CN108645533A - 基于声表面波技术的gis触头温度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触头温度监测系统及监测方法，声表面波传感器、信号处理模块及后端处理系统；声表面波传感器包括声表面波谐振器及温度传感器天线；信号处理模块包括读写器及读写器天线；后端处理系统控制读写器通过读写器天线向声表面波温度传感器发送质询信号，然后后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理即可获得监测点即时的温度信息。本发明根据声表面波技术应用了晶体材料的物理特性，这种特性的改变通过压电感应原理转化为电信号。这种方法能够不破坏设备绝缘强度和密封性，具有很强的抗电磁干扰能力，并且具有良好的热稳定性。对于GIS内部特殊的环境，声表面波测温方法具有明显的优势和适应性。

Description

基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及监测技术领域，特别是涉及基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统及监测方法。

背景技术

GIS是一种封闭组合电器，采用SF₆气体起到绝缘和灭弧作用。GIS设备内部包含母线、断路器、隔离开关等电力设备，这种组合电器运行可靠性高。特殊的结构使得它的占地面积小，并且减小了维护的难度。SF₆气体作为介质，明显提升了设备中的灭弧能力，这种组合电器在110kV及以上的变电站中使用越来越广泛。GIS长期运行过程中，GIS的触头可能会由于磨损和老化而出现接触不良的情况，导致触头部位的接触电阻值变大并伴有触头过热的现象。触头过热时，轻微影响是由于触头过热导致火花与电弧放电从而降低设备的绝缘强度，更为严重时，当绝缘强度过低时，由于设备击穿甚至会造成爆炸的可怕后果。

现有的某供电公司针对GIS故障原因的调查结果显示，GIS触头温度的异常升高导致的故障数占了全部GIS故障的30％，这表明针对GIS设备触头温度的监测是很有必要的。

传统的针对GIS触头温度的监测方法主要包括测量回路电阻、局放在线监测方法以及红外热诊断技术，它们都有着各自的局限性。

回路电阻测量方法虽然简单易于操作，但无法用于在线监测，而且这种方法主要通过外壳接地开关回路测量，与准确值之间存在误差。局放在线监测的方法难以找到局部放电与触头温度间的定量关系，无法获得触头的准确温度。

由于GIS设备结构十分复杂，且热量传递有对流、辐射等多种方式，红外热诊断技术对于设备导热反问题的求解还存在一定困难。GIS触头温度的测量方法分为有源测温方法和无源测温方法，本申请所提到的基于声表面波技术的GIS触头温度监测方法属于无源无线测温方法。有源测温存在着电池使用寿命有限的问题，当电池没电后，更换不方便。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供了基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，本发明利用声表面波谐振器芯片和传感器天线来制作的声表面波传感器，具有良好的测量特性。还利用适用于GIS内部特殊环境的高性能读写器天线，有效地提高了监测系统的监测距离。

基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，包括：声表面波传感器、信号处理模块及后端处理系统；

所述声表面波传感器安装在GIS腔体内，包括声表面波谐振器及温度传感器天线；

所述信号处理模块包括读写器及读写器天线；

所述读写器通过读写器天线采集的声表面波温度传感器传回的回波信号经过无线发射装置被中心节点中继后，通过ZigBee网络传输到后端处理系统；

所述后端处理系统控制读写器通过读写器天线向声表面波温度传感器发送质询信号，然后后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理即可获得监测点即时的温度信息。

进一步优选的技术方案，在系统的发送周期，所述后端处理系统控制读写器产生某一频率的间歇正弦信号，经过滤波放大后由读写器天线辐射出；辐射出的信号被声表面波温度传感器接收后，经过逆压电效应转换为同频声表面波；

在系统的接收周期，所述后端处理系统控制读写器通过读写器天线接收声表面波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自动跟踪调整，最终达到谐振激励的状态，从而实现GIS触头温度值的准确测量。

进一步优选的技术方案，后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理，判断回波信号是否为谐振，若是，则显示温度信息，否则，改变激励信号频率，重新发送激励信号至表面波温度传感器，直至所接收的回波信号为谐振信号。

进一步优选的技术方案，所述声表面波谐振器选用ST-石英作为压电材料，通过镀膜和刻蚀在处理过的基片表面上制备叉指换能器和反射栅，最后采用SMD的封装形式对传感器芯片进行封装，获得声表面波谐振器。

进一步优选的技术方案，所述声表面波谐振器在镀膜过程中采用厚度为0.2微米的金属铝薄膜作为金属薄膜材料，刻蚀采用利用离子体去除材料的干法刻蚀。

进一步优选的技术方案，所述温度传感器天线采用多匝环形天线。

进一步优选的技术方案，所述声表面波谐振器和温度传感器天线制作出声表面波传感器电路板，封装时采用环形封装，与所述温度传感器的天线的环形结构相对应，封装后的声表面波传感器内径为GIS导杆外径。

进一步优选的技术方案，所述声表面波传感器内侧采用金属铝材料，声表面波传感器外壳采用聚四氟乙烯塑料。

进一步优选的技术方案，所述读写器天线安装在GIS腔体内，所述读写器天线采用柱状天线。

所述柱状天线通过柱状天线支架固定，柱状天线支架固定在柱状天线支架座上.

