一种高压GIS设备监测用声表面波传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及高压GIS设备监测技术领域，尤其涉及一种高压GIS设备监测用声表面波传感器及其使用方法。

背景技术

高压气体绝缘开关(GIS)由于具有高的运行可靠性已经越来越广泛地被采用。随着电网的电压等级不断提高，要求电气设备体积小、运行可靠、便于维护。气体绝缘组合电器因具有这些优点而深受广大用户的欢迎，为了保证气体绝缘组合电器安全运行，尽可能延长检修周期，研究预测内部潜伏性故障的方法是很有必要的。

在气体测量应用时，通常采取气体进口和出口设计，然后在气体进出口位置设计声表面波延迟线，通过延迟线声波特性测试气体密度情况。由于声表面波气体密度传感器有较高的灵敏度和抗恶劣条件的性能优势，在高压设备领域的应用也在逐步探索。经过试验研究，该原理的技术在高压GIS设备中应用面临的一个问题：监测单元安全如果出现松动不禁锢情况，也会影响延迟线声波特性，此时单从声表面波传感器的输出数据无法诊断出该异常来自监测单元还是GIS高压设备内部，影响整个声表面波气体密度监测模块的可靠性。

发明内容

本发明所述的一种高压GIS设备监测用声表面波传感器及其使用方法，解决上述背景技术中提出的监测单元安全如果出现松动不禁锢情况，也会影响延迟线声波特性，此时单从声表面波传感器的输出数据无法诊断出该异常来自监测单元还是GIS高压设备内部，影响整个声表面波气体密度监测模块的可靠性的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高压GIS设备监测用声表面波传感器，包括声表面波传感器延迟线、声表面波传感器天线、进气导管、出气导管、磁滞伸缩传感器、信号发射端和信号接收终端；所述声表面波传感器延迟线与所述声表面波传感器天线连接并通过所述声表面波传感器天线与信号发射端和信号接收终端通信连接以实现信号传输；所述进气导管、出气导管均与声表面波传感器延迟线连接；所述进气导管和出气导管外部均套接有所述磁滞伸缩传感器。

优选的，所述磁滞伸缩传感器包括空心线圈和磁铁，所述空心线圈缠绕在所述进气导管和所述出气导管上形成闭环结构，所述磁铁设于所述空心线圈外侧。

优选的，设于进气导管外侧的所述磁铁与设于出气导管外侧的所述磁铁呈互斥结构排列安装。

优选的，所述磁铁为环形结构。

优选的，所述磁铁为半环形结构。

优选的，缠绕在进气导管上的所述空心线圈与缠绕在出气导管上的所述空心线圈的绕制方向相反。

优选的，所述声表面波传感器延迟线为延迟线型声表面波传感器。

优选的，所述声表面波传感器延迟线上还设有气体气敏感知薄膜。

优选的，所述磁滞伸缩传感器的谐振中心频率为所述声表面波传感器延迟线上基材声速的50％-80％。

一种高压GIS设备监测用声表面波传感器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：使用信号发射端发射电信号；

S2：通过声表面波传感器天线接收所述步骤S1中发射的电信号；

S3：信号经声表面波传感器天线接收后在声表面波传感器延迟线上实现电声转换，将电信号转换成声信号并在声表面波传感器基材上传播；

S4：所述步骤S3中的声信号收外部气体压力的影响发生变化，此处发生变化的声信号则变为携带环境信息的声信号；

S5：将携带环境信息的声信号转成电信号并通过所述声表面波传感器天线传输发射出去；

S6：信号接收终端接收所述步骤S5的信号并进行解析，进而分析出环境信息。

本发明的有益效果为：

通过声表面波传感器延迟线两端的磁滞伸缩传感器的设置，且设置在声表面波传感器延迟线两端的磁滞伸缩传感器的空心线圈绕制相反和磁铁互斥排列，可以使得在正常情况下磁致伸缩传感器感上的声波在声表面波传感器上可以相互抵消，不会影响声表面波传感器上载有信息的声波信号的传播，若出现气管破裂或连接松动的情况，则磁滞伸缩传感器产生的声波无法在声表面波传感器上抵消，会叠加并一起传送至信号接收端，但是由于磁滞伸缩传感器的谐振频率和声表面波传感器上的基材声速有差别，所以方便后期进行信号的解析，从而得到仅载有环境信息的声信号，从而进行环境信息的分析，进而达到监测高压GIS设备的效果。

