CN104458903A - 基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，包括声学传感器及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值，所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信设备，所述声学传感器包括基于声表面波原理的激发式无源气体传感器。本发明应用声表面波传感器技术，提高在线监测装置可靠性和实用性。

Description

基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统

技术领域

本发明涉及变电设备综合状态监测系统。 

背景技术

为加强智能电网的建设，保障电网的安全运行，现代化的变电状态监测手段是必不可少的环节，国内外对变电设备在线监测及带电检测技术的探索和研究已有30多年的历史。随着电网建设的加速和市场经济的推进，我国目前成为既是全球变电设备状态在线监测与诊断装置最大的市场，又是生产及推销这类装置最多的国家，而在研究水平上与国外同步甚至在某些方面领先的成果还难于产业化和推广运用。 

现有的变电设备在线监测技术存在的问题主要体现在以下几个方面：(1)虽然在线监测装置在电网内应用越来越多，但由于很多装置在技术上并不十分成熟，其运行稳定性较差，功能也有待完善。实际应用情况表明，一些早期的监测装置存在设计不合理、原理不准确等问题，需要综合考虑新工艺和新技术进行改进和完善，提高其稳定性和准确性，确保传感器等重要部件的自身质量和现场测量中的可靠性，才能提高在线监测的效果。(2)部分电网公司的统计数据表明，集中型在线监测系统不能正常使用的比率高达60％，主要原因是装置存在质量问题如灵敏度不高、元件性能不稳定、抗干扰性能较差、抗外界因素如温度、湿度变化能力不足，存在可靠性问题如测量数据不稳定、信息上传时而断续，起不到动态跟踪设备运行状态的作用，甚至影响电力设备的正常运行维护。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，提高在线监测装置可靠性和实用性。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，包括声学传感器及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值，所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信设备，所述声学传感器包括基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，所述激发式无源气体传感器包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度. 

优选的，所述金属靶材使用抛光铝材。 

优选的，所述气体选择性吸附膜采用聚苯胺薄膜。 

优选的，所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。 

优选的，所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜聚焦在声表面波发生装置表面。 

优选的，所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微透镜聚焦并通过光电倍增管转化为电信号。 

本发明应用声表面波传感器技术，提高在线监测装置可靠性和实用性。 

本发明的有益效果为： 

(1)推动变电站智能状态监测技术进步。 

声表面波技术采用被动工作方式，有效的解决了传统在线监测装置存在的在安全性、可靠性、稳定性等方面存在的问题。 

(2)节约成本。 

基于声表面波技术的无源无线传感器与被监测设备同寿命，具有极高的可靠性和稳定性，大大减少了系统的维护工作量，有利于节约成本。 

(3)提高设备安全运行水平。 

基于声表面波技术的无源无线在线监测装置的应用既保障了在线监测装置的可靠性和稳定性，还有利于实现一些新的更真实反映设备运行状态的特征量的监测，从而更加及时、准确、全面掌握设备状态。 

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描述： 

图1为激发式无源气体传感器的结构原理图； 

图2为激发式无源气体传感器的气体测量光路倾角变化图； 

图3为本发明的原理框图。 

具体实施方式

如图3所示，基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，包括声学传感器及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值，所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信设备。 

其中的声学传感器结合传统SAW气体传感器的吸附性薄膜与气体作用的原理与激光超声检测技术，提出一种新的气体传感器。如图1和图2所示，具体 包括声表面波发生装置1、声表面波激发装置2、探测光束发射装置3以及光束强度检测装置4。其中，声表面波发生装置1包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜11，所述声表面波激发装置2向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述声表面波激发装置2包括激光器21、光束分离器22以及柱面透镜23，激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。所述探测光束发射装置3包括半导体激光器31，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜32聚焦在声表面波发生装置表面。所述光束强度检测装置4包括光电倍增管41，探测光束的反射光由一个显微透镜44聚焦并通过光电倍增管41转化为电信号，在显微透镜44与光电倍增管41之间设有滤光片43和光纤准直器42，探测光束的反射光经过显微透镜44聚焦后再经过滤光片和光纤准直器42进入光电倍增管41，光电倍增管41连接示波器45，通过示波器45对检测结果进行显示。 

采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。此气体传感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲，不仅非接触，而且也为气体监测提供了一种新的途径。 

在本SAW气体传感器中，在利用单芯光纤探测光束的偏转来反映声表面波信息外，关键的部分在于在靶材的中间位置覆了一层很薄的气体选择性吸附膜，该膜只对所需敏感的气体有吸附作用。本SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳定性。 

吸附敏感膜具有可逆性和高稳定性，可逆性指的是敏感膜对气体既有吸附作用，又有解吸作用，当待测的气体浓度升高时，薄膜所吸收的气体量随之增加；当浓度降低时，薄膜还应该能够解吸待测气体。吸附过程和解吸过程是严 格互逆的。这也是此气体传感器正常可靠工作的前提。它的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而不同，当薄膜用各向同性绝缘材料时，它对气体的吸附作用转变为覆盖层密度的变化，于是SAW传播路径上的质量负载效应使得SAW波速发生变化。从而引起材料表面倾角的变化，表面倾角改变，光通量也会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号，通过检测可得表面倾角改变的大小，进而定量分析检测出被检测气体的浓度。 

