CN112763863B - 一种gis无线式超声波局放传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GIS无线式超声波局放传感器，包括：连接有信号天线的后盖、与后盖装配的中间法兰，中间法兰在朝向所述后盖的一侧安装有小信号放大电路板；中间法兰中央设有安装管，其内插入有绝缘套管，导电柱的一端穿过绝缘套管，与小信号放大电路板的输入端相连，另一端与超声波换能片的背面相抵接；超声波换能片通过安装卡环固定在所述安装管的端面上；超声波换能片的正面固定有谐振体，谐振体用于在接收到由GIS设备内部传输来的超声波信号时发生振动，超声波换能片用于将机械变形转化为电压信号，小信号放大电路板设有放大传输模块，用于将所述电压信号放大，由信号天线发送至后台采集设备。本发明可以有效提高传感器的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及电力输配电技术领域，尤其涉及一种GIS无线式超声波局放传感器。
背景技术
GIS全称为金属封闭式组合开关，GIS是电力系统重要的设备，通常包括外部金属壳体、导电部件、固体绝缘件、SF6气体。局部放电是电力设备中常见的一种缺陷类型，其发生原因为电力设备内部绝缘体存在开裂、老化、脏污等缺陷，绝缘体在电场的作用下发生局部击穿。发生局部放电的电力设备，其局放部位会产生超声波、紫外线、特高频电磁波等具有特征的信号。GIS设备内部如存在局部放电现象，可能导致GIS设备内部发生绝缘击穿，而局部放电产生到绝缘击穿之间，需要较长的时间。因此，及早发现GIS设备内部的局放信号，有助于减少GIS因局放长期存在导致的绝缘损坏。根据局部放电的自身特点，检测超声波、紫外线、特高频电磁波，可以有效发现GIS设备内部早期局部放电。现有的超声波局部放电传感器均为在GIS设备壳体外部安装，超声波信号受到GIS金属壳体的屏蔽，导致装在GIS壳体外部的超声波传感器信噪比较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种GIS无线式超声波局放传感器，以提高传感器的信噪比。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种GIS无线式超声波局放传感器，包括：
连接有信号天线的后盖、与所述后盖装配的中间法兰，所述中间法兰在朝向所述后盖的一侧安装有小信号放大电路板；所述后盖内安装有锂电池，所述锂电池与所述小信号放大电路板的电源端相连接；
所述中间法兰中央设有安装管，其内插入有绝缘套管，导电柱的一端穿过所述绝缘套管，与所述小信号放大电路板的输入端相连，另一端与超声波换能片的背面相抵接；所述超声波换能片通过安装卡环固定在所述安装管的端面上；
所述超声波换能片的正面固定有谐振体，所述谐振体用于在接收到由GIS设备内部传输来的超声波信号时发生振动，所述超声波换能片用于将因受所述谐振体振动而产生的机械变形转化为电压信号，所述小信号放大电路板设有放大传输模块，用于将所述电压信号放大，由所述信号天线发送至后台采集设备。
进一步地，所述安装管的顶部设有卡环槽，安装卡环固定在所述卡环槽上，通过所述安装卡环将所述超声波换能片抵压在所述安装管的端面上。
进一步地，所述安装卡环包括呈未封闭的圆环状的卡环体和对称设置在所述卡环体上的压紧簧片，所述卡环体套在所述卡环槽上，所述压紧簧片将所述超声波换能片压紧在所述安装管的端面上。
进一步地，所述导电柱包括导电圆柱、设置在所述导电圆柱顶部的半球体和设置在所述半球体顶部的凹槽，所述半球体通过安装在所述凹槽中的碟形簧片与所述超声波换能片的背面相接触，将所述超声波换能片的电信号引出。
进一步地，所述碟形簧片包括簧片本体，和分别位于簧片本体两侧的凸起和凹陷，所述碟形簧片用于连接所述超声波换能片与所述导电柱。
进一步地，所述绝缘套管包括共轴的大圆柱和小圆柱，在轴线上贯穿设有中心孔，所述绝缘套管的小圆柱、大圆柱依次插入所述中间法兰的安装管中，所述中心孔用于容纳所述导电柱的导电圆柱。
进一步地，所述超声波换能片的边缘设有绝缘涂层，所述超声波换能片的背面设有绝缘环，用于将所述超声波换能片与所述中间法兰隔离。
进一步地，所述谐振体通过环氧树脂胶与所述超声波环能片的正面粘合，其包括谐振盘和用于将所述谐振盘的机械振动传导至所述超声波换能片的连接柱。
