专利名称：用于通过测量部分放电来监视气体绝缘高压电开关设备的装置，及使用所述装置的气体 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过测量部分放电来监视气体绝缘高压电开关设备的装置，本发明还涉及一种使用所述装置的气体绝缘高压电开关设备。
背景技术：
本发明的领域是监视通过例如六氟化硫等气体绝缘的屏蔽电开关设备的领域。通过测量部分放电来监视气体 绝缘的高压开关设备得到广泛使用。但是，目前需要具有例如从100兆赫(MHz)到2千兆赫(GHz)的较宽带宽的低成本、高增益传感器。还需要同时测量超高频(UHF)信号及功率频率下的信号。参考文献(I)(见说明书末尾的列表)说明了一种用于借助于电容性分压器来测量因气体绝缘电开关设备中的部分放电引起的电压脉冲的装置，所述装置设置于所述电开关设备中的存在的开口中。所述装置是锥形的，且包含圆盘性的电极及集成到电开关设备的紧固凸缘中的平板。所述装置的特征在于凸缘与电极之间的电容，电极与电开关设备内部的导体之间的电容，及连接凸缘与电极的部件的直径的比率。电极并不突出到开关设备外壳中。特殊紧固凸缘的使用证明，这种类型的测量装置会受到环境影响。现在，这种类型的特殊凸缘既不经济，又不利于改造旧的电开关设备。现有技术中，其它直接安装在气体绝缘的电开关设备外壳中的传感器在维护或改造时需要修改整个外壳。在电磁波发射领域，已知锥形双极或单极天线是良好的宽带天线。可通过改变天线的锥角来改变天线的输入阻抗。天线的长度定义其对于低频的敏感度。参考文献(2)展示了在用于平坦的接地面上时且在天线的近场中没有金属障碍物的情况下如何制作这种天线。参考文献(3)得出这样的结论这种传感器可用于填充有油的电源变压器。提议用长度为100毫米(mm)的传感器作为变压器的最优选择。因为排气阀(purge valve)的尺寸的缘故，锥角限于7度。使用这种小锥角，与单极天线相比宽带效应很低。对于气体绝缘开关设备内部的应用来说，使用气体绝缘开关设备的圆柱形开口作为接地面将是有利的。遗憾的是，在这些条件下，且因为在天线环境内的气体绝缘开关设备中存在其它金属部分(例如，电流导体、凸缘及开口窗、接地开关等……)，所以无法使用参考文献(2)中陈述的办法。此外，还必须考虑到非理想入口点及需要在高压下气密的馈送线(feed lines)。对于几种气体绝缘开关设备来说，长度为IOOmm的传感器过长，原因在于其紧致的配置及在气体绝缘组件内部观测到的击穿电压。本发明展示了即使在设计锥形天线时无法使用理论办法情况下，如何在气体绝缘开关设备环境中集成锥形天线。可显示，天线的环境(例如，圆形底板)的影响很大，从而无法使用常规天线理论的闭合形式办法。通过进行测量，可观测到可通过锥角来根据环境调适传感器的敏感度，但结果不符合参考文献(2)中提到的理论公式，原因在于传感器的凹处与头部之间的杂散电容。因此，可通过调整锥角来获得最佳敏感度，而不是依据理论规贝U。还说明在使用较短，但为圆形的传感器头部时与高电压环境的最佳匹配。本发明的目标是减轻已知现有技术装置的缺点，并构造例如在IOOMHz到2GHz的带上操作的高敏感度的宽带电场传感器，同时还能用作工业频率下的电容性分压器，而且非常适合于在气体绝缘电开关设备中应用，传感器的一些组件是市场上能购买到的便宜的高频组件。
发明内容
本发明提供一种用于通过测量部分放电来监视气体绝缘高压电开关设备的装置，
所述装置包含外壳，且其特征在于其包含电场传感器，其具有紧固到所述外壳的壁的金属板；金属锥形部分，所述金属锥形部分突出于外壳，其通过罩盖封闭其张开部分，且其另一端敞开到穿过所述金属板的衬套中，所述板充当以此方式形成的锥形天线的底板；及连接器，其连接到所述衬套且使得所述衬套能够经由同轴电缆连接到测量与显示装置。在各种优选实施例中，所述传感器可紧固到开关设备的外壳上存在的开口中。所述罩盖可具有球形形状或平坦的形状。传感器的阻抗、套筒的阻抗及连接电缆的阻抗可以是相同的。锥形部分形成的锥形的锥角可在10到47度的范围内。传感器的高度可在20毫米(mm)到250mm的范围内，随传感器头部附近的介质场的强度变化。传感器可紧固于金属板。衬套可包含比其内部导体长的绝缘套筒，这样便能连接及紧固锥形部分。本发明的装置可包含经由长度为X/4的传输线连接的短路元件，\为对应于所述传感器的中间频率的波长，短路元件与所述连接器及电缆的连接端子相平行。所有的信号传输元件，例如传感器、衬套、连接器及电缆，可具有相同阻抗。本发明还提供一种使用连接到信令与控制设备的至少一个该装置的气体绝缘高压电开关设备。本发明有以下优点可通过修改锥形部分的锥角来改变本发明的装置的输入阻抗，这有利于在输入处没有反射的情况下与同轴电缆的阻抗匹配。所得的锥形天线的带宽非常宽。没有频率上限。低频范围仅受到锥形部分的高度的限制。可通过修改传感器的长度及锥角9来改变本发明的装置的敏感度。在图I所示的本发明的第一实施例中，可获得非常线性的装置，可用来根据测量出的数据计算入射电场。因此这种装置可用作电场探测器。传感器较小，容易制造及装配，而且特别适于改造的旧的气体绝缘电开关设备。当锥形部分的罩盖为圆形，且通过切割-车削处理制造时，非常适于高电压环境。本发明的装置可在低频或功率频率(例如50/60赫兹(Hz)及谐波)下使用，对于这种频率，所述装置可用作电容性分压器。所述装置还可用于较高频率。如果所述装置仅在UHF范围下使用，则可通过连接器上的\ /4变换器来消除低频。
