结垢传感器的制作方法

本发明涉及一种用于电气绝缘子的结垢传感器。它特别适用于位于导电缆和支撑件之间的绝缘子领域。
背景技术：
：绝缘子受到外部环境的影响，造成盘状体(玻璃、陶瓷或硅树脂等)的堵塞/污染。沿海的或靠近污染工厂的装置就是这种情形。这种污染导致导电沉积物的积聚，其在一定的湿度条件下导致电流流过绝缘子。为了避免这个问题，平均每六年进行一次昂贵的绝缘子预防性维护(装置断电，加压蒸馏水清洗)。绝缘子确保导体电缆和支撑件之间的电气绝缘。绝缘子串联使用，串联的链路长度随着电压水平增加。大致按如下计算：-63000伏特6个绝缘子(盘状体)-90000伏特9个绝缘子，-225000伏特12个绝缘子，-超高电压400000伏特19个绝缘子。绝缘子串联链路也用于机械目的：它必须能够经受导体导致的负载，所述导体受到风、雪或冰的影响。作为一个例子，下表给出了不同国家的各种超高电压(>220kv)网络规模：法国47000km大不列颠21000km德国35000km魁北克20000km美国250000km有非常多的绝缘子。实际上，两个vhv(veryhighvoltage(超高电压)的首字母缩略词)塔架之间的距离通常约为0.5km，并且每个塔架都包括在电缆的每一侧的绝缘子。绝缘子的污染是影响能量输送质量和可靠性的最重要因素之一。实际上，在多雨或多雾的天气中，会固着在绝缘表面上的污染沉积物(物质的积聚)显著降低表面电阻率并且可能导致闪络。事实上，污染层的增湿促进了泄漏的电流在绝缘表面上的循环，从而引起局部过热效应，并因此干燥污染层。因此，电势的分布被显著改变，并且在在一些情况下会产生局部电弧。局部电弧会导致绝缘子的完全闪络。闪络的后果包括从绝缘子表面的损坏到高电压线路的故障。因此，高电压绝缘子的主要特征之一是其能够在其所处的不同的环境中的抗闪络性。根据地点，污染有不同的来源。这里感兴趣的污染是那些可能导致闪络的污染：-自然污染：沿海地区的海盐，地面的尘土或沙漠地区的沙子。这种污染对以或多或少导电的沉积物覆盖绝缘子有贡献，所述或多或少导电的沉积物在变潮湿时对闪络有贡献；-工业污染：来自工厂(炼油厂，水泥厂等)的烟雾，废气，农业中使用的肥料等，都以同样的方式对绝缘子表面上盐的积聚有贡献。绝缘子维修的周期性和类型取决于该地区的污染率和雨量。事实上，强降雨将使得清洗绝缘子表面成为可能。维修可以如下方式进行：-定期手动擦拭断电的装置，-干洗带电或断电的装置，-定期涂抹油脂，-定期带电或断电高压清洗。目前停电的经济成本范围在3欧元/kw到150欧元/kw未消耗电能。如标准iectr60815-1986所示，可以通过三种方式评估污染严重程度：-经验方法：从相应环境的近似描述为四个层次：低，中，高，非常高；-统计方法：从所考虑地点已投入使用的线路和变电站绝缘子的行为信息；-计量方法：从现场测量-通过方向计量器(directiongage)收集的污染物的体积电导率，-表面等效盐沉积密度(esdd方法：esdd是equivalentsaltdepositdensity(等效盐沉积密度)的首字母缩略词)，-不同长度的绝缘子串联链路的闪络总数，-参考绝缘子的表面电导，-承受供电电压(servicevoltage)的绝缘子的泄漏电流。本发明的目的是通过使用参考传感器评估绝缘子的结垢来限制维护操作。根据结垢程度，可以通知需要维修。技术实现要素：本发明旨在弥补这些缺陷。