CN103604842B - 高压电气设备内sf6气体密度、微水含量在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置，其特征是：包括相互分离而以无线信号在10～500m范围内通过无线信号连通的高压电气设备内部置于SF₆气体环境中的无源传感器和高压电气设备外部的无线收发装置两部分；所述高压电气设备外部的无线收发装置分别对所述高压电气设备内部的传感器发送激励震荡波和接收传感反馈信号；所述高压电气设备内部的传感器包括均不带电源而分别各带有设备内部天线的测量压力的L-C测压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量温度的L-C测温度回路，用于以有限的空间分别在接收到相应的激励震荡波后产生谐振并发射所要求距离和强度的电磁振荡传感信号。

Description

高压电气设备内SF6气体密度、微水含量在线监测装置

技术领域

本发明涉及电气设备绝缘检测技术领域，具体说是一种高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置。

背景技术

由于SF₆气体具有其独特的物理性质，作为绝缘气体具有许多优点而被广泛的用于电气设备中。SF₆气体的有关参数（密度、微水含量）决定许多电气设备是否能正常工作。气体的开断能力以及绝缘性能与气体的压力有很密切的关系，保证相应的电气性能的前提是气体压力位于某一范围之内。通过SF₆气体密度值的变化，可以判断电气设备是否漏气SF₆中的水分不仅对电气设备绝缘性能、开断性能有影响，而且会对设备的零部件产生影响。因此，通过对高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量进行在线监测，及时、准确地掌握电气设备中SF₆气体的密度与湿度，并及时予以控制，对电力设备的安全可靠运行非常重要。

目前，传统的SF₆气体密度监测大多采用机械式密度继电器来实现。机械式SF₆密度继电器的结构复杂，密封要求高，加工难度大；运行中SF₆密度继电器接头漏油现象时有发生；移至便于观察的位置安装时，需用管路接入，增加了漏气的概率。对于SF₆气体绝缘开关微水含量的在线监测和诊断，在国内外还没有成型的方法，基本上都采用离线监测。而在实际现场检测过程中，由于SF₆开关的生产厂家较多，各种不同的电气设备由于采用的密封方式不同而使气体检测接口不同，即使采用相同的密封方式检测接口的尺寸也不尽相同。这就使得加工专用的检测接口较为困难，即使使用专用接口进行检测，也会不同程度上有漏气现象，从而影响测量结果的准确性。其它针对高压电气设备内SF₆气体密度、微水的检测方法，也一般均存在与电气设备本体之间的接口设计复杂，密封性要求难以得到保证等问题。设备内部传感器存在与外界连接的线路或者需要临时放置或更换传感器，就存在SF₆气体泄漏的可能，而设备内部传感器不可能从待测对象上取电，自带电池存在需要定期更换的情况，维护成本高带有人身安全问题或需要断电操作而且会造成气体泄漏，外部监测设施往往距离高压电气设备较远，也使得监测不方便。高压电器设备内部往往空间位置有限，为了保证绝缘，难以放置测量多种参量的多种传感器。

寻找一种有效的高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测方法，解决目前检测方法中存在的密封等问题，具有重要意义，上述问题是本行业技术人员所面临必须解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是彻底解决高压电气设备内的SF₆气体密度、微水含量在线实时监测过程中的漏气问题、高压电气设备内电源供给问题、需要近距离工作且低工作效率问题、设备内部由于需要绝缘带来的传感器空间有限问题，提供一种高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

所述高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置，其特征是：

包括相互分离而以无线信号在10～500m范围内通过无线信号连通的高压电气设备内部置于SF₆气体环境中的传感器和高压电气设备外部的无线收发装置两部分；

所述高压电气设备外部的无线收发装置是与后台处理系统连通的传感信号采集装置，所述传感信号采集装置包括带外部发射天线的信号发生发射器和带有外部接收天线的信号接收传送器，用于分别对所述高压电气设备内部的传感器发送激励震荡波和接收传感反馈信号；

所述高压电气设备内部的传感器包括均不带电源而分别各带有设备内部天线的测量气体密度的L-C压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量环境温度的L-C测温度回路，三个回路分别仅由电感与电容式压敏元件、电感与电容式湿敏元件、电感与电容式热敏元件串联或并联构成，用于以占用有限的空间位置分别在接收到相应的激励震荡波后产生谐振并发射所要求距离和强度的并可测量该高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量的电磁振荡传感信号。

所述L-C压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量环境温度的L-C测温度回路相互分离。

所述高压电气设备内部的传感器各设有一套或多套所述测量压力的L-C测压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量温度的L-C测温度回路，每一个回路中的电感值设定为使该回路谐振频率的频带与其它回路的谐振频带互不干扰。

