本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲表面波技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

大型電力變壓器在電力系統(tǒng)中起著連接不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的樞紐作用，其運(yùn)行可靠性與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全緊密相關(guān)。例如國(guó)家電網(wǎng)公司110kV及以上電壓等級(jí)的在運(yùn)電力變壓器數(shù)量在一萬余臺(tái)，提高變壓器的運(yùn)行維護(hù)水平，特別是增強(qiáng)早期潛伏性故障的診斷能力，對(duì)于降低變壓器的故障幾率，確保電力系統(tǒng)的供電可靠性具有重要意義，因此電力變壓器的故障檢測(cè)顯得尤為重要，而當(dāng)前以電力變壓器作為檢測(cè)對(duì)象的各類在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷更新發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)外高電壓、大容量電力變壓器普遍采用充油式變壓器，這類變壓器的內(nèi)絕緣系統(tǒng)是以絕緣油和絕緣紙板為主的油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，具有很高的耐電強(qiáng)度。正常運(yùn)行工況下，充油式電力變壓器的絕緣油中只會(huì)溶解微量的氣體分子，而在變壓器內(nèi)部存在早期故障或者形成新故障時(shí)，由于絕緣材料在電、熱、氧化或局部放電等多種因素的作用下，會(huì)發(fā)生絕緣裂化。絕緣材料的熱裂解會(huì)產(chǎn)生大量特征氣體溶解在絕緣油中，大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究證明，這些因變壓器故障而產(chǎn)生的氣體組分及其含量與故障的類型、部位、嚴(yán)重程度有密切關(guān)系，不同故障類型下產(chǎn)生的特征氣體因此可以將變壓器油中溶解氣體的檢測(cè)作為運(yùn)行故障的判別手段。

變壓器油中溶解氣體檢測(cè)的技術(shù)可以分為常規(guī)色譜檢測(cè)技術(shù)和油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)兩大類。其中，常規(guī)色譜檢測(cè)技術(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)取油樣到實(shí)驗(yàn)室分析，作業(yè)程序復(fù)雜，花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用較高，檢測(cè)周期長(zhǎng)，運(yùn)行人員無法隨時(shí)掌握和監(jiān)視變壓器的運(yùn)行狀況，檢測(cè)過程中的脫氣環(huán)節(jié)可能增大檢測(cè)誤差；油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然能夠增加檢測(cè)頻率，但受裝置安裝限制，油氣分離技術(shù)不成熟，脫氣過程需要載氣，氣體分離效率低，且氣體檢測(cè)存在交叉敏感的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于聲表面波技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，所述檢測(cè)裝置由若干個(gè)氣體檢測(cè)傳感器和一個(gè)數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成；

所述氣體檢測(cè)傳感器包括底板1上安裝有晶體基片2，晶體基片2上安裝有輸入叉指換能器3、兩個(gè)多條耦合器、有氣敏薄膜的聲路4、無氣敏薄膜的聲路5、兩個(gè)輸出叉指換能器；接收天線6通過信號(hào)輸入接口與輸入叉指換能器3連接，輸入叉指換能器3的輸出端與多條耦合器甲7的輸入端和多條耦合器乙8的輸入端連接，多條耦合器甲7的輸出端與有氣敏薄膜的聲路4的輸入端連接，多條耦合器乙8的輸出端與無氣敏薄膜的聲路5的輸入端連接，有氣敏薄膜的聲路4的輸出端和無氣敏薄膜的聲路5的輸出端分別連接到兩個(gè)信號(hào)反饋部分的輸入端；每個(gè)信號(hào)反饋部分由輸出叉指換能器9通過信號(hào)輸出接口與反饋天線10連接構(gòu)成；

所述數(shù)據(jù)采集器由微處理器、放大濾波電路、射頻天線、混頻濾波電路、頻率測(cè)量電路、微處理器依次連接構(gòu)成，其中微處理器、放大濾波電路以及射頻天線組成的激勵(lì)信號(hào)發(fā)出部分，由射頻天線、混頻濾波電路、頻率測(cè)量電路以及微處理器組成的測(cè)量信號(hào)接收部分；

所述晶體基片2能降低聲波信號(hào)耦合損耗；

所述氣敏薄膜用于吸收變壓器油中溶解氣體，能夠改變聲表面波傳播途徑的頻率特性；

所述輸入叉指換能器3、輸出叉指換能器9分別用于電-聲和聲-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

所述多條耦合器用于體聲波信號(hào)和聲表面波信號(hào)分離；

所述放大濾波電路與射頻天線組合用于頻率信號(hào)的輸出；

所述混頻濾波電路和頻率測(cè)量電路組合用于檢測(cè)信號(hào)的整理和測(cè)量；

所述氣體檢測(cè)傳感器采用雙聲路信號(hào)采集，消除檢測(cè)環(huán)境中其他因素的干擾，除氣敏薄膜的有無的區(qū)別外，雙聲路的設(shè)計(jì)參數(shù)均相同；