图I展示本发明的装置的第一实施例。
图2展示本发明的装置的第二实施例。图3展示本发明的装置在三相应用中的使用。图4展示本发明的装置与\ /4变换器在UHF频率范围内的使用。图5展示本发明的的装置，其没有金属板、直接集成到气体绝缘电开关设备的外壳中。
具体实施例方式标准的气体绝缘高压电开关设备包含设置于外壳11中的至少一个导体。所述外壳可包含开口，特别是对于紧固安全装置，还 包含窗。如图I中针对第一实施例及图2中针对第二实施例展示，本发明的装置包含电场传感器(E场传感器)10，其包含适于紧固到高电压电开关设备的外壳的壁11的金属板13 ；锥形金属部分12，其张开部分被罩盖封闭，另一端的开口端延伸到穿过金属板13的衬套14中，所述金属板充当所得的锥形天线的底板；及连接器15，其连接于衬套14。此连接器15用于将衬套14经由同轴电缆(图中未表示)连接到测量与显示装置。图5展示另一实施例，其中传感器10直接紧固到气体绝缘电开关设备(没有金属板)的外壳11。衬套14的套筒14a及内部导体14b形成环形。其可从外壳11外部推到钻孔中。传感器10从外壳11内部紧固到衬套14。内部导体14b具有螺纹部分(图中未绘示)，其可被拧到传感器10中。连接器15的内部部分15a配备有弹性销15b，用于与内部导体14a形成接触。套筒14a及内部导体14b的直径的比率保持恒定，以便沿此内部导体14b维持恒定波阻抗。在这些实施例中，闭合锥形金属部分12形成单极天线(12a到12c)，其一般设置于气体绝缘电开关设备的外壳的径向方向上。因为，与焊接或模制的框架相比，制造的传感器具有光滑的表面(即，由于切割/车削处理，表面粗糙度很低)，所以传感器的锥形部分可突出到气体绝缘电开关设备的外壳中，且更加靠近此气体绝缘电开关设备的内部导体。传感器10及穿过外壳的壁11的衬套14与测量同轴电缆的阻抗匹配。锥形部分12的锥角(p.是从10到47度。传感器相对于底板13的高度h是从20mm到250mm，随传感器在气体绝缘电开关设备的外壳内部的位置及其离最近的高压导体的距离而变。可通过改变锥角(P及高度k来影响传感器10的敏感度。本发明的装置是针对从IOOMHz到2GHz的频率特别设计，但可同时或独立地用于功率频率及其谐波下的应用，在这种情况下，此装置用作电容性分压器。在单相应用中，高度h(元件符号12c)通常为45mm，结果是从外壳的壁11 (其平滑度较低)到最近的高压导体的距离减小到大约20mm。在三相应用中，高度k(元件符号12a)可能大得多，如图3所示随承载外壳内部的相位的导体20而变。锥形部分12的罩盖的半径I至少等于5mm，且从传感器到外壳的壁11到最近接地部分的距离D大于此半径I。在一个优选实施例中，气密衬套14由套筒14a及内部导体14b组成。套筒14a用相对介电常数e r为2到4的绝缘材料制造。内部导体14b的直径通常为6_。绝缘材料的直径取决于衬套14的阻抗及连接器15的阻抗。衬套14、高频连接器15 (例如N类型的连接器)及锥形天线12及同轴测量电缆的输入阻抗通常为50欧姆，但衬套14及天线入口点的阻抗可不同，从而可产生谐振电路以在特定频率下优化敏感度。在图I所示的传感器10的第一实施例中，传感器10的锥形部分12的形状是带有球形罩盖的圆锥，球形罩盖的半径取决于锥形部分12的锥角CP及其高度k。在此实施例中，传感器10的形状适合于由简单的单极拉杆天线产生的电场。在图2所示的传感器10的第二实施例中，传感器10的锥形部分12终止于平坦的球形罩盖上，这样所得天线的锥形部分可以增大。衬套14的套筒14a可大于衬套14的内部导体14b，且到达锥形部分12。在此实施例中，套筒14a可用于紧固锥形部分12。在图I到图3及图5的连接构件的一个实施例中，同轴电缆(图中未表示)连接到连接器15。在此实施例中，可同时测量超高频(UHF)信号及工业频率信号。信号增益会受到传感器10的高度k及角度CP的影响。在连接构件的另一实施例中，如果仅将传感器10用于UHF (超高频)测量，则可使用图4所示的一组高频连接器/转接器17、18、19 (即标准高频T转接器17、具有定义长度的传输线18及短路19)来消除较低频率。传输线18 (其可为电缆)、转接器/连接器(例如N-BNC转接器)或传输线的长度经设计，使得短路19针对低频及高频起作用，但不针对传感器的中间频率起作用。对于IGHz的中间频率及标准50欧姆转接器17，短路19与T转接器17之间的传输线18的长度大约为20mm到30mm，其中17A是电缆的连接端子。所有这些元件17、18及19都有现货供应。在连接构件的另一实施例中，可安装可现货供应的同轴电阻性输出连接(例如，50欧姆或75欧姆电阻器)，可取代图4所示的传输线18及短路19而设置。于是并不消除感应到的低频电压，而是将其减小到可通过标准电压测量或检测装置加以处理的值。对于高频来说，使用这种连接可随电阻值而降低敏感度。在50欧姆系统中，较高频率下的减小通常为3dB。传感器10的各种特征可通过以下方式得到有利地调节通过调整锥角9，可改变传感器10的入口点阻抗，且可使得传感器10适应于传感器10的环境(例如，根据壁11在接地电位处的较高部分)。通过调整其高度k，可改变其针对于低频的敏感度，且还可改变输入点阻抗；此高度h是有限的，因为高压导体接近于传感器10 ；通过在传感器的输出处使用T转接器17以及给定长度的传输线18及短路19，可避免传感器10的敏感度随传输线18的长度及其特征阻抗(此组合称为\ /4变换器)而在特定频率范围内降低。