CN112067958B 高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器及安装方法 （国网上海市电力公司）

(12)发明专利验区源深路1122号专利权人华东电力试验研究院有限公司张琪祁陆启宇肖金星李卫彬公司31225高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器及本发明涉及一种高压柜箱壁一体式声光电对地电压探头包括两个绝缘片和两个暂态对地21.一种高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器，其特征在于，包括互补偶极子双贴片型天线、暂态对地电压探头、超声探头和光学探头，所述互补偶极子双贴片型天线包括绝缘罩(4),以及绝缘板(1)和金属贴片组件，所述金属贴片组件包括相同的第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3),所述绝缘板(1)的一面连接开关柜箱壁(5)的内壁，另一面对称连接第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3),所述绝缘板(1)、第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)置于绝缘罩(4)与开关柜箱壁(5)的内壁形成的第一腔体，所述第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)之间形成间隙，所述绝缘板(1)设有第一通孔(13),开关柜箱壁(5)设有第二通孔(14),所述间隙、第一通孔(13)和第二通孔(14)同轴，第一同轴电缆(11)的一端分别导通连接第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3),另一端依次通过间隙、第一通孔(13)和第二通孔(14)导通连接第一同轴电缆接头(6),所述暂态对地电压探头包括两个绝缘片(16)和两个暂态对地电压金属贴片(17),所述绝缘片(16)和暂态对地电压金属贴片(17)交替排布并相互连接，其中一个绝缘片(16)连接开关柜箱壁(5),第二同轴电缆(12)的电缆芯线的一端导通连接外侧的暂态对地电压金属贴片(17),另一端导通连接第二同轴电缆接头(21),第二同轴电缆(12)的屏蔽层导通连接内侧的暂态对地电压金属贴片(17)和电感(18)的工作侧，所述超声探头包括第二金属罩(24)和与开关柜箱壁(5)的外壁连接的PZT传感器(25),所述PZT传感器(25)位于第二金属罩(24)与开关柜箱壁(5)的外壁导通连接形成的第三腔体，所述PZT传感器(25)导通连接第三同轴电缆接头(23),所述暂态对地电压探头和超声探头位于第一金属罩(20)与开关柜箱壁(5)的外壁形成的第二腔体，所述第二通孔(14)位于第一金属罩(20)的覆盖范围之内，所述第一同轴电缆接头(6)和第三同轴电缆接头(23)导通连接第一金属罩(20),所述第二同轴电缆接头(21)绝缘连接第一金属罩(20),所述电感(18)的接地侧导通连接第一金属罩(20),所述光学探头包括对称圆环分布于绝缘罩(4)外侧的多个荧光光纤(26),多个荧光光纤(26)通过对应的多个联接器(27)连接圆环中央的耦合器(28),单模光纤(32)依次穿过绝缘罩(4)的第三通孔(29)、间隙、第一通孔(13)和第二通孔(14)导通连接与第一金属罩(20)导通连接的光纤接头(30),光纤接头(30)与第一金属罩所述光学探头包括对称圆环分布于绝缘罩(4)外侧的8个荧光光纤(26),8个荧光光纤(26)通过对应的8个联接器(27)连接圆环中央的耦合器(28);多个荧光光纤(26)对称圆环分布于有机玻璃板(31),有机玻璃板(31)固定连接绝缘罩(4),绝缘板(1)为聚乙烯绝缘板，所述的绝缘片(16)为酚醛塑料绝缘片。3技术领域[0001]本发明涉及高压开关柜局部放电检测领域，尤其是涉及一种高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器及安装方法。