本发明的有益效果是显然的，采用无线方式，对高压电气设备内SF₆气体的密度、微水含量进行在线监测，避免了与电气设备本体之间的接口设计复杂，密封问题频发等问题，并具有无源、结构简单体积小、占用空间小、可在较远距离无线采集传感信号、费用小、免维护、等一系列突出优点，避免了使用复杂线路的多种传感装置，带有绝缘的传感装置体积过大将无法在待测高压电气设备内部安置，也避免了使用机械波传导信号，机械波传导信号无法实现几十上百米的多频段足够强度的信号传播。能够实时、准确、方便地掌握电气设备中SF₆气体的密度与微水含量，保证高压电力设备的安全可靠运行。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图中：1—高压电气设备，2—电感，3—设备内部天线，4—电容式压敏元件，5—电容式湿敏元件，6—电容式热敏元件，7—后台处理系统，8—信号发生发射器，9—外部发射天线，10—信号接收传送器，11—外部接收天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：如图1中一种实施例所示，所述高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置，包括相互分离而以无线信号在10～500m范围内通过无线信号连通的高压电气设备内部置于SF₆气体环境中的传感器和高压电气设备外部的无线收发装置两部分；所述高压电气设备外部的无线收发装置是与后台处理系统7连通的传感信号采集装置，所述传感信号采集装置包括带外部发射天线9的信号发生发射器8和带有外部接收天线11的信号接收传送器10，用于分别对所述高压电气设备内部的传感器发送激励震荡波和接收传感反馈信号；所述高压电气设备内部的传感器包括均不带电源而分别各带有设备内部天线3的测量气体密度的L-C压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量环境温度的L-C测温度回路，三个回路分别仅由电感2与电容式压敏元件4、电感2与电容式湿敏元件5、电感2与电容式热敏元件6串联或并联构成，用于以占用有限的空间位置分别在接收到相应的激励震荡波后产生谐振并发射所要求距离和强度的并可测量该高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量的电磁振荡传感信号。

所述测量压力的L-C测压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量温度的L-C测温度回路相互分离。

所述高压电气设备内部的传感器各设有一套或多套所述测量压力的L-C测压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量温度的L-C测温度回路，每一个回路中的电感值的设定应保证各自的L-C谐振频率处于互不干扰的频带内。

高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测方法实施例过程如下：

（1）采用电容式压敏元件做电容器件，其弹性膜片为敏感元件，膜片和基体（基板）作为电容的两极板，压力改变时，使膜片变形位移，膜片和基体之间间隙改变，从而电容量发生改变。电容式压敏元件的材料可选用三氧化二铝陶瓷、硅等，电容器的电容量是压力的一个函数，即：

$C=F_1\left(N\right)=C_0[1+\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{16{\mathrm{Eh}}^3}(\frac{r^6}{3}-r^4{R}^2+r^2{R}^4)N]\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中，C为电容式压敏元件的电容量，N为膜片的压力差，C₀为压力差为0时的电容量，μ为材料的泊松比，E为材料的杨氏弹性模量，h为膜片厚度，r为膜片可动电极上的点离膜片中心的距离，R为膜片半径。

由此电容器与一个固定电感构成一个电容电感串联回路。

这个回路的振荡频率满足式（2）关系。

$\mathrm{\ωL}=\frac{1}{\mathrm{\ωC}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

将ω=2πf代入（2）式得

$2\mathrm{\πfL}=\frac{1}{2\mathrm{\πfc}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

由（3）式得频率与电容电感的关系式（4）

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L}\·\sqrt{F_1\left(N\right)}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

由（4）式不难看出是常数，故振荡频率与压力存在一个对应的函数关系。因此，将这个电路中的电容器置于高压电气设备内SF₆气体环境中，就可以得到一个振荡频率随压力变化的一个电路，这个电路是无源的。本发明具有结构简单、费用小、免维护等一系列突出优点。但这个电路正因是无源的，如不注入一个能量，它并不能振荡起来并送出信号，也就取不到监测SF₆气体压力的作用。为解决这个问题，在本发明中是采用在高压电气设备外，设置一个可产生各种频率波信号的信号发生器，这个信号表达式为

U₁(f)=F₂(f)…………………（5）

并通过无线的方式将这一信号发送出去，L-C回路通过天线使电感线圈感应到这一信号，并在电感线圈中产生一个感应电压U₂(f)，一旦这个信号在某个频率f_i时满足了（2）式，这时，由于L、C间达到谐振条件，感应电压U₂(f_i)将在L、C间进行振荡放大，其放大的倍数取决于L的等值电阻R_L，即电压信号U₂(f_i)的放大倍数取决于电感线圈的品质因数，品质因数满足（6）式：

$Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_{i}L}{R_L}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

由于ω_iL的大小不仅决定于L，而且决定于f_i,因此，只要频率f_i足够高，则就足够大，这时电感和电容上的电压U_L(f)和U_C(f)就有：

U_L(f_i)=U_c(f_i)=Q·U₂(f_i)…………………（7）

由于Q足够大，虽然U₂(f_i)很小，但U_L(f_i)、U_c(f_i)亦可达足够大，这两个电压在不断的振荡过程中，将这个信号按约定调制后通过天线发送出来，并由信号接收器解调后发送给后台计算处理，即接收到信号后，就可根据f_i，由（4）式反计算而得到此时待测SF₆气体压力，有：

$N=F_1^{-1}\left({\left(\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L}\·f}\right)}^2\right)\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