所述放大濾波電路用于增強(qiáng)信號(hào)傳輸功率，擴(kuò)展信號(hào)傳輸距離。

所述接收天線6直接印刷在底板1上，避免空間型天線在變壓器油中引起放電故障。

所述氣體檢測(cè)傳感器通過更換氣敏薄膜材料檢測(cè)多種變壓器油中溶解氣體。

所述有氣敏薄膜的聲路4中的氣敏薄膜采用二氧化錫作為薄膜基底。

一種基于聲表面波技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法的具體過程為

步驟1、將若干個(gè)氣體檢測(cè)傳感器放置在運(yùn)行的變壓器油枕中，各個(gè)氣體檢測(cè)傳感器的氣敏薄膜的材料是不同的，能夠?qū)?yīng)吸收不同的故障特征氣體；數(shù)據(jù)采集器放置在變壓器箱體外；

步驟2、數(shù)據(jù)采集器通過放大濾波電路與射頻天線輸出頻率信號(hào)；

步驟3、氣體檢測(cè)傳感器的接收天線6接收由數(shù)據(jù)采集器輸出的頻率信號(hào)，并通過信號(hào)輸入接口傳輸至輸入叉指換能器3處進(jìn)行電-聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再通過多條耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)中體聲波信號(hào)和聲表面波信號(hào)的分離，抑制體聲波信號(hào)在聲路中的傳播，然后將聲表面波信號(hào)耦合輸入至有氣敏薄膜的聲路4和無氣敏薄膜的聲路5兩條聲路中；

步驟4、有氣敏薄膜的聲路4作為氣體檢測(cè)傳感器的測(cè)量聲路，該聲路中的氣敏薄膜材料作為油中溶解氣體檢測(cè)元件，在吸收特征氣體后，該氣敏薄膜的材料特性發(fā)生改變，聲表面波在該聲路傳播時(shí)的頻率亦發(fā)生改變；無氣敏薄膜的聲路5作為氣體檢測(cè)傳感器的對(duì)比聲路，其為單一的晶體材料，不具有對(duì)油中溶解氣體的物理吸附作用，聲表面波在該聲路傳播時(shí)頻率特性不會(huì)發(fā)生改變；

步驟5、輸出叉指換能器9接收經(jīng)過步驟4處理后的聲表面波信號(hào)，進(jìn)行聲-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過反饋天線10將轉(zhuǎn)換后的測(cè)量信號(hào)輸出；

步驟6、數(shù)據(jù)采集器中的反饋信號(hào)測(cè)量部分接收步驟5輸出的測(cè)量信號(hào)，將兩個(gè)聲路的測(cè)量信號(hào)提取分離，并實(shí)現(xiàn)解調(diào)測(cè)量，從而確定油中溶解的故障特征氣體的組成和濃度，判斷故障類型。

有益效果

本發(fā)明提供的裝置無線無源；其中，氣體檢測(cè)傳感器采用雙聲路結(jié)構(gòu)消除測(cè)量環(huán)境其他因素影響，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)靈敏度高；通過更換氣敏薄膜實(shí)現(xiàn)不同特征氣體的單獨(dú)測(cè)量，解決了油中溶解氣體檢測(cè)交叉敏感的問題；裝置簡(jiǎn)單、體積小，傳感器內(nèi)置不需要對(duì)變壓器柜體進(jìn)行改造等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的氣體測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明方法的步驟流程圖；

其中，1-底板；2-晶體基片；3-輸入叉指換能器；4-有氣敏薄膜的聲路；5-無氣敏薄膜的聲路；6-接收天線；7-多條耦合器甲；8-多條耦合器乙；9-輸出叉指換能器；10-反饋天線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種基于聲表面波技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測(cè)裝置及方法。

變壓器故障時(shí)產(chǎn)生的電弧放電會(huì)導(dǎo)致變壓器油發(fā)生分解產(chǎn)生多種溶解于變壓器油中的故障特征氣體，而不同材料制備的氣敏薄膜放置在故障后的變壓器油中會(huì)吸收對(duì)應(yīng)的故障特征氣體(見表1)。

表1摻雜物質(zhì)與特征氣體對(duì)應(yīng)關(guān)系

所述檢測(cè)裝置由若干個(gè)氣體檢測(cè)傳感器和一個(gè)數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成；如圖1所示為氣體檢測(cè)傳感器的機(jī)構(gòu)圖，包括底板1上安裝有晶體基片2，晶體基片2上安裝有輸入叉指換能器3、兩個(gè)多條耦合器、有氣敏薄膜的聲路4、無氣敏薄膜的聲路5、兩個(gè)輸出叉指換能器；接收天線6通過信號(hào)輸入接口與輸入叉指換能器3連接，輸入叉指換能器3的輸出端與多條耦合器甲7的輸入端和多條耦合器乙8的輸入端連接，多條耦合器甲7的輸出端與有氣敏薄膜的聲路4的輸入端連接，多條耦合器乙8的輸出端與無氣敏薄膜的聲路5的輸入端連接，有氣敏薄膜的聲路4的輸出端和無氣敏薄膜的聲路5的輸出端分別連接到兩個(gè)信號(hào)反饋部分的輸入端；每個(gè)信號(hào)反饋部分由輸出叉指換能器9通過信號(hào)輸出接口與反饋天線10連接構(gòu)成；