背景技术[0002]高压开关柜是面向用户供电的配电网直接设备，其故障将会造成用户停电从而给电网带来巨大经济损失、并造成一定社会影响；此外，目前要求打造良好营商环境的政策下，确保高质量可靠供电是电网运维保障的必由之路。由于高压开关柜内部结构复杂、绝缘间距小，导致其比电网中其他电气设备更加容易出现绝缘缺陷，在受潮凝露条件下发生设备绝缘表面爬电等局部放电(Partialdischarge,PD)现象。PD的长期存在最终会导致设备的绝缘老化或劣化甚至损坏，最终发展成高压开关柜绝缘击穿事故。因此，通过高压开关柜的PD在线监测、带电检测以判断其绝缘状况便显得至关重要。[0003]目前应用于检测高压开关柜PD信号的方法主要有超声波(AE)检测法、暂态对地电压(TEV)检测法以及特高频(UHF)检测法等，光脉冲(OP)检测法则未见报道。超声波检测法经过多年应用，已形成了电力行业标准2015DL/T1416《超声波法局部放电测试仪通用技术条件》。暂态对地电压检测法经过多年应用，已形成了2016DL/T846.10《高电压测试设局部放电检测仪校准规范》两项电力行业标准。开关柜内部PD会产生电磁波，在金属壁形成趋肤效应并且沿着金属表面进行传播，同时在金属表面产生暂态对地电压，现有技术中利用专用的暂态对地电压传感器即可实现信号检测或监测。特高频是近年来发展起来的一项新技术，它通过测量高压设备绝缘隐患在运行电压下辐射的电磁波来判断设备是否发生PD,该方法可以非接触测量，被广泛地应用于电气设备的在线检测；针对高压开关柜设备的自身特点，如图8(a)-(d)所示，目前有金属辐射贴片、可重构天线(正方形环形微带贴片)、微带缝隙天线和雪花型微带天线的特高频检测传感器。[0004]上述超声波和暂态对地电压检测，由于是外置式的，容易受外部电磁干扰，使得检测人员经常怀疑检测获取的结果，无法判断超声信号和电磁信号是否来自高压开关柜内部还是干扰源产生的，从而错失内部放电信号导致绝缘击穿发生严重短路故障。上述已有的特高频技术，传感器加工较为复杂，不方便在设备厂家推广使用，且安装也需要一定特殊条件，这大大限制了该特高频检测法在高压开关柜设备绝缘缺陷PD的在线监测、带电检测使发明内容[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器及安装方法。[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：[0007]一种高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器，包括互补偶极子双贴片型天线、暂4态对地电压探头、超声探头和光学探头，所述互补偶极子双贴片型天线包括绝缘罩，以及绝缘板和金属贴片组件，所述金属贴片组件包括相同的第一金属贴片和第二金属贴片，所述绝缘板的一面连接开关柜箱壁的内壁，另一面对称连接第一金属贴片和第二金属贴片，所述绝缘板、第一金属贴片和第二金属贴片置于绝缘罩与开关柜箱壁的内壁形成的第一腔体，所述第一金属贴片和第二金属贴片之间形成间隙，所述绝缘板设有第一通孔，开关柜箱壁设有第二通孔，所述间隙、第一通孔和第二通孔同轴，第一同轴电缆的一端分别导通连接第一金属贴片和第二金属贴片，另一端依次通过间隙、第一通孔和第二通孔导通连接第一同轴电缆接头，所述暂态对地电压探头包括两个绝缘片和两个暂态对地电压金属贴片，所述绝缘片和暂态对地电压金属贴片交替排布并相互连接，其中一个绝缘片连接开关柜箱壁，第二同轴电缆的电缆芯线的一端导通连接外侧的暂态对地电压金属贴片，另一端导通连接第二同轴电缆接头，第二同轴电缆的屏蔽层导通连接内侧的暂态对地电压金属贴片和电感的工作侧，所述超声探头包括与开关柜箱壁的外壁连接的PZT传感器，所述PZT传感器位于第一金属罩与开关柜箱壁的外壁导通连接形成的第三腔体，所述PZT传感器导通连接第三同轴电缆接头，所述暂态对地电压探头和超声探头位于第一金属罩与开关柜箱壁的外壁形成的第二腔体，所述第二通孔位于第一金属罩的覆盖范围之内，所述第一同轴电缆接头和第三同轴电缆接头导通连接第一金属罩，所述第二同轴电缆接头绝缘连接第一金属罩，所述电感的接地侧导通连接第一金属罩，所述光学探头包括对称圆环分布于绝缘罩外侧的多个荧光光纤，多个荧光光纤通过对应的多个联接器连接圆环中央的耦合器，单模光纤依次穿过绝缘罩的第三通孔、间隙、第一通孔和第二通孔导通连接与第一金属罩导通连接的光纤接头，光纤接头与第一金属罩导通连接。