CN1127889A - 气体绝缘装置上的局部放电感应装置以及局部放电测量系统 - Google Patents

Abstract

一种局部放电感应装置(P)，它具有一谐振元件和用来将该谐振元件连接到测量设备上的接线端。该谐振元件被设计为在由局部放电产生的UHF频带谱的一段频带上产生谐振，它包括一层形的绝缘基板(9)和两个层形的施加在所述绝缘基板相对面上的电极，具体地，它是一种印刷电路板。电极之一包括一接头片(10)或具有槽(16)的接地板(15)。这样的装置最好用于气体绝缘装置内，尤其适用于气体绝缘开关装置电站内。

Description

气体绝缘装置上的局部放电感应装置 以及局部放电测量系统

本发明涉及一种局部放电感应装置，尤其是用于气体绝缘设备上的具有一个或多个谐振元件和接线端的感应装置，谐振元件被用于在由所述局部放电所产生的超高频(UHF)频谱波段的频谱上谐振，接线端用于把所述的感应装置连接到一测量设备上。本发明也涉及一种包括这样的局部放电感应装置的局部放电测量系统。

在气体绝缘设备里的，尤其在气体绝缘开关装置(GIS)站里的局部放电脉冲导致在GIS中传播电磁波，这些波可由连接到电子测量设备的传感器检测，上述电子测量设备能监测GIS里最初出现的绝缘问题。局部放电脉冲以这样的频率产生谐振，该频率从电磁波谱一直跨越到UHF频段(300-3000MHz)。在HF和VHF(30-300MHz)频段上的局部放电测量属于普通的技术，但实践表明，它们极易受到外界大气电晕的影响，它具有直到300MHz附近频率的明显分量。

这提醒我们，如果想避免大气电晕干扰，则需设计这样的测量系统，它能在UHF频段上检测频率分量，但是，普通使用的传感器只是在VHF频段上敏感性能高。这意味着，不得不使用高阶滤波器，但其自身会给测量系统增添噪声干扰和复杂性。可采用的途径是使用其本身具有很强的排斥不需要的频率的传感器。

为了获得最好的敏感性，要求内部电站式结构，但在GIS中，进一步要求传感器不加装在气隙里，并不损害设备的绝缘强度，这意味着理想的传感器必须具有低的外形。

另外的考虑是，由于局部放电信号沿GIS衰减，所以需要许多传感器。这意味着每只传感器应尽可能造价低廉。

在JP 3250712A中描述了上述类型的局部放电感应装置，所述的装置用于检测置于金属容器内的加压气体绝缘设备中的局部放电。该装置包括一个金属薄片，它具有多个切出的缺口，并具有不同的长度，该金属片作为天线的功能，具有由所述缺口长度确定的谐振频率。每个缺口直接由同轴电缆馈接。以这种方式，可测出多个频段上的由局部放电产生的电磁波。

然而，这样的装置要求整块的金属布置，使装置重且昂贵。而且把它装进气体绝缘设备的容器中也不容易，因为金属板与容器的可导电的表面的接触将影响它的运行。此外，在气体绝缘开关装置中的局部放电可产生UHF频谱，具有300MHz和1.5GHz之间的频段。在300MHz上，缺口长度必须为0.5m，这近乎是典型的300kv GIS系统内圆周边的60％。这使得几乎不可能把这种公知的装置装进GIS系统。

本发明的目的是提供一种小尺寸且紧凑的局部放电感应装置，该装置作为局部放电测量系统的一部分能很容易地装入GIS电站内。

根据本发明的局部放电感应装置，它放置在一块绝缘基板上。由于几何尺寸的原因，特别是其谐振元件的尺寸，能减少一个这样的因数，该因数正比于该绝缘基板的介电常数的平方根，使用合适的绝缘材料可很精确地确定局部放电感应装置的特性，并且使局部放电装置与它所安装的表面的状况无关。

局部放电感应装置在一个(或多个)良好确定的UHF频段上产生强烈谐振。在每个频段的中心，局部放电感应装置具有高敏感性，并且抑制其频段宽度外(可达到谐振频率10％的最大VSWR的2∶1带宽)的信号。所以获得强信号，并得到已吸收噪音的高品质的信号。而且，因为具有高品质因数，增加了绝对敏感性。因为不需高阶滤波器，减少了电子噪声干扰。

