CN104458053A - 基于声表面波技术的gis内部母线运行温度的在线监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统及监测方法，该系统包括采集器和SAW温度传感器，所述的采集器安装在气体绝缘开关的外壳上，母线内置在气体绝缘开关的外壳内，所述的SAW温度传感器为无源无线的温度传感器，所述SAW温度传感器安装在母线的触头处，所述采集器用于向所述SAW温度传感器发射无线射频信号作为SAW温度传感器的激励信号，通过采集器和SAW温度传感器气体绝缘开关内部母线的运行温度。该系统充分利用声表面波技术的特点，在保证GIS内部绝缘性能的前提下，实现GIS内部绝缘开关运行温度的在线监测。本发明同时公开了该监测方法。

Description

基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于声表面波技术的GIS内部高压导体运行温度的在线监测系统及监测方法，具体是指基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统及监测方法。

背景技术

气体绝缘开关(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)加工工艺严格、技术先进，采用SF6气体为绝缘介质，具有良好的开断能力、绝缘性能和灭弧性能，以及检修周期长、故障率低、维护费用少、占地面积小等优点，目前被广泛应用于电力系统中。

但是当GIS设备中的内部高压导体触头接触不良时，由于接触电阻变大，在负载电流流过时会产生过热现象。触头、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路，形成重大事故，造成巨大的经济损失。因此，需要对高压导体的最高温度进行监测。

气体绝缘开关内部的隔离开关、断路器和母线均为气体绝缘开关的高压导体，隔离开关的最高温度值常发生在开关触头处，断路器的最高温度值常发生在屏蔽罩外的高压导杆，母线的最高温度值常发生在母线触头处，对最好温度值的监测是判断高压导体是否出现过热现象的重要手段。

电力系统中GIS对内部设备要求比较苛刻，气室内部不允许存在金属尖端、毛刺和灰尘等杂志，且GIS的维修与维护比较复杂。传统技术对高压导体最高温度值的监测通常采用温度传感器直接接触高压导体来测温的。传统的温度传感器需要外部供电或蓄电池供电，设备的维修及电池的更换都极为不便。所以就其取电方式来说，传统的温度传感器是不可取的。

声表面波技术是一种无源无线的传感器技术，采用声表面波技术的温度传感器称之为声表面波温度传感器，即SAW温度传感器，该SAW温度传感器为无源无线的温度传感器，使用时不需要电源和连接线，仅通过采集器向其发射无线射频信号作为激励信号便可触发其工作。SAW温度传感器具有高灵敏度、低功耗、零排放、免维护等特点，且由于SAW温度传感器采用全密封多腔体屏蔽设计，具有极强的电磁兼容性和抗干扰能力，并配有独特的天线门控抑制干扰信号技术，几乎能完全去除空间电磁干扰，实现强干扰环境下的温度在线监测，安装后不影响原有设备的绝缘性能，因而适合在GIS设备等全封闭式空间内对设备内部的诸如高压导体等部件进行温度的在线实时监测。

一般的SAW器件主要包括压电基片、叉指换能器(IDT)和反射栅等结构。其中IDT是一种用于在压电基片上激发SAW的声电转换器，是SAW器件的核心结构。在压电基片上通过平面半导体工艺周期性设置一对平行的金属电极即可构成IDT，当在IDT两端加上交变电压时，会在IDT下面的压电基片的表面和表面附近的空间产生交变电场，并通过逆压电效应在压电基片表面产生相应的弹性形变，从而激发SAW。

根据国内外学者对SAW器件多年的研究可知，不同压电材料对温度的敏感度不同，通过选择合适的压电基片材料和晶体切型，可以获得温度灵敏度高且温度频率特性呈线性的SAW温度传感器。根据器件结构的分布方式，SAW温度传感器可以分为延迟线型和谐振型两种。其中在延迟线型的SAW温度传感器上，反射栅只在IDT的单侧出现，当外界温度变化时，压电基片上IDT激发的SAW传播速度会发生变化，使得激励信号和经过反射栅返回的回波信号在出现时延或相位变化，因此通过检测信号的时延或相位差即可得到温度信息。而在谐振型SAW温度传感器上，反射栅对称分布在IDT的两侧，当IDT激发的SAW的频率与反射栅阵的尺寸匹配时SAW经过反射阵列的来回反射能够形成朱波，达到谐振状态，该谐振频率由叉指换能器的叉指间距和SAW的传播速度决定。当外界温度变化时，压电基片上IDT激发的SAW传播速度会发生变化，导致SAW温度传感器的谐振频率发生变化，通过检测SAW温度传感器的谐振频率变化即可得到温度信息，因此SAW温度传感器也称为SAW谐振器。

