专利名称：一种开关柜内置超高频天线传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电气设备绝缘状态在线监测技术领域，具体涉及监测开关柜的局部放电超高频天线传感器的结构。
背景技术：
近年来，随着电力系统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系统安全运行重要前提。开关柜在电力系统中大量运用，而且直接向配电网和用户供电。由于与供电直接相关，开关柜故障造成停电事故带来的经济损失和社会损失非常大，其设备安全的重要性不可置疑。并且由于开关柜内部空间狭小、零件繁多、结构复杂，绝缘压力大，因此开关柜比其它电力设备更容易出现绝缘故障，对电气设备的安全运行带来巨大隐患。开关柜的故障绝大多数是绝缘故障，而局部放电又是绝缘故障发生的先兆。但是局部放电的发生往往不是持续的，电力设备可能很长一段时间没有发生局部放电，却会由于操作及环境的变化会导致持续数分钟的局部放电，突击性检测很难发现设备局部放电，局部放电在线监测便成为有效的检测办法。所以，可以通过对开关柜进行局部放电在线监测，时时监测其内部绝缘状况的变化情况，及时发现潜在的绝缘故障，避免突发性的绝缘故障，从而提高开关柜运行的安全性，是确保电力系统安全运行的重要措施之一。开关柜中的局部放电发生柜体内在空气中，局部放电伴随有一个脉冲电流的产生，其上升沿能达到纳秒级，因此其产生的放电脉冲信号的频带是很宽的，在数十至数百MHz0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信号(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200MHz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，该方法还具有灵敏度高，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，是超高频监测系统的主要组成部分，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当具有频带宽、驻波比小、增益大、方向性好的特点。而作为内置天线传感器来说，除此之外，还应当具有合理的尺寸和形状，其安装不能影响设备内部的绝缘。现有监测开关电气设备的局部放电超高频天线传感器，为外置天线传感器，如2009年9月9日公开的公开号为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形、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面为弧线的侧面上，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该天线传感器外围结构是为安装在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该天线传感器是外置式传感器，由于电磁波的屏蔽效益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内部微弱的局部放电信号。
发明内容
本发明的目的是针对现有监测开关电气设备的局部放电超高频天线传感器的不足，提供一种开关柜内置超高频天线传感器，装设在开关柜内部实时监测局部放电的超高频信号，具有抗干扰能力强，频带宽，增益大，灵敏度高、方向性好等特点，确保开关柜的安全运行。实现本发明目的的技术方案是一种开关柜内置超高频天线传感器，包括天线辐射层、馈电探针、电介质层、支撑板、空气介质层、同轴电缆、同轴接头、接地层。所述电介质层的材料为相对介电常数为2. 5 10. 2的环氧树脂。所述电介质层的形状为正方形，其边长为IOOmm 250mm、厚度为Imm 5mm,用以作为本发明天线传感器的绝缘层及支撑件。在所述电介质层的四周边上，分别均匀设置2 8个螺孔，用以固接·所述的支撑板。在所述电介质层的四周的下端面上分别通过螺栓固接有所述的支撑板，共四块。