CN206420996U - 一种用于gis金属盆浇注孔处的特高频传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，包括金属壳体，所述金属壳体为一端带敞口的封闭性腔体，且所述敞口端形状和大小分别与金属盆式绝缘子开孔形状和大小相匹配，所述金属壳体的内腔中由下至上依次电信号连接有蝶形微带天线和信号处理模块，所述金属壳体的体壁上设置有连接插头，所述金属壳体的敞口端外侧设置有屏蔽罩。本实用新型采用在碟形微带天线的辐射贴片和接地贴片上均开设三角形孔的结构与信号处理模块对碟形微带天线接收到的电磁波信号依次进行多级处理的技术手段的结合，在提高了本传感器的检测灵敏度高和抗干扰能力的同时，使得测试结果更加准确、精度更高。
Description
技术领域
本实用新型属于高压电力设备局部放电检测技术领域，尤其是涉及一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器。
背景技术
特（超）高压设备技术复杂，其运行可靠性影响电网的安全运行，对保障国家能源安全具有重要意义。GIS是特（超）高压变电站的重要设备，是保证特高（超）压工程正常运行的基础，一旦故障可能导致特（超）高压线路（电网）解列甚至全停。此外，由于GIS故障进行非计划停电检修时，不仅需大量人力物力，还需较长的维修时间，这将带来巨大的经济损失，所以在GIS发生故障之前，如果能够检测并判断它的内部缺陷情况，显得尤为重要。
特高频法是通过特高频传感器接收因GIS局部放电产生的电磁波信号，实现局部放电的检测。关于放电脉冲电磁信号的特性研究主要集中在1.5GHz以下的频段，对放电信号的各种检测也基本都落在该频段内。目前，市场上特高频传感器主要用于没有保护金属环的GIS盆式绝缘子处检测局部放电，但是近来年由于GIS设备中盆式绝缘子采用了金属带耐侯性防护技术，根据电磁波传播理论，电磁波经过一个缝隙或者孔时传播泄露的电磁波信号在频谱上发生了较大变化，泄露信号频谱特性与缝隙的大小具有密切关系，频率偏低的部分受到的衰减影响最大，以此现有特高频传感器无法检测。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，解决了传感器抗干扰能力差、检测灵敏度低以及检测结果不够精确的问题。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，包括金属壳体，所述金属壳体为一端带敞口的封闭性腔体，且所述敞口端形状和大小分别与金属盆式绝缘子开孔形状和大小相匹配，所述金属壳体的内腔中由下至上依次电信号连接有蝶形微带天线和信号处理模块，所述金属壳体的的体壁上设置有连接插头，所述金属壳体的敞口端外侧设置有屏蔽罩；
所述信号处理模块包括电源电路以及依次电信号相连的带通滤波器、低噪声放大器、对数检波器和信号放大器，所述蝶形微带天线与所述带通滤波器电信号相连，所述电源电路为所述带通滤波器、所述低噪声放大器、所述对数检波器和所述信号放大器提供电能。
优选地，所述蝶形微带天线包括介质基板，所述介质基板上表面设置辐射贴片，所述介质基板下表面设置接地贴片和微带巴伦，所述辐射贴片通过第一微带线与所述微带巴伦连接，所述接地贴片通过第二微带线与所述微带巴伦连接，所述辐射贴片和所述接地贴片均为半圆形和矩形相接为一体的形状。
优选地，所述介质基板的材质为环氧树脂纤维，其相对介电常数为εr=4.4。
优选地，所述介质基板的厚度为1mm。
优选地，所述辐射贴片和所述接地贴片在与所述介质基板平行的平面内的投影相切并对称。
优选地，所述辐射贴片和所述接地贴片上均开有三角形孔。
优选地，所述三角形孔为以所述半圆形的水平半径为对称中心线的等腰三角形孔，所述等腰三角形孔的底边长C2=16mm，高H5=7mm，所述等腰三角形孔的底边与所述矩形的外侧边之间的距离C3=15mm。
优选地，所述半圆形的半径R=16mm，所述矩形的长为C1=32mm，所述矩形的宽W4=9mm。
优选地，所述第一微带线的长H1=25mm，宽W1=3mm；所述第二微带线的长H2=25mm，宽W3=3mm。