圖2為數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)示意圖，由微處理器、放大濾波電路、射頻天線、混頻濾波電路、頻率測(cè)量電路、微處理器依次連接構(gòu)成，其中微處理器、放大濾波電路以及射頻天線組成的激勵(lì)信號(hào)發(fā)出部分，由射頻天線、混頻濾波電路、頻率測(cè)量電路以及微處理器組成的測(cè)量信號(hào)接收部分。

所述晶體基片2能降低聲波信號(hào)耦合損耗；

所述氣敏薄膜用于吸收變壓器油中溶解氣體，能夠改變聲表面波傳播途徑的頻率特性；

所述輸入叉指換能器3、輸出叉指換能器9分別用于電-聲和聲-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

所述多條耦合器用于體聲波信號(hào)和聲表面波信號(hào)分離；

所述放大濾波電路與射頻天線組合用于頻率信號(hào)的輸出；

所述混頻濾波電路和頻率測(cè)量電路組合用于檢測(cè)信號(hào)的整理和測(cè)量；

所述氣體檢測(cè)傳感器采用雙聲路信號(hào)采集，消除檢測(cè)環(huán)境中其他因素的干擾，除氣敏薄膜的有無的區(qū)別外，雙聲路的設(shè)計(jì)參數(shù)均相同；

所述放大濾波電路用于增強(qiáng)信號(hào)傳輸功率，擴(kuò)展信號(hào)傳輸距離。

所述接收天線6直接印刷在底板1上，避免空間型天線在變壓器油中引起放電故障。

所述氣體檢測(cè)傳感器通過更換氣敏薄膜材料檢測(cè)多種變壓器油中溶解氣體。

所述有氣敏薄膜的聲路4中的氣敏薄膜采用二氧化錫作為薄膜基底。

圖3為本發(fā)明提出的一種基于聲表面波技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測(cè)方法，其具體過程為

步驟1、將若干個(gè)氣體檢測(cè)傳感器放置在運(yùn)行的變壓器油枕中，各個(gè)氣體檢測(cè)傳感器的氣敏薄膜的材料是不同的，能夠?qū)?yīng)吸收不同的故障特征氣體；數(shù)據(jù)采集器放置在變壓器箱體外；

步驟2、數(shù)據(jù)采集器通過放大濾波電路與射頻天線輸出頻率信號(hào)；

步驟3、氣體檢測(cè)傳感器的接收天線6接收由數(shù)據(jù)采集器輸出的頻率信號(hào)，并通過信號(hào)輸入接口傳輸至輸入叉指換能器3處進(jìn)行電-聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再通過多條耦合器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)中體聲波信號(hào)和聲表面波信號(hào)的分離，抑制體聲波信號(hào)在聲路中的傳播，然后將聲表面波信號(hào)耦合輸入至有氣敏薄膜的聲路4和無氣敏薄膜的聲路5兩條聲路中；

步驟4、有氣敏薄膜的聲路4作為氣體檢測(cè)傳感器的測(cè)量聲路，該聲路中的氣敏薄膜材料作為油中溶解氣體檢測(cè)元件，在吸收特征氣體后，該氣敏薄膜的材料特性發(fā)生改變，聲表面波在該聲路傳播時(shí)的頻率亦發(fā)生改變；無氣敏薄膜的聲路5作為氣體檢測(cè)傳感器的對(duì)比聲路，其為單一的晶體材料，不具有對(duì)油中溶解氣體的物理吸附作用，聲表面波在該聲路傳播時(shí)頻率特性不會(huì)發(fā)生改變；

步驟5、輸出叉指換能器9接收經(jīng)過步驟4處理后的聲表面波信號(hào)，進(jìn)行聲-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過反饋天線10將轉(zhuǎn)換后的測(cè)量信號(hào)輸出；

步驟6、數(shù)據(jù)采集器中的反饋信號(hào)測(cè)量部分接收步驟5輸出的測(cè)量信號(hào)，將兩個(gè)聲路的測(cè)量信號(hào)提取分離，并實(shí)現(xiàn)解調(diào)測(cè)量，從而確定油中溶解的故障特征氣體的組成和濃度，判斷故障類型。

聲表面波在通過吸收故障特征氣體的氣敏薄膜時(shí)傳播特性發(fā)生改變(例如聲波頻率)，通過對(duì)比傳播特性的“變化量”可以確定變壓器油中溶解故障特征氣體的組成和溶解濃度，根據(jù)故障特征氣體的組成可以判斷故障類型(見表2)。

表2絕緣材料在不同故障類型下產(chǎn)生的特征氣體