其中，为F₁(x)的反函数。

由于电容器置于SF₆气体环境中，而电容量又随SF₆气体压力而变化，SF₆气体压力发生变化，则电容量随之变化，电容量变化了，则压敏电容、电感测量回路的振荡频率随之变化。

（2）采用电容式湿敏元件做电容器件，其薄膜为敏感元件，薄膜吸入水分子后组成异质层的介电常数随相对湿度的变化而改变。电容式湿敏元件的材料可选用高分子聚酰亚胺、醋酸丁酸纤维素、聚苯乙烯、酪酸醋酸纤维以及三氧化二铝等，电容器的电容量是湿度的一个函数，即：

$C=G_1\left(\mathrm{\δ}\right)=C_0+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}{d}\·({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1)\·\frac{{\mathrm{\δ\ρ}}_1}{1+\mathrm{\δ}({\mathrm{\ρ}}_1-1)}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

式中，C为高分子薄膜电容式湿敏元件的电容量，δ为含水率，ε₀为真空介电常数，S，d为电容传感器极板的面积和间距，C₀为湿敏元件没有吸附水分时的电容量，ε₁为湿敏元件没有吸附水分时的相对介电常数，ρ₁为湿敏元件没有吸附水分时的重度，ε₂为水的相对介电常数。

采用同样方法，将高分子薄膜电容式湿敏元件置于SF₆气体环境中，其电容量又随SF₆气体湿度而变化，SF₆气体湿度发生变化，则电容量随之变化，电容量变化了，则湿敏电容、电感测量回路的振荡频率随之变化。

（3）采用电容式温敏元件做电容器件，其介电常数随温度的变化而改变。电容式温敏元件的材料可选用钛酸锶钡陶瓷、导电塑料、高分子材料等，电容器的电容量是温度的一个函数，即：

$C=H_1\left(\mathrm{\δ}\right)=C_0+\frac{\mathrm{\α}(t-t_0)S}{d}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

式中，C为电容式温敏元件的电容量，t为测试温度，t₀为初始温度，C₀为初始温度下的电容量，α为介电常数温度系数，S，d为电容传感器极板的面积和间距。

采用同样方法，将电容式温敏元件置于SF₆气体环境中，其电容量又随SF₆气体温度而变化，SF₆气体温度发生变化，则电容量随之变化，电容量变化了，则温敏电容、电感测量回路的振荡频率随之变化。

经过上述的测量过程即可得到高压电气设备在运行中内部SF₆气体压力、湿度、温度值，经后台计算处理系统计算出SF₆气体密度、微水含量，并通过后台监视系统实时显示，同时完成SF₆气体密度、微水含量的变化曲线。特别是可以经后台计算处理系统实时地进行横向比较等专家系统的分析判断，而及时发现高电压电气设备运行中SF₆气体密度、微水含量异常的问题，并启动报警系统，避免故障扩大，而达到提高电力系统安全运行之目的。

需要说明的是，本实施例中，3个L-C回路的电感值应合理选择，保证3个L-C回路的谐振频率在3个不同的区间，以避免信号接收器接收到的3个频率信号出现混淆；另外，L-C回路在高压电气设备内部的安装布置应不影响高压电气设备内部的电场分布。

显然，图1所示的SF₆气体密度、微水含量在线监测系统可以由3个L-C回路构成一个点的密度、微水含量在线监测系统，也可由若干个L-C回路，构成多点的密度、微水含量在线监测系统。

Claims (3)

1.一种高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置，其特征是：

包括相互分离而以无线信号在10～500m范围内通过无线信号连通的高压电气设备内部置于SF₆气体环境中的传感器和高压电气设备外部的无线收发装置两部分；

所述高压电气设备外部的无线收发装置是与后台处理系统（7）连通的传感信号采集装置，所述传感信号采集装置包括带外部发射天线（9）的信号发生发射器（8）和带有外部接收天线（11）的信号接收传送器（10），用于分别对所述高压电气设备内部的传感器发送激励震荡波和接收传感反馈信号；

所述高压电气设备内部的传感器包括均不带电源而分别各带有设备内部天线（3）的测量气体密度的L-C压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量环境温度的L-C测温度回路，三个回路分别仅由电感（2）与电容式压敏元件（4）、电感（2）与电容式湿敏元件（5）、电感（2）与电容式热敏元件（6）串联或并联构成，用于以占用有限的空间位置分别在接收到相应的激励震荡波后产生谐振并发射所要求距离和强度的并可测量该高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量的电磁振荡传感信号。

2.根据权利要求1所述的高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置，其特征是：所述L-C压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量环境温度的L-C测温度回路相互分离。

3.根据权利要求1所述的高压电气设备内SF₆气体密度、微水含量在线监测装置，其特征是：所述高压电气设备内部的传感器各设有一套或多套所述测量压力的L-C测压力回路、测量湿度的L-C测湿度回路、测量温度的L-C测温度回路，每一个回路中的电感值设定为使该回路谐振频率的频带与其它回路的谐振频带互不干扰。