CN106248786A - 基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置及方法 - Google Patents

基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电力系统领域的一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置及方法。所述装置包括气体检测传感器和数据采集器；所述气体检测传感器包括晶体基片、输入叉指换能器、多条耦合器、气敏薄膜、输出叉指换能器和信号接口；数据采集器包括微处理器、放大滤波电路、混频滤波电路、频率测量电路、射频天线。本发明提供的变压器油中溶解气体检测装置及方法涉中的气体检测传感器采用声表面波技术检测变压器油中溶解气体，装置无线无源；双声路结构消除测量环境其他因素影响，通过更换气敏薄膜实现不同气体测量；相比于现有变压器油中溶解气体检测方法，该方法具有装置简单、连续测量、不需要对变压器柜体进行改造等优点。

Description

基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置及方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，尤其涉及一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置及方法。
背景技术
大型电力变压器在电力系统中起着连接不同电压等级电网的枢纽作用，其运行可靠性与电力系统的稳定及安全紧密相关。例如国家电网公司110kV及以上电压等级的在运电力变压器数量在一万余台，提高变压器的运行维护水平，特别是增强早期潜伏性故障的诊断能力，对于降低变压器的故障几率，确保电力系统的供电可靠性具有重要意义，因此电力变压器的故障检测显得尤为重要，而当前以电力变压器作为检测对象的各类在线监测技术也不断更新发展。
目前国内外高电压、大容量电力变压器普遍采用充油式变压器，这类变压器的内绝缘系统是以绝缘油和绝缘纸板为主的油纸复合绝缘结构，具有很高的耐电强度。正常运行工况下，充油式电力变压器的绝缘油中只会溶解微量的气体分子，而在变压器内部存在早期故障或者形成新故障时，由于绝缘材料在电、热、氧化或局部放电等多种因素的作用下，会发生绝缘裂化。绝缘材料的热裂解会产生大量特征气体溶解在绝缘油中，大量运行经验和试验研究证明，这些因变压器故障而产生的气体组分及其含量与故障的类型、部位、严重程度有密切关系，不同故障类型下产生的特征气体因此可以将变压器油中溶解气体的检测作为运行故障的判别手段。
变压器油中溶解气体检测的技术可以分为常规色谱检测技术和油中溶解气体在线监测技术两大类。其中，常规色谱检测技术需要现场取油样到实验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用较高，检测周期长，运行人员无法随时掌握和监视变压器的运行状况，检测过程中的脱气环节可能增大检测误差；油中溶解气体在线监测技术虽然能够增加检测频率，但受装置安装限制，油气分离技术不成熟，脱气过程需要载气，气体分离效率低，且气体检测存在交叉敏感的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述检测装置由若干个气体检测传感器和一个数据采集器构成；
所述气体检测传感器包括底板1上安装有晶体基片2，晶体基片2上安装有输入叉指换能器3、两个多条耦合器、有气敏薄膜的声路4、无气敏薄膜的声路5、两个输出叉指换能器；接收天线6通过信号输入接口与输入叉指换能器3连接，输入叉指换能器3的输出端与多条耦合器甲7的输入端和多条耦合器乙8的输入端连接，多条耦合器甲7的输出端与有气敏薄膜的声路4的输入端连接，多条耦合器乙8的输出端与无气敏薄膜的声路5的输入端连接，有气敏薄膜的声路4的输出端和无气敏薄膜的声路5的输出端分别连接到两个信号反馈部分的输入端；每个信号反馈部分由输出叉指换能器9通过信号输出接口与反馈天线10连接构成；