为此，本发明涉及一种包括本体的电气绝缘子形式的结垢传感器，其特征在于，所述本体包括：-盘状部件，其具有顶面和底面，-测量电极，其由印刷电路组成，其两面相同，并填充铜。该测量电极位于盘状体内部。测量电极包括内面和外面，内面朝向盘状体内部，并测量结垢传感器内部电容，而外面接地，并且外面朝向盘状体外部并在内面接地的同时测量结垢传感器的外部电容，-微控制器，其适于从外表面的电容值瞬时减去内面的电容值并存储所得到的结果，-电源。借助这些条件，用于电气绝缘子的结垢传感器可以是结垢指示器(foulingtelltale)。结垢传感器精确地指示盘状体外表面上的电导率水平，并随着时间的推移可持续地进行。结垢传感器是参考传感器，用于安装在由绝缘子组成的元件附近，这些绝缘子的结垢需要被知晓。电极是矩形印刷电路板，称为pcb，其绝缘等级可以是fr-4(flameresistant4缩写)：玻璃纤维增强的环氧树脂复合材料，其厚度可以是1.6mm，且其两个面均匀填充铜。朝向结垢传感器内部的面称为“内面”，胶粘到盘状体上并朝向传感器外面的面称为“外面”。在一个实施例中，结垢传感器的内部电容或外部电容的测量是通过电气测量进行的，电气测量是通过连续将电极的每个面(例如电容器)以直流电充电一段时间进行的。可以理解通过测量电荷耗散进行电气测量。在一个实施例中，传感器包括用于传输数据的无线通信板。在一个实施例中，测量电极固定在盘状体顶面(topface)的表面下方。测量电极位于盘状体顶面上的盘状体内部。在一个实施例中，测量电极固定在盘状体底面的表面上。测量电极位于盘状体底面上的盘状体内部。在一个实施例中，由通信板发送的数据是来自测量电极的测量值或由微控制器处理的数据。在一个实施例中，所述结垢传感器包括温度传感器和湿度传感器。在一个实施例中，测量电极是矩形形式的，其电极的纵轴穿过盘状体的中心。在一个实施例中，三个其他测量电极相对彼此以90°分布从而与第一测量电极形成四个基点，如北，西，南和东。结垢传感器的安装应保持基点的定位，并与电气绝缘子所处的气象条件相同。附图说明本发明的其它优点、目标和特征可从下面的描述中看出，下面的描述是结合附图为解释性而非限制性目的给出的，在附图中：-图1到图7的示图用于说明空气中和水中的电极测量操作，-图8示出电极的充电和放电曲线，-图9示出测量分析曲线，-图10根据作为本发明主题的传感器的特定实施例，示出用于电气绝缘子的结垢传感器的横截面图，-图11根据示例性实施例示出其四个电极位于基点处的盘状体，-图12示出空气基准电容测量示图，-图13示出不同日均值的趋势示图，以及-图14示出示结垢传感器的不同功能部件的示图。具体实施方式电容技术基于电容器的电气特性。电容器由两个被基板分开的导电板片组成。其特征量是电容，用法拉(f)表示。它反映了电荷从一个板片到另一个板片的通过能力。分离两个板片的基板的绝缘性越大，电容越低。在用于电气绝缘子的结垢传感器的情况下，电容性测量是通过两个电容实现的：外壳外部的电容和外壳内部的电容。电容器由在其两个具有相同形状和表面的面上的铜构成，以下称为测量电极。这个测量电极胶粘在参考传感器的盘状体里面。外部电容(外面)物理地形成在电极的朝向盘状体的外部的面(这里是胶粘面)和外部介质之间。上述电极的面和外部介质形成了两个板片。电荷v+被施加到电极的外面。外部介质导电性越高，耗散的电荷越多，因此电极(v1)面上的合成电压将越低。换言之，外部介质的介电常数越高，合成电压越低。图1至图7示出了以水和空气测量为例的测量操作。