附图说明

图1为一种高压GIS设备监测用声表面波传感器实施例的结构示意图；

图2为声表面波传感器天线与信号发射端和信号接收终端的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明提供的一种高压GIS设备监测用声表面波传感器，如图1所示，包括声表面波传感器延迟线、声表面波传感器天线、进气导管、出气导管、磁滞伸缩传感器、信号发射端和信号接收终端；所述声表面波传感器延迟线与所述声表面波传感器天线连接并通过所述声表面波传感器天线与信号发射端和信号接收终端通信连接以实现信号传输；所述进气导管、出气导管均与声表面波传感器延迟线连接；所述进气导管和出气导管外部均套接有所述磁滞伸缩传感器。所述磁滞伸缩传感器包括空心线圈和磁铁，所述空心线圈缠绕在所述进气导管和所述出气导管上形成闭环结构，所述磁铁设于所述空心线圈外侧。

所述的信号发射端和信号接收终端指与所述声表面波传感器独立的外部无线电磁信号发射器和采集器，它的发射器发射电磁信号被声表面波传感器的天线接收从而启动声表面波传感器产生声表面波信号，声表面波信号感知GIS设备的气体密度后反射回来产生声-电转换，再经声表面波传感器的天线发射到信号接收端，信号接收端的采集器进行测量和分析。

优选的，设于进气导管外侧的所述磁铁与设于出气导管外侧的所述磁铁呈互斥结构排列安装。

这里主要考虑到互斥结构再加上饶向相反的空心线圈，二者结合可以起到在二者均正常的情况下，所产生的声波在声表面波传感器延迟线上的累加是可以相互抵消的，这样后期通过天线传输出去的信号则全部为仅载有环境信息的信号。当异常情况下，即出现气管破裂或连接松动的情况，则磁滞伸缩传感器产生的声波无法在声表面波传感器上抵消，会叠加并一起传送至信号接收端，但是由于磁滞伸缩传感器的谐振频率和声表面波传感器上的基材声速有差别，所以方便后期进行信号的解析，从而得到仅载有环境信息的声信号，从而进行环境信息的分析，进而达到监测高压GIS设备的效果。

优选的，所述磁铁为环形结构。

优选的，所述磁铁为半环形结构。

优选的，缠绕在进气导管上的所述空心线圈与缠绕在出气导管上的所述空心线圈的绕制方向相反。

优选的，所述声表面波传感器延迟线为延迟线型声表面波传感器。

优选的，所述声表面波传感器延迟线上还设有气体气敏感知薄膜。

这里的气体气敏感知薄膜主要用于检测进气导管和出气导管中的气体类型，本实施例中进气导管和出气导管中的气体为SF6，所以本实施例中的气体气敏感知薄膜采用SF6气体气敏感知薄膜。

优选的，所述磁滞伸缩传感器的谐振中心频率为所述声表面波传感器延迟线上基材声速的50％-80％。

这里是为了信号接收端更好地解析信号。

一种高压GIS设备监测用声表面波传感器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：使用信号发射端发射电信号；