进一步地，所述后盖具有用于与所述中间法兰装配的第一安装板，在所述第一安装板中央设有用于容纳锂电池的安装腔，在所述安装腔的底部设有用于安装所述信号天线的天线安装孔。
进一步地，所述后盖在背离所述中间法兰的一侧安装有太阳能电池板，与所述锂电池电连接。
本发明实施例的有益效果在于：按照GIS设备对于内置式传感器密封性、机械强度的要求，采用与GIS内部导体、绝缘件相同的材质制造，不影响GIS设备的正常运行；采用弹性元件实现超声波换能片的固定，具有较高的灵敏度；根据GIS内部局部放电的超声波信号频段特点，采用了大尺寸的谐振片，进一步提高灵敏度；采用无线传输的方式发送GIS局部放电信号，无需铺设线缆，安装便利；采用太阳能电池为传感器充电，传感器续航时间较长；有效提高传感器的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种GIS无线式超声波局放传感器的立体分解结构示意图。
图2是本发明实施例一种GIS无线式超声波局放传感器的另一立体分解结构示意图。
图3是本发明实施例中后盖的立体结构示意图。
图4是本发明实施例中中间法兰的立体结构示意图。
图5是本发明实施例中安装卡环的立体结构示意图。
图6是本发明实施例中导电柱的立体结构示意图。
图7是本发明实施例中绝缘套管的立体结构示意图。
图8是本发明实施例中超声波换能片的立体结构示意图。
图9是本发明实施例中谐振体的立体结构示意图。
图10是本发明实施例一种GIS无线式超声波局放传感器的立体结构示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
请参照图1所示，本发明实施例提供一种GIS无线式超声波局放传感器，包括：
连接有信号天线2的后盖1、与后盖1装配的中间法兰3，在中间法兰3朝向后盖1的一侧安装有小信号放大电路板4；后盖1内安装有锂电池14，与小信号放大电路板4的电源端相连接；
中间法兰3中央设有安装管30，其内插入有绝缘套管6，导电柱7的一端穿过绝缘套管6，与小信号放大电路板4的输入端相连，另一端与超声波换能片8的背面相抵接；超声波换能片8通过安装卡环35固定在安装管30的端面上；
超声波换能片8的正面固定有用于接收超声波信号的谐振体9，谐振体9用于在接收到由GIS设备内部传输来的超声波信号时发生振动，超声波换能片8用于将受谐振体9振动而产生的机械变形转化为电压信号，小信号放大电路板4设有放大传输模块，用于将所述电压信号放大，由信号天线2发送至后台采集设备。
请再参照图2所示，本实施例在后盖1背离中间法兰3的一侧还安装有太阳能电池板5，与锂电池14电连接，从而形成GIS太阳能无线式超声波局放传感器。太阳能电池板5为锂电池14提供涓流充电，提高锂电池的续航时间。可以理解的是，太阳能电池板5通过螺栓等方式安装固定到后盖1背离中间法兰3的一侧，螺栓规格为M6不锈钢螺栓。太阳能电池板规格为18V，10mA。
请参照图3所示，后盖1具有用于与中间法兰3装配的第一安装板10，在第一安装板10中央设有安装腔11，用于容纳锂电池14，锂电池14具体为12V2600mAH锂电池组，与小信号放大电路板4的电源端相连接，用于为小信号放大电路板4提供电能。第一安装板10上还具有多个第一安装孔12。后盖1采用6061铝合金压铸制成，作为一种示例，第一安装孔12的中心距为62.5mm，内径为12.5mm，用于穿过M12螺栓。在安装腔11底部设有天线安装孔13，用于安装信号天线2。信号天线2可以通过无线方式将电压信号发送至后台采集设备，无需铺设线缆，且安装便利。
请参照图4所示，中间法兰3的形状与后盖1的第一安装板10相适配，通常为圆柱形。中间法兰3朝向后盖1的一侧突出设有多个安装座31，用于安装小信号电路板4，作为一种示例，安装座31共4个，均为外径12mm，高度10mm的圆柱体，中心有M6螺孔，深度8mm，用于穿过M6螺栓。中间法兰3在对应后盖1上的第一安装孔12的位置设有多个第二安装孔32，用于穿过M12螺栓。安装管30的顶部设有卡环槽34。安装卡环35(参见图1)固定在卡环槽34上，通过安装卡环35的弹性结构将超声波换能片8抵压在安装管30的端面上。中间法兰3的材质为6063铝合金，采用铣削工艺制成，作为一种示例，中间法兰3是一外径为150mm，高度为30mm的圆柱体；第二安装孔32的中心距为62.5mm，内径为12.5mm；安装管30的外径为35mm，内径为20mm，高度为35mm；卡环槽的宽度为2mm，外径为33mm。
