CN203617424U - 电气设备局部放电超高频天线传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电气设备局部放电超高频天线传感器，包括天线辐射层、共面波导馈电层、电介质层、同轴接头和金属安装件，所述天线辐射层敷设在所述电介质层上表面，所述共面波导馈电层包括馈线与接地层两部分，所述接地层对称地分布在馈线两侧，所述接地层由完全对称的两矩形组成，且矩形接地层的下边界与所述电介质层下边界对齐，所述同轴接头与所述馈线焊接，用来接收馈线传输的信号，所述金属安装件与所述电介质层固定在一起，且所述同轴接头固定在所述金属安装件，本实用新型具有尺寸小，抗干扰能力强，频带宽，增益大，灵敏度高，方向性好等特点，确保电气设备安全运行。
Description
技术领域
本实用新型属于电气设备绝缘状态在线监测技术领域，具体涉及一种电气设备局部放电超高频天线传感器。
背景技术
近年来，随着电力***电压等级的不断提高，电网规模不断扩大，确保电气设备绝缘安全已经成为保障***安全运行的重要前提。目前，电力运行部门是将大型电气设备的局部放电测量安排在绝缘预防性试验中进行。实践证明，定期预防性试验和维修对减少及防止事故发生起到了很好的作用，但仍然存在很多不足之处。因此，目前以在线监测及故障诊断为基础的状态维修得到了迅速发展。在线监测及故障诊断技术广泛应用了电子、计算机、传感、现代信号处理、光电以及通信等技术，对电气设备进行在线的状态监测，及时获取绝缘状况信息，并对这些信息进行处理和综合分析，对绝缘的可靠性作出判断和对绝缘寿命作出预测。状态维修避免了预防性维修可能对设备造成的过度维修，节省了人力和物力，减少了电气设备试验和维修的盲目性。
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，这种现象称之为局部放电。局部放电伴随有一个脉冲电流的产生，其上升沿能达到的纳秒级，因此其产生的放电脉冲信号的频带是很宽的，等效频率可达到GHz。超高频法是检测局部放电所激发的超高频段（300MHz-3GHz）的电磁波信号，用以判断电气设备绝缘状况。选择这个频段的目的是通常情况下电气设备所处电磁环境中的电磁干扰（如无线电广播、电力网的载波通信、电晕放电等）的频带都是在300MHz以下，这样的话超高频法就 能避开这些常见的电磁干扰，使得该方法具有较强的抗干扰性。此外，该方式还具有灵敏度高，准确性好的特点。
超高频天线作为接收局部放电所产生的电磁波信号的传感器，是超高频监测***的主要组成部分，其性能的好坏也直接决定了超高频信号后期提取和识别的难易程度，而性能较好的超高频天线传感器应具有频带宽、驻波比小、增益大、方向性好的特点。除此之外，还应具有合理的尺寸和形状，其安装不能影响设备内部的绝缘完整性。
现有检测电气设备的局部放电超高频天线传感器在尺寸和增益特性方面不尽人意，如2009年9月9日的公开号CN101527221A的“一种外置式的GIS局部放电的超高频监测传感器”专利，公开的传感器由电介质本体和两个电极板组成，其电介质本体由上底面为矩阵、下底面为内弧面的四棱锥台，以及与四棱锥台上底面相连为一体的长方形组成，其两个电极板分别贴附在四棱锥台的两个底边为弧线的侧面上，并延伸至所述长方形的相应矩形面上。该天线传感器的主要缺点是：①该天线传感器***结构是为安装在GIS盆式绝缘子外侧而设计，结构较为复杂，体积较大，不适于安装在电气设备内部；②该天线传感器是外置式传感器，由于电磁波的屏蔽效应以及天线传感器本身的增益不大，使得该天线传感器灵敏度较低，不能捕捉到电气设备微弱的局部放电信号。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种电气设备局部放电超高频天线传感器，具有尺寸小，抗干扰能力强，频带宽，增益大，灵敏度高，方向性好等特点，确保电气设备安全运行。
本实用新型提供了一种电气设备局部放电超高频天线传感器，包括天线辐射层、共面波导馈电层、电介质层、同轴接头和金属安装件,所述天线辐射层敷设在所述电介质层上表面,所述共面波导馈电层包括馈线与接地层两部分，所述接地层对称地分布在馈线两侧，所述接地层由完全对称的两矩形组成，且矩形接地层的下边界与所述电介质层下边界对齐，所述同轴接头与所述馈线焊接，用 来接收馈线传输的信号，所述金属安装件与所述电介质层固定在一起，且所述同轴接头固定在所述金属安装件。
进一步，所述电介质层的材料为相对介电常数为4.4环氧树脂。
进一步，所述电介质层的形状为正方形，其边长为250mm，厚度为1mm，用以作为绝缘层。
进一步，所述天线辐射层的材料为厚度为5μm-50μm的铜或铝或银。
进一步，所述天线辐射层的***小于电介质层2mm-10mm，且在所述的天线辐射层的上表面镀有厚度为3-12μm的锡层。
进一步，所述馈线的宽度为0.8mm-1mm，长度为70.8mm,且所述接地层与所述馈线之间间隙的宽度为0.1mm-0.3mm。
进一步，所述接地层中两完全对称的矩形中，每一矩形的长度为124.35mm，宽度为70mm。
进一步，在所述电介质层靠近下边界处设置均匀分布的四个过孔，所述过孔通过螺钉用来把所述金属安装件与所述电介质层固定在一起。
进一步，所述金属安装件的材料为铝合金，形状为角形，长度为250mm，高度为17mm，厚度为5mm，所述金属安装件的角形结构上在对应所述馈线正前方均匀设置了四个过孔，四个过孔通过螺钉将所述同轴接头固定在所述金属安装件上。