S2：通过声表面波传感器天线接收所述步骤S1中发射的电信号；

S3：信号经声表面波传感器天线接收后在声表面波传感器延迟线上实现电声转换，将电信号转换成声信号并在声表面波传感器基材上传播；

S4：所述步骤S3中的声信号收外部气体压力的影响发生变化，此处发生变化的声信号则变为携带环境信息的声信号；

S5：将携带环境信息的声信号转成电信号并通过所述声表面波传感器天线传输发射出去；

S6：信号接收终端接收所述步骤S5的信号并进行解析，进而分析出环境信息。

下面进一步详细说明本实施例的使用流程及原理。

如图1所示，在本实施例中，磁滞伸缩传感器中的空心线圈选用的是EMAT磁滞伸缩传感器线圈，当气体压力或密度陡变，缠绕有EMAT磁滞伸缩传感器的进气导管和出气导管起到二次声波发生功能，形成较大幅度的二次声波，该声波叠加到原测试声表面波上形成差异巨大的信号，可用于甄别气体压力或接口件松动引起的振动等。所述EMAT磁滞伸缩传感器线圈分别缠绕在进气导管和出气导管上，而且缠绕的方向相反，且设于两个缠绕方向相反的所述EMAT磁滞伸缩传感器线圈外侧的两个磁铁也为互斥的排列安装方式，这样一来，便可以保证在正常情况下磁致伸缩传感器感上的声波在声表面波传感器上可以相互抵消，不会影响声表面波传感器上载有信息的声波信号的传播，若出现气管破裂或连接松动的情况，则磁滞伸缩传感器产生的声波无法在声表面波传感器上抵消，会叠加并一起传送至信号接收端，但是由于磁滞伸缩传感器的谐振频率和声表面波传感器上的基材声速有差别，所以方便后期进行信号的解析，从而得到仅载有环境信息的声信号，从而进行环境信息的分析，进而达到监测高压GIS设备的效果。

正常情况下，当远端的信号发生器通过无线电波发射相应信号，被声表面波天线接收后转换成声波信号，该声波信号穿越过程中感知到被测气体，然后声表面波传感器延迟线根据进气和出气的气体密度，获得差异化的谐振频率△f。

当被监测的GIS设备出现高压放电时，SF6气体密度出现不稳定状况，此时单纯读取△f数据会发现极不稳定，4个信号接收端测试典型数据如下表A所示：

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如表格所示，当声表面波传感自身出现故障如气管破裂、连接松动等，测试的数据也会发生变化且及不稳定，该不稳定现象随故障类型不同而展现极高的随机性，与GIS内部故障导致的气体不稳定现象有一定相似性，很难甄别是传感器自身故障还是GIS内部故障，这就导致了信息不准，误导监测人员的可能。

通过在气管上设计了EMAT磁滞伸缩传感器后，当来自外部的SF6气体的压力、速率等发生变化时，EMAT感知的声波在声表面波延迟线上相互叠加，形成非常显著的叠加能量叠加能量为零或近似为零，因此此时远端接收到声表面波传感器发射的信号并解析出来自SF6的状态完全来自GIS内部。

同理，当声表面波传感器自身出现异常时，来自进气管和出气管侧的EMAT的传导声波能量存在差异(这里忽略故障发生的位置导致进气和出气管的EMAT传感器接收的信号完全一样的情况，即使发生完全一样的信号，也可能随着故障蔓延和加重发生偏离在后续被检测到，因此该忽略步骤是合理的)，该差异信号由于EMAT的设计，其谐振频率为声表面波传感器基材传输声速的50％-80％，该较大的差异频率可在后续比较容易的方式解析出来。具体的解析方式可通过声表面波叉指电极感知的声-电转换的高频电信号的差异化幅度或相位等计算，或通过FFT计算方式获得，这里的解析方式和具体过程为现有技术，不做详细分析。

由此可见，本专利解决了来自现场运行的高压GIS设备的SF6气体密度变化和外部传感器自身故障导致的测试数据高度相似的随机性跳变问题，通过合理的设计EMAT传感器，在进气口和出气口形成一个良性EMAT磁滞伸缩的双传感器结构，实现了区分GIS外部和内部异常的区分和诊断，不仅能兼顾当前气体密度的测量，还能根据气体密度抖动性进一步识别GIS内部是否具有放电现象，因而较好的提升了传统的气体密度继电器的功能和价值。

综上所述，本发明通过声表面波传感器延迟线两端的磁滞伸缩传感器的设置，且设置在声表面波传感器延迟线两端的磁滞伸缩传感器的空心线圈绕制相反和磁铁互斥排列，可以使得在正常情况下磁致伸缩传感器感上的声波在声表面波传感器上可以相互抵消，不会影响声表面波传感器上载有信息的声波信号的传播，若出现气管破裂或连接松动的情况，则磁滞伸缩传感器产生的声波无法在声表面波传感器上抵消，会叠加并一起传送至信号接收端，但是由于磁滞伸缩传感器的谐振频率和声表面波传感器上的基材声速有差别，所以方便后期进行信号的解析，从而得到仅载有环境信息的声信号，从而进行环境信息的分析，进而达到监测高压GIS设备的效果。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。