CN105044482B - 具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法，包括光学探头、光纤跳线、光电转换单元，所述光学探头通过所述光纤跳线与所述光电转换单元连接，所述光学探头包括出口光纤，所述出口光纤的前端设置有稀土参杂的具有温度特性的荧光材料，所述出口光纤的末端与所述光纤跳线连接，所述出口光纤的外表面还设置有紫外带通光学窗口。本发明具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法，在光学探头上设置有紫外带通光学窗口，该窗口可滤除外界可见光对传感系统的干扰；在光学探头中置有稀土参杂的具有温度特性的荧光物质作为感光材料，可同时完成弧光与温度的探测。

Description

具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护中设备设施故障电弧光检测的检测装置及其检测方法，特别涉及具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法。

背景技术

电力系统中往往由于电极、触点或传输线故障而发出刺眼的电弧光，该电弧光具有极强的光能及热能，并且对电力设备及操作人员均有巨大的危害，要及时的加以控制，防止电弧光对设备及人员的伤害。现有业内人员采取的检测故障时产生大电流的方法往往会误将正常的大电流当作故障电流处理，使得很多能够产生大电流的设备无法使用，此外，检测电流的方法使用的电流互感器不仅昂贵，而且还受到安装位置及动作时间的限制，不利于对故障电弧光的保护。

近年来，在对电弧光检测的方法中，现有基于检测电弧光中可见光的方法(如欧美的ABB、VAMP及澳大利亚的瑞胜等)存在着一个致命的缺点，就是无法排除自然光、日光灯及手电筒等杂散光的干扰，采用此方法检测电弧光的探头很容易误将杂散光作为电弧光进行检测，因而无法保证所检测到的光是电力系统故障时发出的电弧光。

然而，电弧光发生时所产生的热量也是非常大的，在检测弧光和电流的同时，需要实时关注像开关柜等设备内部的温度状态。这些设备在正常运行时温度都是比较低，在故障短路等情况下温度会有迅速的变化，关注其温度也是至关重要的。

采用可靠的方法检测电力系统故障时的电弧光并同时检测温度是电力系统继电保护业的必然趋势。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法，该装置具有通过单一探头、单一光纤跳线、单一光电转换模块同时完成弧光与温度的探测功能，能够克服现有技术抗干扰光力度不足及不能同时完成弧光与温度同时探测的缺点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置包括光学探头、光纤跳线、光电转换单元，所述光学探头通过所述光纤跳线与所述光电转换单元连接，所述光学探头包括出口光纤，所述出口光纤的前端设置有稀土参杂的具有温度特性的荧光材料，所述出口光纤的末端与所述光纤跳线连接，所述出口光纤的外表面还设置有紫外带通光学窗口。

优选的，所述荧光材料为稀土掺杂的具有温度特性的荧光物质。

优选的，所述光学窗口为紫外带通光学窗口。

优选的，所述出口光纤为熔融石英材质。

进一步的，所述光电转换单元包括光学耦合系统、分束器、光接收器、温度信号激发光源、光电转换电路、温度信号激发光源驱动电路、同步电路和信号处理和输出电路；所述光纤跳线通过所述光学耦合系统与所述分束器的输入端连接，所述分束器的两个输出端分别与光接收器和温度信号激发光源连接，所述光接收器与所述光电转换电路连接，所述温度信号激发光源依次通过所述温度信号激发光源驱动电路和所述同步电路与所述光电转换电路连接，所述光电转换电路与所述信号处理和输出电路连接。

进一步的，所述信号处理和输出电路包括弧光信号处理电路和温度信号采样电路。

本发明同时提供一种利用本发明具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置的测量方法，包括弧光探测方法和温度测量方法。

进一步的，所述弧光探测方法包括以下步骤：

1)当弧光出现时，光学探头的光学窗口将弧光中波长大于400nm的光过滤，使所述弧光中波长小于400nm的紫外光透过光学窗口照射到荧光材料上，荧光材料受到紫外光照射后激发出与所述弧光对应的具有特殊频率、波形与强度的第一荧光信号。

