需将天线粘贴在电缆接头，现场安装时，电缆接头外部还需安装一层金属保护层。因此，该发明既保证了天线的谐振频率够低，能够达到更好的检测效果，同时其柔性特性方便其安装，而且能达到内置在金属保护层内部的效果，天线内置测量法相较于外置法，其灵敏度更高、抗干扰能力更强。
本发明提供的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器：
1)从传统PCB天线改进，使用聚酰亚胺(PI)材料作为基底，从而达到柔性可弯曲的效果，更好的适用于电缆接头的圆柱面，有利于天线的敷设，且可达到在电缆接头中的内置的效果，更有利于进行对电缆接头局部放电电磁波的检测。
2)为达到双频的效果，天线辐射层由两个矩形组成，形成双极结构，天线辐射层中尺寸较大的极子负责低频，尺寸较小的极子负责高频，从而形成双谐振频率点，进而增加天线的带宽，通过采取双谐振频率的方式，增加天线带宽，具有更好的检测效果。
3)考虑到该天线用于电缆接头局部放电的检测，电缆接头中间部分外表面由半导电材料组成，为防止对测量结果产生影响，采取共面波导结构，使金属结构均在天线正面，天线背面均为聚酰亚胺材料，测量时将天线背面，即聚酰亚胺材料与被测量的电缆接头半导电层接触，提升检测效果，且共面波导结构更便于加工，同时有益于天线的小型化，缩小天线的尺寸，方便内置测量。
4)天线接地层面积的增加有助于降低天线的谐振频率和提高增益，在电缆接头发生局部放电时，低频信号更容易从电缆接头内部传出，从检测的角度，天线的谐振频率越低越有助于对局部放电的检测，综合考量天线辐射层的尺寸和接地层的面积，所以将天线接地层设计为不规则矩形的组合，充分增加接地层的面积。
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的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，包括：天线辐射层(1)、共面波导馈电层(3)、电介质层(2)和同轴接头，所述天线辐射层(1)和共面波导馈电层(3)敷设在所述电介质层(2)的上表面；
所述共面波导馈电层(3)包括馈线(4)和接地层，所述接地层由多个不规则多边形组成，所述接地层分布在所述电介质层(2)表面四边处，且围绕所述天线辐射层(1)设置，所述接地层的外边界与所述电介质层(2)的外边界对齐；所述馈线(4)与所述天线辐射层(1)连接，所述馈线(4)的两侧为所述接地层，所述同轴接头的芯线与所述馈线(4)焊接，用来接收馈线(4)传输的信号，所述同轴接头的两侧探针焊接在所述接地层上。
2.根据权利要求1所述的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，所述电介质层(2)的材料为相对介电常数为3.5的聚酰亚胺；所述电介质层(2)的形状为正方形，其边长为110mm，厚度为0.25mm，用以作为绝缘层。
3.根据权利要求1所述的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，所述天线辐射层(1)的材料为厚度为5μm-50μm的铜或银或铝；所述天线辐射层(1)由两个矩形拼接而成。
4.根据权利要求3所述的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，所述天线辐射层(1)由长为67.2mm、宽为20.2mm的第一矩形和长为26.2mm、宽为17.5mm的第二矩形拼接而成，其中，第一矩形的长边拼接到第二矩形的长边，第一矩形的长边与第二矩形的长边的一端对齐。
5.根据权利要求1所述的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，所述馈线(4)的宽度为1.75mm、长度为5.36mm，且所述馈线(4)与两侧相邻的所述接地层之间间隙的宽度为0.3mm。
6.根据权利要求1所述的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，所述接地层由宽度为3.17mm的矩形环，和长为47mm、宽为22.5mm的矩形及长为58mm、宽为25.8mm的矩形拼接而成宽为25.8mm的矩形拼接而成。
7.根据权利要求1所述的电缆接头局部放电柔性超高频天线传感器，其特征在于，所述同轴接头为SMA母头，所述同轴接头的芯线通过焊锡与所述馈线(4)焊接。
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2023
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