CN212514868U - 一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，传感器包括互补偶极子双贴片型天线和暂态对地电压探头，所述互补偶极子双贴片型天线包括绝缘罩，以及绝缘板和金属贴片组件，所述暂态对地电压探头包括置于金属罩与开关柜箱壁的外壁形成的第二腔体的绝缘片和第三金属贴片。与现有技术相比，设计简单，方便加工，实现了高压开关柜内部组件绝缘缺陷放电产生电磁波信号的暂态对地电压和特高频同步联合测量，实现带电检测/巡检。

Description

一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器

技术领域

本实用新型涉及高压开关柜局部放电检测领域，尤其是涉及一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器。

背景技术

高压开关柜是面向用户供电的配电网直接设备，其故障将会造成用户停电从而给电网带来巨大经济损失、并造成一定社会影响；此外，确保高质量可靠供电是电网运维保障的必由之路。由于高压开关柜内部结构复杂、绝缘间距小，导致其比电网中其他电气设备更加容易出现绝缘缺陷，在受潮凝露条件下发生设备绝缘表面爬电等局部放电(Partialdischarge，PD)现象。PD的长期存在最终会导致设备的绝缘老化或劣化甚至损坏，最终发展成高压开关柜绝缘击穿事故。因此，通过高压开关柜的PD在线监测、带电检测以判断其绝缘状况便显得至关重要。

目前应用于检测高压开关柜PD信号的方法主要有超声波(AE)检测法、暂态对地电压(TEV)检测法以及特高频(UHF)检测法等。暂态对地电压检测法经过多年应用，已形成了2016DL/T 846.10《高电压测试设备通用技术条件第10部分：暂态地电压局部放电检测》、2018DL/T 195《基于暂态地电压法局部放电检测仪校准规范》两项电力行业标准。现有的高压开关柜暂态对地电压检测法利用开关柜内部的PD产生电磁波，在金属壁形成趋肤效应并且沿着金属表面进行传播，同时在金属表面产生暂态对地电压，利用专用的暂态对地电压传感器即可实现信号检测或监测。特高频是近年来发展起来的一项新技术，它通过测量高压设备绝缘隐患在运行电压下辐射的电磁波来判断设备是否发生PD，该方法可以非接触测量，被广泛地应用于电气设备的在线检测；针对高压开关柜设备的自身特点，如图7(a)-7(d)所示，目前有金属辐射贴片(CN 104868240 A)、可重构天线(正方形环形微带贴片，CN110927541 A)、微带缝隙天线(CN 104515940 A)和雪花型微带天线(高电压技术，Vol.42,No.10：3207-3213，2016)的特高频检测传感器。

上述暂态对地电压传感器由于是外置式的，容易受外部电磁干扰，使得检测人员经常怀疑检测获取的结果，无法判断电磁信号来自高压开关柜内部还是干扰源产生的，从而错失内部放电信号导致绝缘击穿发生严重短路故障。而上述已有的特高频技术，传感器加工较为复杂，不方便在设备厂家推广使用，且安装也需要一定特殊条件，这大大限制了该特高频检测法在高压开关柜设备绝缘缺陷PD的在线监测、带电检测使用。

实用新型内容

本实用新型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高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，以克服暂态对地电压检测法中暂态对地电压传感器易受电磁干扰、特高频检测法中特高频检测传感器加工安装复杂的问题。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，包括互补偶极子双贴片型天线和暂态对地电压探头，所述互补偶极子双贴片型天线包括绝缘罩，以及绝缘板和金属贴片组件，所述金属贴片组件包括相同的第一金属贴片和第二金属贴片，所述绝缘板的一面连接开关柜箱壁的内壁，另一面对称连接第一金属贴片和第二金属贴片，所述绝缘板、第一金属贴片和第二金属贴片置于绝缘罩与开关柜箱壁的内壁形成的第一腔体，所述第一金属贴片和第二金属贴片之间形成间隙，所述绝缘板设有第一通孔，开关柜箱壁设有第二通孔，所述间隙、第一通孔和第二通孔同轴，第一同轴电缆的一端分别导通连接第一金属贴片和第二金属贴片，另一端依次通过间隙、第一通孔和第二通孔导通连接第一同轴电缆接头，所述暂态对地电压探头包括置于金属罩与开关柜箱壁的外壁形成的第二腔体的绝缘片和第三金属贴片，所述第二通孔位于金属罩的覆盖范围之内，所述绝缘片的一面连接开关柜箱壁的外壁，另一面连接第三金属贴片，第二同轴电缆的电缆芯线的一端分别导通连接电容的工作侧和第三金属贴片，另一端导通连接第二同轴电缆接头，第二同轴电缆的屏蔽层连接电容的接地侧和电感的工作侧，电感的接地侧与金属罩导通连接，所述第一同轴电缆接头导通连接金属罩，所述第二同轴电缆接头与金属罩绝缘连接。