[0008]所述光学探头包括对称圆环分布于绝缘罩外侧的8个荧光光纤，8个荧光光纤通过对应的8个联接器连接圆环中央的耦合器。[0009]多个荧光光纤对称圆环分布于有机玻璃板，有机玻璃板固定连接绝缘罩，绝缘板为聚乙烯绝缘板，所述的绝缘片为酚醛塑料绝缘片。[0010]所述第二同轴电缆接头通过绝缘垫圈连接第一金属罩。[0011]所述绝缘罩与开关柜箱壁通过绝缘螺栓连接，所述第一金属罩与开关柜箱壁通过金属螺栓连接，所述第二金属罩与开关柜箱壁通过金属螺栓连接。[0012]所述的第一同轴电缆接头与第一金属罩通过金属螺栓连接，第二同轴电缆接头与第一金属罩通过绝缘螺栓连接，所述的第三同轴电缆接头与第一金属罩通过金属螺栓连接，光纤接头与第一金属罩通过金属螺栓连接。[0013]所述第一同轴电缆的电缆芯线的一端连接第二金属贴片，所述第一同轴电缆的屏蔽层连接第一金属贴片。[0014]所述的绝缘板分别与第一金属贴片和第二金属贴片粘接，所述绝缘片与暂态对地电压金属贴片粘接，一个绝缘片与开关柜箱壁粘接，所述绝缘板与开关柜箱壁粘接。[0015]所述的第一金属贴片、第二金属贴片和两个暂态对地电压金属贴片均为铜贴片。[0016]一种所述高压柜箱壁一体式声光电磁复合传感器的安装方法，该方法包括以下步[0017]步骤S1:第一同轴电缆的一端分别与第一金属贴片和第二金属贴片的馈电点导通5[0018]步骤S2:绝缘板的一面对称连接第一金属贴片和第二金属贴片，绝缘板的另一面连接开关柜箱壁的内壁，第二通孔、间隙和第一通孔同轴；[0019]步骤S3:绝缘罩连接开关柜箱壁的内壁；[0020]步骤S4:第一同轴电缆的另一端导通连接第一同轴电缆接头；[0021]步骤S5:多个荧光光纤对称圆环分布于绝缘罩外侧并对应连接多个联接器，多个联接器连接位于圆环中央的耦合器，耦合器连接单模光纤，单模光纤依次穿过第三通孔、间隙、第一通孔和第二通孔导通连接光纤接头；[0022]步骤S6:两个绝缘片与两个暂态对地电压金属贴片交替排布并连接，一个绝缘片连接开关柜箱壁的外壁；[0023]步骤S7:第二同轴电缆的电缆芯线的一端导通连接外侧的暂态对地电压金属贴片，另一端导通连接第二同轴电缆接头，第二同轴电缆的屏蔽层导通连接内侧的暂态对地电压金属贴片和电感的工作侧；[0024]步骤S8:PZT传感器连接开关柜箱壁的外壁，第二金属罩导通连接开关柜箱壁的外[0025]步骤S9:电感的接地侧导通连接第一金属罩，光纤接头、第一同轴电缆接头和第三同轴电缆接头导通连接第一金属罩，第二同轴电缆接头绝缘连接第一金属罩，所述第一金属罩连接开关柜箱壁的外壁。[0027](1)采用互补偶极子双贴片型天线、电容式分压器、PZT传感器和荧光光纤增强型光探测器分别作为声光电磁复合传感器的特高频探头、暂态对地电压探头、超声探头和光学探头，设计简单，方便加工，实现了高压开关柜内部组件绝缘缺陷放电产生电磁波、超声波和光脉冲信号的特高频、暂态对地电压、超声和光学同步联合测量。[0028](2)声光电磁复合传感器的安装(更换或拆除可参照)容易且步骤少，大大扩展了其使用范围，为设备传感单元一体化、模块化和标准化提供了可靠实施方法。[0029](3)声光电磁复合传感器利用电感阻隔了高频电磁波信号传播相互影响，输出的2路电磁波信号和1路光脉冲信号以及具有时间差△t的超声波信号可以相互佐证，可以确认当前检测信号是否来自于高压开关柜内部绝缘的缺陷放电，可以避免错失内部放电信号导致绝缘击穿发生严重短路故障。[0030](4)形成的声光电磁复合传感器利用开关柜箱体作为接地平面，4个信号输出端子可以在带电运行工况下操作，实现带电检测/巡检，也可以给在线监测装置或重症监护系统提供信号。