近年来，声表面波(Surface Acoustic Wave，简称SAW)技术的研究与应用已相当成熟和广泛，但是，至今为止真正的采用无源无线技术对GIS设备内部高压导体温度进行在线监测的装置和方法在国内外电力行业中尚未出现。

发明内容

本发明的目的之一是提供基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，该系统充分利用声表面波技术的高灵敏度、低功耗、零排放、免维护等特点，在保证GIS内部绝缘性能的前提下，实现GIS内部绝缘开关运行温度的在线监测。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现的：基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，其特征在于：该系统包括采集器和SAW温度传感器，所述的采集器安装在气体绝缘开关的外壳上，母线内置在气体绝缘开关的外壳内，所述的SAW温度传感器为无源无线的温度传感器，所述SAW温度传感器安装在母线的触头处，所述采集器用于向所述SAW温度传感器发射无线射频信号作为SAW温度传感器的激励信号，所述的SAW温度传感器激发后感测与之相接触的母线的触头处的温度，同时发射出与所感测的温度相对应的谐振信号，返回给所述的采集器，所述的采集器接收到该返回的谐振信号后，通过测量该谐振信号的频率即可得到温度值，该温度值即为母线的触头处的温度值，为母线运行时的当前温度值，从而判断母线是否出现过热现象。

本发明中，所述母线的触头处涂覆有一层导热硅脂，以增大SAW温度传感器的接触面积，提高导热效率。

本发明中，所述导热硅脂采用高导热绝缘有机硅材料，能够在-50℃～+230℃的温度下保持脂膏状态。

本发明中，所述的SAW温度传感器包括天线、叉指换能器、反射器和压电基片，天线、叉指换能器和反射器均集成在压电基片上，所述的反射器为两个，呈左、右状分布，所述的压电基片安装在母线的触头处，直接与母线的触头处相贴紧接触，所述的天线用于接收所述采集器发射来的无线射频信号，通过叉指换能器的逆压电效应在压电基片表面激活一个声表面波，该声表面波沿压电基片传播，被两个周期性的反射器反射形成所述的谐振信号，谐振的频率与压电基片的温度存在对应关系，所述的叉指换能器通过压电效应将声表面波转变成应答的谐振信号输出，输出的谐振信号被所述采集器接收。

本发明的目的之二是提供基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测方法，该方法操作简单，能够实现GIS内部绝缘开关运行温度的在线监测，并且测量结果准确。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现的：基于声表面波技术的气体绝缘开关内部母线运行温度的在线监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)对母线进行表面处理，在母线的触头处涂覆层导热硅脂；

(2)将采集器安装在气体绝缘开关的外壳上，SAW温度传感器安装在母线的触头处；

(3)通过采集器向SAW温度传感器发射无线射频信号触发SAW温度传感器来进行测量，获得母线的触头处的温度值，该温度值为母线运行时的最高温度值，从而判断母线是否出现过热现象。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

(1)本发明采用采集器与SAW温度传感器进行电力系统GIS内部母线运行温度的在线监测，无需电源，不存在供电和电池更换问题，具有高灵敏度、低功耗、零排放、免维护等特点，较好的满足了GIS对在线监测设备的要求。

(2)本发明的SAW温度传感器采用全密封多腔体屏蔽设计，具有极强的电磁兼容性和抗干扰能力，并配有独特的天线门控抑制干扰信号技术，几乎能完全去除空间电磁干扰，实现强干扰环境下的温度在线监测，安装后不影响原有设备的绝缘性能，在保证GIS内部绝缘性能的前提下，实现GIS内部母线运行温度的在线监测。

(3)本发明为实时在线监测，能够对电力系统GIS设备内部故障进行有效的预防，避免出现大的事故，节约成本，同时也能有效预防因为安装所产生的安全隐患，无需破坏GIS结构，不影响GIS性能。