优选地，所述微带巴伦上部为圆台纵截面结构，上端宽W3=3mm，高H3=10mm，下端宽W2=41mm，所述微带巴伦下部为矩形结构且高H4=3mm。
优选地，所述低噪声放大器选用ADL5523低噪声放大器，其工作频率为400MHz至4000MHz。
优选地，所述的对数检波器选用AD8313对数检波器。
优选地，所述连接插头为组合式航空插头-N型接口。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型针对目前的特高频传感器存在传感器抗干扰能力差、检测灵敏度低以及检测结果不够精确的问题，提供一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，采用金属壳体与GIS金属盆式绝缘子缝密封连接，金属盆式绝缘子将局部放电特高频电磁波辐射到GIS体外由蝶形微带天线接收，经过信号处理模块对碟形微带天线接收到的电磁波信号依次进行多级处理，即先经过带通滤波器滤除500MHZ以下和4GHZ以上的电磁波信号，之后通过低噪声放大器放大接收的电磁波信号，然后通过对数检波器将差分输入处的调制RF信号精确地转换为直流输出处的等效dB标度值，之后经过信号放大器后传出，这样将碟形微带天线接收到的局部放电特高频电磁波依次经过带通滤波器、低噪声放大器、对数检波器和信号放大器对电磁波信号进行处理，在提高了检测灵敏度高和抗干扰能力的同时，使得测试结果更加准确、精度更高。同时，金属外壳设置在盆式绝缘子和屏蔽装置之间形成的一个封闭空间内，有效抑制外部电磁波的干扰，保证了检测的高灵敏度。
另外，碟形微带天线采用由半圆形和矩形相接为一体的形状的金属贴片作为辐射贴片，辐射贴片通过微带传输线即微带线馈电，微带传输线的长、宽经过特别设计。在介质基板的另一面采用同样大小的一块由半圆形和矩形相接为一体的形状金属贴片作为接地贴片，辐射贴片与接地贴片对称上下放置，即辐射贴片与接地贴片在与介质基板平行的平面内的投影相切并对称。接地贴片与微带巴伦通过微带传输线相连。通过微带线与微带巴伦设计能够使天线在相应频段实现阻抗匹配。通过在碟形微带天线的辐射贴片和接地贴片上均开设三角形孔的结构，这样能够使碟形微带天线的阻抗分布圆在GIS金属盆式绝缘子局部放电特高频电磁波的有效频带范围内实现收缩，从而实现碟形微带天线的阻抗在这个有效频段内有最佳的匹配。同时微带巴伦的加入相当于在不对称的同轴线结构与天线间插入一个不平衡到平衡的转换器。即通过微带巴伦的合理设计能够将不平衡电流转换成平衡电流，保证了天线的性能。
通过微带线与巴伦结构使得天线的频带展宽，在1.95GHz~3.2GHz频率范围内有良好的频率响应特性。而且由于微带巴伦的加入使得天线的特性阻抗为50欧姆，能够直接与后端电路匹配。又由于微带巴伦结构的设计能够将不平衡电流转换成平衡电流，此微带天线可以使用同轴线直接馈电，避免了同轴内外导体的不对称性带来的天线上电流分布不对称使得天线不匹配的影响。本实用新型采用在碟形微带天线的辐射贴片和接地贴片上均开设三角形孔的结构与信号处理模块对碟形微带天线接收到的电磁波信号依次进行多级处理的技术手段的结合，在提高了本传感器的检测灵敏度高和抗干扰能力的同时，使得测试结果更加准确、精度更高。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的碟形微带天线的结构示意图。
图3为本实用新型的碟形微带天线上表面的结构示意图。
图4为本实用新型的碟形微带天线下表面的结构示意图。
图5为本实用新型的信号处理模块的结构框图。
图6为本实用新型通过HFSS仿真得到的碟形微带天线和半圆形天线的回波损耗对比图。
图7为本实用新型通过HFSS仿真得到的碟形微带天线的驻波比图。
图8为本实用新型的碟形微带的输入阻抗图。
图9为本实用新型的碟形微带天线辐射的三维立体增益方向图。
图10为本实用新型的蝶形微带天线频率为2.5GHz的辐射E面方向图。
图11为本实用新型的蝶形微带天线频率为2.5GHz的辐射H面方向图。
图12为本实用新型通过Agilent Techologies N5230测得的碟形微带天线的回波损耗图。