进一步讲，本发明的局部放电感应装置通过采用印刷电路技术在绝缘基板上简单地印刷或腐蚀电极布线得以很容易且廉价地生产。由于层式印刷电路结构，局部放电感应装置与GIS外壳的形状一致，并能在外壳内自由布置，基本上不影响GIS的绝缘性能。已有的GIS电站可加装该局部放电感应装置，而无任何问题。

印刷电路结构借助微型条状线馈接局部放电感应装置，上述微型条状线可直接在绝缘基板上印刷或腐蚀形成。这样的微型条状线代替昂贵的同轴电缆，并易于直接集成结构模块到绝缘基片上，这样的结构模块可以包括放大器、转换开关和滤波器。

结合相应的附图，参照以下详细说明将会容易更全面了解并同时更好地理解本发明的内容和许多优点。其中；

图1以原理图的方式表示了一种气体绝缘开关装置电站局部的纵剖面图，包括局部放电测量装置，该测量装置具有根据本发明的局部放电感应装置的组件，

图2给出以频率的函数的图1中局部放电感应装置的振幅响应曲线，

图3是沿图1的测量装置上设置的局部放电感应装置第一实施例的III-III线剖开的垂直截面图和俯视图，

图4是图1的测量装置上设置的局部放电感应装置第二实施例的透视图，

图5是沿图1的测量装置上设置的局部放电感应装置第三实施例的V-V线剖开的垂直截面图和俯视图，

图6是图1的测量装置上设置的局部放电感应装置的第四实施例的透视图，

图7是图1的测量装置上设置的局部放电感应装置的第五实施例的组合视图，其中有放大视图的透视图、俯视图和有放大视图的底视图，第五实施例包括三个不同连接型的谐振元件，用来以三个不同的中心频率测量局部放电的频谱波段的整体或部分，

图8是图1的测量装置上设置的局部放电感应装置的第六实施例的组合视图，其中有放大视图的透视图、俯视图和有放大视图的底视图，第六实施例包括四个不同缺口型的谐振元件，用来以四个不同的中心频率测量局部放电的频谱波段的整体或部分，

图9是根据本发明的局部放电感应装置第七实施例的底视图和俯视图，该装置具有在连接型谐振元件旁的直接装在其底边上的电子结构模块，

图10是根据本发明的局部放电感应装置第八实施例的俯视图和底视图，它具有在缺口型谐振元件旁的直接装在其底边上的电子结构组件块。

参见附图，其中同样的标号代表同样或对应的部件，在图1中以同轴排列表示气体绝缘开关装置的管状金属壁1和高压导体2。金属壁1内充有加压的绝缘气体，例如六氟化硫，达到4或5巴，并装有局部放电感应装置P₁、P₂、P₃，…，P_n-1和P_n，这些感应装置分布在壁部1的凹区3内。每个局部放电感应装置P₁、P₂、P₃，…，P_n-1和P_n包括一个谐振元件，该谐振元件在不同频段的中心频率上谐振，上述频段具有出现在开关装置中的由局部放电产生的UHF频段波段的约10％的带宽。对于从300MHz扩展到1500MHz的局部放电所要求的总带宽，则需要例如11个装置P₁、P₂、P₃，…，P₁₀和P₁₁，它们具有513、567、627、692、765、846、935、1033、1142、1262和1395MHz的中心频率。

这些装置以及由这些装置组成的局部放电测量装置的振幅响应曲线可从图2中得出，在这种情况下，贯穿整个带宽的局部放电测量装置的振幅响应曲线是比较高的，取代使用11个局部放电感应装置，也可仅用2个或3个装置，它们具有更宽的带宽或可认为限制局部放电的总波段范围。取代使用每个对应单个中心频率的多只局部放电感应装置，也可以使用单个的局部放电感应装置P，它由不同的谐振元件组成，用于以不同的中心频率测量局部放电的整个频段波段。在GIS开关装置内，上述局部放电感应装置P(分别为P₁、P₂、P₃，…，P_n-1或P_n)能很容易地用粘接层4固定到壁部1上。

根据图1的测量系统的每个局部放电感应装置(P₁、P₂、P₃，…，P_n-1和P_n)包括接线端子。同轴电缆5被连接到每个局部放电感应装置P₁、P₂、P₃，…，P_n-1和P_n)的接线端上，并引出GIS壁部1的外面，电缆5连接到一个模拟转换装置6，经放大器7连接到一个测量装置8。