其所应用的检测原理为： 

当激光脉冲在靶材表面传播时，会产生微小的表面形变，近似认为光束发生镜面反射。设表面形变的倾斜角为θ,那么，光束反射时偏移原路径的角度即为2θ相应的，反射光束经显微透镜聚焦后形成光斑偏移的距离可以表示为: 

δ＝2f₂·θ 

探测光束的聚焦光斑的半径为: 

R＝f₂(r₁/f₁) 

式中r1是检测光束的半径；f1，f2分别是透镜Ll(聚焦透镜32)、L2(显微透镜44)的焦距(rl＝2mm，f1＝40mm，f2＝4mm)；光纤的半径为r(5μm)，且有R>>r。 

探测激光光束的光强分布为： 

$I=I_0\exp (-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{A^2})$

A为常数。光纤耦合的光通量为: 

$\mathrm{\Φ}=I_0{\∫}_{a-r}^{a+r}{\∫}_{-\sqrt{r^2-{(\mathrm{\ξ}-a)}^2}}^{\sqrt{r^2-{(\mathrm{\ξ}-a)}^2}}\mathrm{cxp}(-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{A^2})\mathrm{d\ηd\ξ}$

式中a为聚焦光斑的中心到光纤中心的距离。方程可以简化为： 

$\mathrm{\Φ}=\frac{0.833{\mathrm{\Φ}}_0(a+2\mathrm{\θ}{f}_2)}{A}$

通过对光通量变化的测量，很容易的确定倾斜角。而光通量的变化转化为 

交流电信号：   式中η是转化因子(单位v/w)。 

气体吸附膜引发倾角变化。则表面倾角变为： 

θ′＝θ-Δθ 

倾角改变，光通量也会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号为： 

$U=\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}^{\′}=\mathrm{\η}\·\frac{1.666{\mathrm{\Φ}}_0{\mathrm{\θ}}^{\′}{f}_2}{A}$

则通过检测可得： 

$\mathrm{\ΔU}=U-U^{\′}=\frac{1.666{\mathrm{\Φ}}_0\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θf}}_2}{A}$

从而可以反映出△θ的大小，进而定量分析检测出被检测气体的浓度。 

以检测工业领域中较为常见的敏感S02气体为例，由于本传感器应用的是气体吸附性薄膜对被测气体进行检测的传感原理。激光在覆有选择性气体吸附膜的金属块表面激发出声表面波，后者沿金属块表面传播。在吸附性薄膜与被测气体发生反应后，声表面波的强度被改变；然后利用PMT(光电倍增管)，通过单芯光纤耦合的反射式光束偏转法探测由半导体激光器发出的探测光束，所检测的光强的变化反映了被检测气体的浓度，从而实现被测气体的浓度测量。 

实际使用中，金属块可以选择铝，这是一种各向同性的金属材料，对脉冲激光容易吸收，光声转换效率较高,使用了抛光铝材作为靶材，采用聚苯胺(PAn)薄膜(敏感SO₂气体)作为吸附膜，当被测环境中SO₂气体浓度升高时，PAn薄膜所吸收的气体量也随之增加，从而使倾角变小，输出交流电压幅度降低；当被测环境中SO₂气体浓度降低时，薄膜所吸收的气体量也随之减少，倾角增大，输出交流电压幅度增大。 

在实际应用中，可以通过柱状透镜聚焦成一线光源，所激发的是瑞利波，瑞利波是一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波，它在固体的表面产生并沿着表面传播，其振幅随离表面深度而迅速衰减，瑞利波在垂直于线光源方向传播占绝对优势. 

方案中对于敏感SO₂气体进行检测的气体吸附膜为聚苯胺气敏薄膜。这种薄膜是分别将本征态、掺杂态聚苯胺粉末按气敏膜面积称取，溶解在N-二甲基酰胺溶剂中，球磨后，使其充分溶解、分散，然后将溶液小心旋涂于铝块表面，溶剂挥发后形成的气敏膜。 

瑞利波是由Nd:YAG激光器来激发，波长1.06μm，脉宽30ns，单脉冲的能量可以达到70mJ，激光脉冲通过滤光片滤波后，被一个聚焦透镜(焦距40mm)聚焦在靶材上，当靶材受到脉冲激光的作用时，由于热弹以及融蚀等多种效应，会在材料中激发出各种波型。本方案中的探测光束由半导体激光器(波长为0.651μm，功率为5mW)发出，通过光电倍增管(PMT)接收激光反射光实现。探测光束由聚焦透镜聚焦到靶材表面，反射光再由一个显微透镜聚焦，从光纤输出的光通过光电倍增管转化为电信号，信号经放大滤波后，由A/D采样并通过串口存储到处理器进行处理，实现对外的传感、显示等功能。 

Claims (6)

1.基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：包括声学传感器及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值，所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信设备，所述声学传感器包括基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，所述激发式无源气体传感器包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：所述金属靶材使用抛光铝材。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：所述气体选择性吸附膜采用聚苯胺薄膜。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜聚焦在声表面波发生装置表面。

6.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微透镜聚焦并通过光电倍增管转化为电信号。