进一步，所述同轴接头为刺刀螺母连接器BNC公头，所述同轴接头的芯线通过焊锡与所述馈线焊接。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型的天线传感器是平板结构，尺寸合理，安装时仅需贴在被检测设备附近，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。
2、本实用新型的天线传感器的频带范围为400MHz－1GHz，由于局部放电电磁波高频分量（大于1GHz）在传播介质中衰减剧烈，主要放电能量集中于低频段。因此，本实用新型的天线传感器能够有效地接收到电气设备局部放电产 生的超高频信号，且检测的准确度高。
3、本实用新型的天线传感器在通频带400MHz－1GHz内的平均增益达到2.5dB，能接收到局部放电微弱的超高频信号，有较高的信噪比和灵敏度，能及时发现电气设备中存在的局部放电。
4、本实用新型的天线传感器方向性好，能够接收来自各个方向的放电信号，抗干扰能力强，进一步提高了检测的准确性和精度。
5、本实用新型的天线传感器在工作频带内具有稳定的输出阻抗，其阻抗值为50Ω，能较好地与传输设备匹配，降低了传输过程中的反射损耗，提高天线效率。
本实用新型可广泛应用于发电厂、变电站的电气设备的局部放电超高频信号的在线监测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：
图1为本实施例1天线传感器的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图中：1天线辐射层，2电介质层，3共面波导馈电层，4金属安装件，5同轴接头，6调压器，7试验变压器，8保护电阻，9耦合电容，10检测阻抗，11放电杯，12放电试品，13超高频天线传感器，14示波器。
图3为圆半径R1关于驻波比的仿真结果图。
图中：
A R1=169mm,G=0.2mm,G2=0.9mm,q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
B R1=170mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
C R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
D R1=172mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲 线
E R1=173mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
图4为馈线宽度G2和馈线距地宽度G关于驻波比的仿真结果图。
图中：
F R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.8mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
G R1=171mm，G=0.3mm，G2=0.8mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
H R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
I R1=171mm，G=0.3mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
J R1=171mm，G=0.2mm，G2=1mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
K R1=171mm，G=0.2mm，G2=1mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
图5为内接正方形或内接圆的缩小系数q关于驻波比的仿真结果图。
图中：
L R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.4时的天线传感器的驻波比仿真曲线
M R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.5时的天线传感器的驻波比仿真曲线
N R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.6时的天线传感器的驻波比仿真曲线
P R1=171mm，G=0.2mm，G2=0.9mm，q=0.7时的天线传感器的驻波比仿真曲线
图6为本实施例1超高频天线传感器实测驻波比图。
图7为实验室局部放电超高频法验证性试验原理图。
图8为脉冲电流法检测局部放电信号的波形示意图。
图9为超高频法检测局部放电信号的波形示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种电气设备局部放电超高频天线传感器，包括天线辐射层1、电介质层2、共面波导馈电层3、金属安装件4、同轴接头5和螺钉。
其中，电介质层2的材料为相对介电常数为4.4的环氧树脂。电介质层2的形状为正方形，其边长为250mm，厚度为1mm。用以作为本实用新型天线传感器的绝缘层。
其中，天线辐射层1的材料为上表面镀锡、厚度为13μm的铜，天线辐射层1敷设在电介质层2的上表面。其中天线辐射层1的形状为三个同心圆分别与三个同心正方形的割集，即在圆内挖掉一个同心正方形，从而使得天线辐射层1表面感应电流弯曲流动，相对于完整的圆形辐射层，本实用新型天线传感器具有更低的谐振频率，有效地降低了天线的尺寸。