所述数据采集器由微处理器、放大滤波电路、射频天线、混频滤波电路、频率测量电路、微处理器依次连接构成，其中微处理器、放大滤波电路以及射频天线组成的激励信号发出部分，由射频天线、混频滤波电路、频率测量电路以及微处理器组成的测量信号接收部分；
所述晶体基片2能降低声波信号耦合损耗；
所述气敏薄膜用于吸收变压器油中溶解气体，能够改变声表面波传播途径的频率特性；
所述输入叉指换能器3、输出叉指换能器9分别用于电-声和声-电信号的转换；
所述多条耦合器用于体声波信号和声表面波信号分离；
所述放大滤波电路与射频天线组合用于频率信号的输出；
所述混频滤波电路和频率测量电路组合用于检测信号的整理和测量；
所述气体检测传感器采用双声路信号采集，消除检测环境中其他因素的干扰，除气敏薄膜的有无的区别外，双声路的设计参数均相同；
所述放大滤波电路用于增强信号传输功率，扩展信号传输距离。
所述接收天线6直接印刷在底板1上，避免空间型天线在变压器油中引起放电故障。
所述气体检测传感器通过更换气敏薄膜材料检测多种变压器油中溶解气体。
所述有气敏薄膜的声路4中的气敏薄膜采用二氧化锡作为薄膜基底。
一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测方法，其特征在于，所述方法的具体过程为
步骤1、将若干个气体检测传感器放置在运行的变压器油枕中，各个气体检测传感器的气敏薄膜的材料是不同的，能够对应吸收不同的故障特征气体；数据采集器放置在变压器箱体外；
步骤2、数据采集器通过放大滤波电路与射频天线输出频率信号；
步骤3、气体检测传感器的接收天线6接收由数据采集器输出的频率信号，并通过信号输入接口传输至输入叉指换能器3处进行电-声信号的转换，再通过多条耦合器实现信号中体声波信号和声表面波信号的分离，抑制体声波信号在声路中的传播，然后将声表面波信号耦合输入至有气敏薄膜的声路4和无气敏薄膜的声路5两条声路中；
步骤4、有气敏薄膜的声路4作为气体检测传感器的测量声路，该声路中的气敏薄膜材料作为油中溶解气体检测元件，在吸收特征气体后，该气敏薄膜的材料特性发生改变，声表面波在该声路传播时的频率亦发生改变；无气敏薄膜的声路5作为气体检测传感器的对比声路，其为单一的晶体材料，不具有对油中溶解气体的物理吸附作用，声表面波在该声路传播时频率特性不会发生改变；
步骤5、输出叉指换能器9接收经过步骤4处理后的声表面波信号，进行声-电信号的转换，并通过反馈天线10将转换后的测量信号输出；
步骤6、数据采集器中的反馈信号测量部分接收步骤5输出的测量信号，将两个声路的测量信号提取分离，并实现解调测量，从而确定油中溶解的故障特征气体的组成和浓度，判断故障类型。
有益效果
本发明提供的装置无线无源；其中，气体检测传感器采用双声路结构消除测量环境其他因素影响，抗干扰能力强，检测灵敏度高；通过更换气敏薄膜实现不同特征气体的单独测量，解决了油中溶解气体检测交叉敏感的问题；装置简单、体积小，传感器内置不需要对变压器柜体进行改造等优点。
附图说明
图1是本发明提供的气体测量传感器结构图；
图2是本发明提供的数据采集器结构示意图；
图3是本发明方法的步骤流程图；
其中，1-底板；2-晶体基片；3-输入叉指换能器；4-有气敏薄膜的声路；5-无气敏薄膜的声路；6-接收天线；7-多条耦合器甲；8-多条耦合器乙；9-输出叉指换能器；10-反馈天线。
具体实施方式
本发明提出了一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置及方法。
变压器故障时产生的电弧放电会导致变压器油发生分解产生多种溶解于变压器油中的故障特征气体，而不同材料制备的气敏薄膜放置在故障后的变压器油中会吸收对应的故障特征气体(见表1)。
表1掺杂物质与特征气体对应关系