请参照图5所示，安装卡环35包括呈未封闭的圆环状的卡环体351、对称设置在卡环体351上的压紧簧片352和位于卡环体351末端的第三安装孔353。安装卡环35的材质为H65黄铜，采用铣削工艺制造。安装卡环35的内径为33mm，外径为37mm，厚度为1.8mm，压紧簧片352的厚度为0.8mm；第三安装孔353的内径为1.5mm。装配时，用卡簧钳插入第三安装孔353中，将安装卡环35整体张开，套入中间法兰3的卡环槽34内，松开卡簧钳，安装卡环35即靠自身弹性固定在卡环槽34内，同时，压紧簧片352将超声波换能片8压紧在中间法兰3的安装管30端面上，防止超声波换能片8位移、脱落。
请参照图6所示，导电柱7包括导电圆柱70、设置在导电圆柱70顶部的半球体71和设置在半球体71顶部的凹槽72，碟形簧片73(参见图1)安装在凹槽72中，导电柱7的半球体71通过碟形簧片73与超声波换能片8的背面相接触，将超声波换能片8的电信号引出。作为一种示例，导电柱7的材料为65黄铜，采用车削制造；半球体71的半径为8mm，凹槽72直径为6mm，深度为0.5mm，导电圆柱70的直径为5mm，长度为45mm。
碟形簧片73包括簧片本体，和分别位于簧片本体两侧的凸起和凹陷，碟形簧片采用导电塑料制成，其成分为0.5％炭黑、95％聚乙烯、4.5％聚丙烯，采用模压工艺制成，表面镀银，镀银层厚度为0.02mm，外径为6mm，内径为3mm，厚度2mm；凸起高度为0.8mm，凹陷深度为0.8mm。碟形簧片73用于连接超声波换能片8与导电柱7，通过自身的弹性形变保证电接触，碟形簧片73的弹性模量远低于金属材质，可以减少由导电柱7引入的振动干扰。
请参照图7所示，绝缘套管6为一阶梯状的圆柱体，包括直径相对较大的大圆柱61和直径相对较小的小圆柱62，大圆柱61和小圆柱62共轴，且在轴线上贯穿设有中心孔63。绝缘套管6的小圆柱62、大圆柱61依次插入中间法兰3的安装管30中，其中大圆柱61至少部分地露出在安装管30之外，中心孔63用于容纳导电柱7的导电圆柱70。绝缘套管6与导电柱7、中间法兰3相连接，构成一个完整的密封结构，同时绝缘套管6还起到绝缘的作用，将导电柱7和中间法兰3隔离开，本实施例中绝缘套管6可以采用聚四氟乙烯材料车削制成。作为一种示例，大圆柱61的直径为20mm，高度为25mm，小圆柱62的直径为16mm，高度为30mm，中心孔63的直径为5mm。
请参照图8所示，超声波换能片8为圆柱形，其边缘设有绝缘涂层81，绝缘涂层81通常是环氧树脂绝缘漆，用于保证超声波换能片8侧面绝缘。超声波换能片8的背面设有绝缘环82，将超声波换能片8与中间法兰3隔离，起到电绝缘和隔振的作用，保证超声波换能片8正常工作。作为一种示例，超声波换能片8的直径为35mm，厚度为2mm，材料为钛酸钡，采用烧结工艺制成，正面与背面镀银，镀银厚度为0.02mm。在超声波换能片8发生机械形变时，钛酸钡晶体由于压电效性，晶体两端出现符号相反的束缚电荷，超声波换能片8正面与背面间会产生电压，镀银层用于将超声波换能片8产生的电压信号引出；绝缘环82具体为外径33mm、内径27mm、厚度0.2mm的三元乙丙环。
请参照图9所示，谐振体9通过环氧树脂胶与超声波环能片8的正面粘合，其包括谐振盘91和连接柱92，作为一种示例，谐振体9采用6061铝合金车削制成，谐振盘91的直径为25mm，厚度为3mm，连接柱92的直径为10mm，厚度为2mm，谐振盘91的谐振频率由谐振盘的尺寸确定，本实施例中的谐振盘91的谐振频率为56.6kHz，当谐振盘91周围存在56.6kHz的超声波信号时，谐振盘91发生机械共振的振幅最大，连接柱92用于将谐振盘91的机械振动传导至超声波换能片8。
图10是本实施例一种GIS无线式超声波局放传感器装配好的的立体结构示意图。其工作原理及过程是：当GIS设备内部发生局部放电时，故障部位会产生频段较宽的超声波信号，谐振体9接收到由GIS设备内部传输来的超声波信号发生振动，谐振体9带动超声波换能片8振动，引起超声波换能片8的机械变形，超声波换能片8通过压电效应，将机械变形转化为幅值0.1mV-10mV的电压信号，传导至小信号放大电路板4，小信号放大电路板4具有电压放大倍数1000倍的标准放大传输模块，将0.1-10MV的电压信号放大为0.1V-10V的电压信号，并编译为数字信号，采用433MHZ的传输频率，通过信号天线2传输至后台采集设备，后台采集设备将数字信号解码为电压信号值，当电压信号幅值超过5mV时，即认为GIS设备内部存在局部放电信号，由后台采集设备向监测人员发出告警，从而实现对于GIS设备内部局部放电的监测。
