基于聲表面波技術的gis內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，該系統(tǒng)包括采集器和SAW溫度傳感器，所述的采集器安裝在氣體絕緣開關的外殼上，斷路器內置在氣體絕緣開關的外殼內，所述的SAW溫度傳感器為無源無線的溫度傳感器，所述SAW溫度傳感器安裝在斷路器的高壓導桿，所述采集器用于向所述SAW溫度傳感器發(fā)射無線射頻信號作為SAW溫度傳感器的激勵信號，通過采集器和SAW溫度傳感器氣體絕緣開關內部斷路器的運行溫度。該系統(tǒng)充分利用聲表面波技術的特點，在保證GIS內部絕緣性能的前提下，實現GIS內部絕緣開關運行溫度的在線監(jiān)測。本發(fā)明同時公開了該監(jiān)測方法。
【專利說明】基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于聲表面波技術的GIS內部高壓導體運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，具體是指基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002]氣體絕緣開關(Gas Insulated Switchgear,簡稱GIS)加工工藝嚴格、技術先進，采用SF6氣體為絕緣介質，具有良好的開斷能力、絕緣性能和滅弧性能，以及檢修周期長、故障率低、維護費用少、占地面積小等優(yōu)點，目前被廣泛應用于電力系統(tǒng)中。
[0003]但是當GIS設備中的內部高壓導體觸頭接觸不良時，由于接觸電阻變大，在負載電流流過時會產生過熱現象。觸頭、母線過熱會引起絕緣老化甚至擊穿，從而引發(fā)短路，形成重大事故，造成巨大的經濟損失。因此，需要對高壓導體的最高溫度進行監(jiān)測。
[0004]氣體絕緣開關內部的隔離開關、斷路器和母線均為氣體絕緣開關的高壓導體，隔離開關的最高溫度值常發(fā)生在開關觸頭處，斷路器的最高溫度值常發(fā)生在屏蔽罩外的高壓導桿，屏蔽罩外的高壓導桿簡稱為高壓導桿，母線的最高溫度值常發(fā)生在母線觸頭處，對最好溫度值的監(jiān)測是判斷高壓導體是否出現過熱現象的重要手段。
[0005]電力系統(tǒng)中GIS對內部設備要求比較苛刻，氣室內部不允許存在金屬尖端、毛刺和灰塵等雜志，且GIS的維修與維護比較復雜。傳統(tǒng)技術對高壓導體最高溫度值的監(jiān)測通常采用溫度傳感器直接接觸高壓導體來測溫的。傳統(tǒng)的溫度傳感器需要外部供電或蓄電池供電，設備的維修及電池的更換都極為不便。所以就其取電方式來說，傳統(tǒng)的溫度傳感器是不可取的。
[0006]聲表面波技術是一種無源無線的傳感器技術，采用聲表面波技術的溫度傳感器稱之為聲表面波溫度傳感器，即SAW溫度傳感器，該SAW溫度傳感器為無源無線的溫度傳感器，使用時不需要電源和連接線，僅通過采集器向其發(fā)射無線射頻信號作為激勵信號便可觸發(fā)其工作。SAW溫度傳感器具有高靈敏度、低功耗、零排放、免維護等特點，且由于SAW溫度傳感器采用全密封多腔體屏蔽設計，具有極強的電磁兼容性和抗干擾能力，并配有獨特的天線門控抑制干擾信號技術，幾乎能完全去除空間電磁干擾，實現強干擾環(huán)境下的溫度在線監(jiān)測，安裝后不影響原有設備的絕緣性能，因而適合在GIS設備等全封閉式空間內對設備內部的諸如高壓導體等部件進行溫度的在線實時監(jiān)測。
[0007]一般的SAW器件主要包括壓電基片、叉指換能器(IDT)和反射柵等結構。其中IDT是一種用于在壓電基片上激發(fā)SAW的聲電轉換器，是SAW器件的核心結構。在壓電基片上通過平面半導體工藝周期性設置一對平行的金屬電極即可構成IDT，當在IDT兩端加上交變電壓時，會在IDT下面的壓電基片的表面和表面附近的空間產生交變電場，并通過逆壓電效應在壓電基片表面產生相應的彈性形變，從而激發(fā)SAW。