图13为本实用新型通过Agilent Techologies N5230测得的碟形微带天线的驻波比图。
图14为本实用新型通过Agilent Techologies N5230测得的碟形微带天线的阻抗分布圆图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，包括金属壳体1，所述金属壳体1为一端带敞口的封闭性腔体，且所述敞口端形状和大小分别与金属盆式绝缘子开孔形状和大小相匹配，所述金属壳体1的内腔中由下至上依次电信号连接有蝶形微带天线2和信号处理模块3，所述金属壳体1的的体壁上设置有连接插头4，所述金属壳体1的敞口端外侧设置有屏蔽罩5。
如图5所示，所述信号处理模块3包括电源电路31以及依次电信号相连的带通滤波器32、低噪声放大器33、对数检波器34和信号放大器35，所述蝶形微带天线2与所述带通滤波器32电信号相连，所述电源电路31为所述带通滤波器32、所述低噪声放大器33、所述对数检波器34和所述信号放大器35提供电能。
如图2所示，所述蝶形微带天线2包括介质基板21，所述介质基板21上表面设置辐射贴片22，所述介质基板21下表面设置接地贴片23和微带巴伦24，所述辐射贴片22通过第一微带线25与所述微带巴伦24连接，所述接地贴片23通过第二微带线26与所述微带巴伦24连接，所述辐射贴片22和所述接地贴片23均为半圆形和矩形相接为一体的形状。
所述辐射贴片22和所述接地贴片23在与所述介质基板21平行的平面内的投影相切并对称。
本实用新型针对目前的特高频传感器存在传感器抗干扰能力差、检测灵敏度低以及检测结果不够精确的问题，提供一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，采用金属壳体与GIS金属盆式绝缘子缝密封连接，金属盆式绝缘子将局部放电特高频电磁波辐射到GIS体外由蝶形微带天线接收，经过信号处理模块对碟形微带天线接收到的电磁波信号依次进行多级处理，即先经过带通滤波器滤除500MHZ以下和4GHZ以上的电磁波信号，之后通过低噪声放大器放大接收的电磁波信号，然后通过对数检波器将差分输入处的调制RF信号精确地转换为直流输出处的等效dB标度值，之后经过信号放大器后传出，这样将碟形微带天线接收到的局部放电特高频电磁波依次经过带通滤波器、低噪声放大器、对数检波器和信号放大器对电磁波信号进行处理，在提高了检测灵敏度高和抗干扰能力的同时，使得测试结果更加准确、精度更高。同时，金属外壳设置在盆式绝缘子和屏蔽装置之间形成的一个封闭空间内，有效抑制外部电磁波的干扰，保证了检测的高灵敏度。
另外，碟形微带天线采用由半圆形和矩形相接为一体的形状的金属贴片作为辐射贴片，辐射贴片通过微带传输线即微带线馈电，微带传输线的长、宽经过特别设计。在介质基板的另一面采用同样大小的一块由半圆形和矩形相接为一体的形状金属贴片作为接地贴片，辐射贴片与接地贴片对称上下放置，即辐射贴片与接地贴片在与介质基板平行的平面内的投影相切并对称。接地贴片与微带巴伦通过微带传输线相连。通过微带线与微带巴伦设计能够使天线在相应频段实现阻抗匹配。通过在碟形微带天线的辐射贴片和接地贴片上均开设三角形孔的结构，这样能够使碟形微带天线的阻抗分布圆在GIS金属盆式绝缘子局部放电特高频电磁波的有效频带范围内实现收缩，从而实现碟形微带天线的阻抗在这个有效频段内有最佳的匹配。同时微带巴伦的加入相当于在不对称的同轴线结构与天线间插入一个不平衡到平衡的转换器。即通过微带巴伦的合理设计能够将不平衡电流转换成平衡电流，保证了天线的性能。
通过微带线与巴伦结构使得天线的频带展宽，在1.95GHz~3.2GHz频率范围内有良好的频率响应特性。而且由于微带巴伦的加入使得天线的特性阻抗为50欧姆，能够直接与后端电路匹配。又由于微带巴伦结构的设计能够将不平衡电流转换成平衡电流，此微带天线可以使用同轴线直接馈电，避免了同轴内外导体的不对称性带来的天线上电流分布不对称使得天线不匹配的影响。本实用新型采用在碟形微带天线的辐射贴片和接地贴片上均开设三角形孔的结构与信号处理模块对碟形微带天线接收到的电磁波信号依次进行多级处理的技术手段的结合，在提高了本传感器的检测灵敏度高和抗干扰能力的同时，使得测试结果更加准确、精度更高。