如果外部介质是一定质量的水，则合成电压为零(水的介电常数＝80)。如果外部介质是干燥空气，则所合成电压等于所施加的电荷v+(干燥空气的介电常数＝1，不通过电荷)。内部电容(内面)部分在电极的朝向盘状体内部的面与内部介质之间形成。本体(呈盘状)对外部介质是密封的。内部介质是干燥空气，唯一的变化是温度。类似地，向电极的表面施加相同的电荷v+，并测量合成电压(v2)。内部电容是重要的，因为它可以提供温度补偿，并通过空气参考来避免测量偏差。在另一个示例性实施例中，设备物品是“充气的”，以消除内部/外部压力差，该内部/外部压力差将产生接近于外部湿度的相对内部湿度。该示例性实施例使得可以仅表明结垢的影响而非“结垢+湿度”的影响。两个合成电压(v2-v1)之间的差值可以获得可靠的温度补偿的结果。它表征污染表面的导电能力。电容测量是电气类的测量，并且包括以直流电流对诸如电容器的电极的每个面(内面和外面)持续一定时间充电，该直流电流表示为i，该时间表示为t(充电时间)。测量依次进行，当测量电极的内面时，外面接地。在测量之前，有关的面接地，因此起始电压为0v，然后线性增加，根据等式1，其中c是电容，v是电压，t是时间，i是电流：(等式1)然后，在时间t结束时测量相关面上的电压，然后通过模数转换器将其转换为以10位编码的数值。根据等式2，电压与电容成反比：(等式2)测得的电压反映了电荷消散：零电压反映高电容(面与导电介质接触)，高电压反映强电阻率(面与电阻介质接触)。如图8所示，将有关面对地放电。图8在y轴上示出电压v，在x轴上示出时间t。该图示出线性增加到值t，然后线性减小到2t。结垢传感器的电流值和充电时间值的示例如下：i＝23μa和t＝2μs。在后面的图表示的例子中，结垢传感器包括八个测量电极。对结垢传感器中上的八个电极连续执行前面的操作。对于每个电极，测量先在内面上，然后在外面上进行。当一个面被测量时，另一个面接地以形成屏蔽以避免通过其耗散电荷。因此，对于每个电极，其结果是两个数值：第一个反映内部电容，第二个反映局限于电极上的外部电容。然后，微控制器在这两个值之间执行减法，以省略去特定于环境的所有变量，特别是温度。所获得的值因此不随温度变化，并且表征盘状体外表面上、具体是位于电极的介质的介电性能。该所获得的值将被称为“电容差”。这是一个计算结垢测量的例子。结垢标准是根据几个变量的历史记录来计算的，其记录是以规则的时间步长进行的：-气象资料：温度、湿度、雨量-盘状体底面的北/南/东/西四个电容差-盘状体顶面的北/南/东/西四个电容差。分析涉及在盘状体干燥状态中获得的电容差。实际上，露水和雨水使得盘状体的表面导电，在电容差上设置了一个与结垢无关的上限。在一个变体中，气象站的雨量计链接到记录器。数据上传到服务器，历史记录可以处理数据。在另一个变型中，取决于装置，雨量计通过无线或有线直接链接到结垢传感器。为此，需要对电容差进行滤波，以在测得的温度与露点温度相差足够时仅保持所获得的电容差。露点是表征气体中湿度的热力学数据。空气的露点是水蒸气的分压等于其饱和蒸气压的温度。露点温度的计算是用以下公式实现的，等式3：(等式3)其中t是测量的温度，h是相对湿度，tr是露点温度。结垢标准由在八个滤波电容差的上升阶段之后达到的超出阈值组成。对于每次降雨，取决于降雨的强度和持续时间，可以不同程度地清洗盘状体，导致如下的锯齿形式的滤波电容差模型，参见图9：图9示出了结垢阈值，表示为s。结垢阈值是水平线性的。表示为d的电容差曲线呈锯齿形，垂直部分对应于雨水。