[0008]根據國內外學者對SAW器件多年的研究可知，不同壓電材料對溫度的敏感度不同，通過選擇合適的壓電基片材料和晶體切型，可以獲得溫度靈敏度高且溫度頻率特性呈線性的SAW溫度傳感器。根據器件結構的分布方式，SAW溫度傳感器可以分為延遲線型和諧振型兩種。其中在延遲線型的SAW溫度傳感器上，反射柵只在IDT的單側出現，當外界溫度變化時，壓電基片上IDT激發(fā)的SAW傳播速度會發(fā)生變化，使得激勵信號和經過反射柵返回的回波信號在出現時延或相位變化，因此通過檢測信號的時延或相位差即可得到溫度信息。而在諧振型SAW溫度傳感器上，反射柵對稱分布在IDT的兩側，當IDT激發(fā)的SAW的頻率與反射柵陣的尺寸匹配時SAW經過反射陣列的來回反射能夠形成朱波，達到諧振狀態(tài)，該諧振頻率由叉指換能器的叉指間距和SAW的傳播速度決定。當外界溫度變化時，壓電基片上IDT激發(fā)的SAW傳播速度會發(fā)生變化，導致SAW溫度傳感器的諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測SAW溫度傳感器的諧振頻率變化即可得到溫度信息，因此SAW溫度傳感器也稱為SAW諧振器。
[0009]近年來，聲表面波(Surface Acoustic Wave,簡稱SAW)技術的研究與應用已相當成熟和廣泛，但是，至今為止真正的采用無源無線技術對GIS設備內部高壓導體溫度進行在線監(jiān)測的裝置和方法在國內外電力行業(yè)中尚未出現。
【發(fā)明內容】
[0010]本發(fā)明的目的之一是提供基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用聲表面波技術的高靈敏度、低功耗、零排放、免維護等特點，在保證GIS內部絕緣性能的前提下，實現GIS內部絕緣開關運行溫度的在線監(jiān)測。
[0011]本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案來實現的:基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括采集器和SAW溫度傳感器，所述的采集器安裝在氣體絕緣開關的外殼上，斷路器內置在氣體絕緣開關的外殼內，所述的SAW溫度傳感器為無源無線的溫度傳感器，所述SAW溫度傳感器安裝在斷路器的高壓導桿，所述采集器用于向所述SAW溫度傳感器發(fā)射無線射頻信號作為SAW溫度傳感器的激勵信號，所述的SAW溫度傳感器激發(fā)后感測與之相接觸的斷路器的高壓導桿的溫度，同時發(fā)射出與所感測的溫度相對應的諧振信號，返回給所述的采集器，所述的采集器接收到該返回的諧振信號后，通過測量該諧振信號的頻率即可得到溫度值，該溫度值即為斷路器的高壓導桿的溫度值，為斷路器運行時的當前溫度值，從而判斷斷路器是否出現過熱現象。
[0012]本發(fā)明中斷路器的高壓導桿是指斷路器的屏蔽罩外的高壓導桿。
[0013]本發(fā)明中，所述斷路器的高壓導桿涂覆有一層導熱硅脂，以增大SAW溫度傳感器的接觸面積，提高導熱效率。
[0014]本發(fā)明中，所述導熱硅脂采用高導熱絕緣有機硅材料，能夠在_50°C?+230°C的溫度下保持脂膏狀態(tài)。
[0015]本發(fā)明中，所述的SAW溫度傳感器包括天線、叉指換能器、反射器和壓電基片，天線、叉指換能器和反射器均集成在壓電基片上，所述的反射器為兩個，呈左、右狀分布，所述的壓電基片安裝在斷路器的高壓導桿，直接與斷路器的高壓導桿相貼緊接觸，所述的天線用于接收所述采集器發(fā)射來的無線射頻信號，通過叉指換能器的逆壓電效應在壓電基片表面激活一個聲表面波，該聲表面波沿壓電基片傳播，被兩個周期性的反射器反射形成所述的諧振信號，諧振的頻率與壓電基片的溫度存在對應關系，所述的叉指換能器通過壓電效應將聲表面波轉變成應答的諧振信號輸出，輸出的諧振信號被所述采集器接收。
[0016]本發(fā)明的目的之二是提供基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測方法，該方法操作簡單，能夠實現GIS內部絕緣開關運行溫度的在線監(jiān)測，并且測量結果準確。
[0017]本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案來實現的:基于聲表面波技術的氣體絕緣開關內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0018](I)對斷路器進行表面處理，在斷路器的高壓導桿涂覆層導熱硅脂；
