专利名称：一种高压输变电变压器绝缘油质量监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种监测液体状态的传感器和传感器系统。本发明监测的液体包括变压器绝缘油、发动机润滑油、变速器润滑油、液压传动油、和食用油。特别地，本发明也可以应用于将监测系统的数据以有线或无线的方式传输到数据控制中心，也可以应用于智能电网的主动预防性维护。
背景技术：
输变电变压器由于高压导致的电弧和火花使变压器绝缘油的分子产生裂解，生成气体、有机酸和水。水和酸是油继续被氧化的催化剂，水和酸的形成也导致油的电导率的上升，从而不能起到绝缘的作用。目前，有很多种变压器绝缘油质量的监测方法，但是，这些监测方法所使用的监测技术并不可靠。因为现有的这些监测方法所使用的监测技术多数是对绝缘油中溶解气体的检测，要实现对绝缘油中溶解气体的检测，就必须周期性地将现场油样采集到实验室进行分析和检测。而且，每次检测都必须经过油样现场采集一油样运输-油气分离-色谱分析这样一个过程。在油样现场采集过程中和长距离运输到实验室的过程中，无法避免使溶解在油样中的微量气体逸出到油样外界的空气中，或者无法避免使油样现场采集过程中油样外界空气中的气体或杂质进入到被采集的油样中。这样一来，就会降低实验室检测数据或结果的可靠性，使最终检测结果存在较大误差，增加了故障漏报或误报的可能性，对判断充油设备内部的故障类型及其严重程度造成很大影响，给维护工作造成了极大的盲目性，加大了不必要的维护成本，从而也使贵重，高价值的变压器和输变电系统处于不确定的危险之中。还有，上述的这些监测方法不能用于变压器绝缘油质量变化的在线监测和数据传输。 上述这些问题和难题一直困扰着我国输变电行业，成为当今我国输变电行业变压器绝缘油质量监测的难点，尤其成为我国输变电网运行和智能电网建设的难点和技术瓶颈，而且，至今为止，该领域仍然未能提出很好的解决方案。
发明内容
为了克服上述监测方法所使用的监测技术所存在的不足，本发明提供了一种输变电变压器绝缘油质量的监测系统。本发明提出使用更简单，灵敏，可靠的传感器和传感器系统结构。本发明不仅仅使用对气体的监测，本发明更主要是使用传感器对各种条件下裂变的油样的物理、化学参数的综合效应进行监测。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在本发明中，传感器所针对的不仅仅是气体的检测，更多的是对酸、水以及为了提高对酸和水检测灵敏度而添加的物质的检测。这些被添加的物质可以是在传感器表面或者传感器监测的范围内。这些被添加的物质可以是遇到酸，水后产生各种物理、化学、生化标志/标记性的有机或者无机物质。这些物质包括金属，氧化物，光敏物质，易氧化物质，亲水物质。这些物质遇到水或酸后会产生物理和化学的变化。比如物理形状和体积的膨胀、表面的侵蚀、颜色的变化、介电常数的变化。本发明中，传感器监测系统可以包括以下所提到的一种或多种传感器技术，也可以包括一些改进的气体传感器。电场强度监测传感器高压变压器会产生很强的电场强度及电场强度梯度的变化，特别是产生放电电弧和火花的时候。这是导致变压器内部绝缘油裂解的重要原因之一。对这些参数的监测有利于预防性地保护变压器或者更换绝缘油。监测电场强度及电场强度梯度的传感器有很多种。见图1和图2。图1中反映电场强度及电场强度梯度变化的电波信号或电场信号被光电晶体和介质镜接收，产生的相位差或相移，就是含有电场强度变化的信息。图2是图1的信号处理电路。它可以是光电晶体型传感器，也可以是金属-氧化物-半导体场效应管型，也可以是光电子效应传感器。以下列出几种此类传感器。石英晶体电子监测质量的仪器这类传感器对微小质量的变化很敏感，甚至可以监测癌症单一细胞。在变压器绝缘油的监测中，我们采用一个电极是对于氧化极端敏感的材料。当油中出现酸和水的时候， 电极表面会产生反应，从而使电极质量增大(氧化物附着于电极表面)或者减少(侵蚀，氧化物脱离电极表面)，见图3。图3中测量侧的电极，特别是电极的表面，根据应用需要，可以是金属、半导体、绝缘体、有机物质或生物物质。电极表面在这个应用中可以是Zn，Fe, Ni， Cr金属。图4是图3传感器的等效电路。粘滞度传感器当变压器中的绝缘油裂变时，产生的酸、水和气体会导致粘滞度的变化。粘滞度传感器可以使用电子式，或者机械式。该传感器所测量的参数包括粘滞度、温度、介电常数和密度。