CN104145189A - 无线传感器装置和包括所述无线传感器装置的系统 - Google Patents

无线传感器装置和包括所述无线传感器装置的系统 Download PDF

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CN104145189A CN201280058283.4A CN201280058283A CN104145189A CN 104145189 A CN104145189 A CN 104145189A CN 201280058283 A CN201280058283 A CN 201280058283A CN 104145189 A CN104145189 A CN 104145189A
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J·斯韦德隆德
K·于梅尔
J·里斯马茨
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Abstract

一种用于高压环境的无线传感器装置(10)，该装置(10)包括外壳(12)、用于监测一个或多个变量(T)的控制单元(18)和供电单元(20)，其中所述外壳(12)被设计成使得电场(E)最小化，且所述通信单元(16)至少部分布置在所述外壳(12)内部。

Description

无线传感器装置和包括所述无线传感器装置的系统
技术领域
本发明涉及一种无线传感器装置。更具体地说，本发明涉及一种用于诸如电力生产、传输和分布的高压环境的无线传感器装置以及用于铁路的电力系统。
本发明还涉及包括多个这种传感器装置的系统。
背景技术
如今，诸如具有开关设备的高压系统的高压应用是众所周知的。尤其是包含独立的断路器和断开连接装置(disconnector)的开关设备，或具有所谓的“断开断路器”的组合单元被用于例如变电站中。简言之，断开连接装置就是机械功率开关。
本文中通常由术语“高压”表示处于6kV-1400kV范围内的电压。电流可以高达比如说6000A，但在这种高压应用中通常不高于2000-3000A。这些大电流可能由于断开连接装置的电阻增大而导致断开连接装置内温度过高，尤其是如果断开连接装置劣质或磨损。因此，有时在断开连接装置或有大电流通过其流动或其在工作中受大电流影响的其他机械零件最终被磨损之前很久，就更换它们，从而大大减少了其工作时间。由于过早更换机械零件，这当然是繁琐并且昂贵的。
如今，为了能够延长断开连接装置或有大电流流过的其他机械零件的工作时间，测量断开连接装置或有大电流流经的其他机械零件中的温度，例如通常每年工作时进行几次热拍摄。热拍摄的缺点在于，由于这是一种繁琐并且昂贵的方法，因为实际和经济原因，无法实现断开连接装置或其他机械零件中温度的频繁测量。在断开连接装置或其他机械零件的更换期间，必须断电，这是又一缺点，原因是由于断电而降低了可用性。
本文中，术语“不可用性”是指没电可用的时间部分。在开关设备中断开连接装置温度增加时，一个可能的故障是断开连接装置退化，最终，发展成明弧，导致灾难性的故障及导致至少部分开关设备崩溃的电力输送中断。因此，开关设备中断开连接装置或其他机械零件的温度监测至关重要。
包括温度传感器装置的常规传感器装置通常存在由于电晕效应，或由于高压环境的火花导致的问题。实际上，由于火花或电晕效应破坏传感器装置，或至少削弱测量，使得它们完全无法使用。
因此，测量诸如高压环境下温度的参数，尤其是对连续测量参数而言，存在若干问题。
据我们所知，用现有技术的传感器装置更换工作中的传感器装置而不断电也是不可能的。
因此，还需要能够做到这一点，例如，以便能够提高可用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器装置，用于在高压环境中测量诸如温度的参数，尤其是在工作期间连续监测参数。
根据本发明的实施例，提供了一种用于高压环境并且被布置成与中央单元进行无线通信的传感器装置。所述无线传感器装置包括围绕控制单元、通信单元和供电单元的外壳，所述控制单元用于测量和/或监测诸如温度的一个或多个参数，所述通信单元包括天线或光通信模块。所述外壳由金属制成并且被设计成传导电流，使得电场和/或电压被最小化，所述通信单元包括被布置于外壳内部或与所述外壳集成的天线或光通信模块，其中所述通信单元没有突出到外壳外部的部分。