(4)本发明为电力系统GIS内部母线运行温度的在线监测提供了可靠有效的手段，保证了电网的安全运行，具有广泛的市场应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明在线监测系统的使用状态参考图；

图2为本发明在线监测系统中SAW温度传感器的结构示意图；

图3是本发明在线监测系统所测量的温度值，其中横坐标表示所测量的温度值，纵坐标表示SAW温度传感器的谐振频率，该谐振频率就是采集器所采集的谐振信号。

附图标记说明

1、采集器；   2、SAW温度传感器；   21、天线；   22、叉指换能器；

23、反射器；   24、压电基片；   3、母线；   4、外壳

具体实施方式

如图1、图2所示的基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，该系统包括采集器1和SAW温度传感器2，采集器1采用成都赛康科技有限公司生产的WPTM-RR-SC采集器，采集器的频段是429～436MHz，SAW温度传感器2也为成都赛康科技有限公司生产，SAW温度传感器的频段分别为429MHz、431MHz、432MHz、433MHz、435MHz、436MHz六个，采集器1安装在气体绝缘开关的外壳4上，母线3内置在气体绝缘开关的外壳4内，SAW温度传感器2为无源无线的温度传感器，SAW温度传感器2安装在母线3的触头处。

采集器1用于向SAW温度传感器2发射频段是429～436MHz的无线射频信号作为SAW温度传感器2的激励信号，SAW温度传感器2激发后感测与之相接触的母线3的触头处的温度，同时发射出与所感测的温度相对应的谐振信号，返回给采集器1，采集器1接收到该返回的谐振信号后，通过测量该谐振信号的频率即可得到温度值，该温度值即为母线3的触头处的温度值，为母线3运行时的当前温度值，从而判断母线3是否出现过热现象。

如图2所示，本实施例中的SAW温度传感器2包括天线21、叉指换能器22、反射器23和压电基片24，天线21、叉指换能器22和反射器23均集成在压电基片24上，反射器23为两个，呈左、右状分布，压电基片24安装在母线3的触头处，直接与母线3的触头处相贴紧接触，天线21用于接收采集器1发射来的无线射频信号，通过叉指换能器22的逆压电效应在压电基片24表面激活一个声表面波，该声表面波沿压电基片24传播，被两个周期性的反射器23反射形成谐振，谐振的频率与压电基片24的温度存在对应关系，叉指换能器22通过压电效应将声表面波转变成应答的谐振信号输出，输出的谐振信号被采集器1接收，采集器1所接收的谐振信号即是SAW温度传感器2发射出来的谐振信号。

本实施例的工作原理和工作过程如下：采集器1向SAW温度传感器2发射无线射频信号作为SAW温度传感器2的激励信号，激发SAW温度传感器2工作。采集器1发射的无线射频信号为429MHz～436MHz之间的正弦间歇波，SAW温度传感器2的天线21接收该无线射频信号，通过叉指换能器22的逆压电效应在压电基片24表面激活一个声表面波。声表面波沿压电基片24传播，被左右两个周期性反射器23反射形成谐振信号，该谐振频率与压电基片24的温度有关。

叉指换能器22通过压电效应将声表面波转变成应答的谐振信号输出。返回的谐振信号被采集器1接收，通过测量谐振的频率即可得到温度值，所得到的温度值即为母线的触头处的温度值，通常母线触头的温度值超过125℃为过热。

本实施例中通过采集器1激发SAW温度传感器工作，并且通过采集器1获得SAW温度传感器的谐振频率，其过程如下：

1.采集器发送激励信号给SAW温度传感器；

2.SAW温度传感器产生谐振；

3.SAW温度传感器谐振频率通过回波信号传回采集器；

4.采集器通过返回的谐振频率，获得温度值，该温度值即为母线的触头处的温度值。

本实施例的测量结果如图3所示，测量结果显示母线没有出现过热现象。

本系统采用的SAW温度传感器工作频率在429MHz-436MHz之间，本系统采用正弦信号作为激励信号，利用谐振激励的方式获得传感器信息。系统的工作过程分为两个周期：在系统的发送周期，由后端处理系统控制READER产生某一频率的间歇正弦信号，经过滤波放大后由天线辐射出；辐射出的信号被SAW温度传感器接收后，经过逆压电效应转换为同频SAW。在系统的接收周期，后端处理系统控制READER通过天线接收SAW温度传感器返回的回波信号，经过滤波放大处理后转换为数字信号。根据信号处理的结果调整闭环系统的参数，实现自动跟踪调整，达到谐振激励的状态，从而最终实现温度值的准确测量。

