CN209401844U - 局部放电检测天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种局部放电检测天线。局部放电检测天线包括辐射片、共面波导馈电层、第一电介质层和多层层状结构。辐射片为椭圆形。共面波导馈电层与辐射片电连接。辐射片和共面波导馈电层刻蚀于第一电介质层。第一电介质层远离辐射片和共面波导馈电层的一面覆盖多层层状结构，多层层状结构用于减少反射波的产生。局部放电检测天线使用椭圆形的辐射片可以平滑边缘电流，从而改善局部放电检测天线的辐射性能。此外，多层层状结构可以降低电磁波入射过程中的反射波，从而提高局部放电检测天线的传输距离、带宽和电磁波信号强度。综上所述，局部放电检测天线减弱了电气设备中的金属部件对天线辐射性能的影响，可以满足局部放电现场检测要求。

Description

局部放电检测天线

技术领域

本申请涉及电气设备绝缘状况在线监测技术领域，特别是涉及一种局部放电检测天线。

背景技术

高压电气设备作为电力系统的基础设备，其绝缘水平直接决定了电力系统运行的可靠性。近年来，由于电力系统电压等级不断提高，电力设备绝缘处的某些薄弱部位在高电场作用下容易发生局部放电。在一定条件下，局部放电会导致绝缘的劣化甚至击穿。由于局部放电既是引起电气设备绝缘老化的主要原因，也是表征电气设备绝缘状况的主要特征参数，故电气设备局部放电检测对于评估设备的绝缘状况具有重要意义。当电气设备中发生局部放电时，会伴随着脉冲电流的产生。脉冲电流的上升沿可达纳秒级别，则局部放电产生的电磁辐射频率可以达到GHz，即达到超高频范围。

在超高频检测技术中，前端天线的接受性能的好坏直接决定了整个系统的检测性能。针对电气设备绝缘情况的超高频检测天线主要分为内置式天线和外置式天线。其中，外置式天线主要用于变电站和配电房等场所中电气设备放电定位。由于天线通常安装在自由空间中，接收信号过程中受到电气设备金属部件的影响较小，天线的接收性能良好。然而高压配电装置、开关柜和变压器等电气设备内部的局部放电超高频检测受限于电气设备本身尺寸以及电气绝缘安全距离。因此，内置式天线通常贴设于金属外壳的内表面。但相关技术中内置式天线进行优化设计时忽视了金属部件对接收电磁信号的影响，从而造成内置式天线的带宽显著下降，同时其方向性、增益、等参数也无法满足现场检测的要求。

实用新型内容

基于此，有必要针对相关技术中金属部件影响天线的辐射性能问题，提供一种局部放电检测天线。

一种局部放电检测天线，包括：

辐射片，所述辐射片为椭圆形；

共面波导馈电层，与所述辐射片电连接；

第一电介质层，所述辐射片和所述共面波导馈电层刻蚀于所述第一电介质层；以及

多层层状结构，所述第一电介质层远离所述辐射片和所述共面波导馈电层的一面覆盖所述多层层状结构，所述多层层状结构用于减少反射波的产生。

所述局部放电检测天线使用椭圆形的所述辐射片可以平滑边缘电流，从而改善所述局部放电检测天线的辐射性能。此外，所述多层层状结构可以降低电磁波入射过程中的反射波，从而提高所述局部放电检测天线的传输距离、带宽和电磁波信号强度。综上所述，所述局部放电检测天线减弱了电气设备中的金属部件对天线辐射性能的影响，可以满足局部放电现场检测要求。

在其中一个实施例中，所述多层层状结构包括：

第一吸波层，所述第一电介质层远离所述辐射片和所述共面波导馈电层的一面覆盖所述第一吸波层；

第二电介质层，所述第一吸波层远离所述第一电介质层的一面覆盖所述第二电介质层；

第二吸波层，所述第二电介质层远离所述第一吸波层的一面覆盖所述第二吸波层；以及

第三电介质层，所述第二吸波层远离所述第二电介质层的一面覆盖所述第三电介质层；

其中，所述第二电介质层和所述第三电介质层用于增加电磁波的传播距离，所述第一吸波层和所述第二吸波层用于提高所述局部放电检测天线的带宽及接收的电磁波能量。

在其中一个实施例中，所述第一电介质层、所述第二电介质层、所述第一吸波层、所述第三电介质层和所述第二吸波层均为矩形，所述矩形的长度为282mm，宽度为242mm；

所述第一电介质层和所述第二电介质层的厚度均为1.6mm，所述第三电介质层的厚度为3.2mm，所述第一吸波层和所述第二吸波层的厚度均为1mm。

在其中一个实施例中，所述第一电介质层、所述第二电介质层和所述第三电介质层的材料为相对介质常数为4.4的环氧玻璃布层压板，所述第一吸波层和所述第二吸波层的材料为ECCOSORB MCS。