附图说明[0031]图1为本发明的结构示意图；[0032]图2为本发明的A-A剖面图；[0033]图3为本发明的安装结构示意图；[0034]图4为本发明暂态对地电压探头的工作原理图；[0035]图5为本发明光学探头的工作原理图；[0036]图6(a)-(i)为本发明电磁复合传感器安装步骤示意图；6[0037]图7(a)-(c)为本发明电磁复合传感器在不同加压条件下的4路单个放电检测时域[0038]图8(a)为现有技术中金属辐射贴片特高频传感器；[0039]图8(b)为现有技术中正方形环形微带贴片特高频传感器；[0040]图8(c)为现有技术中微带缝隙天线特高频传感器；[0041]图8(d)为现有技术中雪花型微带天线特高频传感器；[0042]附图标记：第一同轴电缆接头；7为馈电点；8为带同轴电缆的接头；9为开关柜接地线电阻；10为放电具体实施方式[0044]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。[0046]本实施例提供一种高压开关柜箱壁一体式声光电磁复合传感器，如图1所示，包括绝缘罩4、第一金属贴片2、第二金属贴片3、绝缘板1、第一同轴电5组成的耦合特高频电磁波信号的互补偶极子双贴片型天线；两个暂态对地电压金属贴片17、两个绝缘片16、电感18、第二同轴电缆接头21、第一金属罩20与高压可以耦合电磁波信号的电容分压式暂态对地电压探头；PZT传感器25、第二金属罩24、第三同轴电缆接头23与高压开关柜箱壁5组成的可以耦合超声波信号的超声波探头；布置在绝缘罩4上由多个荧光光纤26并联组成的探测光脉冲信号的光学探头；从而形成一种实现高压开关柜内部组件绝缘缺陷放电产生电磁波、超声波和光脉冲信号的特高频、暂态对地电压、超声和光学同步联合测量的高压开关柜箱壁一体式声光电磁复合传感器。[0048]绝缘板1的一面连接开关柜箱壁5的内壁，另一面对称连接第一金属贴片2和第二金属贴片3,绝缘板1、第一金属贴片2和第二金属贴片3置于绝缘罩4与开关柜箱壁5的内壁形成的第一腔体，第一金属贴片2和第二金属贴片3之间形成间隙，绝缘板1设有第一通孔13,开关柜箱壁5设有第二通孔14,间隙、第一通孔13和第二通孔14同轴，第一同轴电缆11的一端分别导通连接第一金属贴片2和第二金属贴片3,另一端依次通过间隙、第一通孔13和第二通孔14导通连接第一同轴电缆接头6。[0049]绝缘片16和暂态对地电压金属贴片17交替排布并相互连接，其中一个绝缘片16连接开关柜箱壁5,第二同轴电缆12的电缆芯线的一端导通连接外侧的暂态对地电压金属贴片17,另一端导通连接第二同轴电缆接头21,第二同轴电缆12的屏蔽层导通连接内侧的暂7态对地电压金属贴片17和电感18的工作侧。[0050]PZT传感器25位于第一金属罩20与开关柜箱壁5的外壁导通连接形成的第三腔体，PZT传感器25导通连接第三同轴电缆接头23,暂态对地电压探头和超声探头位于第一金属罩20与开关柜箱壁5的外壁形成的第二腔体，第二通孔14位于第一金属罩20的覆盖范围之内，第一同轴电缆接头6和第三同轴电缆接头23导通连接第一金属罩20,第二同轴电缆接头21绝缘连接第一金属罩20,电感18的接地侧导通连接第一金属罩20。[0051]光学探头包括对称圆环分布于绝缘罩4外侧的多个荧光光纤26,多个荧光光纤26通过对应的多个联接器27连接圆环中央的耦合器28,单模光纤32依次穿过绝缘罩4的第三通孔29、间隙、第一通孔13和第二通孔14导通连接与第一金属罩20导通连接的光纤接头30。[0052]光学探头包括对称圆环分布于绝缘罩4外侧的8个荧光光纤26,8个荧光光纤26通过对应的8个联接器27连接圆环中央的耦合器28;多个荧光光纤26对称圆环分布于有机玻璃板31,有机玻璃板31固定连接绝缘罩4,绝缘板1为聚乙烯绝缘板，绝缘片16为酚醛塑料绝[0053]第二同轴电缆接头21通过绝缘垫圈22连接第一金属罩20。[0054]绝缘罩4与开关柜箱壁5通过绝缘螺栓连接，所述第一金属罩20与开关柜箱壁5通过金属螺栓连接，第二金属罩24与开关柜箱壁5通过金属螺栓连接；第一同轴电缆接头6与第一金属罩20通过金属螺栓连接，第二同轴电缆接头21与第一金属罩20通过绝缘螺栓连接，第三同轴电缆接头23与第一金属罩20通过金属螺栓连接，光纤接头30与第一金属罩20通过金属螺栓连接。[0055]第一同轴电缆11的电缆芯线的一端连接第二金属贴片3,第一同轴电缆11的屏蔽层连接第一金属贴片2。