每块所述支撑板厚度为2mm 10mm、高度为5mm 20mm、长度与所述电介质层的边长相等。所述支撑板和所述电介质层与及所述接地层形成背腔，用以改善天线传感器方向性。所述天线辐射层的材料为厚度为5 y m 50 y m的铜或铝或银等，所述天线辐射层敷设在所述电介质层上表面。所述天线福射层的外围边长小于电介质层2mm 10mm。所述天线福射层的边界由二阶koch分形曲线围成,从而这使得福射层表面感应电流弯曲流动，相对于直线边界的辐射层，使得天线传感器具有更低的谐振频率，有效降低了天线的尺寸，也使得天线具有两个谐振频带，间接地扩展了频带。在所述天线辐射层的上表面镀有厚度为3 y m 12 y m的锡层，以便焊接馈电探针。在所述天线辐射层的对角线的一角处，设置一孔径为0.2mm 2 mm馈电点,用以焊接馈电探针。所述馈电探针的长度为4mm 19mm,直径与所述馈电点的孔径相同的铜质或铝质或银质的针。所述馈电探针的一端与所述天线辐射层的镀锡层焊接。所述馈电探针的另一端与固定在所述接地层的同轴电缆的中心铜线连接。所述同轴电缆的纺织网线与所述接地层连接。为便于安装，节约空间，所述同轴电缆平放在所述接地层的上面，从就近的一块所述支撑板的底部引出，用于传输信号。所述接地层的材料为厚度为I mm 5mm的铜板或铝板或银板等。所述接地层的形状为宽度为IOOmm 250mm、长度为120mm 270mm的长方形。在所述接地层上并对应于四块所述的支撑板处，分别均匀设置2 8个螺孔，以便与所述的支撑板固接；并在所述接地层的长边的两端处分别均匀设置2 4个螺孔，以便与开关柜的底板或侧板固接。所述接地层通过2 8个螺孔和螺栓固接在所述电介质层下端面的四块所述的支撑板的下端面上。所述接地层通过长边两端的2 4个螺孔和螺栓固接在开关柜的底板或侧板上。所述电介质层和所述支撑板及所述接地层之间的空气间隙，为所述的空气介质层。由于空气具有极低的相对介电常数，空气介质层的设置，使得所述辐射层和所述接地层之间的总体介电常数降低，有利于扩宽天线频带。同时，所述的空气介质层与所述电介质层及所述接地层一起形成背腔，能有效改善本发明天线的方向性。本发明采用上述的技术方案后主要具有如下的效果
I本发明的天线传感器是平板结构，尺寸合理，安装时仅需贴在开关柜内部的底板或侧板上，安装方便。并且该天线传感器放进开关柜内部对开关柜内部电场分布影响较小，不会给开关柜带来新的绝缘隐患，符合开关柜内置传感器的要求，能实时在线监测开关柜内部的局部放电的超高频信号。2本发明的天线传感器在500MHz 850MHz的频带内有两个谐振点，避开了常规电磁干扰信号，抗干扰能力强，频带宽。由于局部放电电磁波高频分量(大于IGHz)在空气中衰减剧烈，主要放电能量均集中于低频段，本发明的天线传感器能够有效地接收到开关柜内部局部放电超高频信号波形信息。3本发明的天线传感器谐振点的增益高达3dBi，能接收到开关柜内部微弱的放电信号，有较强的信噪比，灵敏度高，能够及时发现开关柜内部的微弱放电信号，确�？毓竦陌踩诵�。4本发明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，监测区域广。
5本发明的天线传感器在工作频带内具有较稳定的输出阻抗，其阻抗值为50Q，能较好地与传输设备匹配。本发明可广泛应用于发电厂、变电站的开关柜局部放电超高频在线监测。
图I为本实施例I天线传感器的结构示意 图2为图I的俯视 图3为本实施例I超高频天线传感器仿真驻波比 图4为本实施例I超高频天线传感器实测驻波比 图5为本实施例I的实验室局部放电验证性试验原理 图6为超高频法检测的局部放电信号波形 图7为脉冲电流法检测的局部放电信号波形图。图中I天线辐射层，2电介质层，3空气介质层，4接地层，5支撑板，6馈电探针，7同轴电缆，10馈电点，11调压器，12试验变压器，13保护电阻，14耦合电容，15检测阻抗，16开关柜，17放电试品，18天线传感器，19示波器。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，进一步说明本发明。实施例I