在其中一个实施例中，所述共面波导馈电层包括：

馈线，一端与所述辐射片电连接，另一端延伸至所述第一电介质层远离所述辐射片的一端，用于收发电磁波信号；以及

接地层，对称分布于所述馈线两侧，所述接地层具有弧形斜边，所述弧形斜边由靠近所述辐射片和所述馈线连接处延伸至所述第一电介质层远离所述辐射片的一端，且所述接地层远离所述辐射片的一端与所述第一电介质层远离所述辐射片的一端重合。

在其中一个实施例中，还包括电缆接头，与所述馈线远离所述辐射片的一端通过焊锡进行焊接，用于接收信号。

在其中一个实施例中，所述馈线为等腰梯形，且所述馈线靠近所述辐射片的边长为2.63mm，远离所述辐射片的边长为7.16mm，高度为160.9mm，厚度为0.35mm。

在其中一个实施例中，所述接地层远离所述辐射片的一端的边长为116mm，高度为159mm，厚度为0.35mm。

在其中一个实施例中，所述馈线与所述辐射片通过圆形馈电点连接，所述圆形馈电点的半径为1.9mm，所述圆形馈电点用于提高所述局部放电检测天线的带宽。

在其中一个实施例中，所述辐射片的长轴为120mm，短轴为60mm，厚度为0.35mm。

上述实施例提供的所述局部放电检测天线，所述第二电介质层、所述第三电介质层、所述第一吸波层和所述第二吸波层的层状结构设置，可以整体改善所述局部放电检测天线的辐射性能，并进一步减小所述局部放电检测天线的尺寸，从而使所述局部放电检测天线满足电气设备检测过程中安全距离的要求。所述第一吸波层和所述第二吸波层吸波材料的特性阻抗与自由空间特性阻抗差异很小，能够很好降低电磁波入射过程中的反射从而提高天线的带宽及信号接收能量。所述接地层的斜边为弧形结构，结合所述辐射片的椭圆形设计，可以进一步提高所述局部放电检测天线的带宽。所述馈线与所述辐射片连接处的圆形馈电点可以增加所述辐射片相接处电流分布的均匀性，从而进一步拓展天线带宽。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种局部放电检测天线结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种局部放电检测天线剖面结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种局部放电检测天线的回波损耗仿真值与实测值对比图；

图4为本申请实施例提供的一种局部放电检测天线检测到的局部放电信号的波形示意图。

附图标号说明

100 局部放电检测天线

110 辐射片

120 共面波导馈电层

121 馈线

122 接地层

130 第一电介质层

140 多层层状结构

141 第一吸波层

142 第二电介质层

143 第二吸波层

144 第三电介质层

150 电缆接头

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多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申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1-图2，本申请提供一种局部放电检测天线100。所述局部放电检测天线100包括辐射片110、共面波导馈电层120、第一电介质层130和多层层状结构140。所述辐射片110为椭圆形。所述共面波导馈电层120与所述辐射片110电连接。所述辐射片110和所述共面波导馈电层120刻蚀于所述第一电介质层130。所述第一电介质层130远离所述辐射片110和所述共面波导馈电层120的一面覆盖所述多层层状结构140，所述多层层状结构140用于减少反射波的产生。