所述检测装置由若干个气体检测传感器和一个数据采集器构成；如图1所示为气体检测传感器的机构图，包括底板1上安装有晶体基片2，晶体基片2上安装有输入叉指换能器3、两个多条耦合器、有气敏薄膜的声路4、无气敏薄膜的声路5、两个输出叉指换能器；接收天线6通过信号输入接口与输入叉指换能器3连接，输入叉指换能器3的输出端与多条耦合器甲7的输入端和多条耦合器乙8的输入端连接，多条耦合器甲7的输出端与有气敏薄膜的声路4的输入端连接，多条耦合器乙8的输出端与无气敏薄膜的声路5的输入端连接，有气敏薄膜的声路4的输出端和无气敏薄膜的声路5的输出端分别连接到两个信号反馈部分的输入端；每个信号反馈部分由输出叉指换能器9通过信号输出接口与反馈天线10连接构成；
图2为数据采集器的结构示意图，由微处理器、放大滤波电路、射频天线、混频滤波电路、频率测量电路、微处理器依次连接构成，其中微处理器、放大滤波电路以及射频天线组成的激励信号发出部分，由射频天线、混频滤波电路、频率测量电路以及微处理器组成的测量信号接收部分。
所述晶体基片2能降低声波信号耦合损耗；
所述气敏薄膜用于吸收变压器油中溶解气体，能够改变声表面波传播途径的频率特性；
所述输入叉指换能器3、输出叉指换能器9分别用于电-声和声-电信号的转换；
所述多条耦合器用于体声波信号和声表面波信号分离；
所述放大滤波电路与射频天线组合用于频率信号的输出；
所述混频滤波电路和频率测量电路组合用于检测信号的整理和测量；
所述气体检测传感器采用双声路信号采集，消除检测环境中其他因素的干扰，除气敏薄膜的有无的区别外，双声路的设计参数均相同；
所述放大滤波电路用于增强信号传输功率，扩展信号传输距离。
所述接收天线6直接印刷在底板1上，避免空间型天线在变压器油中引起放电故障。
所述气体检测传感器通过更换气敏薄膜材料检测多种变压器油中溶解气体。
所述有气敏薄膜的声路4中的气敏薄膜采用二氧化锡作为薄膜基底。
图3为本发明提出的一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测方法，其具体过程为
步骤1、将若干个气体检测传感器放置在运行的变压器油枕中，各个气体检测传感器的气敏薄膜的材料是不同的，能够对应吸收不同的故障特征气体；数据采集器放置在变压器箱体外；
步骤2、数据采集器通过放大滤波电路与射频天线输出频率信号；
步骤3、气体检测传感器的接收天线6接收由数据采集器输出的频率信号，并通过信号输入接口传输至输入叉指换能器3处进行电-声信号的转换，再通过多条耦合器实现转换后的信号中体声波信号和声表面波信号的分离，抑制体声波信号在声路中的传播，然后将声表面波信号耦合输入至有气敏薄膜的声路4和无气敏薄膜的声路5两条声路中；
步骤4、有气敏薄膜的声路4作为气体检测传感器的测量声路，该声路中的气敏薄膜材料作为油中溶解气体检测元件，在吸收特征气体后，该气敏薄膜的材料特性发生改变，声表面波在该声路传播时的频率亦发生改变；无气敏薄膜的声路5作为气体检测传感器的对比声路，其为单一的晶体材料，不具有对油中溶解气体的物理吸附作用，声表面波在该声路传播时频率特性不会发生改变；
步骤5、输出叉指换能器9接收经过步骤4处理后的声表面波信号，进行声-电信号的转换，并通过反馈天线10将转换后的测量信号输出；
步骤6、数据采集器中的反馈信号测量部分接收步骤5输出的测量信号，将两个声路的测量信号提取分离，并实现解调测量，从而确定油中溶解的故障特征气体的组成和浓度，判断故障类型。
声表面波在通过吸收故障特征气体的气敏薄膜时传播特性发生改变(例如声波频率)，通过对比传播特性的“变化量”可以确定变压器油中溶解故障特征气体的组成和溶解浓度，根据故障特征气体的组成可以判断故障类型(见表2)。
表2绝缘材料在不同故障类型下产生的特征气体

Claims (5)

1.一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述检测装置由若干个气体检测传感器和一个数据采集器构成；