[0056]绝缘板1分别与第一金属贴片2和第二金属贴片3粘接，绝缘片16与暂态对地电压金属贴片17粘接，一个绝缘片16与开关柜箱壁5粘接，绝缘板1与开关柜箱壁5粘接，第一金属贴片2、第二金属贴片3和两个暂态对地电压金属贴片17均为铜贴片。[0057]高压开关柜箱壁5通过开关柜接地线电阻9接地，高压开关柜内设放电源10,电磁-超声复合传感器连接信号采集装置15,第一同轴电缆11的一端通过带同轴电缆的接头8连接第一同轴电缆接头6,带同轴电缆的接头8与第一同轴电缆接头6螺纹连接，第二同轴电缆12的一端通过带同轴电缆的接头8连接第二同轴电缆接头21,带同轴电缆的接头8与第二同轴电缆接头21螺纹连接，第三同轴电缆19的一端通过带同轴电缆的接头8连接第三同轴电缆接头23,带同轴电缆的接头8与第三同轴电缆接头23螺纹连接。[0058]上述互补偶极子双贴片型天线，其工作特性由第一金属贴片2和第二金属贴片3的片3之间留下一条间隙进行对称布置，根据偶极子理论，间隙阻抗(即特高频传感器阻抗)正比于偶极子导纳，则已知偶极子的性能即可预测其互补间隙的性能，使得偶极子与缝隙的结构互补。[0059]互补偶极子双贴片型天线的铜贴片和绝缘板1,可以采用导电铜薄片置于底衬接地板的介质基片表面构成，其中底衬接地板与高压开关柜箱壁5金属性导通接触；也可以将导电铜薄片粘贴在聚乙烯等绝缘板1上实现布置。[0060]上述暂态对地电压探头，其工作原理如图4所示，内侧的暂态对地电压金属贴片178与开关柜箱璧之间布置的绝缘片16形成电容Cc1,两个暂态对地电压金属贴片17之间布置绝缘片16形成的电容Cc2,与串联的电容形成电容分压式电磁波耦合暂态对地电压探头，在第二同轴电缆12的屏蔽层(接地)与开关柜箱璧之间串入电感18以阻断高频电磁波从接地侧进入采集装置。[0061]上述光学探头，其组成结构原理如图5所示，8根荧光光纤26对称圆环形状布置在有机玻璃板31上，利用8个光纤联接器27相连后利用单模光纤32送入8×1耦合器28,形成增强型光学探头，通过单模光纤32连接光纤接头30。[0062]图6所示为高压开关柜箱壁一体式声光电磁复合传感器的安装方法，主要分9个步骤，具体如下(更换或拆除也可参照):[0063]步骤1,第一同轴电缆11的电缆芯线和屏蔽层(接地)分别与第二金属贴片3和第一金属贴片2的馈电点7完成导通性良好焊接；[0064]步骤2,绝缘板1的一面对称牢固粘贴第一金属贴片2和第二金属贴片3;[0065]步骤3,绝缘板1的另一面牢固粘贴开关柜箱壁5的内壁，第二通孔14、间隙和第一通孔13同轴；[0066]步骤4,合适尺寸的绝缘罩4将步骤3形成的部件利用4个绝缘螺栓进行密封及可靠连接，实现互补偶极子双贴片型天线与高压开关柜箱壁5的安装；[0067]步骤5,多个荧光光纤26通过对应的多个联接器27连接圆环中央的耦合器28,单模光纤32依次穿过绝缘罩4的第三通孔29、间隙、第一通孔13和第二通孔14导通连接与第一金属罩20导通连接的光纤接头30;[0068]步骤6,两个绝缘片16与两个暂态对地电压金属贴片17交替叠放并粘接，一个绝缘片16的一面与高压开关柜箱壁5的外壁牢固粘贴；[0069]步骤7,第二同轴电缆12的电缆芯线和屏蔽层(接地)分别与两个暂态对地电压金属贴片17进行导通性焊接，电缆芯线焊接外侧的暂态对地电压金属贴片17,屏蔽层焊接内侧的暂态对地电压金属贴片17和电感18的工作侧；[0070]步骤8,PZT传感器25与开关柜箱璧进行紧密贴合，并在贴合处涂抹凡士林以增强超声信号耦合，并使用4个金属螺栓将第二金属罩24与高压开关柜箱壁5连接实现PZT传感器25的可靠安装；[0071]步骤9,电感18的接地侧与第一金属罩20进行导通性焊接后；之后，第二同轴电缆接头21与第二带同轴电缆的接头8进行螺纹连接后，利用4个绝缘螺栓和绝缘垫圈22将同轴电缆接头与金属罩进行绝缘性可靠安装，完成暂态对地电压探头的电磁波信号输出接口固定安装；第一同轴电缆接头6与第一带同轴电缆的接头8进行螺纹连接后，利用4个金属螺栓将第一同轴电缆接头6与第一金属罩20进行导通性可靠安装，完成互补偶极子双贴片型天线的特高频电磁波信号输出接口固定安装；光纤接头30与第一金属罩20螺纹连接，完成基于