[0019](2)將采集器安裝在氣體絕緣開關的外殼上，SAW溫度傳感器安裝在斷路器的高壓導桿;
[0020](3)通過采集器向SAW溫度傳感器發(fā)射無線射頻信號觸發(fā)SAW溫度傳感器來進行測量，獲得斷路器的高壓導桿的溫度值，該溫度值為斷路器運行時的最高溫度值，從而判斷斷路器是否出現過熱現象。
[0021]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下顯著效果:
[0022](I)本發(fā)明采用采集器與SAW溫度傳感器進行電力系統(tǒng)GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測，無需電源，不存在供電和電池更換問題，具有高靈敏度、低功耗、零排放、免維護等特點，較好的滿足了 GIS對在線監(jiān)測設備的要求。
[0023](2)本發(fā)明的SAW溫度傳感器采用全密封多腔體屏蔽設計，具有極強的電磁兼容性和抗干擾能力，并配有獨特的天線門控抑制干擾信號技術，幾乎能完全去除空間電磁干擾，實現強干擾環(huán)境下的溫度在線監(jiān)測，安裝后不影響原有設備的絕緣性能，在保證GIS內部絕緣性能的前提下，實現GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測。
[0024](3)本發(fā)明為實時在線監(jiān)測，能夠對電力系統(tǒng)GIS設備內部故障進行有效的預防，避免出現大的事故，節(jié)約成本，同時也能有效預防因為安裝所產生的安全隱患，無需破壞GIS結構，不影響GIS性能。
[0025](4)本發(fā)明為電力系統(tǒng)GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測提供了可靠有效的手段，保證了電網的安全運行，具有廣泛的市場應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0027]圖1為本發(fā)明在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用狀態(tài)參考圖；
[0028]圖2為本發(fā)明在線監(jiān)測系統(tǒng)中SAW溫度傳感器的結構示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明在線監(jiān)測系統(tǒng)所測量的溫度值，其中橫坐標表示所測量的溫度值，縱坐標表示SAW溫度傳感器的諧振頻率，該諧振頻率就是采集器所采集的諧振信號。
[0030]附圖標記說明
[0031]1、采集器；2、SAW溫度傳感器；21、天線；22、叉指換能器；
[0032]23、反射器；24、壓電基片；3、斷路器；4、外殼
【具體實施方式】
[0033]如圖1、圖2所示的基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括采集器I和SAW溫度傳感器2，采集器I采用成都賽康科技有限公司生產的WPTM-RR-SC采集器，采集器的頻段是429?436MHz，SAW溫度傳感器2也為成都賽康科技有限公司生產，SAW溫度傳感器的頻段分別為429MHz、431MHz、432MHz、433MHz、435MHz、436MHz六個，采集器I安裝在氣體絕緣開關的外殼4上，斷路器3內置在氣體絕緣開關的外殼4內，SAW溫度傳感器2為無源無線的溫度傳感器，SAW溫度傳感器2安裝在斷路器3的聞壓導桿。
[0034]采集器I用于向SAW溫度傳感器2發(fā)射頻段是429?436MHz的無線射頻信號作為SAW溫度傳感器2的激勵信號，SAW溫度傳感器2激發(fā)后感測與之相接觸的斷路器3的高壓導桿的溫度，同時發(fā)射出與所感測的溫度相對應的諧振信號，返回給采集器1，采集器I接收到該返回的諧振信號后，通過測量該諧振信號的頻率即可得到溫度值，該溫度值即為斷路器3的高壓導桿的溫度值，為斷路器3運行時的當前溫度值，從而判斷斷路器3是否出現過熱現象。