如图1、2所示，一种开关柜内置超高频天线传感器，包括天线辐射层I、馈电探针6、电介质层2、支撑板5、空气介质层3、同轴电缆7、同轴接头8、接地层4。所述电介质层2的材料为相对介电常数为4. 8的环氧树脂。所述电介质层的形状为正方形，其边长为200mm、厚度为5mm，用以作为本发明天线传感器的绝缘层及支撑件。在在所述电介质层2的四周边上，分别均匀设置2个螺孔，用以固接所述的支撑板5。在所述电介质层2的四周的下端面上分别通过螺栓固接有所述的支撑板5，共四块。每块所述支撑板5厚度为3mm、高度为20mm、长度与所述电介质层2的边长相等。所述支撑板5和所述电介质层2及所述接地层4形成背腔，用以改善天线传感器方向性。所述天线辐射层I的材料为厚度为13 y m的铜，所述天线辐射层I敷设在所述电介质层2上表面。所述天线辐射层I的外围边长小于电介质层2 5mm。所述天线辐射层I的边界由二阶koch分形曲线围成，从而这使得所述辐射层I表面感应电流弯曲流动，相对于直线边界的辐射层，使得天线传感器具有更低的谐振频率，有效降低了天线的尺寸，也使得天线具有两个谐振频带，间接地扩展了频带。在所述天线辐射层I的上表面镀有厚度为5um的锡层，以便焊接馈电探针6。所述天线辐射层I敷设于电介质层2上表面。在所述天线辐射层I的对角线的一角处，设置一孔径为Imm馈电点10，用以焊接馈电探针6。所述馈电探针6的长度为19mm，直径与所述馈电点10的孔径相同的铜质的针。所述馈电探针6的一端与所述天线辐射层I的镀锡层焊接。所述馈电探针6的另一端与固定在所述接地层4的同轴电缆7的中心铜线连接。所述同轴电缆7的纺织网线与所述接地层4连接。为便于安装，节约空间，所述同轴电缆7平放在所述接地层4的上面，从就近的一块所述支撑板的底部引出，用于传输信号。 所述接地层4的材料为厚度为3mm的铜板。所述接地层的形状为宽度为250mm、长度为270mm的长方形。在所述接地层4上并对应于四块所述的支撑板5处，分别均匀设置2个螺孔，以便与所述的支撑板5固接；并在所述接地层4的长边的两端处分别均匀设置2个螺孔，以便与开关柜的底板或侧板固接。所述接地层4通过2个螺孔和螺栓固接在所述电介质层2下端面的四块所述的支撑板5的下端面上。所述接地层4通过长边两端的2螺孔和螺栓固接在开关柜的底板或侧板上。所述电介质层2和所述支撑板5及所述接地层4之间的空气间隙，为所述的空气介质层3。由于空气具有极低的相对介电常数，空气介质层的设置，使得所述辐射层I和所述接地层4之间的总体介电常数降低，有利于扩宽天线频带。同时，所述的空气介质层3与所述电介质层2及所述接地层4 一起形成背腔，能有效改善本发明天线的方向性。实施例2
一种开关柜内置超高频天线传感器，同实施例1，其中电介质层2的材料为相对介电常数为2. 5的环氧树脂。其边长为100mm、厚度为1mm。电介质层2上用以固接支撑板5的螺孔数量为4个。支撑板5的厚度为2mm、高度为5mm。天线辐射层I的材料为铝，其外围边长为98mm，厚度为5 u m。表面镀有厚度为3 u m的锡层。馈电点10的孔径为0. 2mm.馈电探针6的材料为招,长度为4mm。接地层的材料4为招,其边长为120mm、厚度为Imm,接地层4上用以固接支撑板5的螺孔数量为4个，接地层4上用以固接天线传感器到开关柜的底板或侧板上的螺孔数量为3个。实施例3
一种开关柜内置超高频天线传感器，同实施例1，其中电介质层2的材料为相对介电常数为10. 2的环氧树脂。其边长为250mm、厚度为3mm。电介质层2上用以固接支撑板5的螺孔数量为8个。支撑板5的厚度为10mm、高度为15mm。天线辐射层I的材料为银，其外围边长为240mm，厚度为50 y m。表面镀有厚度为12 的锡层。馈电点10的孔径为2mm.馈电探针6的材料为银，长度为14mm。接地层的材料4为银，其边长为270mm、厚度为5mm，接地层4上用以固接支撑板5的螺孔数量为8个，接地层4上用以固接天线传感器到开关柜的底板或侧板上的螺孔数量为4个。图3、图4分别是实施例I中天线传感器的仿真和实测的驻波比曲线，对比两图可以看出，曲线基本吻合。由图4可以看出，该天线传感器的第一个谐振频率点在583MHz,该频率点的驻波比为I. 3，第一个谐振频率点在732MHz。第一个谐振点的频率带宽为565MHz 623MHz，第二个谐振点的频率带宽为668MHz 850MHz。实验结果