所述辐射片110为所述局部放检测天线100的基本结构。所述辐射片110椭圆形设计可以平滑边缘电流，从而拓展所述局部放电检测天线100的带宽，并改善所述局部放电检测天线100的辐射性能。所述辐射性能具体指天线的回波损耗、方向性以及带宽。可以理解，所述辐射片110的材料为金属。采用三维电磁场仿真软件CST对所述辐射片110、所述共面波导馈电层120、所述第一电介质层130和所述多层层状结构140的尺寸和材料进行仿真，并在仿真过程中对所述局部放电检测天线100的带宽、回波损耗以及方向性进行整体优化分析，可以得到满足局部放电检测的所述辐射片110的材料和尺寸。在一个实施例中，所述辐射片110的长轴为120mm，短轴为60mm，厚度为0.35mm。且所述辐射片110的材料为铜。

所述共面波导馈电层120使用共面波导传输线对所述局部放电检测天线100进行馈电。共面波导的中心导带直接连接到所述辐射片110，且两端的导体地侧直接延伸到所述局部放电检测天线100的地平面。采用共面波导进行馈电可以达到较好的馈电带宽和辐射效果。可以理解，所述辐射片110和所述共面波导馈电层120可以刻蚀于所述第一电介质层130。所述第一电介质层130的材料可以为FR-4环氧玻璃布层压板。所述FR-4环氧玻璃布层压板具有电绝缘性能稳定、平整度好、表面光滑、无凹坑且适合应用于高性能电子绝缘要求等优点。

所述多层层状结构140包括吸波层和电介质层。所述吸波层和所述电介质层可以降低局部放电检测过程中电气设备的金属部件，尤其是金属板对所述局部放电检测天线100的影响。通过所述多层层状结构140可以延长所述局部放电检测天线100的传播距离并吸收折射和反射波，进而增大折射和反射波的衰减。可以理解，所述多层层状结构140的设置有利于减小所述局部放电检测天线100的尺寸，从而满足电气设备检测过程中安全距离的要求。在一个实施例中，通过采用所述多层层状结构140，所述局部放电检测天线100的整体厚度可以达到8.75mm，尺寸较小，适用于绝缘安全距离要求较高的电气设备内部的局部放电检测。

综上所述，所述局部放电检测天线100使用椭圆形的所述辐射片110可以平滑边缘电流，从而改善所述局部放电检测天线100的辐射性能。此外，所述多层层状结构140可以降低电磁波入射过程中的反射波，从而提高所述局部放电检测天线100的传输距离、带宽和电磁波信号强度。因此，所述局部放电检测天线100减弱了电气设备中的金属部件对天线辐射性能的影响，具有尺寸小、频带宽、灵敏度高、增益高、方向性好等优点，适用于高压设备内部的超高频监测，同时可以满足局部放电现场检测要求。

在一个实施例中，所述多层层状结构140包括第一吸波层141、第二电介质层142、第二吸波层143和第三电介质层144。所述第一电介质层(130)远离所述辐射片110和所述共面波导馈电层120的一面覆盖所述第一吸波层141。所述第一吸波层141远离所述第一电介质层130的一面覆盖所述第二电介质层142。所述第二电介质层142远离所述第一吸波层141的一面覆盖所述第二吸波层143。所述第二吸波层143远离所述第二电介质层142的一面覆盖所述第三电介质层144。其中，所述第二电介质层142和所述第三电介质层144用于增加电磁波的传播距离，所述第一吸波层141和所述第二吸波层143用于提高所述局部放电检测天线100的带宽及接收的电磁波能量。

可以理解，所述第二电介质层142和所述第三电介质层144可以用于增大传播距离，从而增大反射波的衰减。所述第一吸波层141和所述第二吸波层143用于吸收折射和反射波以增大折射和反射波的衰减。通过设置所述第二电介质层142、所述第三电介质层144、所述第一吸波层141和所述第二吸波层143的设置可以整体改善所述局部放电检测天线100的辐射性能。结合所述第二电介质层142、所述第三电介质层144、所述第一吸波层141和所述第二吸波层143的层状结构设置，可以进一步减小所述局部放电检测天线100的尺寸，从而使所述局部放电检测天线100满足电气设备检测过程中安全距离的要求。

在一个实施例中，所述第一电介质层130、所述第二电介质层142、所述第一吸波层141、所述第三电介质层144和所述第二吸波层143均为矩形，所述矩形的长度为282mm，宽度为242mm。所述第一电介质层130和所述第二电介质层142的厚度均为1.6mm，所述第三电介质层144的厚度为3.2mm，所述第一吸波层141和所述第二吸波层143的厚度均为1mm。在一个实施例中，所述第一电介质层130、所述第二电介质层142和所述第三电介质层144的材料为相对介质常数为4.4的环氧玻璃布层压板，所述第一吸波层141和所述第二吸波层143的材料为ECCOSORB MCS。