与该测量装置8一体的控制机构作用于转换装置6，选择不同的局部放电感应装置如P₁之间的信号连接，上述感应装置以不同的频段，如513MHz中心频率谐振。从该局部放电感应装置P₁接收的信号经转换装置6馈送到放大器7。然后，放大后的信号被测量装置8分析。在下一步中，把局部放电感应装置P₂切换到测量路径上，测量它的振幅响应曲线。在所有局部放电感应装置P₁、P₂、P₃，…，P_n-1和P_n上完成切换之后，该测量装置能用图2所示的方式分析所有信号。

见图3-6，其中表示了图1的局部放电测量装置的局部放电感应装置P₁、P₂、P₃和P₄的四个实施例。每个装置包括一层状绝缘基板9和两层电极构造，特别是金属材料的，可很薄地加装到绝缘基板9的相对表面上。绝缘基板9的介电常数可以是1。具有这样介电常数的典型材料可以包括蜂窝结构，象Aeroweb(英国Ciba Geigy的注册商标)。最好使用具有大于1的介电常数的材料，尤其是在1到11之间的介电常数的材料，从而减少对应谐振元件谐振频率的波长，进而减小局部放电感应装置的尺寸。可选用的材料是聚合物，象聚四氟乙烯或交联苯乙烯共聚物，或陶瓷，象石英、铝或二者的混合物，象加陶瓷的PTFE。

在图3的实施例中，顶电极构造形成一矩形接头片10。同轴电缆5之一的导体11经绝缘基板9引出，并被小螺钉或焊接到接头片10上。同轴电缆5的屏蔽12连接到覆盖绝缘基板9底部的作为接地板13的电极构造上。接头片10可用各种不同形状构成，但基本原理保持不变。接头片10和接地板13一起构成谐振元件。接头片10在其边缘发射并接收。绝缘基板9，接头片10和接地板13构成沿特别的立体尺寸的传输线路，会以其对应波长的传输线路长度两倍的频率强烈谐振。因此该谐振元件将以所选择的中心频率发射(并且，根据互补理论接收)。根据接头片10和绝缘基板9的物理尺寸以及基板9的介电常数值选择局部放电感应装置的工作频率。

根据公知的印刷电路技术，通过印刷或腐蚀电极构造能很容易地制造图3的局部放电感应装置，代替用同轴电缆5的导体11连接接头片10，可以在绝缘基板9上腐蚀印刷条状线(微型条)14，它可直接连到该接头板上。

图4-6的局部放电感应装置，每一个在其顶侧包括一接地板15和槽16，槽16在接地板15上构成。槽16可具有不同的形状，最好是图4中所示的矩形槽和图5和6中所示的环形槽。

类似于接头片10，矩形槽16具有一特殊的谐振尺寸(在此是长度)，它至少是谐振频率波长的一半，它也从其边缘发射，根据互补原理，它以其谐振频率接收电磁波。通过把槽长度设定到绝缘基板9内波长的至少一半来选择工作频率。可选择绝缘基板9的厚度和/或介电常数和/或槽16的宽度来微调带宽、阻抗和槽的物理尺寸。矩形槽可由同轴电缆5或由微型条14(图4)馈接。在同轴电缆5的情况下，对应根据图3的实施例，其导体11经绝缘基板9引出并连到槽16的内径上，同时其屏蔽线12连接到接地板13，在微型条14的情况下，微型条被印刷或腐蚀到绝缘基板9的底部，并且经绝缘基板9引到矩形槽的边缘(图4)。

类似于接头片10，环形槽也可被看成一传输线。在这种情况下，谐振尺寸是槽16的内径。如上面所述，可选择槽宽度，绝缘基板9的厚度和相对介电常数以微调元件的带宽、电抗和物理尺寸。环形槽16既可由同轴电缆5(图5)也可用微型条14(图6)馈接。如果用同轴电缆5馈接槽16，同轴电缆的导体11就穿过绝缘基板9引到在接地板15上形成槽16的内径的部分17(图5)，如果槽16由微型条14馈接，微型条16可被腐蚀或印刷在绝缘基板9的底部，并经绝缘基板9引到接地板15上的形成槽16内径的部分17上(图6)。

图3-6的局部放大感应装置的每一个只包括一个谐振元件和接线端，该接线端可经转换装置6和放大器7连接到测量装置8上。因为这些装置的有源部分可用印刷电路生产的公知技术制造，所以这些装置极其便宜。进一步讲，它们很轻并易操作，这些装置能容易定形，来配合GIS设备的壁部1的轮廓。通过使用恰当的绝缘基板9，能把该装置做得紧凑，足可以用感应元件重新装配现有的GIS设备，使用绝缘材料的基板9可精确地确定谐振元件的特性，尤其是可减小其谐振波长，使元件不受其安装表面的影响。