幅度取决于降雨的强度和持续时间。根据污染程度，上升阶段可在不同的时间尺度上被察觉：几天、几个月、几年。在另一个例子中，如果污染极小或者频繁降雨提供定期的清洗，则没有上升阶段。结合气象和湿度测定数据，测量的历史使得能够可以评估绝缘子结垢的程度。这些数据存储在气象记录器(气象站)中。绝缘子形式的结垢传感器是一种参考解决方案，这意味着它具有尽可能接近所观测的的电气绝缘子的性能–该性能包括由其几何形状导致的性能和其材料的性能。当几个绝缘子依次相继定位时，电气绝缘子构成串联链路。在绝缘子形成的盘状体串联链路中，盘状体不会以相同的方式结垢。对于垂直定位的电气绝缘子，位于最上面的面由于暴露在雨水中使得每次强降雨都能够被清洗，而最低的面由于不会被降雨洗涤，或者盘状体被弹溅到盘状体底面上雨水洗涤而被清洗得最少。因此这两个面分别代表最重污染和最弱污染。如果结垢传感器是由单个的盘状体组成的，就可以使绝缘子串联链路产生最小和最大的结垢。其外形是vhv(超高电压)标准绝缘子的外形，参见图10。在图10中可以看到的示例性实施例中，结垢传感器具有顶面和底面。两个测量电极21a呈现并固定在盘状体内部，在盘状体20的顶面的表面。两个测量电极21b呈现并固定在盘状体的内部，在盘状体20的底面的表面。电极连接线没有示出。结垢传感器上的材料是pps(聚苯硫醚)。该材料符合以下标准：-足以允许测量的介电常数，-抗uv(紫外线)、非常小的表面粗糙度、疏水性、抗静电性，-不透水蒸气，-高耐化学性，-在-40°至+100℃的宽温度范围内尺寸稳定性大。在示例性实施例中，结垢传感器密封防护等级ip65(耐恶劣天气)。在另一个示例性实施例中，并且给定结垢传感器的暴露，优选地认证ip67(防护指数67)(在1米的水下30分钟)的防护等级。结垢传感器包括各种部件：-母板：对子板和包括一个微控制器的数学功能模块的管理，，母板还包括一个存储器、用于配置的一个第一短程射频信道；-通信板：通过第二射频蜂窝通信信道(gsm(全球移动通信系统)、移动电话的gprs(通用分组无线电服务)、第三代的3g、第四代的4g、或远程低比特率通信网络等传输数据；-测量板：测量内部电极和胶粘在本体上的外部电极之间的电容差、湿度差和温度差；-电极板：包括直接放置在电极脚部的电子转换部件的测量电极，以使部件和电极之间的串联链路的影响最小化，实际上，电线的长度通过电阻率、线路的电容和电磁干扰影响测量。参见图14，其示出了实施例的示图。由于污染是由风和/或雨导致的，因此这种污染不会均匀地分布在结垢传感器的一个表面或多个表面上。检测绝缘子污染的测量原理使得可以检测绝缘子污染主要来源，并使得测量可靠。为此，结垢传感器由位于盘状体内的另外三个测量电极组成。测量电极的第一网络至少位于结垢传感器盘状体顶表面的北，西，南，东四个基点上。在另一个示例性实施例中，测量电极的第二网络至少位于绝缘子底表面并且在盘状体内部的北，西，南，东四个基点上。在该形式中，测量电极的第二网络位于结垢传感器盘状体的底表面上。这两种网络是完全相同的，且都位于同一个轴上，以便能够将顶部网络的测量值与底部网络的测量值进行比较。在另一个例子中，传感器包括这两种结垢网络：结垢传感器包括位于盘状体内的八个测量电极，其中四个电极位于结垢传感器盘状体顶表面上北，西，南，东四个基点上，并且另外四个测量电极位于在污染传感器盘状体底表面上北，西，南，东四个基点上。八个测量电极在盘状体内部，因此构成结垢传感器。