基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统，包括传感器和供源装置，所述传感器包括油质传感单元和气体传感器，所述油质传感单元包括石英晶体及设于石英晶体输入端和输出端的叉指换能器，所述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。本发明为解决变电设备综合状态监测系统供电局限的问题，在系统中加入高压感应取能装置，充分利用感应取能技术为系统中的相关设备提供稳定电能。
【专利说明】基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种变电设备综合状态监测系统。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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，而提高可靠性的一个很重要的因素就在于保障其供电能力。纵观当前的在线监 测装置供电技术，存在较大的局限性：
[0004] (1)电池供电
[0005] 电池本身在高电压和强电磁环境中存在安全隐患；在有限的电池电量供应前提 下，通常以降低采样频率以保证系统可以长时间的工作，数据实时性较差；定期更换电池带 来巨大的维护成本；装置体积较大，安装位置受到较大的制约。
[0006] ⑵太阳能供电
[0007] 由于大多的输电线路地处偏远，难以按常规办法解决电源供给问题，因而这些设 备的供电一般采用太阳能供电。太阳能供电由于受能量转换率、气候环境及成本等因素限 制，无法充分满足设备对供能在全天候方面和长期稳定性方面的要求，不得不加入蓄电池 以存储电能。但由于蓄电池本身的寿命问题（一般2到3年）使得设备的维护成本大大增 力口，导致高压输电线路上难以普及性实现在线实时监控功能。
[0008] (3) CT感应取电
[0009] 感应取电装置体积较大，在狭小的空间内安装困难；安装过程繁琐，时间周期长； 母线电流的实时变化造成供电系统出现冲击而损坏，同时变电站复杂的电磁干扰也会直接 导致电路工作异常，测温装置易损耗，安全性、可靠性较低。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于感应取能技术的变电设备综合状 态监测系统，通过感应取能进行供电，确保供电能力，加强在线监测的可靠性。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于感应取能技术的变电设备 综合状态监测系统，包括传感器和供源装置，所述传感器包括油质传感单元和气体传感器， 所述油质传感单元包括石英晶体及设于石英晶体输入端和输出端的叉指换能器，所述气体 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；所述供源装置由感应取能装置、整流稳 压单元和蓄电池组成，所述感应取能装置为电场能集能装置，所述电场能集能装置收集环 境中产生的高压线路耦合能量并转换为电能，经整流稳压单元整流稳压后储存在蓄电池池 中为传感器供电；还包括数据处理单元和对外通信单元，所述数据处理单元将传感单元采 集的信号转换成数字信号，所述对外通信单元完成单台设备内部各传感器的数据通信功 能。
[0012] 优选的，所述电场能集能装置包括平板电容器，该平板电容器置于交变电场中。
[0013] 优选的，所述整流稳压单元集成一个整流器和一个降压型转换器。
[0014] 优选的，所述声表面波激发装置包括激光器、滤光片以及聚焦透镜，激光器激发激 光脉冲，激光脉冲通过滤光片滤波后，被聚焦透镜聚焦到声表面波发生装置上。
[0015] 优选的，所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光激发的探测 光束由聚焦透镜聚焦声表面波发生装置表面。
[0016] 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。
[0017] 本发明为解决变电设备综合状态监测系统供电局限的问题，在系统中加入高压感 应取能装置，充分利用感应取能技术为系统中的相关设备提供稳定电能，高压感应取能技 术是一种利用高压输电线路周围感应的电磁能量获取电能的新型感应取电技术。该技术能 够将输电导线周围的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源，能 保证负载设备的长期稳定供电，适合作为高压输电导线上在线检测、监控、巡检、防盗等电 气设备的电源供给装置。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] (1)感应取能技术是一种通用性极强的技术，有效的解决了高压电力设备带电显 示装置的取电难题，具有良好的应用和推广价值。
[0020] (2)高压感应取能技术采用被动工作方式，实现了无源无线的状态监测方式，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，无疑将是 状态监测技术的巨大进步。
[0021] (3)感应取能技术替代传统的太阳能、蓄电池，均极大的减少了系统的维护工作 量，有利于节约成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步描述：
[0023] 图1为本发明的结构原理图；
[0024] 图2为数据处理单元的数据放大模块图；
[0025] 图3为蓄电池充放电模块图；
[0026] 图4为气体传感器的结构原理图；
[0027] 图5为气体传感器的气体测量光路倾角变化图。
【具体实施方式】