通过这种方式，提供了一种适用于高压环境，例如安装在断开连接装置上的无线传感器装置，该传感器装置不会有因为电晕效应导致的问题或因高压环境导致的火花，因为传感器装置没有突出部分，并被设计成因为没有锐利边缘的圆形设计而耐受高电场和/或电压。
像所有测量或监测那样，测量或监测温度的原因是通过在失效发展成故障之前给出警报来避免失效。警报应当足够早，以在适当时刻做出可能的有用预防措施。于是，频繁或连续的温度监测是一个大的优点。这是利用本发明实现的。
由于可以通过本发明的装置连续无线监测流经大电流的机械部分，由于能够避免中断而提高了可靠性，因为可以将这些机械部分的故障作为温度升高而预先监测到。
也可以在工作期间更换本发明的传感器装置，从而无需断电。这可以利用所谓的常规“热棒”来实现，它基本是一个绝缘的竿(pole)，允许服务人员在工作期间安装传感器装置。通过这种方式，进一步使不可用性最小化，因为无须断电。
典型地，传感器单元包括温度传感器或布置成与温度传感器进行通信，温度传感器例如是红外传感器，用于测量或监测参数，例如外壳外部和内部的温度。
根据本发明的另一实施例，所述控制单元被布置成产生由诸如超过设定阈值的外部温度(Toutside)的被监测参数触发的一个或多个警报。
通过这种方式，可以利用自动或人工警报产生来实现若干年的长期监测。本发明传感器装置的其他优点是尺寸小、准确度高、老化慢以及价格可承受。价格可承受是很重要的，因为可能需要大量的传感器装置，例如每个变电站100个。
根据本发明的实施例，还提供了一种包括多个传感器的传感器装置系统，传感器被布置成与中央单元进行通信，所述中央单元被布置成经由用户界面与用户进行通信，所述用户界面例如是能够访问因特网的PC(个人计算机)，用于运行基于Web的通信程序并控制传感器装置。
附图说明
由下文的详细描述及附图，本发明的特征和优点将变得更显而易见，附图中：
图1a示出了根据本发明的实施例，用于在高压环境中应用的分解的无线传感器装置的透视图；图1b是组装后的图1a中相同传感器装置的透视图；图1c是图1b所示相同传感器装置的后视图。
图2示出了如图1所示安装在断开连接装置上的无线传感器装置；
图3示出了根据本发明的实施例，包括用于与图1a-c和图2所示的无线传感器装置进行通信的中央单元和通过Web界面的操作器的传感器装置系统；以及
图4示出了利用本发明的传感器装置和系统通过Web界面监测温度的图表。
具体实施方式
现在参照图1a，其示出了根据本发明的实施例，分解的传感器装置的透视图，下文将描述本发明的原理。
图1a示出了根据本发明的实施例，适合在高压环境或中压环境中应用的无线传感器装置10，例如将传感器装置10安装到变电站(未示出)中的断开连接装置(该图中未示出)上。传感器装置10包括至少部分地包围通信单元16、用于测量和/或监测一个或多个参数的控制单元18的外壳12，所述参数例如为通过温度传感器15(见图1C)测量的外壳12外部温度Toutside。通常，温度传感器15还被布置成测量外壳12的内部温度Tinside。通信单元16通常包括天线和组合接收器/发送器，所谓的“收发器”(为简单起见未明确示出)，用于与外部中央单元(未示出)的无线通信。在该图中，通信单元16作为天线部分被示出，这里为具备金属的盘。或者可以将收发器部分地或完全地布置在控制单元18中或被布置成与控制单元通信。传感器装置10是一种自供电装置10，还包括供电单元20用于为所有单元15、16、18供电，本文中为适合的长寿命电池，具有比如说10年的工作寿命，假定每10分钟进行采样。温度传感器15、通信单元16、控制单元18和供电单元彼此耦合。通常包括盖12a，基板12b的外壳12是圆的并由金属制成，所述金属例如为经过或未经表面处理的铝或不锈钢，并被设计成没有尖锐的边缘等，以使电场E(换言之，电压)最小化。外壳12还包括天线部分16。在天线部分16上，还提供了例如由塑料或任何其他合适的材料制成的上层16b。通常，为上层16b提供文本或其他符号。外壳的材料选择通常是能否容易地加工的问题。因此，铝常常被选作盖12a和基板12b。由于外壳12没有尖锐的边缘，尽管传感器装置10周围是高压环境，但电晕效应将减弱或完全不呈现，并提供无线传感器装置10，以避免高压环境问题。这已在大量实验中被证实。可以通过由软件控制的可编程处理器和相应存储器，或仅通过硬件实现控制单元18。通常，在印刷电路板17上提供控制单元18和供电单元20。通常包括电子设备或电路的通信单元16和/或用于通信的软件及天线部分也在印刷电路板17上被提供或连接到印刷电路板17。
