專利名稱：用于通過測量部分放電來監視氣體絕緣高壓電開關設備的裝置，及使用所述裝置的氣體 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于通過測量部分放電來監視氣體絕緣高壓電開關設備的裝置，本發明還涉及一種使用所述裝置的氣體絕緣高壓電開關設備。
背景技術：
本發明的領域是監視通過例如六氟化硫等氣體絕緣的屏蔽電開關設備的領域。通過測量部分放電來監視氣體 絕緣的高壓開關設備得到廣泛使用。但是，目前需要具有例如從100兆赫(MHz)到2千兆赫(GHz)的較寬帶寬的低成本、高增益傳感器。還需要同時測量超高頻(UHF)信號及功率頻率下的信號。參考文獻(I)(見說明書末尾的列表)說明了一種用于借助于電容性分壓器來測量因氣體絕緣電開關設備中的部分放電引起的電壓脈沖的裝置，所述裝置設置于所述電開關設備中的存在的開口中。所述裝置是錐形的，且包含圓盤性的電極及集成到電開關設備的緊固凸緣中的平板。所述裝置的特征在于凸緣與電極之間的電容，電極與電開關設備內部的導體之間的電容，及連接凸緣與電極的部件的直徑的比率。電極并不突出到開關設備外殼中。特殊緊固凸緣的使用證明，這種類型的測量裝置會受到環境影響。現在，這種類型的特殊凸緣既不經濟，又不利于改造舊的電開關設備。現有技術中，其它直接安裝在氣體絕緣的電開關設備外殼中的傳感器在維護或改造時需要修改整個外殼。在電磁波發射領域，已知錐形雙極或單極天線是良好的寬帶天線。可通過改變天線的錐角來改變天線的輸入阻抗。天線的長度定義其對于低頻的敏感度。參考文獻(2)展示了在用于平坦的接地面上時且在天線的近場中沒有金屬障礙物的情況下如何制作這種天線。參考文獻(3)得出這樣的結論這種傳感器可用于填充有油的電源變壓器。提議用長度為100毫米(mm)的傳感器作為變壓器的最優選擇。因為排氣閥(purge valve)的尺寸的緣故，錐角限于7度。使用這種小錐角，與單極天線相比寬帶效應很低。對于氣體絕緣開關設備內部的應用來說，使用氣體絕緣開關設備的圓柱形開口作為接地面將是有利的。遺憾的是，在這些條件下，且因為在天線環境內的氣體絕緣開關設備中存在其它金屬部分(例如，電流導體、凸緣及開口窗、接地開關等……)，所以無法使用參考文獻(2)中陳述的辦法。此外，還必須考慮到非理想入口點及需要在高壓下氣密的饋送線(feed lines)。對于幾種氣體絕緣開關設備來說，長度為IOOmm的傳感器過長，原因在于其緊致的配置及在氣體絕緣組件內部觀測到的擊穿電壓。本發明展示了即使在設計錐形天線時無法使用理論辦法情況下，如何在氣體絕緣開關設備環境中集成錐形天線。可顯示，天線的環境(例如，圓形底板)的影響很大，從而無法使用常規天線理論的閉合形式辦法。通過進行測量，可觀測到可通過錐角來根據環境調適傳感器的敏感度，但結果不符合參考文獻(2)中提到的理論公式，原因在于傳感器的凹處與頭部之間的雜散電容。因此，可通過調整錐角來獲得最佳敏感度，而不是依據理論規貝U。還說明在使用較短，但為圓形的傳感器頭部時與高電壓環境的最佳匹配。本發明的目標是減輕已知現有技術裝置的缺點，并構造例如在IOOMHz到2GHz的帶上操作的高敏感度的寬帶電場傳感器，同時還能用作工業頻率下的電容性分壓器，而且非常適合于在氣體絕緣電開關設備中應用，傳感器的一些組件是市場上能購買到的便宜的高頻組件。

發明內容
本發明提供一種用于通過測量部分放電來監視氣體絕緣高壓電開關設備的裝置，
