一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器的制作方法

本發明屬于高壓電力設備局部放電檢測技術領域，尤其是涉及一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器。

背景技術：

特（超）高壓設備技術復雜，其運行可靠性影響電網的安全運行，對保障國家能源安全具有重要意義。GIS是特（超）高壓變電站的重要設備，是保證特高（超）壓工程正常運行的基礎，一旦故障可能導致特（超）高壓線路（電網）解列甚至全停。此外，由于GIS故障進行非計劃停電檢修時，不僅需大量人力物力，還需較長的維修時間，這將帶來巨大的經濟損失，所以在GIS發生故障之前，如果能夠檢測并判斷它的內部缺陷情況，顯得尤為重要。

特高頻法是通過特高頻傳感器接收因GIS局部放電產生的電磁波信號，實現局部放電的檢測。關于放電脈沖電磁信號的特性研究主要集中在1.5GHz以下的頻段，對放電信號的各種檢測也基本都落在該頻段內。目前，市場上特高頻傳感器主要用于沒有保護金屬環的GIS盆式絕緣子處檢測局部放電，但是近來年由于GIS設備中盆式絕緣子采用了金屬帶耐侯性防護技術，根據電磁波傳播理論，電磁波經過一個縫隙或者孔時傳播泄露的電磁波信號在頻譜上發生了較大變化，泄露信號頻譜特性與縫隙的大小具有密切關系，頻率偏低的部分受到的衰減影響最大，以此現有特高頻傳感器無法檢測。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器，解決了傳感器抗干擾能力差、檢測靈敏度低以及檢測結果不夠精確的問題。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器，包括金屬殼體，所述金屬殼體為一端帶敞口的封閉性腔體，且所述敞口端形狀和大小分別與金屬盆式絕緣子開孔形狀和大小相匹配，所述金屬殼體的內腔中由下至上依次電信號連接有蝶形微帶天線和信號處理模塊，所述金屬殼體的的體壁上設置有連接插頭，所述金屬殼體的敞口端外側設置有屏蔽罩；

所述信號處理模塊包括電源電路以及依次電信號相連的帶通濾波器、低噪聲放大器、對數檢波器和信號放大器，所述蝶形微帶天線與所述帶通濾波器電信號相連，所述電源電路為所述帶通濾波器、所述低噪聲放大器、所述對數檢波器和所述信號放大器提供電能。

優選地，所述蝶形微帶天線包括介質基板，所述介質基板上表面設置輻射貼片，所述介質基板下表面設置接地貼片和微帶巴倫，所述輻射貼片通過第一微帶線與所述微帶巴倫連接，所述接地貼片通過第二微帶線與所述微帶巴倫連接，所述輻射貼片和所述接地貼片均為半圓形和矩形相接為一體的形狀。

優選地，所述介質基板的材質為環氧樹脂纖維，其相對介電常數為ε_r=4.4。

優選地，所述介質基板的厚度為1mm。

優選地，所述輻射貼片和所述接地貼片在與所述介質基板平行的平面內的投影相切并對稱。

優選地，所述輻射貼片和所述接地貼片上均開有三角形孔。

優選地，所述三角形孔為以所述半圓形的水平半徑為對稱中心線的等腰三角形孔，所述等腰三角形孔的底邊長C2=16mm，高H5=7mm，所述等腰三角形孔的底邊與所述矩形的外側邊之間的距離C3=15mm。

優選地，所述半圓形的半徑R=16mm，所述矩形的長為C1=32mm，所述矩形的寬W4=9mm。

優選地，所述第一微帶線的長H1=25mm，寬W1=3mm；所述第二微帶線的長H2=25mm，寬W3=3mm。

優選地，所述微帶巴倫上部為圓臺縱截面結構，上端寬W3=3mm，高H3=10mm，下端寬W2=41mm，所述微帶巴倫下部為矩形結構且高H4=3mm。

優選地，所述低噪聲放大器選用ADL5523低噪聲放大器，其工作頻率為400MHz至4000MHz。

優選地，所述的對數檢波器選用AD8313對數檢波器。

優選地，所述連接插頭為組合式航空插頭-N型接口。

本發明的有益效果是：

本發明針對目前的特高頻傳感器存在傳感器抗干擾能力差、檢測靈敏度低以及檢測結果不夠精確的問題，提供一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器，采用金屬殼體與GIS金屬盆式絕緣子縫密封連接，金屬盆式絕緣子將局部放電特高頻電磁波輻射到GIS體外由蝶形微帶天線接收，經過信號處理模塊對碟形微帶天線接收到的電磁波信號依次進行多級處理，即先經過帶通濾波器濾除500MHZ以下和4GHZ以上的電磁波信號，之后通過低噪聲放大器放大接收的電磁波信號，然后通過對數檢波器將差分輸入處的調制RF信號精確地轉換為直流輸出處的等效dB標度值，之后經過信號放大器后傳出，這樣將碟形微帶天線接收到的局部放電特高頻電磁波依次經過帶通濾波器、低噪聲放大器、對數檢波器和信號放大器對電磁波信號進行處理，在提高了檢測靈敏度高和抗干擾能力的同時，使得測試結果更加準確、精度更高。同時，金屬外殼設置在盆式絕緣子和屏蔽裝置之間形成的一個封閉空間內，有效抑制外部電磁波的干擾，保證了檢測的高靈敏度。