传感器装置10中的控制单元18可以具有多种功能。例如，控制单元18控制温度传感器15，并且如果有的话，控制任何附加的传感器(未示出)，它控制与外部中央单元30的通信，它可以将温度信息与传感器装置10的识别信息混合，并且它控制从供电单元20供电。由于传感器外壳12的尺寸小，电子设备的范例可以是适当的表面安装集成电路。
在两个环中间还提供了握柄13，用于由热棒(未示出)承载的安装工具紧握。选择外壳12的体积，从而提供谐振腔装(槽)天线16，用于产生与外部中央单元11进行通信的无线电波。整个外壳12将作为天线。天线部分16可以是天线pcb16并通常体现为布置在外壳12内的天线，或与外壳12集成并布置在印刷电路板17的槽天线。可以通过诸如同轴电缆或柔性电缆的导体16a将天线pcb16连接到印刷电路板17的电路(未明确示出)。同轴电缆16a可以被永久地连接或者是可释放的。通常导体16a的阻抗与电路和天线部分16相匹配。
另一种类型的天线，诸如偶极子天线，或甚至贴片天线，可以用于代替上文所述的天线，条件是没有零件向外壳12外突出。在提供偶极子天线的情况下，可能必须在外壳12中提供孔。向外壳12外突出的零件可能在高压环境下遭受电晕效应和火花影响，因此是不合适的。例如用于目前已知的传感器装置中的贴片天线将无法工作，因为电晕效应会破坏传感器装置。
作为天线的替代，可以布置通信单元16，用于与接收器11进行光通信。例如IR-LED(红外发光二极管)可以用作发射机，以向集成IR-接收机发送温度数据。
图1b示出了与图1a相同但组装了的传感器装置的透视图。上层16b可以是具有被设计成配合到盖12a中的直径的圆盘，被安装得略低于周围盖的边缘。通过这种方式，击中传感器装置的火花将更可能击中盖12a的边缘12d(也见图1a)，而不是外壳内的上层16b或电子设备。外壳12的典型尺寸为几厘米的高度H，比如说3cm和比如说10mm的足够大的角半径。外壳12外侧表面的大部分是凸的，并且尤其是具有足够大的半径，这样减少了高压环境下的火花/电晕问题。半径/高度的比值R/H决定了体积V。
选择体积V，以避免电晕效应，但根据无线电要求，需要尽可能小的体积Vmin。
在这个具体实施例中，外壳12被设计为彼此面对的两个环，但也可以采用具有特定体积V，对应于特定半径R和高度H并被设计成无突出部分和/或尖锐边缘的其他圆形设计代替。大量的计算和实验表明，高度约30mm，具有约5mm角半径的外壳12受约10kV/m的场强影响，这低于电晕问题的极限，在干燥气氛中该极限约为17-18kV。
传感器15可以是常规的温度传感器，例如用于测量或监测外壳12的外部温度Toutside和内部温度Tinside的红外(IR)传感器。IR传感器15通过基板12b中提供的眼12e看并监测传感器装置安装到的表面的温度。还可以应用其他类型的传感器，包括任何合适的全数字化设计类型的传感器。
在本发明的本具体实施例中，基板12b包括用于将传感器装置10附着到断开连接装置(未示出)的带式紧固模块13。带式紧固模块13通常是自身为常规型的高质量工业双面粘接带。可以将附加的金属板(未示出)安装到眼12e上，那么温度传感器15可以是红外之外的另一种类型。还可以提供密封板15a和/或传感器座15b(见图1a)。
图2示出了所谓的“中心突破断开连接装置”20，其两个旋转的后绝缘子22用于打开和关闭开关。通常，断开连接装置20和无线传感器装置10位于诸如变电站的高压环境中。变电站和断开连接装置20自身可以是任何常规类型。所测量或监测的温度与通过传感器装置10所安装的断开连接装置20的电流相关。
图2示出了安装到三相系统P1、P2、P3中的断开连接装置20的图1中的无线传感器装置10。通常，多个，例如，三个传感器装置10被安装在每一断开连接装置20上，每一旋转臂22上一个，一个在断开位置所示的两个旋转臂22的中间，即开关打开。通常，为三相P1、P2、P3的每一相提供三个传感器装置10。每一相，例如第一相P1，可以具有不同于分别具有温度T2和T3的其他相P2、P3的温度T1。下文将进一步说明这一点。
或者，包括卡扣紧固模块的基板用于将传感器装置附着到电缆导体(未示出)。卡扣紧固模块可以包括一个用于固定传感器装置的卡扣紧固元件和一个用于在电缆导体上扣紧卡扣紧固模块的卡扣紧固元件。