作为本实施例的变换，可以先对对母线3进行表面处理，母线3的触头处涂覆有一层导热硅脂，以增大SAW温度传感器2的接触面积，提高导热效率。该导热硅脂采用高导热绝缘有机硅材料，具体材料为有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料制成的导热型有机硅脂状复合物，能够在-50℃～+230℃的温度下保持脂膏状态

上述的导热硅脂采用高导热绝缘有机硅材料即可，能够在-50℃～+230℃的温度下保持脂膏状态。

本发明中，SAW温度传感器2的安装位置根据电力系统GIS内部高压导体温度变化分布以及安装的可行性来确定，一般安装在高压导体的最高温度处，例如，对于隔离开关安装在开关触头处，断路器则安装在屏蔽罩外的高压导杆，母线则安装座在母线触头处，从而实现对高压导体最高温度值的监测。SAW温度传感器2结构及抗电磁干扰能力设计根据GIS内部空间电磁干扰信号分布、传感器内部腔体结构特点以及采集器天线门控抑制干扰信号的发送规律来进行设计。采集器的发射功率根据GIS设备中不同SF6气体压力的断路器、隔离开关、母线间隔进行发射功率调整，以补偿SF6气体对于监测信号的吸收效应。

本发明同时提供了基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测方法，该方法包括如下步骤：

(1)对母线3进行表面处理，在母线3的触头处直接涂覆一层导热硅脂；

(2)将采集器1安装在气体绝缘开关的外壳4上，SAW温度传感器2安装在母线3的触头处；

(3)通过采集器1向SAW温度传感器2发射无线射频信号触发SAW温度传感器2来进行测量，获得母线3的触头处的温度值，该温度值为母线3运行时的最高温度值，从而判断母线3是否出现过热现象。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，其特征在于：该系统包括采集器和SAW温度传感器，所述的采集器安装在气体绝缘开关的外壳上，母线内置在气体绝缘开关的外壳内，所述的SAW温度传感器为无源无线的温度传感器，所述SAW温度传感器安装在母线的触头处，所述采集器用于向所述SAW温度传感器发射无线射频信号作为SAW温度传感器的激励信号，所述的SAW温度传感器激发后感测与之相接触的母线的触头处的温度，同时发射出与所感测的温度相对应的谐振信号，返回给所述的采集器，所述的采集器接收到该返回的谐振信号后，通过测量该谐振信号的频率即可得到温度值，该温度值即为母线的触头处的温度值，为母线运行时的当前温度值，从而判断母线是否出现过热现象。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，其特征在于：所述母线的触头处涂覆有一层导热硅脂，以增大SAW温度传感器的接触面积，提高导热效率。

3.根据权利要求2所述的基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，其特征在于：所述导热硅脂采用高导热绝缘有机硅材料，能够在-50℃～+230℃的温度下保持脂膏状态。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测系统，其特征在于：所述的SAW温度传感器包括天线、叉指换能器、反射器和压电基片，天线、叉指换能器和反射器均集成在压电基片上，所述的反射器为两个，呈左、右状分布，所述的压电基片安装在母线的触头处，直接与母线的触头处相贴紧接触，所述的天线用于接收所述采集器发射来的无线射频信号，通过叉指换能器的逆压电效应在压电基片表面激活一个声表面波，该声表面波沿压电基片传播，被两个周期性的反射器反射形成所述的谐振信号，谐振的频率与压电基片的温度存在对应关系，所述的叉指换能器通过压电效应将声表面波转变成应答的谐振信号输出，输出的谐振信号被所述采集器接收。

5.基于声表面波技术的GIS内部母线运行温度的在线监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)对母线进行表面处理，在母线的触头处涂覆层导热硅脂；

(2)将采集器安装在气体绝缘开关的外壳上，SAW温度传感器安装在母线的触头处；

(3)通过采集器向SAW温度传感器发射无线射频信号触发SAW温度传感器来进行测量，获得母线的触头处的温度值，该温度值为母线运行时的最高温度值，从而判断母线是否出现过热现象。