所述裝置包含外殼，且其特征在于其包含電場傳感器，其具有緊固到所述外殼的壁的金屬板；金屬錐形部分，所述金屬錐形部分突出于外殼，其通過罩蓋封閉其張開部分，且其另一端敞開到穿過所述金屬板的襯套中，所述板充當以此方式形成的錐形天線的底板；及連接器，其連接到所述襯套且使得所述襯套能夠經由同軸電纜連接到測量與顯示裝置。在各種優選實施例中，所述傳感器可緊固到開關設備的外殼上存在的開口中。所述罩蓋可具有球形形狀或平坦的形狀。傳感器的阻抗、套筒的阻抗及連接電纜的阻抗可以是相同的。錐形部分形成的錐形的錐角可在10到47度的范圍內。傳感器的高度可在20毫米(mm)到250mm的范圍內，隨傳感器頭部附近的介質場的強度變化。傳感器可緊固于金屬板。襯套可包含比其內部導體長的絕緣套筒，這樣便能連接及緊固錐形部分。本發明的裝置可包含經由長度為X/4的傳輸線連接的短路元件，\為對應于所述傳感器的中間頻率的波長，短路元件與所述連接器及電纜的連接端子相平行。所有的信號傳輸元件，例如傳感器、襯套、連接器及電纜，可具有相同阻抗。本發明還提供一種使用連接到信令與控制設備的至少一個該裝置的氣體絕緣高壓電開關設備。本發明有以下優點可通過修改錐形部分的錐角來改變本發明的裝置的輸入阻抗，這有利于在輸入處沒有反射的情況下與同軸電纜的阻抗匹配。所得的錐形天線的帶寬非常寬。沒有頻率上限。低頻范圍僅受到錐形部分的高度的限制。可通過修改傳感器的長度及錐角9來改變本發明的裝置的敏感度。在圖I所示的本發明的第一實施例中，可獲得非常線性的裝置，可用來根據測量出的數據計算入射電場。因此這種裝置可用作電場探測器。傳感器較小，容易制造及裝配，而且特別適于改造的舊的氣體絕緣電開關設備。當錐形部分的罩蓋為圓形，且通過切割-車削處理制造時，非常適于高電壓環境。本發明的裝置可在低頻或功率頻率(例如50/60赫茲(Hz)及諧波)下使用，對于這種頻率，所述裝置可用作電容性分壓器。所述裝置還可用于較高頻率。如果所述裝置僅在UHF范圍下使用，則可通過連接器上的\ /4變換器來消除低頻。


圖I展示本發明的裝置的第一實施例。
圖2展示本發明的裝置的第二實施例。圖3展示本發明的裝置在三相應用中的使用。圖4展示本發明的裝置與\ /4變換器在UHF頻率范圍內的使用。圖5展示本發明的的裝置，其沒有金屬板、直接集成到氣體絕緣電開關設備的外殼中。
具體實施例方式標準的氣體絕緣高壓電開關設備包含設置于外殼11中的至少一個導體。所述外殼可包含開口，特別是對于緊固安全裝置，還 包含窗。如圖I中針對第一實施例及圖2中針對第二實施例展示，本發明的裝置包含電場傳感器(E場傳感器)10，其包含適于緊固到高電壓電開關設備的外殼的壁11的金屬板13 ；錐形金屬部分12，其張開部分被罩蓋封閉，另一端的開口端延伸到穿過金屬板13的襯套14中，所述金屬板充當所得的錐形天線的底板；及連接器15，其連接于襯套14。此連接器15用于將襯套14經由同軸電纜(圖中未表示)連接到測量與顯示裝置。圖5展示另一實施例，其中傳感器10直接緊固到氣體絕緣電開關設備(沒有金屬板)的外殼11。襯套14的套筒14a及內部導體14b形成環形。其可從外殼11外部推到鉆孔中。傳感器10從外殼11內部緊固到襯套14。內部導體14b具有螺紋部分(圖中未繪示)，其可被擰到傳感器10中。連接器15的內部部分15a配備有彈性銷15b，用于與內部導體14a形成接觸。套筒14a及內部導體14b的直徑的比率保持恒定，以便沿此內部導體14b維持恒定波阻抗。在這些實施例中，閉合錐形金屬部分12形成單極天線(12a到12c)，其一般設置于氣體絕緣電開關設備的外殼的徑向方向上。因為，與焊接或模制的框架相比，制造的傳感器具有光滑的表面(即，由于切割/車削處理，表面粗糙度很低)，所以傳感器的錐形部分可突出到氣體絕緣電開關設備的外殼中，且更加靠近此氣體絕緣電開關設備的內部導體。傳感器10及穿過外殼的壁11的襯套14與測量同軸電纜的阻抗匹配。錐形部分12的錐角(p.是從10到47度。傳感器相對于底板13的高度h是從20mm到250mm，隨傳感器在氣體絕緣電開關設備的外殼內部的位置及其離最近的高壓導體的距離而變。可通過改變錐角(P及高度k來影響傳感器10的敏感度。本發明的裝置是針對從IOOMHz到2GHz的頻率特別設計，但可同時或獨立地用于功率頻率及其諧波下的應用，在這種情況下，此裝置用作電容性分壓器。在單相應用中，高度h(元件符號12c)通常為45mm，結果是從外殼的壁11 (其平滑度較低)到最近的高壓導體的距離減小到大約20mm。