图3示出了根据本发明的实施例，包括多个传感器10的传感器装置系统40，多个传感器10通常被安装在多个断开连接装置(为了简单而未示出)上，通过利用例如868，或2.4GHz MHz波段的无线电设备与位于变电站(未示出)的中央单元30进行通信。中央单元30通过传统的线或诸如3G/GSM、GPRS、LTE的无线通信与通常位于别处而非变电站的用户进行通信。通过这种方式，可以通过用户界面42，例如访问互联网以运行基于Web的程序以与传感器装置10通信并控制其的PC，将用户定位于物理地访问传感器装置10的几乎任何地方。由于传感器装置10均具有与测量信息一起发送的其自身的识别码，若干传感器装置10可以向同一中央单元30发送。然后中央单元30将接收的测量信息发送到用户界面42，在此将其转换为呈现给用户的格式。
为保持传感器装置10中电子设备的低复杂性，可以将中央单元30和/或用户界面42中的软件制作得更精密，从而能够识别传感器10并计算温度T1、T2、T3或不同传感器装置之间温度T1、T2、T3的差，以产生警报。
传感器装置10通常是利用用户界面42基于Web的程序由用户控制的，其中，诸如断开连接装置的机械导体允许的电流负荷的计算还将诸如空气湿度、风、太阳的环境条件考虑在内。资产数据库可以包含关于导体的信息并是基于网络的程序的一部分。
还可以布置软件以将测得的数据与任何选择的警报标准进行对比。警报和历史数据可以用于向用户产生提示和警报。
图4例示了这一点，其示出了利用传感器装置通过Web界面监测温度的图表。
最简单的警报标准可以是为高于特定类型的断开连接装置，或任何其他的机械零件允许的温度提供警报，通常由IEC标准或任何其他标准给出。如果温度，这里为第三相L3的温度超出了设置的阈值“警报”，将自动或手动产生警报。术语“手动地”表示在超出阈值时，用户报警。
另外，更复杂的警报可以是使用系统中的三相P1、P2、P3以对比它们之间的温度T1、T2、T3。
在断开连接装置是新换的时，电阻图案在三相P1、P2、P3之间可能不同，但通常相差并不多，但如果任何一相具有较高电阻时，工作一段时间后，可能不同。因此，可以对比三相P1、P2、P3，并且如果三相中的任何一相超出了设置的阈值“警报”，或如果三相P1、P2、P3的温度T1、T2、T3不同，超过另一设置的阈值，可以触发警报。在该图中，示出了第三相P3如何超出设置的阈值“警报”。还可以由任何其他设置的阈值或参数触发警报，诸如温度传感器装置内外温度之间差异过大。
如果实时监测温度T1、T2、T3，可能传导比断开连接装置额定电流更高的电流。因此，可以在由传感器装置系统40控制的受控条件下使断开连接装置过载。这可以至少部分通过软件实现。
于是，本发明甚至提供温度监测，以使故意短期的过载也是可能的。对于断开连接装置而言，开关设备的时间常数可能是约30分钟。这意味着对于短的时间周期而言，可以超过其额定电流对开关设备加载而不超出允许的最高温度，尤其是如果过载从低于额定电流的水平开始时。利用本发明的温度监测，可以避免开关设备的温度过高。这可以至少部分通过软件实现。
根据本发明的替代实施例，传感器装置10包括水位指示器。然后在水位超出设置的阈值的情况下，向中央单元30发送报警信号。
电源可以是具有长达12年工作时间的电池，所述工作时间取决于多久测量/监测并向接收器报告一次参数。测量/报告之间更长的时间间隔增加了电池工作的时间。典型的时间间隔为10分钟。还可以控制发射机功率，以便如果可能，使用最佳功率或降低了的发射机功率。
或者，由于测量仅在电流在诸如被测量/监测的断开连接装置臂22的机械零件中流动时才是重要的，所以可以利用感应功率发电机单元(未示出)使用围绕断开连接装置臂22的交变磁场为传感器装置10供电。例如，可以通过在断开连接装置臂22的周围并通过线圈安装一条变压器板来提供它。线圈提供对传感器装置10而言足够的输出电压，条件是初级电流足够高，比如说>40A(50Hz)。感应功率发电机单元通常被设计成耐受可能发生的大电流。通常，控制单元18中的传感器电子设备整流并调节来自线圈的供电电压。备选布置可以包括被布置成基本上彼此垂直的线圈。
尽管在整个以上描述中，该技术已被描述为与用于监测用于断开连接装置上的温度的传感器装置有关，但本文中完全考虑到能够对高压环境下要监测或测量的任何参数执行本文中描述的实施例。因此，如上文所述的传感器装置应当被视为只是目前所述装置的实施例。