可以理解，所述第一电介质层130、所述第二电介质层142、所述第一吸波层141、所述第三电介质层144和所述第二吸波层143的形状相同，且其尺寸可以通过三维电磁场仿真软件CST对所述局部放电检测天线100的辐射性能进行整体优化得到。可以理解，所述环氧玻璃布层压板，即FR-4具有电绝缘性能稳定、平整度好、表面光滑、无凹坑且适合应用于高性能电子绝缘要求等优点。可以理解，所述第一吸波层141和所述第二吸波层143吸波材料的特性阻抗与自由空间特性阻抗差异很小，能够很好降低电磁波入射过程中的反射从而提高天线的带宽及信号接收能量。所述吸波材料可以为ECCOSORB MCS。所述ECCOSORB MCS为薄型、柔软、高磁损耗的不导电硅橡胶片，具有不透水、可高海拔应用和较低吸气性等优势。所述ECCOSORB MCS能有效减少电磁波入射过程中的反射波，从而拓展天线带宽，增强信号接收能量。

在一个实施例中，所述共面波导馈电层120包括馈线121和接地层122。所述馈线121的一端与所述辐射片110电连接，另一端延伸至所述第一电介质层130远离所述辐射片110的一端，用于收发电磁波信号。所述接地层122对称分布于所述馈线121两侧，所述接地层122具有弧形斜边，所述弧形斜边由靠近所述辐射片110和所述馈线121连接处延伸至所述第一电介质层130远离所述辐射片110的一端，且所述接地层122远离所述辐射片110的一端与所述第一电介质层130远离所述辐射片110的一端重合。可以理解，所述馈线121和所述接地层122的材料不作限定，只要可以实现收发电磁信号和接地功能即可。在一个实施例中，所述馈线121和所述接地层122的材料可以为铜。由于采用共面波导进行馈电，所述接地层122的下边界与所述电介质层130下边界对齐，且所述接地层122对称分布在所述馈线121两侧。采用弧形结构的所述接地层122，可以使电流在其边沿的流通路径增加，辐射性能更好。可以理解，所述接地层122的斜边为弧形结构，结合所述辐射片110的椭圆形设计，可以进一步提高所述局部放电检测天线100的带宽。在一个实施例中，所述局部放电检测天线100的频带范围为400MHz～3GHz，能够有效接收电气设备局部放电产生的超高频信号，具有方向性好，准确性高的优点。

在一个实施例中，还包括电缆接头150，与所述馈线121远离所述辐射片110的一端通过焊锡进行焊接，用于接收信号。可以理解，所述电缆接头150的类型不作限定，只要可以实现电信号传输即可。在一个实施例中，所述电缆接头150可以为SMA电缆接头。所述SMA电缆接头具有频带宽、性能优、高可靠和寿命长等优势。所述SMA电缆接头的芯线通过焊锡与所述馈线121焊接。

在一个实施例中，所述馈线121为等腰梯形，且所述馈线121靠近所述辐射片110的边长为2.63mm，远离所述辐射片110的边长为7.16mm，高度为160.9mm，厚度为0.35mm。在一个实施例中，所述接地层122远离所述辐射片110的一端的边长为116mm，高度为159mm，厚度为0.35mm。可以理解，所述馈线121靠近所述辐射片110的边为所述等腰梯形的上底，远离所述辐射片110的边长为所述等腰梯形的下底。所述160.9mm高度为所述上底和所述下底之间的距离。同样所述接地层112的116mm的边长为连接两个所述弧形斜边的底边，所述159mm的高度为垂直于所述底边，且沿与所述接地层122平行方向的高度。在一个实施例中，所述馈线121与所述辐射片110通过圆形馈电点连接，所述圆形馈电点的半径为1.9mm，所述圆形馈电点用于提高所述局部放电检测天线100的带宽。所述馈线121与所述辐射片110连接处的圆形馈电点可以增加所述辐射片110相接处电流分布的均匀性，从而进一步拓展天线带宽。