实施例二：
如图1所示，一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，包括金属壳体1，所述金属壳体1为一端带敞口的封闭性腔体，且所述敞口端形状和大小分别与金属盆式绝缘子开孔形状和大小相匹配，所述金属壳体1的内腔中由下至上依次电信号连接有蝶形微带天线2和信号处理模块3，所述金属壳体1的的体壁上设置有连接插头4，所述金属壳体1的敞口端外侧设置有屏蔽罩5。
如图5所示，所述信号处理模块3包括电源电路31以及依次电信号相连的带通滤波器32、低噪声放大器33、对数检波器34和信号放大器35，所述蝶形微带天线2与所述带通滤波器32电信号相连，所述电源电路31为所述带通滤波器32、所述低噪声放大器33、所述对数检波器34和所述信号放大器35提供电能。
如图2所示，所述蝶形微带天线2包括介质基板21，所述介质基板21上表面设置辐射贴片22，所述介质基板21下表面设置接地贴片23和微带巴伦24，所述辐射贴片22通过第一微带线25与所述微带巴伦24连接，所述接地贴片23通过第二微带线26与所述微带巴伦24连接，所述辐射贴片22和所述接地贴片23均为半圆形和矩形相接为一体的形状。
所述介质基板21的材质为环氧树脂纤维，其相对介电常数为εr=4.4。
所述介质基板21的厚度为1mm。
所述辐射贴片22和所述接地贴片23在与所述介质基板21平行的平面内的投影相切并对称。
如图3和图4所示，所述辐射贴片22和所述接地贴片23上均开有三角形孔27。
所述三角形孔27为以所述半圆形的水平半径为对称中心线的等腰三角形孔，所述等腰三角形孔的底边长C2=16mm，高H5=7mm，所述等腰三角形孔的底边与所述矩形的外侧边之间的距离C3=15mm。
所述半圆形的半径R=16mm，所述矩形的长为C1=32mm，所述矩形的宽W4=9mm。
所述第一微带线25的长H1=25mm，宽W1=3mm；所述第二微带线26的长H2=25mm，宽W3=3mm。
所述微带巴伦24上部为圆台纵截面结构，上端宽W3=3mm，高H3=10mm，下端宽W2=41mm，所述微带巴伦24下部为矩形结构且高H4=3mm。
所述低噪声放大器33选用ADL5523低噪声放大器，其工作频率为400MHz至4000MHz。
所述的对数检波器34选用AD8313对数检波器。
所述连接插头4为组合式航空插头-N型接口。
图6是通过HFSS仿真得到的碟形微带天线与半圆形天线的回波损耗对比图，可以发现在1.95GHz~3.2GHz频率范围内，本实用新型碟形微带天线的回波损耗在-10dB以下。
图7是通过HFSS仿真得到的碟形微带天线的驻波比图，可以发现在1.95GHz~3.2GHz频率范围内，本实用新型碟形微带天线的驻波比小于2.0。
在电磁波传输理论中，在回波损耗小于-10dB或驻波比小于2.0时，天线传输能量的功率大于89％，这个时候驻波的影响可以不再考虑。符合这些电参数的标准的频率范围即为工作频段，其带宽称为天线带宽。从图中可以看出本实用新型的工作频段在1.95GHz~3.2GHz频率范围内。
如图8为碟形微带的输入阻抗图，在满足条件的频段范围内可以看到，碟形微带天线的输入电阻在50欧姆左右，电抗部分在0欧姆左右。这样的输入阻抗在工程应用中很容易与后端检测设备匹配。
如图9为碟形微带天线辐射的三维立体增益方向图，形象地描绘了天线辐射特性随空间坐标变化的关系。
如图10所示为频率为2.5GHz的辐射E面方向图，xoy面呈双向辐射，近似“8”字，其中最高辐射强度为2.37dB，最低辐射强度为-25dB。
如图11所示为频率为2.5GHz的辐射H面方向图，yoz面近似为全向分布，其中最高辐射强度为3dB，最低辐射强度为-7.4dB。