这些局部放电感应装置在良好确定的UHF频段强烈地谐振，所以良好的噪声干扰抑制是固有的。因为高的品质因数，所以敏感性增加；因为不需要高阶滤波器，所以减小了电子噪声。当局部放电感应装置在不同的UHF中心频率上强烈谐振时，使传统上构成的滤波器电子模块没有必要了，对于精确使用在UHF通讯频段上的如900MHz移动电话频段来讲，设计了普通商业电子组件块，并具有很小的带宽。这意味着对普通的局部放电感应装置来讲，人们必须以相对昂贵的成本装设传统方式制造的滤波器，来避免由于通讯系统造成的噪声干扰影响。

图7-10表示了根据本发明的局部放电感应装置P的四种进一步的实施例。与图3-6的实施例所不同的是，这些局部放电感应装置每个包括两个或更多的谐振元件，每个被设计成在局部放电的UHF频段波段的两个或更多不同频带的一特定位置谐振，还包括接线端，用来连接谐振元件到测量设备。

图7的局部放电感应装置由三个矩形接头片10以及接地板13构成，这些接头片分布在绝缘基板9的顶侧，接地板布置在底侧。接头片10具有不同的长度l₁、l₂和l₃，但有相同的宽度w。每个接头片10由微型条14馈接，微型条布置在接头片10的边缘和绝缘基板9的边缘之间的绝缘基板9的顶侧。相对接头片10，微型条14的馈接位置视情况不同是可变的，然后，把每个微型条14连接到同轴电缆5之一的导体11上。所有同轴电缆5的屏蔽12与接地板13相连。通过由这个局部放电感应装置P的谐振元件所测出的信号可以如上所述利用与图1中局部放电测量装置的连接实现信号转换、放大和分析。

该局部放电感应装置P可自由地放置在GIS壁部1内，从示意图中可见，它是与GIS壁部1的圆筒形相匹配的。但也可把它制成平的，以装配到壁部1的矩形凹区3中。该局部放电感应装置P也可有比三个接头片形谐振元件更多或更少的谐振元件。这些接头片几乎可以有任何根据图3的局部放电感应装置所要求的尺寸。

不同于根据图4的局部放电感应装置，图8的局部放电感应装置由4个矩形槽16组成。这些槽被布置在绝缘基板9的顶面。被布置在其底面上的微型条14经绝缘基板9导出，每个微型条14的一端连接到对应槽16的一边缘上，另一端端接在绝缘基板9的一边缘上。相对于槽16，微型条14的馈接位置视情况不同是可变的，然后把每个微型条14连接到同轴电缆5之一的导体11上。所有同轴电缆5的屏蔽12被连接到接地板15上。如上所述用图1的局部放电测量装置可对由该局部放电感应装置P的谐振元件检测到的信号切换、放大和分析。

这种局部放电感应装置也能自由地放置在GIS壁部1内。从示意图中可见，它与GIS壁部1的圆筒形相匹配。它也可为平板状，以便装配到壁部1的矩形凹区3中，该局部放电感应装置也可有比四个槽形谐振元件更多或更少的谐振元件。由一绝缘基板9材料的谐振频率波长的一半设定每个槽16的最大长度1。槽宽度w可以是直至槽16长度50％的任何尺寸，这取决于所要求的特性。

不同于图7和8的实施例，图9和10的局部放电感应装置，它由电子组件块18构成，它直接由微型条14馈接，并且直接装到承载有微型条线路14的绝缘基板9的一侧上，该电子组件块18由转换装置6和放大器7组成。然后通过同轴电缆5把最后放大了的信号送出GIS壁部1到测量装置。

根据图9和10的实施例有以下优点：

可精确地匹配每个谐振元件的阻抗，上述谐振元件由接头片10或槽16以及微型条14和电子组件块18组成。因此，该局部放电感应装置具有良好的敏感性，不再铺设承载弱信号的电缆，这种弱信号会被外界噪声破坏。纯信号具有获极大改善的信噪比。

Claims (19)

1.一种适用于气体绝缘装置中的局部放电感应装置(P₁、P₂、P₃，…，P_n-1，P_n)，它具有第一谐振元件，该谐振元件被设计在由所述局部放电所产生的UHF频带谱的第一频带上谐振，还具有第一接线端，用于把所述的感应装置连接到一测量设备上，其特征是，所述的感应装置包括一层形绝缘基板(9)和设置在所述绝缘基板(9)相对表面上的层形电极构造。