2)步骤1)中的第一荧光信号依次通过出口光纤、光纤跳线、光学耦合系统和分束器传输至光接收器，光接收器配合光电转换电路中的弧光信号处理电路将第一荧光信号转换成布尔型的弧光电信号。

进一步的，所述温度测量方法包括以下步骤：

1)光电转换单元中的温度信号激发光源驱动电路控制温度激发光源以极短的时间间隔发送激发脉冲光，所述激发脉冲光依次通过分束器、光学耦合系统、光纤跳线和出口光纤传输至荧光材料，荧光材料受到激发脉冲光的激发发出频率、波形与强度不同于第一荧光信号的第二荧光信号。

2)步骤1)中的第二荧光信号依次通过出口光纤、光纤跳线、光学耦合系统和分束器传输至光接收器，光接收器配合光电转换电路中的温度信号采样电路将第二荧光信号的时间衰减参数转换为温度值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置及其测量方法，1)在光学探头上设置有紫外带通光学窗口，该窗口可滤除外界可见光对传感系统的干扰；2)在光学探头中置有稀土参杂的具有温度特性的荧光物质作为感光材料，该荧光物质受温度信号激发光源激发所产生的荧光信号与受弧光激发所产生的荧光信号的频率、波形及强度不同，可同时完成弧光与温度的探测，利用该荧光物质的稀土元素受激发产生的荧光信号的时间衰减作为探测温度的参数，利用其紫外光激发荧光物质产生的荧光信号作为弧光探测的参数；3)在光学探头中使用熔融石英光纤作为出口光纤，可以减小弧光与温度信号传输过程中的衰减。

附图说明

图1为本发明光纤电弧光传感装置结构示意图。

图2为本发明光纤电弧光传感装置中光电转换单元的结构示意图。

图中：1、光学探头，2、光纤跳线，3、光电转换单元，4、光学窗口，5、荧光材料，6、出口光纤，7、光学耦合系统，8、分束器，9、光接收器，10、温度信号激发光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置包括光学探头1、光纤跳线2、光电转换单元3，光学探头1通过光纤跳线2与光电转换单元3连接。

光学探头1包括出口光纤6，出口光纤6为熔融石英材质，出口光纤6的前端设置有荧光材料5，荧光材料5为稀土掺杂的具有温度特性的荧光物质，该荧光物质受温度信号激发光源激发所产生的荧光信号与受弧光所产生的荧光信号的频率、波形及强度不同，可同时完成弧光与温度的探测，利用该荧光物质的稀土元素受激发产生的荧光信号的时间衰减作为探测温度的参数，利用其紫外光激发荧光物质产生的荧光信号作为弧光探测的参数，出口光纤6的末端与光纤跳线2连接，出口光纤6的外表面还设置有光学窗口4，光学窗口4为紫外带通光学窗口，该窗口可滤除外界可见光对传感系统的干扰。

如图2所示，光电转换单元3包括光学耦合系统7、分束器8、光接收器9、温度信号激发光源10、光电转换电路、温度信号激发光源驱动电路、同步电路和信号处理和输出电路。信号处理和输出电路包括弧光信号处理电路和温度信号采样电路。光纤跳线2通过光学耦合系统7与分束器8的输入端连接，分束器8的两个输出端分别与光接收器9和温度信号激发光源10连接，光接收器9与光电转换电路连接，温度信号激发光源10依次通过温度信号激发光源驱动电路和同步电路与光电转换电路连接，光电转换电路与信号处理和输出电路连接。

本发明同时提供一种利用具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置的测量方法，包括弧光探测方法和温度测量方法。

弧光探测方法包括以下步骤：

1)当弧光出现时，光学探头的光学窗口将弧光中波长大于400nm的弧光过滤，使弧光中波长小于400nm的紫外光透过光学窗口照射到荧光材料上，荧光材料受到紫外光照射后激发出与弧光对应的具有特殊频率、波形与强度的第一荧光信号。

2)步骤1)中的第一荧光信号依次通过出口光纤、光纤跳线、光学耦合系统和分束器传输至光接收器，光接收器配合光电转换电路中的弧光信号处理电路将第一荧光信号转换成布尔型的弧光电信号，并以TTL电平的形式进行输出。