所述的第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片均为铜贴片。

所述的绝缘板分别与第一金属贴片和第二金属贴片粘接，所述第三金属贴片与绝缘片粘接。

所述的绝缘片与开关柜箱壁粘接，所述绝缘板与开关柜箱壁粘接。

所述的绝缘罩与开关柜箱壁通过绝缘螺栓连接，所述金属罩与开关柜箱壁通过金属螺栓连接。

所述的第一同轴电缆接头与金属罩通过金属螺栓连接，第二同轴电缆接头与金属罩通过绝缘螺栓连接。

所述的金属罩与第二同轴电缆接头之间设有绝缘垫圈。

所述第一同轴电缆的电缆芯线的一端连接第二金属贴片，所述第一同轴电缆的屏蔽层的一端连接第一金属贴片。

所述的绝缘板为聚乙烯绝缘板，所述的绝缘片为酚醛塑料绝缘片。

一种所述高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器的安装方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：第一同轴电缆的一端分别与第一金属贴片和第二金属贴片的馈电点导通连接；

步骤S2：绝缘板的一面对称连接第一金属贴片和第二金属贴片，绝缘板的另一面连接开关柜箱壁的内壁，第二通孔、间隙和第一通孔同轴；

步骤S3：绝缘罩连接开关柜箱壁的内壁；

步骤S5：第一同轴电缆的另一端导通连接第一同轴电缆接头；

步骤S6：绝缘片的一面连接第三金属贴片，另一面连接开关柜箱壁的外壁；

步骤S7：第二同轴电缆的电缆芯线的一端分别导通连接电容的工作侧和第三金属贴片，另一端导通连接第二同轴电缆接头，第二同轴电缆的屏蔽层导通连接电容的接地侧和电感的工作侧，电感的接地侧与金属罩导通连接；

步骤S8：金属罩与高压开关柜箱壁的外壁连接；

步骤S9：第一同轴电缆接头导通连接金属罩，第二同轴电缆接头绝缘连接金属罩。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)采用互补偶极子双贴片型天线和电容式分压器分别作为电磁复合传感器的特高频探头和暂态对地电压探头，设计简单，方便加工，实现了高压开关柜内部组件绝缘缺陷放电产生电磁波信号的暂态对地电压和特高频同步联合测量。

(2)电磁复合传感器安装容易且安装步骤少，大大扩展了其使用范围，为传感单元一体化、模块化和标准化提供了可靠实施方法。

(3)电磁复合传感器利用电感元件阻隔了高频电磁波信号传播相互影响，输出的2路信号可以相互佐证电磁波信号是否来自于高压开关柜内部绝缘缺陷放电，可以避免错失内部放电信号导致绝缘击穿发生严重短路故障。