此方法需要温度传感器补偿，或者需要下面所提到的传感器参考室方法的补偿。光学颜色传感器绝缘油质量的下降会导致绝缘油颜色的变化，这种变化可以被光学颜色传感器监测。光学颜色传感器的工作颜色范围包括可见光、紫外、近红外、中红外和远红外。使用添加物质的光学颜色传感器一些生化实验中大量使用的添加剂在遇到微量的酸或水的时候会产生极大的标志性颜色变化，这可以被光学传感器监测。光谱监测传感器上述的光学颜色传感器和使用添加物质的光学颜色传感器可以是光谱检测器。光谱的反应或者吸收峰值可以是紫外、可见光或者红外范围。电容器式传感器电容式传感器可以被用来监测变压器绝缘油的质量变化。由于变压器绝缘油的监测灵敏度要求很高，仅仅监测绝缘油的介电常数变化是不够的，这样的电容器的电极一般使用对于酸和水敏感的材料。当绝缘油质量变化的时候，电容器式传感器不仅仅监测绝缘油的节点常数变化，电容器电极的氧化会造成电容器电容数值更大的变化，从而提高电容器式传感器的灵敏度。
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这里使用的电容器的电极是消耗性的所以也是不可逆的。酸和水对电容器电极产生的变化是累计性的。此方法需要温度传感器补偿，或者需要下面所提到的传感器参考室方法的补偿。电导率的监测变压器的绝缘油的电导率很低。但是微量的酸、水的产生会极大提高电导率的数值。和上述的电容式传感器中一样的可消耗的电极材料也可以制作成电阻。电导/电阻式传感器可以使一系列微小电阻的串联，比如100个微小电阻。电阻串联的优势是即使产生很少的酸和水，即使酸和水只有和其中一个电阻发生反应、产生侵蚀，也会对整个串联电阻等效电阻值产生巨大的变化。这一系列串联电阻产生的效果是放大作用，其中任何一个电阻值的变化，会很大提高整个电路的电阻。图5所示的是检测油中酸性腐蚀物质的电阻型传感器电路。Rl，R2，R3为薄膜电阻。a点到13点是一组电阻串联而成。薄膜电阻是电阻的主体，由对于腐蚀物质敏感的而且容易被腐蚀的材料构成。同一组内的电阻可以是相同的电阻数值构成，但不必须是。不同组(ab与albl)内的电阻的电阻数值(Rl，R2，R3，与Rll，R21，R31)要有一定的差别，电阻数值间隔的大小，以及不同电阻值的串联电阻的组数，将决定整个系统的使用寿命，见图6。 电阻也可以是一系列电阻串联，并联结合而成，简单的如图7所示。此方法需要温度传感器补偿，或者需要下面所提到的传感器参考室方法的补偿。电阻电容恢复常数的方法这个方法也是结合上述的电容式传感器和电导率的监测所提出的方法。电阻和电容可以是串联或者并联。此方法需要温度传感器补偿，或者需要下面所提到的传感器参考室方法的补偿。各种制作上面提到的永久式电容和电阻电极的方法当两个电极很近的时候，他们构成电容器。当两个电极完全浸入绝缘油中的时候， 这两个电极可以测量油的电容数值，同时，同样的两个电极也可以测量绝缘油的电阻数值。 本发明所采用的双电极方式可以有很多种。可以是两个并列的电极；可以是共轴的圆柱和圆筒；可以是交叉手指的形状，目的是在小面积内制作较大灵敏度的传感器。各种制作上面提到的消耗式电容和电阻电极的方法消耗式电容或者电阻的电极的制作。他们的形状可以是在绝缘体上面的长条形状；也可以是圆形导线的形状。这些材料可以使金属、合金、导体或者半导体材料。电阻/电容传感器和电路的连接可以是使用机械式、物理、化学、或电子粘合技术。这些敏感电阻/电容可以是很多组的串联，并联结合。比如先10个一组串联，然后所有的串联组再并联。反之亦然。由于消耗式电阻/电容传感器不断有同样的新的材料暴露给所监测的油，每次更换油料，传感器系统可以自动恢复零的状态。敏感材料制作的电阻/电容可以是很多电阻电容的串联和并联组合。每一组敏感电极可以是不同材料，不同厚度，不同直径，从而达到对不同产物具有不同灵敏度，可以延长传感器系统的寿命。