参考文献(I)EP 0 134 187 或 US 4 617 513(2) Ronald ff. P. King, The conical antenna as a sensor or probe (用作传感器或探测器的维形天线)，IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility (IEEE电磁兼容性学报)，第EMC-25卷，第I期，1983年2月，第8-13页。(3) J. Lopez-Roldan 等人，Optimization of a sensor for on-site detectionof partial discharges in power transformers by the UHF method(通过UHF方法在电力变压器中就地检测部分放电的传感器的优化)，IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalInsulationdEEE电介质及电绝缘学报)，第15卷，第6期，2008年12月，第1635-1639页。
权利要求
1.一种用于通过测量部分放电来监视气体绝缘高压电开关设备的装置，所述开关设备包含外壳(11)，所述装置的特征在于其包含电场传感器(10)，其具有紧固到所述外壳(11)的壁上的金属板(13);金属锥形部分(12)，所述金属锥形部分突出于外壳，其通过罩盖封闭其张开部分，且其另一端敞开到穿过所述金属板(13)的衬套(14)中，所述板充当以此方式形成的锥形天线的底板；及连接器(15)，其连接到所述衬套(14)且使得所述衬套(14)能够经由同轴电缆连接到测量与显示装置。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述传感器(10)紧固到所述开关设备的所述外壳中存在的开口中。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述罩盖具有球形形状。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述罩盖具有平坦的形状。
5.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述传感器(10)的阻抗、所述衬套(14)的阻抗及所述同轴电缆的阻抗是相同的。
6.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述锥形部分(12)形成的锥形的锥角φ是从10到47度。
7.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述传感器(10)的高度h是从20_至Ij 250mm。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，其中所述传感器(10)紧固于所述金属板(13)。
9.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，其中所述衬套(14)包含绝缘套筒(14a)及内部导体(14b)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，其中所述绝缘套筒(14a)比所述内部导体(14b)长，这样便能连接及紧固所述锥形部分(12)。
11.根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，其包含经由长度为λ/4的传输线连接的短路元件(19)，所述短路元件与所述连接器(15)和所述电缆的连接端子(17a)相平行，其中λ为对应于所述传感器的中间频率的波长。
12.根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，其包含并联连接到所述连接器(15)及所述电缆的连接端子(17a)的电阻。
13.根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，其中所有信号传输元件都具有相同阻抗。
14.一种气体绝缘高压电开关设备，其特征在于，其使用连接到信令与控制设备的根据权利要求I到13中任一权利要求所述的至少一个装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过测量部分放电来监视气体绝缘高压电开关设备的装置，所述开关设备包含外壳(11)；电场传感器(10)，其具有紧固到所述外壳(11)的壁的金属板(13)；金属锥形部分(12)，所述金属锥形部分突出于外壳，其通过罩盖封闭其张开部分，且其另一端敞开到穿过所述金属板(13)的衬套(14)中，所述板充当以此方式形成的锥形天线的底板；及连接器(15)，其连接到所述衬套(14)且使得所述衬套(14)能够经由同轴电缆连接到测量与显示装置。
文档编号G01R29/08GK102803974SQ201080026857
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月16日 优先权日2009年6月19日
发明者戴维·高奇 申请人:爱瑞万T&D股份有限公司