另外，碟形微帶天線采用由半圓形和矩形相接為一體的形狀的金屬貼片作為輻射貼片，輻射貼片通過微帶傳輸線即微帶線饋電，微帶傳輸線的長、寬經過特別設計。在介質基板的另一面采用同樣大小的一塊由半圓形和矩形相接為一體的形狀金屬貼片作為接地貼片，輻射貼片與接地貼片對稱上下放置，即輻射貼片與接地貼片在與介質基板平行的平面內的投影相切并對稱。接地貼片與微帶巴倫通過微帶傳輸線相連。通過微帶線與微帶巴倫設計能夠使天線在相應頻段實現阻抗匹配。通過在碟形微帶天線的輻射貼片和接地貼片上均開設三角形孔的結構，這樣能夠使碟形微帶天線的阻抗分布圓在GIS金屬盆式絕緣子局部放電特高頻電磁波的有效頻帶范圍內實現收縮，從而實現碟形微帶天線的阻抗在這個有效頻段內有最佳的匹配。同時微帶巴倫的加入相當于在不對稱的同軸線結構與天線間插入一個不平衡到平衡的轉換器。即通過微帶巴倫的合理設計能夠將不平衡電流轉換成平衡電流，保證了天線的性能。

通過微帶線與巴倫結構使得天線的頻帶展寬，在1.95GHz~3.2GHz頻率范圍內有良好的頻率響應特性。而且由于微帶巴倫的加入使得天線的特性阻抗為50歐姆，能夠直接與后端電路匹配。又由于微帶巴倫結構的設計能夠將不平衡電流轉換成平衡電流，此微帶天線可以使用同軸線直接饋電，避免了同軸內外導體的不對稱性帶來的天線上電流分布不對稱使得天線不匹配的影響。本發明采用在碟形微帶天線的輻射貼片和接地貼片上均開設三角形孔的結構與信號處理模塊對碟形微帶天線接收到的電磁波信號依次進行多級處理的技術手段的結合，在提高了本傳感器的檢測靈敏度高和抗干擾能力的同時，使得測試結果更加準確、精度更高。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明的碟形微帶天線的結構示意圖。

圖3為本發明的碟形微帶天線上表面的結構示意圖。

圖4為本發明的碟形微帶天線下表面的結構示意圖。

圖5為本發明的信號處理模塊的結構框圖。

圖6為本發明通過HFSS仿真得到的碟形微帶天線和半圓形天線的回波損耗對比圖。

圖7為本發明通過HFSS仿真得到的碟形微帶天線的駐波比圖。

圖8為本發明的碟形微帶的輸入阻抗圖。

圖9為本發明的碟形微帶天線輻射的三維立體增益方向圖。

圖10為本發明的蝶形微帶天線頻率為2.5GHz的輻射E面方向圖。

圖11為本發明的蝶形微帶天線頻率為2.5GHz的輻射H面方向圖。

圖12為本發明通過Agilent Techologies N5230測得的碟形微帶天線的回波損耗圖。

圖13為本發明通過Agilent Techologies N5230測得的碟形微帶天線的駐波比圖。

圖14為本發明通過Agilent Techologies N5230測得的碟形微帶天線的阻抗分布圓圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于所描述的本發明的實施例，本領域普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例一：

如圖1所示，一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器，包括金屬殼體1，所述金屬殼體1為一端帶敞口的封閉性腔體，且所述敞口端形狀和大小分別與金屬盆式絕緣子開孔形狀和大小相匹配，所述金屬殼體1的內腔中由下至上依次電信號連接有蝶形微帶天線2和信號處理模塊3，所述金屬殼體1的的體壁上設置有連接插頭4，所述金屬殼體1的敞口端外側設置有屏蔽罩5。

如圖5所示，所述信號處理模塊3包括電源電路31以及依次電信號相連的帶通濾波器32、低噪聲放大器33、對數檢波器34和信號放大器35，所述蝶形微帶天線2與所述帶通濾波器32電信號相連，所述電源電路31為所述帶通濾波器32、所述低噪聲放大器33、所述對數檢波器34和所述信號放大器35提供電能。