在这样的监测系统中，由于敏感部件是消耗性的，系统的设计可以考虑分为几个部分主要系统、传感器参数处理部分、无线传输数据部分(可重复使用的部件)，而消耗性的部分是可以替换的插件。以上提到的传感器敏感电极也可以是电感器件的形式，从而和电阻、电容形成RLC 电路，或者振荡器电路。电路的频率就是传感器监测的参数。以上提到的电阻、电容信号可以是交流或者直流测量方式。电容式测量可以使用不同的频率。传感器参考室的应用由于各种绝缘油料的配置比例不同，各种传感器起始的系数不同。传感器的参考室是用来减少这样的条件造成的误差。参考室也是用来减少传感器的自我飘移产生的误差。有些传感器对流动的油产生另外的误差，参考室的使用也是为了减少传感器对流动油造成的误差。所有上述传感器都可以成对使用，一个暴露在所监测的绝缘油中，一个暴露在参考室里面相对稳定的，被静电屏蔽的参考室中，从而补偿各种条件变化，以及传感器本身飘移所造成的不确定性。本变压器绝缘油监测系统可以包括在变压器外部的其他传感器。这些传感器包括电场传感器、光传感器、火传感器、热传感器、气体传感器、以及摄像机。本传感器系统采用数据融合，多种参数经过处理而用来判断变压器绝缘油的状况。本传感器监测系统的数据可以采用有线或者无线的形式传输，并将数据发送到控制中心。
图1是本发明中的电场强度监测传感器的示意图。图2是本发明中的电场强度监测传感器的电路原理图。图3是本发明中的石英晶体电子监测传感器的示意图。图4是图3传感器的等效电路图。图5所示的是检测油中酸性腐蚀物质的电阻型传感器电路。图6和图7是检测油中酸性腐蚀物质的电阻型传感器电路的几种组合方式示例。
具体实施例方式在图1所示的实施例中，高压变压器产生的电场强度及电场强度梯度变化的电波信号，特别是产生放电电弧和火花的光电信号，被光电晶体或介质镜感应到并接收到。这些信号会使上行光与下行光运行时产生相移。通过相移数据便可确定高压变压器产生的电场强度及电场强度梯度变化，从而了解到变压器内部绝缘油裂解的状况。在图3所示的实施例中，石英晶体电子监测传感器对微小质量的变化很敏感。在变压器绝缘油的监测中，我们采用的是对于氧化极端敏感的金电极。当变压器绝缘油中出现酸和水的时候，空气侧金电极和测量侧金电极的表面会产生反应，从而使电极质量增大 (氧化物附着电极表面)或者减少(侵蚀，氧化物脱离电极表面)。这样一来，当变压器中的绝缘油裂变时产生的酸、水和气体所导致的粘滞度变化，如粘滞度、温度、介电常数和密度的变化会被粘滞度传感器感应到，而且反应的结果便以数据的形式得以获得和传输。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。凡本行业的普通技术人员，均可按说明书所示和以上所述，顺畅地实施本发明。但是，凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围，当可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的范围。
权利要求
1.一种监测液体状态的传感器和传感器系统，其特征在于所述一种监测液体状态的传感器和传感器系统所监测的液体包括变压器绝缘油、发动机润滑油、变速器润滑油、液压传动油、和食用油；特别地，本发明专利提供了一种输变电变压器绝缘油质量的监测系统， 本发明专利提出使用更简单，灵敏，可靠的传感器和更新颖的传感器系统结构，该系统不仅对变压器内的气体实施监测，更主要的是使用传感器对变压器内各种条件下裂变的油样的各种物理、化学参数的综合效应进行监测，并且还监测变压器周边的各种环境参数的变化； 此种系统在对各种传感器测获的参数进行数据融合时，能对所监测的设备的运行状态和维护状态进行预测和提示；此液体状态传感器检测系统包括一种以上的传感器种类；此液体状态传感器系统包括对液体的各种物理、化学、材料、生物参数的检测；此液体状态传感器系统包括对液体储存器外部周围环境状态的检测；此液体状态传感器系统测获的数据经过数据融合和输出，并为所监测设备的运行状态以及对未来的维修需要提供参数和提示；此液体传感器监测系统可以通过无线或者有线系统进行数据传输；此液体传感器系统具有可以降低传感器干扰噪音的隔离箱；此液体传感器系统包括监测液体参数的暴露于所测液体的传感器，同时也包括暴露在变压器外部的传感器；本发明专利也可以应用于将监测系统的数据以有线或无线的方式传输到数据控制中心，也可以应用于智能电网的主动预防性维护。
2.根据权利要求1所述的一种监测液体状态的传感器和传感器系统，其特征在于所述的输变电变压器绝缘油质量的监测系统使用了更简单，灵敏，可靠的传感器和传感器系统结构。
3.根据权利要求1所述的一种监测液体状态的传感器和传感器系统，其特征在于该系统不仅对气体实施监测，更主要的是使用传感器对各种条件下裂变的油样的各种物理、 化学参数的综合效应进行监测。