在三相應用中，高度k(元件符號12a)可能大得多，如圖3所示隨承載外殼內部的相位的導體20而變。錐形部分12的罩蓋的半徑I至少等于5mm，且從傳感器到外殼的壁11到最近接地部分的距離D大于此半徑I。在一個優選實施例中，氣密襯套14由套筒14a及內部導體14b組成。套筒14a用相對介電常數e r為2到4的絕緣材料制造。內部導體14b的直徑通常為6_。絕緣材料的直徑取決于襯套14的阻抗及連接器15的阻抗。襯套14、高頻連接器15 (例如N類型的連接器)及錐形天線12及同軸測量電纜的輸入阻抗通常為50歐姆，但襯套14及天線入口點的阻抗可不同，從而可產生諧振電路以在特定頻率下優化敏感度。在圖I所示的傳感器10的第一實施例中，傳感器10的錐形部分12的形狀是帶有球形罩蓋的圓錐，球形罩蓋的半徑取決于錐形部分12的錐角CP及其高度k。在此實施例中，傳感器10的形狀適合于由簡單的單極拉桿天線產生的電場。在圖2所示的傳感器10的第二實施例中，傳感器10的錐形部分12終止于平坦的球形罩蓋上，這樣所得天線的錐形部分可以增大。襯套14的套筒14a可大于襯套14的內部導體14b，且到達錐形部分12。在此實施例中，套筒14a可用于緊固錐形部分12。在圖I到圖3及圖5的連接構件的一個實施例中，同軸電纜(圖中未表示)連接到連接器15。在此實施例中，可同時測量超高頻(UHF)信號及工業頻率信號。信號增益會受到傳感器10的高度k及角度CP的影響。在連接構件的另一實施例中，如果僅將傳感器10用于UHF (超高頻)測量，則可使用圖4所示的一組高頻連接器/轉接器17、18、19 (即標準高頻T轉接器17、具有定義長度的傳輸線18及短路19)來消除較低頻率。傳輸線18 (其可為電纜)、轉接器/連接器(例如N-BNC轉接器)或傳輸線的長度經設計，使得短路19針對低頻及高頻起作用，但不針對傳感器的中間頻率起作用。對于IGHz的中間頻率及標準50歐姆轉接器17，短路19與T轉接器17之間的傳輸線18的長度大約為20mm到30mm，其中17A是電纜的連接端子。所有這些元件17、18及19都有現貨供應。在連接構件的另一實施例中，可安裝可現貨供應的同軸電阻性輸出連接(例如，50歐姆或75歐姆電阻器)，可取代圖4所示的傳輸線18及短路19而設置。于是并不消除感應到的低頻電壓，而是將其減小到可通過標準電壓測量或檢測裝置加以處理的值。對于高頻來說，使用這種連接可隨電阻值而降低敏感度。在50歐姆系統中，較高頻率下的減小通常為3dB。傳感器10的各種特征可通過以下方式得到有利地調節通過調整錐角9，可改變傳感器10的入口點阻抗，且可使得傳感器10適應于傳感器10的環境(例如，根據壁11在接地電位處的較高部分)。通過調整其高度k，可改變其針對于低頻的敏感度，且還可改變輸入點阻抗；此高度h是有限的，因為高壓導體接近于傳感器10 ；通過在傳感器的輸出處使用T轉接器17以及給定長度的傳輸線18及短路19，可避免傳感器10的敏感度隨傳輸線18的長度及其特征阻抗(此組合稱為\ /4變換器)而在特定頻率范圍內降低。參考文獻(I)EP 0 134 187 或 US 4 617 513(2) Ronald ff. P. King, The conical antenna as a sensor or probe (用作傳感器或探測器的維形天線)，IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility (IEEE電磁兼容性學報)，第EMC-25卷，第I期，1983年2月，第8-13頁。(3) J. Lopez-Roldan 等人，Optimization of a sensor for on-site detectionof partial discharges in power transformers by the UHF method(通過UHF方法在電力變壓器中就地檢測部分放電的傳感器的優化)，IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalInsulationdEEE電介質及電絕緣學報)，第15卷，第6期，2008年12月，第1635-1639頁。