如圖2所示，所述蝶形微帶天線2包括介質基板21，所述介質基板21上表面設置輻射貼片22，所述介質基板21下表面設置接地貼片23和微帶巴倫24，所述輻射貼片22通過第一微帶線25與所述微帶巴倫24連接，所述接地貼片23通過第二微帶線26與所述微帶巴倫24連接，所述輻射貼片22和所述接地貼片23均為半圓形和矩形相接為一體的形狀。

所述輻射貼片22和所述接地貼片23在與所述介質基板21平行的平面內的投影相切并對稱。

本發明針對目前的特高頻傳感器存在傳感器抗干擾能力差、檢測靈敏度低以及檢測結果不夠精確的問題，提供一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器，采用金屬殼體與GIS金屬盆式絕緣子縫密封連接，金屬盆式絕緣子將局部放電特高頻電磁波輻射到GIS體外由蝶形微帶天線接收，經過信號處理模塊對碟形微帶天線接收到的電磁波信號依次進行多級處理，即先經過帶通濾波器濾除500MHZ以下和4GHZ以上的電磁波信號，之后通過低噪聲放大器放大接收的電磁波信號，然后通過對數檢波器將差分輸入處的調制RF信號精確地轉換為直流輸出處的等效dB標度值，之后經過信號放大器后傳出，這樣將碟形微帶天線接收到的局部放電特高頻電磁波依次經過帶通濾波器、低噪聲放大器、對數檢波器和信號放大器對電磁波信號進行處理，在提高了檢測靈敏度高和抗干擾能力的同時，使得測試結果更加準確、精度更高。同時，金屬外殼設置在盆式絕緣子和屏蔽裝置之間形成的一個封閉空間內，有效抑制外部電磁波的干擾，保證了檢測的高靈敏度。

另外，碟形微帶天線采用由半圓形和矩形相接為一體的形狀的金屬貼片作為輻射貼片，輻射貼片通過微帶傳輸線即微帶線饋電，微帶傳輸線的長、寬經過特別設計。在介質基板的另一面采用同樣大小的一塊由半圓形和矩形相接為一體的形狀金屬貼片作為接地貼片，輻射貼片與接地貼片對稱上下放置，即輻射貼片與接地貼片在與介質基板平行的平面內的投影相切并對稱。接地貼片與微帶巴倫通過微帶傳輸線相連。通過微帶線與微帶巴倫設計能夠使天線在相應頻段實現阻抗匹配。通過在碟形微帶天線的輻射貼片和接地貼片上均開設三角形孔的結構，這樣能夠使碟形微帶天線的阻抗分布圓在GIS金屬盆式絕緣子局部放電特高頻電磁波的有效頻帶范圍內實現收縮，從而實現碟形微帶天線的阻抗在這個有效頻段內有最佳的匹配。同時微帶巴倫的加入相當于在不對稱的同軸線結構與天線間插入一個不平衡到平衡的轉換器。即通過微帶巴倫的合理設計能夠將不平衡電流轉換成平衡電流，保證了天線的性能。

通過微帶線與巴倫結構使得天線的頻帶展寬，在1.95GHz~3.2GHz頻率范圍內有良好的頻率響應特性。而且由于微帶巴倫的加入使得天線的特性阻抗為50歐姆，能夠直接與后端電路匹配。又由于微帶巴倫結構的設計能夠將不平衡電流轉換成平衡電流，此微帶天線可以使用同軸線直接饋電，避免了同軸內外導體的不對稱性帶來的天線上電流分布不對稱使得天線不匹配的影響。本發明采用在碟形微帶天線的輻射貼片和接地貼片上均開設三角形孔的結構與信號處理模塊對碟形微帶天線接收到的電磁波信號依次進行多級處理的技術手段的結合，在提高了本傳感器的檢測靈敏度高和抗干擾能力的同時，使得測試結果更加準確、精度更高。

實施例二：

如圖1所示，一種用于GIS金屬盆澆注孔處的特高頻傳感器，包括金屬殼體1，所述金屬殼體1為一端帶敞口的封閉性腔體，且所述敞口端形狀和大小分別與金屬盆式絕緣子開孔形狀和大小相匹配，所述金屬殼體1的內腔中由下至上依次電信號連接有蝶形微帶天線2和信號處理模塊3，所述金屬殼體1的的體壁上設置有連接插頭4，所述金屬殼體1的敞口端外側設置有屏蔽罩5。

如圖5所示，所述信號處理模塊3包括電源電路31以及依次電信號相連的帶通濾波器32、低噪聲放大器33、對數檢波器34和信號放大器35，所述蝶形微帶天線2與所述帶通濾波器32電信號相連，所述電源電路31為所述帶通濾波器32、所述低噪聲放大器33、所述對數檢波器34和所述信號放大器35提供電能。