所述气体检测传感器包括底板(1)上安装有晶体基片(2)，晶体基片(2)上安装有输入叉指换能器(3)、两个多条耦合器、有气敏薄膜的声路(4)、无气敏薄膜的声路(5)、两个输出叉指换能器；接收天线(6)通过信号输入接口与输入叉指换能器(3)连接，输入叉指换能器(3)的输出端与多条耦合器甲(7)的输入端和多条耦合器乙(8)的输入端连接，多条耦合器甲(7)的输出端与有气敏薄膜的声路(4)的输入端连接，多条耦合器乙(8)的输出端与无气敏薄膜的声路(5)的输入端连接，有气敏薄膜的声路(4)的输出端和无气敏薄膜的声路(5)的输出端分别连接到两个信号反馈部分的输入端；每个信号反馈部分由输出叉指换能器(9)通过信号输出接口与反馈天线(10)连接构成；
所述数据采集器由微处理器、放大滤波电路、射频天线、混频滤波电路、频率测量电路、微处理器依次连接构成，其中微处理器、放大滤波电路以及射频天线组成的激励信号发出部分，由射频天线、混频滤波电路、频率测量电路以及微处理器组成的测量信号接收部分；
所述晶体基片(2)能降低声波信号耦合损耗；
所述气敏薄膜用于吸收变压器油中溶解气体，能够改变声表面波传播途径的频率特性；
所述输入叉指换能器(3)、输出叉指换能器(9)分别用于电-声和声-电信号的转换；
所述多条耦合器用于体声波信号和声表面波信号分离；
所述放大滤波电路与射频天线组合用于频率信号的输出；
所述混频滤波电路和频率测量电路组合用于检测信号的整理和测量；
所述气体检测传感器采用双声路信号采集，消除检测环境中其他因素的干扰，除气敏薄膜的有无的区别外，双声路的设计参数均相同；
所述放大滤波电路用于增强信号传输功率，扩展信号传输距离。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述接收天线(6)直接印刷在底板(1)上，避免空间型天线在变压器油中引起放电故障。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述气体检测传感器通过更换气敏薄膜材料检测多种变压器油中溶解气体。
4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述有气敏薄膜的声路(4)中的气敏薄膜采用二氧化锡作为薄膜基底。
5.一种基于声表面波技术的变压器油中溶解气体检测方法，其特征在于，所述方法的具体过程为
步骤1、将若干个气体检测传感器放置在运行的变压器油枕中，各个气体检测传感器的气敏薄膜的材料是不同的，能够对应吸收不同的故障特征气体；数据采集器放置在变压器箱体外；
步骤2、数据采集器通过放大滤波电路与射频天线输出频率信号；
步骤3、气体检测传感器的接收天线(6)接收由数据采集器输出的频率信号，并通过信号输入接口传输至输入叉指换能器(3)处进行电-声信号的转换，再通过多条耦合器实现信号中体声波信号和声表面波信号的分离，抑制体声波信号在声路中的传播，然后将声表面波信号耦合输入至有气敏薄膜的声路(4)和无气敏薄膜的声路(5)两条声路中；
步骤4、有气敏薄膜的声路(4)作为气体检测传感器的测量声路，该声路中的气敏薄膜材料作为油中溶解气体检测元件，在吸收特征气体后，该气敏薄膜的材料特性发生改变，声表面波在该声路传播时的频率亦发生改变；无气敏薄膜的声路(5)作为气体检测传感器的对比声路，其为单一的晶体材料，不具有对油中溶解气体的物理吸附作用，声表面波在该声路传播时频率特性不会发生改变；
步骤5、输出叉指换能器(9)接收经过步骤4处理后的声表面波信号，进行声-电信号的转换，并通过反馈天线(10)将转换后的测量信号输出；
步骤6、数据采集器中的反馈信号测量部分接收步骤5输出的测量信号，将两个声路的测量信号提取分离，并实现解调测量，从而确定油中溶解的故障特征气体的组成和浓度，判断故障类型。
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