CN103713242A - 新型局部放电源空间定位用特高频传感器及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供的新型局部放电源空间定位用特高频传感器及其阵列，包括依次连接且同轴设置的球锥单极天线1、绝缘支撑件2、接地金属圆盘3、N型接头5，还包括短接柱；在球锥单极天线1的圆锥底部边缘设置有两个垂直于接地金属圆盘3的短接柱4，短接柱4的两端分别连接圆锥底部边缘和接地金属圆盘3，这两个短接柱4的中轴线以及球锥单极天线1的中轴线位于同一平面内。本发明采用球面锥形的结构，具有宽频带、全向、高灵敏度、驻波比低及群时延一致性好等特点，能有效满足放电源全向检测的要求，由多个传感器组成的特高频传感器阵列，可以对放电源进行空间准确定位，能够满足变电站局放源空间定位的要求。

Description

新型局部放电源空间定位用特高频传感器及其阵列

技术领域

本发明涉及特高频传感领域，具体地，涉及新型局部放电源空间定位用特高频传感器。

背景技术

特高频(ultra high frequency，UHF)法以其覆盖范围广、灵敏度高、能够识别并定位放电源等优点，成为近二十年来国内外局部放电检测领域研究的重点和热点。

近年来英国Strathclyde大学的Philip Moore等人提出了特高频阵列空间定位的思路，通过4个特高频传感器组成传感阵列，实现整个变电站内放电源的检测及空间定位。这样的***的结构简单，充分利用了特高频技术灵敏度高、覆盖范围广的优势。相比目前的在线监测和带电检测设备，在满足状态检修工作要求的同时，在经济性方面具有明显的优势。

成功实现放电源空间定位的关键是特高频传感器，相比常规的特高频传感器，用于空间定位的传感器需要有宽频带、低损耗、全向、群时延稳定性好、灵敏度高等特点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种专用于空间定位的特高频传感器。该传感器主体采用球面、锥形相结合的结构，通过特定的短接柱进行性能调整，仿真及实测结果均显示，该传感器性能优异，能满足变电站空间定位的要求。

根据本发明提供的新型局部放电源空间定位用特高频传感器，包括：球锥单极天线1、绝缘支撑件2、接地金属圆盘3、短接柱4、N型接头5；

球锥单极天线1、绝缘支撑件2、接地金属圆盘3、N型接头5依次连接且同轴设置；

在球锥单极天线1的圆锥底部边缘设置有两个垂直于接地金属圆盘3的短接柱4，短接柱4的两端分别连接圆锥底部边缘和接地金属圆盘3，这两个短接柱4的中轴线以及球锥单极天线1的中轴线位于同一平面内。

优选地，所述绝缘支撑件2的材料为环氧树脂。

优选地，H=7cm，W=14cm，h=0.2cm，其中，H为球锥单极天线1的圆锥高度，W为球锥单极天线1的圆锥底面直径，h为球锥单极天线1的球锥顶点到金属圆盘距离。

根据本发明提供的特高频传感器阵列，包括多个阵列分布的上述的新型局部放电源空间定位用特高频传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明基于球锥单极天线理论，设计了一种可用于变电站局部放电空间定位的新型特高频传感器。本发明提供的传感器采用球面锥形的结构，具有宽频带、全向、高灵敏度、驻波比低及群时延一致性好等特点，能有效满足放电源全向检测的要求，由多个传感器组成的特高频传感器阵列，可以对放电源进行空间准确定位，能够满足变电站局放源空间定位的要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的特高频传感器的侧视示意图；

图2为本发明提供的特高频传感器的俯视示意图；

图3为传统的球锥传感器的驻波比曲线；

图4为本发明提供的特高频传感器的驻波比曲线；

图5为传感器的群延迟曲线；

图6为仿真计算的传感器在600MHz的E面（XOZ平面）方向图；

图7为仿真计算的传感器在600MHz的H面（XOY平面）方向图；

图8给出了传感器的灵敏度H_e曲线。

图中：

1为球锥单极天线；

2为绝缘支撑件；

3为接地金属圆盘；

4为短接柱；

5为N型接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了实现变电站放电源的空间定位，传感器阵列中采用的特高频传感器设计时需要考虑如下几个方面的要求：

1.1宽频带

局放是宽频脉冲信号，频率可高达数GHz，且根据缺陷类型的不同，局放信号的主要频率成份相差较大，为了满足局放信号检测的需要，特高频传感器需要有较宽的频带，典型的特高频传感器的工作频率范围为500MHz-1500MHz。

1.2低反射损耗

当天线与馈线不匹配的时候，会产生反射损耗，反射损耗越大，天线的效率就越低。为了提高天线的效率，一般要求功率损耗小于10%，与这个指标相对应的，需要天线的驻波比小于2，即用于空间定位的特高频传感器驻波比应该小于2。

1.3稳定的群时延

群时延反映的是传感器对宽频信号不同频谱分量的响应情况。宽频信号由传感器接收后，如果传感器对信号各个频谱分量的响应相差较大，会导致信号发生色散现象，影响检测信号的波形。

对用于局放检测的宽频带传感器，群时延为常数是理想情况，当群时延稳定性差时，传感器接收到的局放脉冲波形上升沿会发生畸变，难以获得清晰的脉冲上升沿，影响对局放源的定位。为了满足空间定位的需要，工程上一般要求传感器有较好的群时延稳定性，波动幅度小于1ns。

1.4各向同性

增益用来定量描述天线电磁波辐射能量的集中程度，根据天线的互易定理，增益反映的也是天线接收电磁波能量的集中程度。特高频传感器增益的定义：定向天线和无方向天线在预定方向产生的电场强度平方之比。