其中，共面波导馈电层3的材料为上表面镀锡、厚度为13μm的铜，其包含接地层和馈线，馈线的宽度为0.8mm-1mm，长度为70.8mm。接地层对称地分布在馈线两侧，且与馈线之间间隙的宽度为0.1mm-0.3mm。接地层有完全对称的两矩形组成，每一矩形的长度为124.35mm，宽度为70mm，矩形接地层的下边界与电介质层下边界对齐。
其中，在电介质层2靠近下边界处设置均匀分布的四个过孔，过孔通过螺钉用来把金属安装件4与电介质层2固定在一起。其中，金属安装件4的材料为铝合金，形状为角形，长度为250mm，高度为17mm，厚度为5mm。其中，金属安装件4的角形结构上在对应馈线正前方均匀设置了四个过孔，四个过孔通过螺钉将同轴接头5固定在金属安装件4上，同轴接头5为BNC公头。其中同轴接头5的芯线通过焊锡与馈线焊接，用来接收馈线传输的信号。
图3至图5分别为天线辐射层1的外圆半径R1、共面波导馈线宽度G2及其与地间距G和尺寸缩减因子q取不同值时，天线传感器驻波比曲线的变化情 况。
如图3所示，随着R1的增大，天线的谐振点频率左移，这和天线应用频率与天线尺寸的反比关系相吻合。为了使天线尽量不影响被测电气设备的绝缘完整性，希望天线的尺寸越小越好。
如图4所示，随着共面波导间隙G的增大，谐振频率右移；馈线宽度G2主要影响谐振深度（即品质因数Q），基本不改变谐振频率。G和G2的取值大小主要通过改变天线输出阻抗来影响天线的谐振点位置和谐振深度。
如图5所示，q值主要影响开槽大小以及内外层之间间距，等价于改变了开槽后天线等效电路中的电感、电容、电导，导致了谐振频率f及品质因数Q的改变。
实验结果：
对本实施例的天线传感器进行局部放电检测试验，实验原理如图7所示，试验用变压器为LTYDW-60kVA/60kV，额定输出电压为60kV，额定输出电流为1A，放电试品为针板电极。数字示波器型号为Tektronix TDS7104，带宽为1GHz，每个通道最高采样率为5GS/s。试验时，通过试验变压器对放置在放电杯的试品加压，使其发生局部放电，用脉冲电流法和超高频法同时检测局部放电信号，实验结果波形图如图8、图9所示。
从上述实验结果可知，本实施例的天线传感器能够有效地接收局部放电的电磁波信号，且信噪比、灵敏度较高。
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，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：包括天线辐射层、共面波导馈电层、电介质层、同轴接头和金属安装件，所述天线辐射层敷设在所述电介质层上表面，所述共面波导馈电层包括馈线与接地层两部分，所述接地层对称地分布在馈线两侧，所述接地层由完全对称的两矩形组成，且矩形接地层的下边界与所述电介质层下边界对齐，所述同轴接头与所述馈线焊接，用来接收馈线传输的信号，所述金属安装件与所述电介质层固定在一起，且所述同轴接头固定在所述金属安装件。
2.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述电介质层的材料为相对介电常数为4.4环氧树脂。
3.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述电介质层的形状为正方形，其边长为250mm，厚度为1mm，用以作为绝缘层。
4.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述天线辐射层的材料为厚度为5μm-50μm的铜或铝或银。
5.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述天线辐射层的***小于电介质层2mm-10mm，且在所述的天线辐射层的上表面镀有厚度为3-12μm的锡层。
6.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述馈线的宽度为0.8mm-1mm，长度为70.8mm，且所述接地层与所述馈线之间间隙的宽度为0.1mm-0.3mm。
7.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述接地层中两完全对称的矩形中，每一矩形的长度为124.35mm，宽度为70mm。
8.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：在所述电介质层靠近下边界处设置均匀分布的四个过孔，所述过孔通过螺钉用来把所述金属安装件与所述电介质层固定在一起。
9.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述金属安装件的材料为铝合金，形状为角形，长度为250mm，高度为17mm，厚度为5mm，所述金属安装件的角形结构上在对应所述馈线正前方均匀设置了四个过孔，四个过孔通过螺钉将所述同轴接头固定在所述金属安装件上。
10.如权利要求1所述的电气设备局部放电超高频天线传感器，其特征在于：所述同轴接头为刺刀螺母连接器BNC公头，所述同轴接头的芯线通过焊锡与所述馈线焊接。
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140528 Termination date: 20171217 |