进一步优选的技术方案，所述柱状天线支架由聚四氟乙烯材料制成，柱状天线支架座即为粘合剂，为环氧树脂材料，环氧树脂材料的介电常数为3.1。

进一步优选的技术方案，根据获得监测点即时的温度信息确定设备缺陷的性质，故障类别为危机热缺陷、严重热缺陷及一般热缺陷。

本发明还公开了基于声表面波技术的GIS触头温度监测方法，包括：

在系统的发送周期，后端处理系统控制读写器产生某一频率的间歇正弦信号，经过滤波放大后由读写器天线辐射出；辐射出的信号被声表面波温度传感器接收后，经过逆压电效应转换为同频声表面波；

在系统的接收周期，后端处理系统控制读写器通过读写器天线接收声表面波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自动跟踪调整，最终达到谐振激励的状态，从而实现GIS触头温度值的准确测量。

进一步优选的技术方案，所述后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理，判断回波信号是否为谐振，若是，则显示温度信息，否则，改变激励信号频率，重新发送激励信号至表面波温度传感器，直至所接收的回波信号为谐振信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明根据声表面波技术应用了晶体材料的物理特性，这种特性的改变通过压电感应原理转化为电信号。这种方法能够不破坏设备绝缘强度和密封性，具有很强的抗电磁干扰能力，并且具有良好的热稳定性。对于GIS内部特殊的环境，声表面波测温方法具有明显的优势和适应性。

2、本方法中采用了有声表面波谐振器芯片和传感器天线来制作声表面波传感器，具有良好的测量特性。采用适用于GIS内部特殊环境的高性能读写器天线，有效地提高了监测系统的监测距离。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例子中的多匝环形天线结构照片图；

图2为本申请实施例子中的质询系统工作流程图；

图3为本申请实施例子中的系统框架图；

图4为本申请实施例子中的应用示意图；

图中，1、声表面波传感器，1-1、声表面波谐振器，1-2、温度传感器天线，2、信号处理模块，2-1、读写器，2-2、读写器天线，3、后端处理系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图3所示，基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，包括：声表面波传感器1、信号处理模块2及后端处理系统3；

声表面波传感器1紧贴GIS的导杆安装，包括声表面波谐振器1-1及温度传感器天线1-2；信号处理模块2包括读写器2-1及读写器天线2-2。

具体的，声表面波谐振器选用ST-石英作为压电材料，通过镀膜和刻蚀等步骤在处理过的基片表面上制备厚度为0.2微米的叉指换能器和反射栅，最后采用SMD的封装形式对传感器芯片进行封装，获得将要使用的声表面波谐振器。镀膜过程中采用厚度为0.2微米的金属铝薄膜作为金属薄膜材料，刻蚀采用利用离子体去除材料的干法刻蚀，这种方法常用于微米尺寸的器件刻蚀。

温度传感器天线性能的优劣直接影响传感器性能的好坏。理想的天线应具备高增益、输入阻抗匹配等优点。此处选用多匝环形天线作为温度传感器天线，如图1所示。多匝环形天线更适用于强电磁骚扰的环境，能降低声表面波传感器的插入损耗。

将上述声表面波谐振器和传感器天线制作出合适的声表面波传感器电路板，封装时采用环形封装，与温度传感器的天线的环形结构相对应。封装后的传感器内径为GIS导杆外径，声表面波传感器内侧采用金属铝材料，外壳采用聚四氟乙烯塑料。为了提高声表面波传感器的绝缘性能，用绝缘材料对声表面波传感器进行灌装，声表面波传感器紧贴GIS的导杆安装。

要保证安装在腔体内的传感器与腔体外的检测系统通讯，需在GIS腔体外壳上开设观察窗安装读写器天线。读写器天线采用柱状天线形式，它具有高增益、宽频带的特性。此处采用的柱状天线支架由聚四氟乙烯材料制成。支架座即为粘合剂，是环氧树脂材料，环氧树脂材料的介电常数为3.1。

该天线具有全向性，保证有效的接收到来自各个方向上的电磁波信号，能够有效的接收和发送声表面波温度传感器所在频段的电磁信号。它具有一定的抗干扰性能，能够抑制低频噪声的影响，具有较高的增益，能够检测到微弱的电磁波信号。由于柱状天线具有宽频带特性，在不需要检测声表面波温度信号时，该天线还可作为局放天线使用。

本发明的另一实施例子中，公开了GIS触头温度检测过程，由于声表面波温度传感器的谐振频率变化率和温度呈线性的关系，因此只需要将声表面波温度传感器紧贴GIS导杆处安装，利用信号处理模块，即读写器通过天线向声表面波温度传感器发送质询信号，然后接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行分析即可获得监测点即时的温度信息。本方法采用间歇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。质询系统工作流程图如图2所示。

