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】本实用新型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。本实用新型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] 本实用新型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。 实用新型内容
[0010] 本实用新型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，本实用新型采用如下技术方案：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] 本实用新型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] 本实用新型的有益效果：
[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】对本实用新型作进一步描述：
[0023] 图1为本实用新型的结构原理图；
[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，（ωpη) 1/2。ω是角频率， (2πF)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= (2ι?/ωp) 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Pη，（g/cm3*CP)。密度乘以动态粘度。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); Cd
[0036]介电常数4=^~C为石英晶体的电容，d为剪切型声表面波渗透到邻 bQ7lr， 近流体的深度，^为真空介电系数，r为电极半径； 一1
[0037]介质损耗谷=?是角频率，c为石英晶体的电容，R为石英晶体的初 始固定电阻值，（Rq)为石英晶体的动态电阻。
[0038] 在压电传感器振荡频率的测定中，石英晶体是振荡电路的组成部分，它连接在振 荡放大器的输入与输出端之间，提供振荡所需要的正反馈，并控制振荡电路的振荡频率。当 石英晶体单面接触溶液时，因为溶液只与一个激励电极接触，不形成直接的溶液回路，但因 存在对高频电场的感应作用，溶液电导率、介电常数、介质损耗的变化也会导致传感器振荡 频率的变化。由于电导率、介电常数、介质损耗的影响较小，而在实际测量体系中，可以控制 溶液电导率、介电常数恒定，故在单面触液压电传感器的研究中，对电导率、介电常数、介质 损耗的讨论较少。如果将压电石英晶体浸入溶液中，晶体表面的两个激励电极之间就有了 溶液回路，这种情况下，压电传感器的振荡频率就受溶液电导率、介电常数、介质损耗的显 著影响。
[0039] 对双面触液压电传感器进行了较为系统的研究结果表明压电传感器的振荡频率 随溶液电导率的增加而线性下降。和经典电导仪相比，压电传感器在较高电导率背景存在 下仍然能够检测出溶液电导率的微小变化。该特性一方面归功于频率测定的高精度，另一 方面则是因为压电传感器具有低的温度系数。对压电传感器而言，溶液温度升高，电导率增 力口，导致频率下降；而溶液的粘度和密度则随温度增加而下降，从而导致传感器频率增加。 由于这两方面的作用相互对消，所以压电传感器对电导率的响应受温度波动的影响比经典 电导仪方法要小。
[0040] 以将该传感装置应用于35KV变电站的油质检测领域中为例，在具体实施中其重 点在于声表面波技术的采用，所以作为传感器主要部件的石英晶体及叉指换能器，需要进 行严格的保护，使其使用寿命与被监测设备相同，这样就既保障了在线监测装置可持续稳 定的对主设备进行状态监测，同时也避免了因在线监测装置可靠性问题对主设备的运行维 护产生不良影响。
[0041] 该声表面波传感器采用无源无线的数据采集和传输方式，无需使用电池，也不需 要在高低电位之间连接电缆，因此具有极高的安全性，非常适用于在高压、强电磁环境中工 作。
[0042] 新型高压感应取电技术的采用，具有取能方式和设计理念上的独到之处，具有适 应各种恶劣天气、全天候稳定可靠供电、长期免维护运行等特点，从而克服了太阳能供电及 传统CT取电方式的种种不足之处，成为解决线上设备供能难题的绝佳选择。
[0043] 在具体实施中其难点在于传感装置的能量采集设计、功率放大设计以及蓄电池充 放电的控制设计；其中，由于装置的能量采集是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线路耦合能量，然后将这种能量转换成良好 调节的输出，为发光元件组件提供能量。该能量采集模块为直接对电压波形整流以及在一 个外部存储电容器中存储所采集的能量而设计，同时通过一个内部并联稳压器消耗任何过 多的功率。具备宽迟滞窗口的超低静态电流欠压闭锁模式使电荷能够在存储电容器上积 累，直至降压型转换器可以高效率地将一部分存储的电荷传送给输出为止。在无负载休眠 状态时，可调节输出电压，同时连续给存储电容充电。