2.根据权利要求1的局部放电感应装置，其特征在于所述两个电极的第一个包括一第一接头片(10)或接地板(15)，该接地板具有第一槽(16)。

3.根据权利要求1的局部放电感应装置，具有至少一个第二谐振元件，它被设计在所述UHF频带谱的至少两不同频带的第二个上谐振，还包括至少第二接线端，用于把所述第二谐振元件连接到所述测量设备上；其特征在于，所述第一谐振元件由所述第一电极的第一部分和第二谐振元件由所述第一电极的第二部分构成。

4.根据权利要求3的局部放电感应装置，其特征在于，所述第一部分是形成在一接地板(15)上的第一接头片(10)或第一槽(16)，所述第二部分是形成在所述接地板(15)上的第二接头片(10)或第二槽(16)。

5.根据权利要求2或4中任一个的局部放电感应装置，其特征在于所述的绝缘基板和所述两个电极构造是印刷电路板的一部分。

6.根据权利要求2、4或5任一个的局部放电感应装置，其特征在于所述第一接线端装置的第一端是所述第一电极的一部分，并连接到所述第一接头片(10)上或连接到构成环形第一槽(16)的内径部分(17)上，所述第一接线端装置的第二端是所述二个电极的第二个的接地板(13)，所述第一端被连接到导体(11)上，第二端被连接到同轴电缆(5)的屏蔽(12)上。

7.根据权利要求6的局部放电感应装置，其特征在于所述同轴电缆(5)的所述导体(11)穿过所述绝缘基板(9)。

8.根据权利要求2、4或5任一个的局部放电感应装置，其特征在于所述两个电极的第二个由条状线(14)组成，该条状线穿过所述的绝缘基板(9)引出，并且连接到一矩形件的边缘上或构成环形第一槽(16)的内径部分(17)上。

9.根据权利要求6或8之一的局部放电感应装置，其特征在于所述第一端连接到一电子组件块(18)上，该组件块被支撑在所述绝缘基板(9)上。

10.根据权利要求2或4至9任一个的局部放电感应装置，其特征在于所述第一接头片(10)是矩形形状、圆形形状或椭圆形形状，所述第一槽(16)是矩形或环形形状。

11.根据权利要求10的局部放电感应装置，其特征在于，矩形形状的第一接头片(10)或槽(16)的长度约为对应的所述第一谐振元件谐振频率的波长的一半。

12.根据权利要求10的局部放电感应装置，其特征在于，圆形的第一接头片(10)的直径或环形的第一槽(16)的内直径约等于对应所述第一谐振元件的谐振频率的波长。

13.根据权利要求11或12之一的局部放电感应装置，其特征在于所述矩形第一接头片(10)或所述矩形或环形第一槽(16)的宽度和/或所述绝缘基板(9)的厚度和/或材料的介电常数被选择适合所述第一接头片(10)或槽(16)的带宽、阻抗和物理尺寸。

14.具有根据权利要求1的至少两个局部放电感应装置的一种局部放电测量系统，其中局部放电感应装置具有至少第一和第二谐振元件，或具有根据权利要求3的局部放电感应装置，并具有所述的测量设备，其特征在于所述的测量设备包括一转换装置(6)，用于选择性地将第一或第二谐振元件中至少之一连接到所述测量设备的测量装置(8)。

15.根据权利要求14的局部放电测量系统，其特征在于，至少第一或第二谐振元件是由同轴电缆(5)连接。

16.根据权利要求14的局部放电测量系统，其特征在于所述第一谐振元件包括条形线(14)，它穿过所述的绝缘基板(9)，把所述第一接头片(10)或所述第一槽(16)的边缘或构成环形第一槽的内半径的部分(17)连接到所述转换装置(6)。

17.根据权利要求16的局部放电测量系统，其特征在于所述绝缘基板支撑所述测量设备的至少一个电子组件块(18)。

18.根据权利要求14至17任一个的局部放电测量系统，被用于气体绝缘装置中，其特征在于至少根据权利要求1的第一个所述局部放电感应装置(P₁)或根据权利要求3的所述局部放电装置(P)借助粘接层(4)被固定到所述气体绝缘装置的壁部(1)上。

19.根据权利要求14至17任一个的局部放电测量系统，被用于气体绝缘装置中，其特征在于至少根据权利要求1的第一个所述局部放电感应装置(P₁)或根据权利要求3的所述局部放电装置(P)被放置在所述气体绝缘装置的壁部(1)的凹区(3)中，并且为平板形。

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