如图12到图14分别是根据设计尺寸实际制作的碟形微带天线利用安捷伦矢量网络分析仪Agilent Techologies N5230测得的回波损耗图、驻波比图和阻抗分布圆图。测试结果显示该碟形微带天线在2.3GHz~3.8GHz频率范围内具有良好的频率响应特性，满足工程上的测试要求，也就是说，在该测试频带内所得的局部放电信号可信度是比较高的。该碟形微带天线带宽是指当工作频率变化时，天线的有关性能参数符合要求的范围。该碟形微带天线的绝对带宽1.3GHz，相对带宽50.9%，倍频带宽1.68，在1.9GHz~3.2GHz频带内回波损耗小于-10dB，电压驻波比（VSWR）小于2，与仿真天线的参数结果基本一致。
图14为碟形微带天线的阻抗分布圆图，碟形微带天线在有效频带1.9GHz~3.2GHz范围内围绕50欧姆点收缩，这一点可以说明碟形微带天线的阻抗在这个频段内有很好的匹配。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：包括金属壳体，所述金属壳体为一端带敞口的封闭性腔体，且所述敞口端形状和大小分别与金属盆式绝缘子开孔形状和大小相匹配，所述金属壳体的内腔中由下至上依次电信号连接有蝶形微带天线和信号处理模块，所述金属壳体的的体壁上设置有连接插头，所述金属壳体的敞口端外侧设置有屏蔽罩；所述信号处理模块包括电源电路以及依次电信号相连的带通滤波器、低噪声放大器、对数检波器和信号放大器，所述蝶形微带天线与所述带通滤波器电信号相连，所述电源电路为所述带通滤波器、所述低噪声放大器、所述对数检波器和所述信号放大器提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述蝶形微带天线包括介质基板，所述介质基板上表面设置辐射贴片，所述介质基板下表面设置接地贴片和微带巴伦，所述辐射贴片通过第一微带线与所述微带巴伦连接，所述接地贴片通过第二微带线与所述微带巴伦连接，所述辐射贴片和所述接地贴片均为半圆形和矩形相接为一体的形状。
3.根据权利要求2所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于:所述介质基板的材质为环氧树脂纤维，其相对介电常数为εr=4.4。
4.根据权利要求2所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述介质基板的厚度为1mm。
5.根据权利要求2所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述辐射贴片和所述接地贴片在与所述介质基板平行的平面内的投影相切并对称。
6.根据权利要求2所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述辐射贴片和所述接地贴片上均开有三角形孔。
7.根据权利要求6所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述三角形孔为以所述半圆形的水平半径为对称中心线的等腰三角形孔，所述等腰三角形孔的底边长C2=16mm，高H5=7mm，所述等腰三角形孔的底边与所述矩形的外侧边之间的距离C3=15mm。
8.根据权利要求7所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述半圆形的半径R=16mm，所述矩形的长为C1=32mm，所述矩形的宽W4=9mm；所述第一微带线的长H1=25mm，宽W1=3mm；所述第二微带线的长H2=25mm，宽W3=3mm；所述微带巴伦上部为圆台纵截面结构，上端宽W3=3mm，高H3=10mm，下端宽W2=41mm，所述微带巴伦下部为矩形结构且高H4=3mm。
9.根据权利要求1所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述低噪声放大器选用ADL5523低噪声放大器，其工作频率为400MHz至4000MHz，所述的对数检波器选用AD8313对数检波器。
10.根据权利要求1所述的一种用于GIS金属盆浇注孔处的特高频传感器，其特征在于：所述连接插头为组合式航空插头-N型接口。
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