温度测量方法包括以下步骤：

1)光电转换单元中的温度信号激发光源驱动电路控制温度信号激发光源以极短的时间间隔发送激发脉冲光，激发脉冲光依次通过分束器、光学耦合系统、光纤跳线和出口光纤传输至荧光材料，荧光材料受到激发脉冲光的激发发出频率、波形与强度不同于第一荧光信号的第二荧光信号。

2)步骤1)中的第二荧光信号依次通过出口光纤、光纤跳线、光学耦合系统和分束器传输至光接收器，光接收器配合光电转换电路中的温度信号采样电路将第二荧光信号的时间衰减参数转换为温度值，并通过基于Modbus协议的RS485接口进行输出。

弧光未发生时，监测空间的温度处于正常变化状态，系统处于温度持续测量状态，一旦弧光发生，故障产生的温度会迅速向监测点扩散，然而弧光的传播速度远大于温度的扩散速度，故而系统监测到弧光后瞬间将故障源切断保护，然后继续监测温度。

Claims (7)

1.具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置，包括光学探头(1)、光纤跳线(2)、光电转换单元(3)，所述光学探头(1)通过所述光纤跳线(2)与所述光电转换单元(3)连接，其特征在于，所述光学探头(1)包括出口光纤(6)，所述出口光纤(6)的前端设置有荧光材料(5)，所述出口光纤(6)的末端与所述光纤跳线(2)连接，所述出口光纤(6)的外表面还设置有光学窗口(4)；

所述荧光材料(5)为稀土掺杂荧光物质；

所述光电转换单元(3)包括光学耦合系统(7)、分束器(8)、光接收器(9)、温度触发光源(10)、光电转换电路、温度激发光源驱动、同步电路和信号处理和输出电路；所述光纤跳线(2)通过所述光学耦合系统(7)与所述分束器(8)的输入端连接，所述分束器(8)的两个输出端分别与光接收器(9)和温度触发光源(10)连接，所述光接收器(9)与所述光电转换电路连接，所述温度触发光源(10)依次通过所述温度激发光源驱动和所述同步电路与所述光电转换电路连接，所述光电转换电路与所述信号处理和输出电路连接。

2.根据权利要求1所述具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置，其特征在于，所述光学窗口(4)为紫外光学窗口。

3.根据权利要求1所述具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置，其特征在于，所述出口光纤(6)为熔融石英材质。

4.根据权利要求1所述具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置，其特征在于，所述信号处理和输出电路包括弧光信号处理电路和温度信号采样电路。

5.利用权利要求1所述具有温度测量功能的光纤电弧光传感装置的测量方法，其特征在于，包括弧光探测方法和温度测量方法。

6.根据权利要求5所述测量方法，其特征在于，所述弧光探测方法包括以下步骤：

1)当弧光出现时，光学探头的光学窗口将波长大于380nm的弧光过滤，使所述弧光中波长小于380nm的紫外光透过光学窗口照射到荧光材料上，荧光材料受到紫外光照射后激发出与所述弧光对应的第一荧光信号；

2)步骤1)中的第一荧光信号依次通过出口光纤、光纤跳线、光学耦合系统和分束器传输至光接收器，光接收器配合光电转换电路中的弧光信号处理电路将第一荧光信号转换成布尔型的弧光信号。

7.根据权利要求5所述测量方法，其特征在于，所述温度测量方法包括以下步骤：

1)光电转换单元中的温度激发光源驱动控制温度触发光源以极短的时间间隔发送激发脉冲光，所述激发脉冲光依次通过分束器、光学耦合系统、光纤跳线和出口光纤传输至荧光材料，荧光材料受到激发脉冲光的激发发出波长不同于第一荧光信号的第二荧光信号；

2)步骤1中的第二荧光信号依次通过出口光纤、光纤跳线、光学耦合系统和分束器传输至光接收器，光接收器配合光电转换电路中的温度信号采样电路将第二荧光信号的时间衰减参数转换为温度值。