请一并参见图3，本申请提供一种所述局部放电检测天线100的回波损耗仿真值与实测值对比图，可以看到天线在400MHz～3GHz范围内回波损耗值在金属环境下在-10dB以下，与仿真结果在超高频范围内的值呈现一样的趋势，存在的差异是由于实验室条件以及天线加工制作误差导致。请一并参见图4，同时提供一种所述局部放电检测天线100检测局部放电的波形图。由图4提供的波形图可以看出，所述局部放电检测天线100能够有效接收局部放电的宽频电磁波信号，具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种局部放电检测天线(100)，其特征在于，包括：

辐射片(110)，所述辐射片(110)为椭圆形；

共面波导馈电层(120)，与所述辐射片(110)电连接；

第一电介质层(130)，所述辐射片(110)和所述共面波导馈电层(120)刻蚀于所述第一电介质层(130)；以及

多层层状结构(140)，所述第一电介质层(130)远离所述辐射片(110)和所述共面波导馈电层(120)的一面覆盖所述多层层状结构(140)，所述多层层状结构(140)用于减少反射波的产生。

2.根据权利要求1所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述多层层状结构(140)包括：

第一吸波层(141)，所述第一电介质层(130)远离所述辐射片(110)和所述共面波导馈电层(120)的一面覆盖所述第一吸波层(141)；

第二电介质层(142)，所述第一吸波层(141)远离所述第一电介质层(130)的一面覆盖所述第二电介质层(142)；

第二吸波层(143)，所述第二电介质层(142)远离所述第一吸波层(141)的一面覆盖所述第二吸波层(143)；以及

第三电介质层(144)，所述第二吸波层(143)远离所述第二电介质层(142)的一面覆盖所述第三电介质层(144)；

其中，所述第二电介质层(142)和所述第三电介质层(144)用于增加电磁波的传播距离，所述第一吸波层(141)和所述第二吸波层(143)用于提高所述局部放电检测天线(100)的带宽及接收的电磁波能量。

3.根据权利要求2所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述第一电介质层(130)、所述第二电介质层(142)、所述第一吸波层(141)、所述第三电介质层(144)和所述第二吸波层(143)均为矩形，所述矩形的长度为282mm，宽度为242mm；

所述第一电介质层(130)和所述第二电介质层(142)的厚度均为1.6mm，所述第三电介质层(144)的厚度为3.2mm，所述第一吸波层(141)和所述第二吸波层(143)的厚度均为1mm。

4.根据权利要求2所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述第一电介质层(130)、所述第二电介质层(142)和所述第三电介质层(144)的材料为相对介质常数为4.4的环氧玻璃布层压板，所述第一吸波层(141)和所述第二吸波层(143)的材料为ECCOSORBMCS。

5.根据权利要求1所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述共面波导馈电层(120)包括：

馈线(121)，一端与所述辐射片(110)电连接，另一端延伸至所述第一电介质层(130)远离所述辐射片(110)的一端，用于收发电磁波信号；以及

接地层(122)，对称分布于所述馈线(121)两侧，所述接地层(122)具有弧形斜边，所述弧形斜边由靠近所述辐射片(110)和所述馈线(121)连接处延伸至所述第一电介质层(130)远离所述辐射片(110)的一端，且所述接地层(122)远离所述辐射片(110)的一端与所述第一电介质层(130)远离所述辐射片(110)的一端重合。

6.根据权利要求5所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，还包括电缆接头(150)，与所述馈线(121)远离所述辐射片(110)的一端通过焊锡进行焊接，用于接收信号。

7.根据权利要求5所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述馈线(121)为等腰梯形，且所述馈线(121)靠近所述辐射片(110)的边长为2.63mm，远离所述辐射片(110)的边长为7.16mm，高度为160.9mm，厚度为0.35mm。

8.根据权利要求5所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述接地层(122)远离所述辐射片(110)的一端的边长为116mm，高度为159mm，厚度为0.35mm。

9.根据权利要求5所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述馈线(121)与所述辐射片(110)通过圆形馈电点连接，所述圆形馈电点的半径为1.9mm，所述圆形馈电点用于提高所述局部放电检测天线(100)的带宽。

10.根据权利要求1所述的局部放电检测天线(100)，其特征在于，所述辐射片(110)的长轴为120mm，短轴为60mm，厚度为0.35mm。