这种情况下的测量原理如下：1-两个面的比较电容测量：比较顶部网络的每个测量电极的外部电容(外面)与内部电容(内面)确定顶部盘状体的污染水平。2-两个面的比较电容测量：比较底部网络的测量电极的外部电容(外面)与内部电容(内面)确定底部盘状体的污染水平。3-通过比较顶部网络的每个测量电极来确定电容差，确认污染水平并确定污染的主要来源。4-通过比较底部网络的每个测量电极来确定电容差，确认污染水平并确定污染的主要来源。5-测量电极的顶部网络与测量电极的底部网络之间的比较测量，确定污染的主要来源并确认污染的主要来源。6-如果需要，在结垢传感器的通信网络和同步网络之间进行比较测量。这六个步骤是示例性实施例，并且可以彼此独立地进行。在一个示例性实施例中，本发明涉及实现如在本发明前文中所描述的用于电气绝缘子的结垢传感器的方法，并且包括以下步骤：a)外面接地时，在t时刻采集测量电极内面的电容值；b)内面接地时，在t时刻采集测量电极外面的电容值；以及c)将在时刻t采集的两个值相减以获得减去的值。减去的值与温度无关。图12表示空气基准电容测量方案。实验包括将结垢传感器放置在外部介质中，在未明显受到污染的环境中，并且在一周内以1分钟的时间间隔记录温度(曲线31，单位为℃)，相对湿度(曲线33，以％rh表示)和代表电极的电容差(曲线32，无单位)。图中的测量结果清楚地表明了空气基准电容测量的稳定性，不依赖于温度并且依赖于成露周期(dewcycle)。该周期显示了在左边的y轴上的4和17之间的电容测量的可重复性(x轴是时间)，并且右边的y轴是湿度。网格表示日常周期，曲线31表示测量温度(单位是摄氏度)，曲线32表示在结垢传感器上测量的电容值，曲线33表示测量湿度。两个相同的结垢传感器在相同的条件下放置数周。他们的测量是相同的，并作为湿度的函数变化。在图13中，湿度和温度曲线在参数tr下合成。-tr，露点，单位为℃-t，温度，单位为℃-h，相对湿度(％)试验包括将两个结垢传感器置于相同的条件下，在外部介质中，在未明显受到污染的环境中。然后在两周内以一分钟的时间间隔为每个传感器记录温度、相对湿度和代表电极的电容差。在六天的测试结束时，两个传感器中的一个通过喷洒海水结垢(结垢传感器34的曲线)，另一个传感器经受相同的喷洒，但用的是蒸馏水(结垢传感器35的曲线)。曲线图综合了日平均值的形式，露点温度(以℃为单位，根据温度和相对湿度计算)，以及代表每个传感器的电容差。该曲线图示出不同日均值的趋势。这个数字使得可以看出该测量原理确实解决了结垢(电介质)问题。图14示出结垢传感器的不同功能部件的示图。在这个例子中，通信板远程传输信息。主板包括子板和包含微控制器的数学功能模块的管理，以及radio1。radio1是专有协议，称为wiji(注册商标)(欧洲的频率为868mhz，美国的频率为915mhz)，用于传感器的配置和更新，用于在本地恢复数据，以及必要时在传感器之间交换数据。通信板包括radio2，通过第二射频信道传输数据。第二个通道能够将数据上传到服务器。通信板使用以下模式中的至少一个：无线电波，例如uhf(ultrahighfrequency(超高频率)的首字母缩略词)；光波，例如红外线；声波，例如次声或超声波；和/或射频网络上的通信规范，例如sigfox(注册商标)、lora(注册商标)、gsm/gprs(注册商标)。电极板相应于上文解释的测量电极。子板是母板、电极板网络与湿度和温度传感器之间的串行接口。当前第1页12