(4)电磁复合传感器利用开关柜箱体作为接地平面，2路电磁波信号输出端子可以在带电运行工况下操作，实现带电检测/巡检，也可以给在线监测装置或重症监护系统提供信号。

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A-A剖面图；

图3为本实用新型的安装结构示意图；

图4为本实用新型暂态对地电压探头的工作原理图；

图5(a)-(h)为本实用新型电磁复合传感器安装步骤示意图；

图6(a)-(c)为本实用新型电磁复合传感器在不同加压条件下的2路单个放电检测时域信号；

图7(a)为现有技术中金属辐射贴片特高频传感器；

图7(b)为现有技术中正方形环形微带贴片特高频传感器；

图7(c)为现有技术中微带缝隙天线特高频传感器；

图7(d)为现有技术中雪花型微带天线特高频传感器；

附图标记：

1为绝缘板；2为第一金属贴片；3为第二金属贴片；4为绝缘罩；5为开关柜箱壁；6为第一同轴电缆接头；7为馈电点；8为带同轴电缆的接头；9为开关柜接地线电阻；10为放电源；11为第一同轴电缆；12为第二同轴电缆；13为第一通孔；14为第二通孔；15为信号采集装置；16为绝缘片；17为第三金属贴片；18为电感；19为电容；20为金属罩；21为第二同轴电缆接头；22为绝缘垫圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例提供一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，实现对高压开关柜内部组件绝缘缺陷的暂态对地电压和特高频电磁波同步联合测量，如图1所示，电磁复合传感器包括互补偶极子双贴片型天线和暂态对地电压探头，互补偶极子双贴片型天线包括绝缘罩4，以及绝缘板1和金属贴片组件，金属贴片组件包括相同的第一金属贴片2和第二金属贴片3，所述绝缘板1的一面连接开关柜箱壁5的内壁，另一面对称连接第一金属贴片2和第二金属贴片3，绝缘板1、第一金属贴片2和第二金属贴片3置于绝缘罩4与开关柜箱壁5的内壁形成的第一腔体，第一金属贴片2和第二金属贴片3之间形成间隙，绝缘板1设有第一通孔13，开关柜箱壁5设有第二通孔14，所述间隙、第一通孔13和第二通孔14同轴，第一同轴电缆11的一端分别导通连接第一金属贴片2和第二金属贴片3，另一端依次通过间隙、第一通孔13和第二通孔14导通连接第一同轴电缆接头6，暂态对地电压探头包括置于金属罩20与开关柜箱壁5的外壁形成的第二腔体的绝缘片16和第三金属贴片17，第二通孔14位于金属罩20的覆盖范围之内，绝缘片16的一面连接开关柜箱壁5的外壁，另一面连接第三金属贴片17，第二同轴电缆12的电缆芯线的一端分别导通连接电容19的工作侧和第三金属贴片17，另一端导通连接第二同轴电缆接头21，第二同轴电缆12的屏蔽层连接电容19的接地侧和电感18的工作侧，电感18的接地侧与金属罩20导通连接，第一同轴电缆接头6导通连接金属罩20，第二同轴电缆接头21与金属罩20绝缘连接。

具体而言：

高压开关柜箱壁5通过开关柜接地线电阻9接地，高压开关柜内设放电源10，电磁复合传感器连接信号采集装置15。

第一金属贴片2、第二金属贴片3和第三金属贴片17均为铜贴片；绝缘板1分别与第一金属贴片2和第二金属贴片3粘接，第三金属贴片17与绝缘片16粘接，绝缘片16与开关柜箱壁5粘接，绝缘板1与开关柜箱壁5粘接，绝缘板1为聚乙烯绝缘板，绝缘片16为酚醛塑料绝缘片。第一同轴电缆11的一端通过带同轴电缆的接头8连接第一同轴电缆接头6，带同轴电缆的接头8与第一同轴电缆接头6螺纹连接，第二同轴电缆12的一端通过带同轴电缆的接头8连接第二同轴电缆接头21，带同轴电缆的接头8与第二同轴电缆接头21螺纹连接。

绝缘罩4与开关柜箱壁5通过绝缘螺栓连接，金属罩20与开关柜箱壁5通过金属螺栓连接；第一同轴电缆接头6与金属罩20通过金属螺栓连接，第二同轴电缆接头21与金属罩20通过绝缘螺栓连接。

金属罩20与第二同轴电缆接头21之间设有绝缘垫圈22。

第一同轴电缆11的电缆芯线的一端连接第二金属贴片3，第一同轴电缆11的屏蔽层的一端连接第一金属贴片2。

上述互补偶极子双贴片型天线，其工作特性由第一金属贴片2和第二金属贴片3的长度l、宽度w、厚度h、缝隙间距b和绝缘板1的厚度k决定。由于第一金属贴片2和第二金属贴片3之间留下一条间隙进行对称布置，根据偶极子理论，间隙阻抗(即特高频传感器阻抗)正比于偶极子导纳，则已知偶极子的性能即可预测其互补间隙的性能，使得偶极子与缝隙的结构互补。

互补偶极子双贴片型天线的铜贴片和绝缘板1，可以采用导电铜薄片置于底衬接地板的介质基片表面构成，其中底衬接地板与高压开关柜箱壁5金属性导通接触；也可以将导电铜薄片粘贴在聚乙烯等绝缘板1上实现布置。

上述暂态对地电压探头，其工作原理如图4所示，第三金属贴片17与开关柜箱璧之间布置的绝缘片16形成电容Cc，与串联的电容19形成电容分压式电磁波耦合暂态对地电压探头，在第二同轴电缆12的屏蔽层(接地)与开关柜箱璧之间串入电感18以阻断高频电磁波从接地侧进入采集装置。

图5(a)-(h)所示为高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器的安装方法，主要分8个步骤，具体如下(更换或拆除也可参照)：

步骤1，第一同轴电缆11的电缆芯线和屏蔽层(接地)分别与第二金属贴片3和第一金属贴片2的馈电点7完成导通性良好焊接；

步骤2，第一金属贴片2和第二金属贴片3与带第一通孔13的绝缘板1进行平面牢固粘贴；

步骤3，步骤2形成的部件按照高压开关柜设计的位置，按照第二通孔14、间隙和第一通孔13同轴的方式将绝缘板1与高压开关柜箱壁5内侧进行平面牢固粘贴；

步骤4，用合适尺寸的绝缘罩4将步骤3形成的部件利用4个绝缘螺栓进行密封及可靠连接，实现互补偶极子双贴片型天线与高压开关柜箱壁5的安装；

步骤5，绝缘片16和第三金属贴片17与高压开关柜箱壁5外侧的平面牢固粘贴；

步骤6，第二同轴电缆12的电缆芯线和屏蔽层(接地)分别与电容19和电感18进行导通性焊接，其中电缆芯线接第三金属贴片17外侧和电容19的工作侧，屏蔽层与电容19的接地侧及电感18的工作侧导通性焊接；