如圖2所示，所述蝶形微帶天線2包括介質基板21，所述介質基板21上表面設置輻射貼片22，所述介質基板21下表面設置接地貼片23和微帶巴倫24，所述輻射貼片22通過第一微帶線25與所述微帶巴倫24連接，所述接地貼片23通過第二微帶線26與所述微帶巴倫24連接，所述輻射貼片22和所述接地貼片23均為半圓形和矩形相接為一體的形狀。

所述介質基板21的材質為環氧樹脂纖維，其相對介電常數為ε_r=4.4。

所述介質基板21的厚度為1mm。

所述輻射貼片22和所述接地貼片23在與所述介質基板21平行的平面內的投影相切并對稱。

如圖3和圖4所示，所述輻射貼片22和所述接地貼片23上均開有三角形孔27。

所述三角形孔27為以所述半圓形的水平半徑為對稱中心線的等腰三角形孔，所述等腰三角形孔的底邊長C2=16mm，高H5=7mm，所述等腰三角形孔的底邊與所述矩形的外側邊之間的距離C3=15mm。

所述半圓形的半徑R=16mm，所述矩形的長為C1=32mm，所述矩形的寬W4=9mm。

所述第一微帶線25的長H1=25mm，寬W1=3mm；所述第二微帶線26的長H2=25mm，寬W3=3mm。

所述微帶巴倫24上部為圓臺縱截面結構，上端寬W3=3mm，高H3=10mm，下端寬W2=41mm，所述微帶巴倫24下部為矩形結構且高H4=3mm。

所述低噪聲放大器33選用ADL5523低噪聲放大器，其工作頻率為400MHz至4000MHz。

所述的對數檢波器34選用AD8313對數檢波器。

所述連接插頭4為組合式航空插頭-N型接口。

圖6是通過HFSS仿真得到的碟形微帶天線與半圓形天線的回波損耗對比圖，可以發現在1.95GHz~3.2GHz頻率范圍內，本發明碟形微帶天線的回波損耗在-10dB以下。

圖7是通過HFSS仿真得到的碟形微帶天線的駐波比圖，可以發現在1.95GHz~3.2GHz頻率范圍內，本發明碟形微帶天線的駐波比小于2.0。

在電磁波傳輸理論中，在回波損耗小于-10dB或駐波比小于2.0時，天線傳輸能量的功率大于89％，這個時候駐波的影響可以不再考慮。符合這些電參數的標準的頻率范圍即為工作頻段，其帶寬稱為天線帶寬。從圖中可以看出本發明的工作頻段在1.95GHz~3.2GHz頻率范圍內。

如圖8為碟形微帶的輸入阻抗圖，在滿足條件的頻段范圍內可以看到，碟形微帶天線的輸入電阻在50歐姆左右，電抗部分在0歐姆左右。這樣的輸入阻抗在工程應用中很容易與后端檢測設備匹配。

如圖9為碟形微帶天線輻射的三維立體增益方向圖，形象地描繪了天線輻射特性隨空間坐標變化的關系。

如圖10所示為頻率為2.5GHz的輻射E面方向圖，xoy面呈雙向輻射，近似“8”字，其中最高輻射強度為2.37dB，最低輻射強度為-25dB。

如圖11所示為頻率為2.5GHz的輻射H面方向圖，yoz面近似為全向分布，其中最高輻射強度為3dB，最低輻射強度為-7.4dB。

如圖12到圖14分別是根據設計尺寸實際制作的碟形微帶天線利用安捷倫矢量網絡分析儀Agilent Techologies N5230測得的回波損耗圖、駐波比圖和阻抗分布圓圖。測試結果顯示該碟形微帶天線在2.3GHz~3.8GHz頻率范圍內具有良好的頻率響應特性，滿足工程上的測試要求，也就是說，在該測試頻帶內所得的局部放電信號可信度是比較高的。該碟形微帶天線帶寬是指當工作頻率變化時，天線的有關性能參數符合要求的范圍。該碟形微帶天線的絕對帶寬1.3GHz，相對帶寬50.9%，倍頻帶寬1.68，在1.9GHz~3.2GHz頻帶內回波損耗小于-10dB，電壓駐波比（VSWR）小于2，與仿真天線的參數結果基本一致。

圖14為碟形微帶天線的阻抗分布圓圖，碟形微帶天線在有效頻帶1.9GHz~3.2GHz范圍內圍繞50歐姆點收縮，這一點可以說明碟形微帶天線的阻抗在這個頻段內有很好的匹配。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。