[0028] 如图1所示，基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统，包括传感器、数据 处理单元、对外通信单元以及供源装置，所述传感器单元包括若干个安装于电力设备上的 传感器，供源装置由感应取能装置、整流稳压单元和蓄电池组成，其中，感应取能装置为电 场能集能装置，是用平板电容器置于交变电场中，其两端感应出电流电压，将电场能转换为 电能，向负载进行供电；整流稳压单元通过集成一个低损耗整流器和一个高效率降压型转 换器，以通过收集环境中产生的高压设备耦合能量，然后将这种能量转换成良好调节的输 出，为传感器、数据处理单元及对外通信单元提供能量；所述传感器包括油质传感单元和气 体传感器，油质传感单元为基于声表面波原理制成的传感器，可用于粘度测量、电导率、介 电常数及介质损耗测量，气体传感器应用于气体测量。
[0029] 数据处理单元将传感器采集的信号转换成采集器可直接处理的数字信号；对外通 信单元可以完成单台设备内部传感器到采集器的数据通信功能，实现电力设备在线监测装 置高低电位之间的无线安全隔离。
[0030] 其中，油质传感单元的核心在于基于声表面波的油质传感器的测量过程，包括粘 度测量和电导率、介电常数及介质损耗测量，其中，粘度测量的原理在于：当石英晶体在液 相振荡时，由于表面张力的作用，晶体表面所附着的溶液薄层也随石英晶体一起振荡，其结 果也等效于石英晶体表面质量负载的增加，由此导致传感器振荡频率的下降。溶液的粘度 越高，随晶体振荡的液层就越厚，等效的质量负载也越大。溶液的密度越高，液层的质量也 越大。
[0031] 从流体力学原理分析，认为随振荡的石英晶体作剪切运动的液层仅为附着在晶体 表面的溶液薄层，因为表面声波（此处指体声波）的振幅随距离的增加呈指数衰减，只有在 表面声波一个波长左右（厚度在Lm量级）以内的溶液层参与振荡。我们从理论上讨论了 压电传感器受溶液粘度（G)、密度（Q)的影响，都得出了传感器的频率下降值与（GQ)成正比 的结论。溶液粘度和密度不仅对压电传感器的频率有影响，还直接关系到传感器在溶液中 的能量损耗。溶液粘度或密度越高，随晶体运动的溶液层越厚，能量损耗越严重。传感器的 能量损耗一般用石英晶体的动态电阻（Rq)表征，我们从理论和上导出了 Rq与（GQ)之间的 线性关系式，并通过实验论证。
[0032] 声学传感器的具有与传统测量完全不同的测量原理。通常，一种设备测流动粘度、 另一种测固有（磨擦）粘度。而声波（AW)传感器测量声阻抗，（ω p η) 1/2。ω是角频率， (2 π F) P是密度，η是固有黏度。
[0033] 粘性测量是将石英晶体波谐振器接触液体。液体的流动性和粘度决定了其耦合到 传感器表面的厚度。传感器表面以ω =2JiF的频率，U振幅匀速运动。此频率有一个设 定值，而其振幅是由传感器的电磁波信号的功率决定的。
[0034] 剪切型声表面波渗透到邻近流体的深度是由液体的频率、粘度、密度决定的。d = (2 ι?/ω p ) 1/2,通过计算从石英谐振器到液体的功率损耗来获得声波粘度。测量的粘度单 位是（AV)，其相当于P η，（g/cm3*CP)。密度乘以动动态粘度。得出关于电导率、介电常 数及介质损耗的推导公式如下：
[0035] 电导率 k = I/ (Rq);
[0036] 介电常I
【权利要求】
1. 基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：包括传感器和供源 装置，所述传感器包括油质传感单元和气体传感器，所述油质传感单元包括石英晶体及设 于石英晶体输入端和输出端的叉指换能器，所述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 属革G材和设于金属祀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；所述供源装置由感应取能装置、整流稳压单元和蓄电池组成，所述感应取能装置 为电场能集能装置，所述电场能集能装置收集环境中产生的高压线路耦合能量并转换为电 能，经整流稳压单元整流稳压后储存在蓄电池池中为传感器供电；还包括数据处理单元和 对外通信单元，所述数据处理单元将传感单元采集的信号转换成数字信号，所述对外通信 单元完成单台设备内部各传感器的数据通信功能。
2. 根据权利要求1所述的基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述电场能集能装置包括平板电容器，该平板电容器置于交变电场中。
3. 根据权利要求1所述的基于感应取能技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述整流稳压单元集成一个整流器和一个降压型转换器。
4. 根据权利要求1所述的基于感应取能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、滤光片以及聚焦透镜，激光器激发激光脉冲，激光 脉冲通过滤光片滤波后，被聚焦透镜聚焦到声表面波发生装置上。
5. 根据权利要求1所述的基于感应取能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，所述半导体激光激发的探测光束由聚焦透 镜聚焦声表面波发生装置表面。
6. 根据权利要求1所述的基于感应取能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。
【文档编号】G01D21/02GK104390662SQ201410673989
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】章义军, 金国亮, 高久国, 丁海华, 郑城, 周俊杰, 何锋, 何寅 申请人:国家电网公司, 国网浙江省电力公司湖州供电公司, 国网浙江安吉县供电公司