步骤7，电感18的接地侧与金属罩20进行导通性焊接后，金属罩20利用4个金属螺栓实现与高压开关柜箱壁5外侧的导通性可靠安装；

步骤8，第一同轴电缆接头6与带同轴电缆的接头8进行螺纹连接后，利用4个金属螺栓将第一同轴电缆接头6与金属罩20进行导通性可靠安装，完成互补偶极子双贴片型天线的特高压电磁波信号输出接口固定安装；第二同轴电缆接头21与带同轴电缆的接头8进行螺纹连接后，利用4个绝缘螺栓和绝缘垫圈22将第二同轴电缆接头21与金属罩20进行绝缘性可靠安装，完成暂态对地电压探头的电磁波信号输出接口固定安装。

图6(a)-(c)为高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器的输出时域波形图，互补偶极子双贴片型天线加工后测定尺寸参数如下：第一金属贴片2和第二金属贴片3长度5cm、宽度10cm、厚度5mm、缝隙间距1cm，绝缘板1(聚乙烯)厚度1cm；电容式电磁波耦合暂态对地电压探头加工后测定尺寸参数如下：第三金属贴片17长度5cm、宽度5cm、厚度2mm，绝缘片16采用绝缘木(酚醛塑料)，绝缘片16长度6cm、宽度6cm、厚度2mm；电容19的容值Cs＝3μF、电感18的大小L＝1100nh。

Claims (9)

1.一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，包括互补偶极子双贴片型天线和暂态对地电压探头，所述互补偶极子双贴片型天线包括绝缘罩(4)，以及绝缘板(1)和金属贴片组件，所述金属贴片组件包括相同的第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)，所述绝缘板(1)的一面连接开关柜箱壁(5)的内壁，另一面对称连接第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)，所述绝缘板(1)、第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)置于绝缘罩(4)与开关柜箱壁(5)的内壁形成的第一腔体，所述第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)之间形成间隙，所述绝缘板(1)设有第一通孔(13)，开关柜箱壁(5)设有第二通孔(14)，所述间隙、第一通孔(13)和第二通孔(14)同轴，第一同轴电缆(11)的一端分别导通连接第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)，另一端依次通过间隙、第一通孔(13)和第二通孔(14)导通连接第一同轴电缆接头(6)，所述暂态对地电压探头包括置于金属罩(20)与开关柜箱壁(5)的外壁形成的第二腔体的绝缘片(16)和第三金属贴片(17)，所述第二通孔(14)位于金属罩(20)的覆盖范围之内，所述绝缘片(16)的一面连接开关柜箱壁(5)的外壁，另一面连接第三金属贴片(17)，第二同轴电缆(12)的电缆芯线的一端分别导通连接电容(19)的工作侧和第三金属贴片(17)，另一端导通连接第二同轴电缆接头(21)，第二同轴电缆(12)的屏蔽层连接电容(19)的接地侧和电感(18)的工作侧，电感(18)的接地侧与金属罩(20)导通连接，所述第一同轴电缆接头(6)导通连接金属罩(20)，所述第二同轴电缆接头(21)与金属罩(20)绝缘连接。

2.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的第一金属贴片(2)、第二金属贴片(3)和第三金属贴片(17)均为铜贴片。

3.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的绝缘板(1)分别与第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)粘接，所述第三金属贴片(17)与绝缘片(16)粘接。

4.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的绝缘片(16)与开关柜箱壁(5)粘接，所述绝缘板(1)与开关柜箱壁(5)粘接。

5.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的绝缘罩(4)与开关柜箱壁(5)通过绝缘螺栓连接，所述金属罩(20)与开关柜箱壁(5)通过金属螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的第一同轴电缆接头(6)与金属罩(20)通过金属螺栓连接，第二同轴电缆接头(21)与金属罩(20)通过绝缘螺栓连接。

7.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的金属罩(20)与第二同轴电缆接头(21)之间设有绝缘垫圈(22)。

8.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述第一同轴电缆(11)的电缆芯线的一端连接第二金属贴片(3)，所述第一同轴电缆(11)的屏蔽层的一端连接第一金属贴片(2)。

9.根据权利要求1所述的一种高压开关柜箱壁一体式电磁复合传感器，其特征在于，所述的绝缘板(1)为聚乙烯绝缘板，所述的绝缘片(16)为酚醛塑料绝缘片。

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