对于用于局放空间定位用的特高频传感器，要求其在各个方向上应具有近似相同的增益特性，即各向同性，传感器的增益接近0dB。

1.5高灵敏度

灵敏度反映的是传感器将空间电场转化为电压输出的能力。特高频传感器的灵敏度H_e(f)由下式来定义：

$H_e\left(f\right)=\frac{V\left(f\right)}{E\left(f\right)}---\left(1\right)$

式中V(f)为天线感应电势，E(f)为入射电磁波电场强度，f为入射电磁波频率。

灵敏度是特高频传感器最重要的参数之一，直接决定了检测及定位***的有效性。为此，英国NGC公司对特高频传感器的灵敏度做了明确的规定，在500MHz-1500MHz的频率范围内，超过80%频率范围的最小灵敏度不小于2mm，全频率范围的平均灵敏度不小于6mm。

下面对特高频传感器的设计进行具体描述。

2.1传感器的结构及工作原理

本发明提供的特高频传感器是一种改进型球面锥形天线，主要由球锥单极天线、绝缘支撑件、接地金属圆盘、短接柱以及50欧姆N型接头组成，其模型结构如图1、图2所示。

原型的球面锥形单极天线是一种宽频带全向天线，不包含图1中的短接柱，其下限频率f_L（对应于VSWR≤2）（VSWR，Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比）可以通过以下公式进行计算：

$f_L=\frac{7.5\×{10}^3}{a_p+b_p+h}---\left(2\right)$

$a_p=\frac{W}{2}---\left(3\right)$

其中，h为锥形顶点与接地圆盘之间的距离，a_p为圆锥外半径，通过公式（3）计算，b_p为球锥轴线，长度为其与a_p交点到球锥顶点距离，W为圆锥底面直径；a_p，b_p，h，W单位为cm，f_L单位为MHz。

本发明设计的球锥单极天线具体尺寸为：H=7cm，W=14cm，传感器绝缘支撑件材料为环氧树脂，h=0.2cm。在不添加短接柱的情况下，根据式（2）可以计算出传感器的下限工作频率为750MHz。

添加短接柱是降低传感器谐振频率，缩小传感器尺寸的一种有效方法。为此，本发明设计时在圆锥底部边缘增加了两个对称的短接柱，从而获得如下特点：

-工作频带宽，为500MHz～2GHz；

-具有近似全向的特性；

-损耗小，VSWR小于2；

-群时延稳定，波动数值在0.5-1ns之间；

-灵敏度高，灵敏度H_e平均值大于12mm。

实验室放电源定位结果显示，本发明设计的特高频传感器能完全满足变电站局放源空间定位的需要，具体如下。

2.2传感器参数计算及与性能分析

图3、图4为球锥传感器的驻波比曲线，其中，图3为传统的球锥传感器的驻波比曲线，图4为改进型球锥传感器，即添加了短接柱。图中虚线为仿真计算得到的驻波比曲线，实线为利用安捷伦E5071C网络分析仪测试得到驻波比曲线。

由图3、图4中的仿真和实测驻波比曲线可以看出，对于球锥传感器，VSWR小于2对应的频率范围为730MHz-2000MHz，而添加短接柱之后，频带范围扩展为480MHz-2000MHz。由式（2）可知，对于球锥传感器，当其下限频率为480MHz时，H=10.94cm，换言之，获得相同的下限频率，添加短接柱使得传感器的尺寸减小了34.8%。

由图4可知，本发明提供的改进型球锥传感器的带宽（VSWR≤2）覆盖了局放信号能量分布的主要频率范围。

图5为传感器的群延迟曲线，其中，虚线为仿真计算得到的结果，实线为安捷伦E5071C网络分析仪测试的结果。

由图5可知，该传感器在500MHz-2000MHz的频带范围内，群延迟在0.5-1ns之间，从而保证了宽频局放脉冲由传感器接收后，信号色散小，能获得清晰的脉冲上升沿。

图6、图7分别为仿真计算的传感器在600MHz的E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）方向图。

由图6、图7中的仿真结果可以看到，传感器在E面和H面上0度～360度方向上的增益（用虚线表示）接近于0dB，在E面（XOZ平面）和H面（XOY平面）具有近似全向的方向特性。

图8给出了传感器的灵敏度H_e曲线，由图8可知，在500MHz-2000MHz频率范围内传感器灵敏度H_e的平均值为12.86mm，超过80%的频率范围H_e大于2mm，满足英国NGC对特高频传感器的灵敏度要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种新型局部放电源空间定位用特高频传感器，其特征在于，包括：球锥单极天线（1）、绝缘支撑件（2）、接地金属圆盘（3）、短接柱（4）、N型接头（5）；

球锥单极天线（1）、绝缘支撑件（2）、接地金属圆盘（3）、N型接头（5）依次连接且同轴设置；

在球锥单极天线（1）的圆锥底部边缘设置有两个垂直于接地金属圆盘（3）的短接柱（4），短接柱（4）的两端分别连接圆锥底部边缘和接地金属圆盘（3），这两个短接柱（4）的中轴线以及球锥单极天线（1）的中轴线位于同一平面内。

2.根据权利要求1所述的新型局部放电源空间定位用特高频传感器，其特征在于，所述绝缘支撑件（2）的材料为环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的新型局部放电源空间定位用特高频传感器，其特征在于，H=7cm，W=14cm，h=0.2cm，其中，H为球锥单极天线（1）的圆锥高度，W为球锥单极天线（1）的圆锥底面直径，h为球锥单极天线（1）的球锥顶点到金属圆盘距离。

4.一种特高频传感器阵列，其特征在于，包括多个阵列分布的权利要求1至3中任一项所述的新型局部放电源空间定位用特高频传感器。

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