质询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读写器模块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；辐射出的信号被声表面波温度传感器接收后，经过逆压电效应转换为同频声表面波。在系统的接收周期，后端处理系统控制读写器模块通过天线接收声表面波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自动跟踪调整，最终达到谐振激励的状态，从而实现GIS触头温度值的准确测量。

在实际应用中，如图4所示，温度测量系统工作时，将环形声表面波温度传感器安装于靠近GIS触头的导杆上，读写器天线安装在GIS腔体内(例如隔离开关上)，通过观察窗可以观察到，数据管理平台通过读写器与GIS腔体内的温度传感器通讯，监测温度的变化。

整个基于声表面波技术的GIS触头在线测温结构示意图如图4所示。GIS腔体内包括隔离开关、断路器和母线，环形声表面波温度传感器安装于隔离开关、断路器和/或母线的触头处，采集的数据经过无线发射装置被中心节点中继后，通过ZigBee网络传输到数据管理平台。该系统可以实现高电压、强磁场的隔离，而且不破坏GIS设备内部温度场。采集的温度数据通过无线传输方式可以不受距离限制、无需现场布线。后端处理系统即为数据管理平台，包括服务器及计算机。

在本申请的另一具体实施例子中，公开了触头温度的声表面波诊断，此处采用的声表面波诊断的方法为绝对温度判别方法。根据测得的温度数据，对照GB763_90《交流高压电器在长期工作时的发热》的相关规定，可根据温度超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性和设备承受机械应力的大小来确定设备缺陷的性质。判断方法如表1所示。

表1绝对温度判别表

故障类别	表面温度	温升	相对误差
				危机热缺陷	>90	>75	>55
严重热缺陷	>75	>65	>50
				一般热缺陷	>60	>30	>25

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，包括：声表面波传感器、信号处理模块及后端处理系统；

所述声表面波传感器安装在GIS腔体内，包括声表面波谐振器及温度传感器天线；

所述信号处理模块包括读写器及读写器天线；

所述读写器通过读写器天线采集的声表面波温度传感器传回的回波信号经过无线发射装置被中心节点中继后，通过ZigBee网络传输到后端处理系统；

所述后端处理系统控制读写器通过读写器天线向声表面波温度传感器发送质询信号，然后后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理即可获得监测点即时的温度信息。

2.如权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，在系统的发送周期，所述后端处理系统控制读写器产生某一频率的间歇正弦信号，经过滤波放大后由读写器天线辐射出；辐射出的信号被声表面波温度传感器接收后，经过逆压电效应转换为同频声表面波；

在系统的接收周期，所述后端处理系统控制读写器通过读写器天线接收声表面波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自动跟踪调整，最终达到谐振激励的状态，从而实现GIS触头温度值的准确测量。

3.如权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理，判断回波信号是否为谐振，若是，则显示温度信息，否则，改变激励信号频率，重新发送激励信号至表面波温度传感器，直至所接收的回波信号为谐振信号。

4.如权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，所述声表面波谐振器选用ST-石英作为压电材料，通过镀膜和刻蚀在处理过的基片表面上制备叉指换能器和反射栅，最后采用SMD的封装形式对传感器芯片进行封装，获得声表面波谐振器。

5.如权利要求4所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，所述声表面波谐振器在镀膜过程中采用厚度为0.2微米的金属铝薄膜作为金属薄膜材料，刻蚀采用利用离子体去除材料的干法刻蚀。

6.如权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，所述温度传感器天线采用多匝环形天线。

7.如权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，所述声表面波谐振器和温度传感器天线制作出声表面波传感器电路板，封装时采用环形封装，与所述温度传感器的天线的环形结构相对应，封装后的声表面波传感器内径为GIS导杆外径；

声表面波传感器内侧采用金属铝材料，声表面波传感器外壳采用聚四氟乙烯塑料。

8.如权利要求1所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测系统，其特征是，所述读写器天线安装在GIS腔体内，所述读写器天线采用柱状天线形式；

进一步优选的技术方案，所述柱状天线支架由聚四氟乙烯材料制成，柱状天线支架座即为粘合剂，为环氧树脂材料，环氧树脂材料的介电常数为3.1；

进一步优选的技术方案，根据获得监测点即时的温度信息确定设备缺陷的性质，故障类别为危机热缺陷、严重热缺陷及一般热缺陷。

9.基于声表面波技术的GIS触头温度监测方法，其特征是，包括：

在系统的发送周期，后端处理系统控制读写器产生某一频率的间歇正弦信号，经过滤波放大后由读写器天线辐射出；辐射出的信号被声表面波温度传感器接收后，经过逆压电效应转换为同频声表面波；

在系统的接收周期，后端处理系统控制读写器通过读写器天线接收声表面波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自动跟踪调整，最终达到谐振激励的状态，从而实现GIS触头温度值的准确测量。

10.如权利要求足9所述的基于声表面波技术的GIS触头温度监测方法，其特征是，所述后端处理系统接收声表面波温度传感器传回的回波信号并进行处理，判断回波信号是否为谐振，若是，则显示温度信息，否则，改变激励信号频率，重新发送激励信号至表面波温度传感器，直至所接收的回波信号为谐振信号。