[发明专利]基于声表面波技术的GIS内部断路器运行温度的在线监测系统及监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于声表面波技术的GIS内部高压导体运行温度的在线监测系统及监测方法，具体是指基于声表面波技术的GIS内部断路器运行温度的在线监测系统及监测方法。

背景技术

气体绝缘开关(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)加工工艺严格、技术先进，采用SF6气体为绝缘介质，具有良好的开断能力、绝缘性能和灭弧性能，以及检修周期长、故障率低、维护费用少、占地面积小等优点，目前被广泛应用于电力系统中。

但是当GIS设备中的内部高压导体触头接触不良时，由于接触电阻变大，在负载电流流过时会产生过热现象。触头、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路，形成重大事故，造成巨大的经济损失。因此，需要对高压导体的最高温度进行监测。

气体绝缘开关内部的隔离开关、断路器和母线均为气体绝缘开关的高压导体，隔离开关的最高温度值常发生在开关触头处，断路器的最高温度值常发生在屏蔽罩外的高压导杆，屏蔽罩外的高压导杆简称为高压导杆，母线的最高温度值常发生在母线触头处，对最好温度值的监测是判断高压导体是否出现过热现象的重要手段。

电力系统中GIS对内部设备要求比较苛刻，气室内部不允许存在金属尖端、毛刺和灰尘等杂志，且GIS的维修与维护比较复杂。传统技术对高压导体最高温度值的监测通常采用温度传感器直接接触高压导体来测温的。传统的温度传感器需要外部供电或蓄电池供电，设备的维修及电池的更换都极为不便。所以就其取电方式来说，传统的温度传感器是不可取的。

声表面波技术是一种无源无线的传感器技术，采用声表面波技术的温度传感器称之为声表面波温度传感器，即SAW温度传感器，该SAW温度传感器为无源无线的温度传感器，使用时不需要电源和连接线，仅通过采集器向其发射无线射频信号作为激励信号便可触发其工作。SAW温度传感器具有高灵敏度、低功耗、零排放、免维护等特点，且由于SAW温度传感器采用全密封多腔体屏蔽设计，具有极强的电磁兼容性和抗干扰能力，并配有独特的天线门控抑制干扰信号技术，几乎能完全去除空间电磁干扰，实现强干扰环境下的温度在线监测，安装后不影响原有设备的绝缘性能，因而适合在GIS设备等全封闭式空间内对设备内部的诸如高压导体等部件进行温度的在线实时监测。

一般的SAW器件主要包括压电基片、叉指换能器(IDT)和反射栅等结构。其中IDT是一种用于在压电基片上激发SAW的声电转换器，是SAW器件的核心结构。在压电基片上通过平面半导体工艺周期性设置一对平行的金属电极即可构成IDT，当在IDT两端加上交变电压时，会在IDT下面的压电基片的表面和表面附近的空间产生交变电场，并通过逆压电效应在压电基片表面产生相应的弹性形变，从而激发SAW。

根据国内外学者对SAW器件多年的研究可知，不同压电材料对温度的敏感度不同，通过选择合适的压电基片材料和晶体切型，可以获得温度灵敏度高且温度频率特性呈线性的SAW温度传感器。根据器件结构的分布方式，SAW温度传感器可以分为延迟线型和谐振型两种。其中在延迟线型的SAW温度传感器上，反射栅只在IDT的单侧出现，当外界温度变化时，压电基片上IDT激发的SAW传播速度会发生变化，使得激励信号和经过反射栅返回的回波信号在出现时延或相位变化，因此通过检测信号的时延或相位差即可得到温度信息。而在谐振型SAW温度传感器上，反射栅对称分布在IDT的两侧，当IDT激发的SAW的频率与反射栅阵的尺寸匹配时SAW经过反射阵列的来回反射能够形成朱波，达到谐振状态，该谐振频率由叉指换能器的叉指间距和SAW的传播速度决定。当外界温度变化时，压电基片上IDT激发的SAW传播速度会发生变化，导致SAW温度传感器的谐振频率发生变化，通过检测SAW温度传感器的谐振频率变化即可得到温度信息，因此SAW温度传感器也称为SAW谐振器。

近年来，声表面波(Surface Acoustic Wave，简称SAW)技术的研究与应用已相当成熟和广泛，但是，至今为止真正的采用无源无线技术对GIS设备内部高压导体温度进行在线监测的装置和方法在国内外电力行业中尚未出现。

发明内容

本发明的目的之一是提供基于声表面波技术的GIS内部断路器运行温度的在线监测系统，该系统充分利用声表面波技术的高灵敏度、低功耗、零排放、免维护等特点，在保证GIS内部绝缘性能的前提下，实现GIS内部绝缘开关运行温度的在线监测。