4.根据权利要求1所述的一种监测液体状态的传感器和传感器系统，其特征在于此液体状态传感器检测系统包括一种以上的传感器种类；各种传感器所监测的参数包括粘滞度、液体的介电常数、腐蚀度、透明度、颗粒度、水分含量、酸含量、各种气体含量以及温度； 根据权利要求1所述的此液体状态传感器系统包括对液体储存器外部周围环境状态的检测；这些外部空间环境状态的的监测参数包括电场强度、电场梯度、磁场强度、磁场梯度、 温度，光强度以及湿度。
5.根据权利要求1所述的此液体传感器监测系统所使用的传感器包括对液体监测的粘滞度传感器、液体的介电常数传感器、腐蚀度传感器、透明度传感器、颗粒传感器、水分传感器、酸传感器、气体传感器；也包括电场传感器、磁场传感器、温度传感器、湿度传感器、光学传感器、摄像机及照相机；这类光学传感器、摄像机及照相机包括可见光、紫外和红外线的波长范围。
6.根据权利要求1所述的此液体传感器系统具有可以降低传感器干扰噪音的隔离箱； 隔离箱内可以包括一个以上的任何一种权利要求5所述的全部传感器。
7.根据权利要求6所述的此液体传感器系统具有可以降低传感器干扰噪音的隔离箱； 隔离箱内可以包括一个以上的任何一种权利要求5所述的全部传感器；在处理传感器数据时，同类的位于隔离箱内外的传感器数据将被用来进行数学运算，从而减少传感器由于自身的老化所引起的传感器输出参数的漂移；通过比较同类的位于隔离箱内外的传感器数据，也可以减少传感器的由于杂质附着传感器表面、温度变化、湿度变化、油的流动以及所监测的参数在油箱内分布不均勻所造成的传感器输出参数的误差。
8.—种检测设备内部液体状态的传感器系统此液体状态传感器检测系统包括一种以上的传感器种类；此液体状态传感器系统包括对液体各种物理、化学、材料和生物参数的检测；此液体状态传感器系统包括对液体储存器外部周围环境状态的检测；此液体状态传感器系统测获的数据经过数据融合和输出，并为所监测设备的运行状态以及对未来的维修需要提供参数和提示；此液体传感器监测系统可以通过无线或者有线系统进行数据传输； 此液体传感器系统具有可以降低传感器干扰噪音的隔离箱；此液体传感器系统包括监测液体参数的暴露于所测液体的传感器，同时也包括暴露于变压器外部的传感器。
9.根据权利要求8所述的被监测的设备是输变电变压器。
10.根据权利要求8所述的被监测的设备是发电机。
11.根据权利要求8所述的被监测的设备是发动机；发动机包括飞机发动机，船用发动机，车辆发动机。
12.根据权利要求8所述的被监测的设备是变速器；变速器包括航空器变速器，船用变速器，车辆变速器。
13.根据权利要求8所述的被监测的设备是各种液压传动设备。
14.根据权利要求8所述的被监测的设备是各种需要润滑油的设备。
15.根据权利要求5所述的酸传感器是一种电阻式传感器；此电阻式传感器的电阻值由一种容易被酸侵蚀的材料制成，当电阻材料被酸侵蚀以后，电阻值将提高；当微量的酸不断生成时，电阻的材料被酸不断地侵蚀，从而使电阻值不断地上升。
16.根据权利要求5所述的酸传感器是一种电阻式传感器；此电阻式传感器的电阻值由一种容易被酸侵蚀的材料制成，当电阻材料被酸侵蚀以后，电阻值将提高；根据权利要求 16所述的电阻式传感器是由一组以上的此类电阻式传感器串联而形成；根据权利要求16 所述的电阻式传感器是由一组以上的此类电阻式传感器并联而形成；根据权利要求16所述的电阻式传感器是由一组以上的此类电阻式传感器串联以后再并联而形成；根据权利要求16所述的电阻式传感器是由一组以上的此类电阻式传感器并联以后再串联而形成；根据权利要求16所述的电阻式传感器是由一组以上的具有不同厚度的可以被侵蚀的材料构成。
全文摘要
一种输变电变压器绝缘油质量的监测系统。该系统使用了更简单，灵敏，可靠的传感器和传感器系统结构，该系统不仅对气体实施监测，更主要的是使用传感器对各种条件下裂变的油样的各种物理、化学参数的综合效应进行监测。可以应用于将监测系统的数据以有线或无线的方式传输到数据到控制中心，也可以应用于智能电网的主动预防性维护。
文档编号G01N33/28GK102252712SQ20111009138
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月9日 优先权日2011年4月9日
发明者娄天彦, 詹姆斯·刘 申请人:娄天彦, 詹姆斯·刘, 辽宁天泽产业集团纺织有限公司