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：按照GIS设备对于内置式传感器密封性、机械强度的要求，采用与GIS内部导体、绝缘件相同的材质制造，不影响GIS设备的正常运行；采用弹性元件实现超声波换能片的固定，具有较高的灵敏度；根据GIS内部局部放电的超声波信号频段特点，采用了大尺寸的谐振片，进一步提高灵敏度；采用无线传输的方式发送GIS局部放电信号，无需铺设线缆，安装便利；采用太阳能电池为传感器充电，传感器续航时间较长；有效提高传感器的信噪比。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，包括：
连接有信号天线的后盖、与所述后盖装配的中间法兰，所述中间法兰在朝向所述后盖的一侧安装有小信号放大电路板；所述后盖内安装有锂电池，所述锂电池与所述小信号放大电路板的电源端相连接；
所述中间法兰中央设有安装管，其内插入有绝缘套管，导电柱的一端穿过所述绝缘套管，与所述小信号放大电路板的输入端相连，另一端与超声波换能片的背面相抵接；所述超声波换能片通过安装卡环固定在所述安装管的端面上；
所述超声波换能片的正面固定有谐振体，所述谐振体用于在接收到由GIS设备内部传输来的超声波信号时发生振动，所述超声波换能片用于将因受所述谐振体振动而产生的机械变形转化为电压信号，所述小信号放大电路板设有放大传输模块，用于将所述电压信号放大，由所述信号天线发送至后台采集设备；
所述安装管的顶部设有卡环槽，安装卡环固定在所述卡环槽上，通过所述安装卡环将所述超声波换能片抵压在所述安装管的端面上；所述安装卡环包括呈未封闭的圆环状的卡环体和对称设置在所述卡环体上的压紧簧片，所述卡环体套在所述卡环槽上，所述压紧簧片将所述超声波换能片压紧在所述安装管的端面上。
2.根据权利要求1所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述导电柱包括导电圆柱、设置在所述导电圆柱顶部的半球体和设置在所述半球体顶部的凹槽，所述半球体通过安装在所述凹槽中的碟形簧片与所述超声波换能片的背面相接触，将所述超声波换能片的电信号引出。
3.根据权利要求2所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述碟形簧片包括簧片本体，和分别位于簧片本体两侧的凸起和凹陷，所述碟形簧片用于连接所述超声波换能片与所述导电柱。
4.根据权利要求2所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述绝缘套管包括共轴的大圆柱和小圆柱，在轴线上贯穿设有中心孔，所述绝缘套管的小圆柱、大圆柱依次插入所述中间法兰的安装管中，所述中心孔用于容纳所述导电柱的导电圆柱。
5.根据权利要求1所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述超声波换能片的边缘设有绝缘涂层，所述超声波换能片的背面设有绝缘环，用于将所述超声波换能片与所述中间法兰隔离。
6.根据权利要求1所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述谐振体通过环氧树脂胶与所述超声波环能片的正面粘合，其包括谐振盘和用于将所述谐振盘的机械振动传导至所述超声波换能片的连接柱。
7.根据权利要求1所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述后盖具有用于与所述中间法兰装配的第一安装板，在所述第一安装板中央设有用于容纳锂电池的安装腔，在所述安装腔的底部设有用于安装所述信号天线的天线安装孔。
8.根据权利要求1所述的GIS无线式超声波局放传感器，其特征在于，所述后盖在背离所述中间法兰的一侧安装有太阳能电池板，与所述锂电池电连接。
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