[0044] 对于功率放大设计，功率放大器在数据处理单元中是重要的一个部分。由于在耦 合能量较小，不能直接提供电源。当将小功率信号进行调制、处理后，由于阻抗特性，如果直 接联入耦合电路，就会因为信号太小，很快就被衰减掉。为此，必须利用现有技术将小信号 进行功率放大使整个通信过程顺利进行。根据实际情况，功率放大器的技术主要实现以下 方面功能：有足够大的输出功率，保证信号在稱合系统和电路中传输中正常传输；要求功 率放大器的额定负载阻抗与耦合电路阻抗匹配；由于负荷变化比较大，要求功放电路有强 的带负载能力；要求功率放大器工作稳定，性能可靠；依照典型OTL电路的特点，搭建实验 电路如图所示。该电路中，前端是电压放大器，OTL电路由前端输入信号，后端为输出信号。
[0045] 对于充放电控制设计，随着电力电子器件的发展，大功率开关器件如绝缘栅双极 晶体管IGBT的技术及其制造工艺日益成熟，已在变换器、有源电力滤波器、整流器、逆变 器、动态电压调节器等方面得到成功的应用。本实施例中，采用由IGBT组成的电路来产生 大功率正弦信号，该信号经升压变压器升压及高压串联谐振电路放大后，电压等级可达高 压、超高压、特高压级别。建立了调频式谐振特高压试验电源的数学模型，并在此基础上提 出了电压调节自调整比例-积分控制方法和一种新的PI锁相自动调频的方法，从而实现 整个传感装置的调压和调频，我们所提的控制方法有利于消除传感装置的稳态误差和提高 传感装置的动态性能，易于工程实现，其中，频率控制主要由三相不可控整流电路，H桥逆变 电路，输出滤波器，串联谐振电路组成。
[0046] 如图4和图5所示，具体包括声表面波发生装置1、声表面波激发装置2、探测光束 发射装置3以及光束强度检测装置4。其中，声表面波发生装置1包括金属靶材和设于金 属靶材表面的气体选择性吸附膜11，所述声表面波激发装置2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，所述声表面波激发装置2包括激光器21、光 束分离器22以及柱面透镜23,激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透 镜聚焦到声表面波发生装置上。所述探测光束发射装置3包括半导体激光器31，所述半导 体激光器激发的探测光束由聚焦透镜32聚焦在声表面波发生装置表面。所述光束强度检 测装置4包括光电倍增管41，探测光束的反射光由一个显微透镜44聚焦并通过光电倍增 管41转化为电信号，在显微透镜44与光电倍增管41之间设有滤光片43和光纤准直器42， 探测光束的反射光经过显微透镜44聚焦后再经过滤光片和光纤准直器42进入光电倍增管 41，光电倍增管41连接示波器45,通过示波器45对检测结果进行显示。
[0047]采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式 光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。此气体传 感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲，不仅非接触，而且也为气体监 测提供了一种新的途径。
[0048]在本SAW气体传感器中，在利用单芯光纤探测光束的偏转来反映声表面波信息 夕卜，关键的部分在于在靶材的中间位置覆了一层很薄的气体选择性吸附膜，该膜只对所需 敏感的气体有吸附作用。本SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳 定性。
[0049] 吸附敏感膜具有可逆性和高稳定性，可逆性指的是敏感膜对气体既有吸附作用， 又有解吸作用，当待测的气体浓度升高时，薄膜所吸收的气体量随之增加；当浓度降低时， 薄膜还应该能够解吸待测气体。吸附过程和解吸过程是严格互逆的。这也是此气体传感器 正常可靠工作的前提。它的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而不同，当薄膜用各向同性绝 缘材料时，它对气体的吸附作用转变为覆盖层密度的变化，于是SAW传播路径上的质量负 载效应使得SAW波速发生变化。从而引起材料表面倾角的变化，表面倾角改变，光通量也会 产生相应的变化，从而得到新的交流电信号，通过检测可得表面倾角改变的大小，进而定量 分析检测出被检测气体的浓度。
[0050] 其所应用的检测原理为：
[0051] 当激光脉冲在靶材表面传播时，会产生微小的表面形变，近似认为光束发生镜面 反射。设表面形变的倾斜角为Θ，那么，光束反射时偏移原路径的角度即为2Θ相应的，反 射光束经显微透镜聚焦后形成光斑偏移的距离可以表示为：
[0052]δ= 2f2 ·θ
[0053] 探测光束的聚焦光斑的半径为：
[0054]R=f2Cr1Zf1)
[0055] 式中rl是检测光束的半径；fl，f2分别是透镜LI(聚焦透镜32)、L2(显微透镜 44)的焦距（rl= 2mm，fI= 40mm，f2 = 4mm);光纤的半径为r(5μm)，且有R>>r。
[0056] 探测激光光束的光强分布为：
【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】H02J7/02GK204177422SQ201420707917
【公开日】2015年2月25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