对本实施例I的天线传感器进行开关柜局部放电检测试验，试验原理图如图5所示，试验所用试验变压器为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 TDS 7104，带宽1GHz，每个通道最高采样频率5GS/s。试验时，通过试验变压器向放置在开关柜中的放电试品加压，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6和图7所示。从上述实验结果可知，本实施例I的天线传感器能够有效地接收局部放电电磁波信号，且接收到的波形幅值较大，具有较高的灵敏度。权利要求
1.1. 一种开关柜内置超高频天线传感器，包括天线辐射层(I)、馈电探针(6)、电介质层(2)、支撑板(5)、空气介质层(3)、同轴电缆(7)、同轴接头(8)、接地层(4); 所述电介质层(2)的材料为相对介电常数为2. 5 10. 2的环氧树脂，所述电介质层(2)的形状为正方形,其边长为IOOmm 250mm、厚度为Imm 5mm,在所述电介质层(2)的四周边上，分别均匀设置2 8个螺孔，在所述电介质层(2)的四周的下端面上分别通过螺栓固接有所述的支撑板(5)，共四块，每块所述支撑板(5)厚度为3mm 10mm、高度为5mm 20_，长度与所述电介质层(2)的边长相等，所述支撑板(5)和所述电介质层(2)及所述接地层(4)形成背腔； 所述天线辐射层(I)的材料为厚度为5 50 的铜或铝或银，所述天线辐射层(I)敷设在所述电介质层(2)上表面，所述天线辐射层(I)的外围边长小于电介质层2mm IOmm,所述天线福射层的边界由二阶koch分形曲线围成,在所述天线福射层(I)的上表面镀有厚度为3 12 的锡层，在所述天线辐射层(I)的对角线的一角处，设置一孔径为0. 2mm 2 mm馈电点，所述馈电探针(6)的长度为4mm 19mm，直径与所述馈电点(10)的孔径相同的铜质或铝质或银质的针，所述馈电探针的一端与所述天线辐射层(I)的镀锡层焊接，所述馈电探针￠)的另一端与固定在所述接地层(4)的同轴电缆(7)的中心铜线连接，所述同轴电缆(7)的纺织网线与所述接地层(4)连接，所述同轴电缆(7)平放在所述接地层(4)的上面，从就近的一块所述支撑板(5)的底部引出，用于传输信号； 所述接地层(4)的材料为厚度为I mm 5mm的铜板或铝板或银板，所述接地层(4)的形状为宽度IOOmm 250mm、长度为120mm 270mm的长方形，在所述接地层(4)上并对应于四块所述的支撑板(5)处，分别均匀设置2 8个螺孔，并在所述接地层(4)的长边的两端处分别均匀设置2 4个螺孔，所述接地层(4)通过2 8个螺孔和螺栓固接在所述电介质层(2)下端面的四块所述的支撑板(5)的下端面上，所述接地层(4)通过长边两端的2 4个螺孔和螺栓固接在开关柜的底板或侧板上； 所述电介质层(2)和所述支撑板(5)及所述接地层(4)之间的空气间隙，为所述的空气介质层⑶。
全文摘要
一种开关柜内置超高频天线传感器，属于电气设备绝缘状态在线监测技术领域。本发明主要包括天线辐射层、馈电探针、电介质层、空气介质层、接地层、同轴电缆、同轴接头。本发明贴在开关柜内的底板或侧板上，具有安装方便，方向性好，抗干扰能力强，频带宽，增益高，灵敏度高等特点，能有效地实时在线监测开关柜内的局部放电超高频信号，及时排查故障隐患，确�？毓竦陌踩诵�。本发明可广泛应用于发电厂、变电站的开关柜的局部放电超高频在线监测。
文档编号G01R31/12GK102721910SQ20121023031
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者刘乾坤, 周泽宏, 姚陈果, 李成祥, 米彦, 陈昱, 黄琮鉴 申请人:重庆大学, 重庆市石柱县供电有限责任公司
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