上文的详细描述旨在例示并提供本发明的更容易理解，不应当被解释为限制。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，替代实施例将变得显而易见。

Claims (16)

1.一种无线传感器装置(10)，用于高压环境并且被布置成与中央单元(30)进行无线通信，所述装置(10)包括围绕控制单元(18)和供电单元(20)的外壳(12)，所述控制单元(18)用于监测一个或多个参数，例如温度(T)，其中所述外壳(12)由金属制成并且被设计成使得E场(E)最小化，并且所述通信单元(16)至少部分被布置在所述外壳(12)内部。
2.根据权利要求1所述的无线传感器装置(10)，其中所述通信单元(16)包括与所述外壳(12)集成的天线。
3.根据权利要求1所述的无线传感器装置(10)，其中所述通信单元(16)包括被布置在所述外壳(12)内部的天线。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述控制单元(18)包括温度传感器(15)或被布置成与温度传感器(15)进行通信，所述温度传感器用于测量或监测所述外壳(12)外部的温度(Toutside)。
5.根据权利要求4所述的无线传感器装置(10)，其中所述传感器(15)被布置成还测量内部温度(Tinside)。
6.根据权利要求1-6中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述控制单元(18)被布置成产生由诸如外部温度(Toutside)的被监测参数触发的一个或多个警报。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述控制单元(18)被布置成产生由历史参数触发的一个或多个警报。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述传感器装置(10)被布置成连续监测一个或多个参数，例如外部温度(Toutside)。
9.根据权利要求2或3所述的无线传感器装置(10)，其中所述通信单元(16)的天线槽被布置在印刷电路板(17)上。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的无线传感器装置(10)，还包括主电路板(17)，所述主电路板包括所述控制单元(18)和电源(20)。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述基板(12b)包括用于附着所述传感器装置(10)的紧固模块(13)。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述基板(12b)包括用于将所述传感器装置(10)附着到断开连接装置的带式紧固模块(13)。
13.根据权利要求1-11中的任一项所述的无线传感器装置(10)，其中所述基板(12b)包括用于将所述传感器装置(10)附着到电缆的锁扣紧固模块(13)。
14.一种传感器装置系统(40)，包括被布置成与控制单元(30)进行通信的多个传感器(10)，所述控制单元(30)被布置成经由用户界面(42)与用户进行通信，所述用户界面例如是能够访问互联网的PC，用于运行基于Web的通信程序并且控制所述传感器装置(10)，其中每个装置(10)包括围绕控制单元(18)和供电单元(20)的外壳(12)，所述控制单元用于监测一个或多个参数，例如温度(T)，其中所述外壳(12)由金属制成并且被设计成使得E场(E)最小化，所述通信单元(16)被部分布置在所述外壳(12)内部。
15.根据权利要求14所述的传感器装置系统(40)，其中所述系统(40)被布置成比较来自一个或多个传感器(10)的至少两个温度(T1，T2)之间的温度差，如果所述温度差超过设定阈值(T)则产生警报。
16.根据权利要求15所述的传感器装置系统(40)，其中所述系统(40)被布置成实时监测温度(T1，T2，T3)，并且使所述断开连接装置过载，使得能够传导更高电流并且使用比所述断开连接装置允许的或在常规变电站中能够使用的更高电压。
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