權利要求
1.一種用于通過測量部分放電來監視氣體絕緣高壓電開關設備的裝置，所述開關設備包含外殼(11)，所述裝置的特征在于其包含電場傳感器(10)，其具有緊固到所述外殼(11)的壁上的金屬板(13);金屬錐形部分(12)，所述金屬錐形部分突出于外殼，其通過罩蓋封閉其張開部分，且其另一端敞開到穿過所述金屬板(13)的襯套(14)中，所述板充當以此方式形成的錐形天線的底板；及連接器(15)，其連接到所述襯套(14)且使得所述襯套(14)能夠經由同軸電纜連接到測量與顯示裝置。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述傳感器(10)緊固到所述開關設備的所述外殼中存在的開口中。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述罩蓋具有球形形狀。
4.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述罩蓋具有平坦的形狀。
5.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述傳感器(10)的阻抗、所述襯套(14)的阻抗及所述同軸電纜的阻抗是相同的。
6.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述錐形部分(12)形成的錐形的錐角φ是從10到47度。
7.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述傳感器(10)的高度h是從20_至Ij 250mm。
8.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，其中所述傳感器(10)緊固于所述金屬板(13)。
9.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，其中所述襯套(14)包含絕緣套筒(14a)及內部導體(14b)。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，其中所述絕緣套筒(14a)比所述內部導體(14b)長，這樣便能連接及緊固所述錐形部分(12)。
11.根據任一前述權利要求所述的裝置，其特征在于，其包含經由長度為λ/4的傳輸線連接的短路元件(19)，所述短路元件與所述連接器(15)和所述電纜的連接端子(17a)相平行，其中λ為對應于所述傳感器的中間頻率的波長。
12.根據任一前述權利要求所述的裝置，其特征在于，其包含并聯連接到所述連接器(15)及所述電纜的連接端子(17a)的電阻。
13.根據任一前述權利要求所述的裝置，其特征在于，其中所有信號傳輸元件都具有相同阻抗。
14.一種氣體絕緣高壓電開關設備，其特征在于，其使用連接到信令與控制設備的根據權利要求I到13中任一權利要求所述的至少一個裝置。
全文摘要
本發明涉及一種用于通過測量部分放電來監視氣體絕緣高壓電開關設備的裝置，所述開關設備包含外殼(11)；電場傳感器(10)，其具有緊固到所述外殼(11)的壁的金屬板(13)；金屬錐形部分(12)，所述金屬錐形部分突出于外殼，其通過罩蓋封閉其張開部分，且其另一端敞開到穿過所述金屬板(13)的襯套(14)中，所述板充當以此方式形成的錐形天線的底板；及連接器(15)，其連接到所述襯套(14)且使得所述襯套(14)能夠經由同軸電纜連接到測量與顯示裝置。
文檔編號G01R29/08GK102803974SQ201080026857
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月16日 優先權日2009年6月19日
發明者戴維·高奇 申請人:愛瑞萬T&D股份有限公司