[0035]如圖2所示，本實施例中的SAW溫度傳感器2包括天線21、叉指換能器22、反射器23和壓電基片24，天線21、叉指換能器22和反射器23均集成在壓電基片24上，反射器23為兩個，呈左、右狀分布，壓電基片24安裝在斷路器3的高壓導桿，直接與斷路器3的高壓導桿相貼緊接觸，天線21用于接收采集器I發(fā)射來的無線射頻信號，通過叉指換能器22的逆壓電效應在壓電基片24表面激活一個聲表面波,該聲表面波沿壓電基片24傳播,被兩個周期性的反射器23反射形成諧振，諧振的頻率與壓電基片24的溫度存在對應關系，叉指換能器22通過壓電效應將聲表面波轉變成應答的諧振信號輸出，輸出的諧振信號被采集器I接收，采集器I所接收的諧振信號即是SAW溫度傳感器2發(fā)射出來的諧振信號。
[0036]本實施例的工作原理和工作過程如下:采集器I向SAW溫度傳感器2發(fā)射無線射頻信號作為SAW溫度傳感器2的激勵信號，激發(fā)SAW溫度傳感器2工作。采集器I發(fā)射的無線射頻信號為429MHz?436MHz之間的正弦間歇波，SAW溫度傳感器2的天線21接收該無線射頻信號，通過叉指換能器22的逆壓電效應在壓電基片24表面激活一個聲表面波。聲表面波沿壓電基片24傳播，被左右兩個周期性反射器23反射形成諧振信號，該諧振頻率與壓電基片24的溫度有關。
[0037]叉指換能器22通過壓電效應將聲表面波轉變成應答的諧振信號輸出。返回的諧振信號被采集器I接收，通過測量諧振的頻率即可得到溫度值，所得到的溫度值即為斷路器的高壓導桿的溫度值，通常斷路器觸頭的溫度值超過125°C為過熱。
[0038]本實施例中通過采集器I激發(fā)SAW溫度傳感器工作，并且通過采集器I獲得SAW溫度傳感器的諧振頻率，其過程如下:
[0039]1.采集器發(fā)送激勵信號給SAW溫度傳感器；
[0040]2.SAff溫度傳感器產生諧振；
[0041]3.SAff溫度傳感器諧振頻率通過回波信號傳回采集器；
[0042]4.采集器通過返回的諧振頻率，獲得溫度值，該溫度值即為斷路器的高壓導桿的溫度值。
[0043]本實施例的測量結果如圖3所示，測量結果顯示斷路器沒有出現過熱現象。
[0044]本系統(tǒng)采用的SAW溫度傳感器工作頻率在429MHz-436MHz之間，本系統(tǒng)采用正弦信號作為激勵信號，利用諧振激勵的方式獲得傳感器信息。系統(tǒng)的工作過程分為兩個周期:在系統(tǒng)的發(fā)送周期，由后端處理系統(tǒng)控制READER產生某一頻率的間歇正弦信號，經過濾波放大后由天線輻射出；輻射出的信號被SAW溫度傳感器接收后，經過逆壓電效應轉換為同頻SAW。在系統(tǒng)的接收周期，后端處理系統(tǒng)控制READER通過天線接收SAW溫度傳感器返回的回波信號，經過濾波放大處理后轉換為數字信號。根據信號處理的結果調整閉環(huán)系統(tǒng)的參數，實現自動跟蹤調整，達到諧振激勵的狀態(tài)，從而最終實現溫度值的準確測量。
[0045]作為本實施例的變換，可以先對對斷路器3進行表面處理，斷路器3的高壓導桿涂覆有一層導熱硅脂，以增大SAW溫度傳感器2的接觸面積，提高導熱效率。該導熱硅脂采用高導熱絕緣有機硅材料，具體材料為有機硅酮為主要原料，添加耐熱、導熱性能優(yōu)異的材料制成的導熱型有機硅脂狀復合物，能夠在_50°C?+230°C的溫度下保持脂膏狀態(tài)
[0046]上述的導熱硅脂采用高導熱絕緣有機硅材料即可，能夠在_50°C?+230°C的溫度下保持脂膏狀態(tài)。
[0047]本發(fā)明中，SAW溫度傳感器2的安裝位置根據電力系統(tǒng)GIS內部高壓導體溫度變化分布以及安裝的可行性來確定，一般安裝在高壓導體的最高溫度處，例如，對于隔離開關安裝在開關觸頭處，斷路器則安裝在屏蔽罩外的高壓導桿，母線則安裝座在母線觸頭處，從而實現對高壓導體最高溫度值的監(jiān)測。SAW溫度傳感器2結構及抗電磁干擾能力設計根據GIS內部空間電磁干擾信號分布、傳感器內部腔體結構特點以及采集器天線門控抑制干擾信號的發(fā)送規(guī)律來進行設計。采集器的發(fā)射功率根據GIS設備中不同SF6氣體壓力的斷路器、隔離開關、母線間隔進行發(fā)射功率調整，以補償SF6氣體對于監(jiān)測信號的吸收效應。
[0048]本發(fā)明同時提供了基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測方法，該方法包括如下步驟:
[0049](I)對斷路器3進行表面處理，在斷路器3的高壓導桿直接涂覆一層導熱硅脂；
[0050](2)將采集器I安裝在氣體絕緣開關的外殼4上，SAW溫度傳感器2安裝在斷路器3的高壓導桿；
[0051 ] (3)通過采集器I向SAW溫度傳感器2發(fā)射無線射頻信號觸發(fā)SAW溫度傳感器2來進行測量，獲得斷路器3的高壓導桿的溫度值，該溫度值為斷路器3運行時的最高溫度值，從而判斷斷路器3是否出現過熱現象。
[0052]本發(fā)明的上述實施例并不是對本發(fā)明保護范圍的限定，本發(fā)明的實施方式不限于此，凡此種種根據本發(fā)明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術思想前提下，對本發(fā)明上述結構做出的其它多種形式的修改、替換或變更，均應落在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.基于聲表面波技術的Gis內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括采集器和SAW溫度傳感器，所述的采集器安裝在氣體絕緣開關的外殼上，斷路器內置在氣體絕緣開關的外殼內，所述的SAW溫度傳感器為無源無線的溫度傳感器，所述SAW溫度傳感器安裝在斷路器的高壓導桿，所述采集器用于向所述SAW溫度傳感器發(fā)射無線射頻信號作為SAW溫度傳感器的激勵信號，所述的SAW溫度傳感器激發(fā)后感測與之相接觸的斷路器的高壓導桿的溫度，同時發(fā)射出與所感測的溫度相對應的諧振信號，返回給所述的采集器，所述的采集器接收到該返回的諧振信號后，通過測量該諧振信號的頻率即可得到溫度值，該溫度值即為斷路器的高壓導桿的溫度值，為斷路器運行時的當前溫度值，從而判斷斷路器是否出現過熱現象。
2.根據權利要求1所述的基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述斷路器的高壓導桿涂覆有一層導熱硅脂，以增大SAW溫度傳感器的接觸面積，提聞導熱效率。
3.根據權利要求2所述的基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述導熱硅脂采用高導熱絕緣有機硅材料，能夠在_50°C?+230°C的溫度下保持脂膏狀態(tài)。
4.根據權利要求1至3任一項所述的基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述的SAW溫度傳感器包括天線、叉指換能器、反射器和壓電基片，天線、叉指換能器和反射器均集成在壓電基片上，所述的反射器為兩個，呈左、右狀分布，所述的壓電基片安裝在斷路器的高壓導桿，直接與斷路器的高壓導桿相貼緊接觸，所述的天線用于接收所述采集器發(fā)射來的無線射頻信號，通過叉指換能器的逆壓電效應在壓電基片表面激活一個聲表面波，該聲表面波沿壓電基片傳播，被兩個周期性的反射器反射形成所述的諧振信號，諧振的頻率與壓電基片的溫度存在對應關系，所述的叉指換能器通過壓電效應將聲表面波轉變成應答的諧振信號輸出，輸出的諧振信號被所述采集器接收。
5.基于聲表面波技術的GIS內部斷路器運行溫度的在線監(jiān)測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)對斷路器進行表面處理，在斷路器的高壓導桿涂覆層導熱硅脂； (2)將采集器安裝在氣體絕緣開關的外殼上，SAW溫度傳感器安裝在斷路器的高壓導桿； (3)通過采集器向SAW溫度傳感器發(fā)射無線射頻信號觸發(fā)SAW溫度傳感器來進行測量，獲得斷路器的高壓導桿的溫度值，該溫度值為斷路器運行時的最高溫度值，從而判斷斷路器是否出現過熱現象。
【文檔編號】G01K11/26GK104406711SQ201410753005
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權日:2014年12月10日
【發(fā)明者】呂鴻, 王增彬, 李成榕, 饒章權, 陳雪薇, 彭向陽, 林春耀, 李興旺, 盧啟付, 唐瑛, 馬國明, 鄭書生, 陳祖?zhèn)? 陳義龍 申請人:廣東電網有限責任公司電力科學研究院, 華北電力大學