CN105352625A - 一种干式空心电抗器测温系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种干式空心电抗器测温系统，采用激光器通过光纤耦合器向传感光纤输出脉冲光，采用波分复用器过滤处光脉冲在传播过程中产生的拉曼散射光，得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，采用光电探测器将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号转换成模拟电信号，数据采集器依据预设频率对所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号对应的模拟电信号进行采集并发送给处理器，处理器依据所述数据采集器的输出信号计算得到所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号所对应的功率，依据所述功率计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值。所述脉冲光信号和所述拉曼散射光并不受外界环境的影响，计算时不受外界环境影响，保证了测量的精准度。

Description

一种干式空心电抗器测温系统

技术领域

本发明涉及电气检测技术领域，特别是涉及一种干式空心电抗器测温系统。

背景技术

电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，用于补偿电力系统的无功容量、降低动态电压。电力电容器与电抗器串联后，能有效地抑制网路中的高次谐波，同时限制电力电容器的合闸电流和操作过电压,对电力电容器的安全运行，改善系统的电压波形,对电网的质量及安全、经济运行起了良好作用。

现有技术中常用的电抗器是干式空心电抗器，其在运行过程中，往往会因为线圈导线含有杂质，或运行过程中包封的环氧树脂绝缘不好等原因，导致电抗器会产生局部温升过高、过热的现象，最终会导致电抗器被烧坏、报废。

目前，干式空心电抗器温度检测所采用的手段通常为红外测温法。所述红外测温法就是通过物体的红外辐射强度测量物体的温度值，可以实现非接触式测量。但是，该方法只能用于测量物体表面温度，不能精确的测量物体的内部温度，且当测量环境温度过高/过低，或者空气中存在大量粉尘时，红外测温的灵敏度和精确度均会变差。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种干式空心电抗器测温系统，用于解决现有技术中的技术方案在对干式空心电抗器进行温度测量时灵敏度和精确度低的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种干式空心电抗器测温系统，包括：

激光器；

第一端与所述激光器的输出端相连的光纤耦合器；

一端与所述光纤耦合器的第一输出端相连、另一端设置于干式空心电抗器内部的传感光纤；

输入端与所述光纤耦合器的第二输出端相连的波分复用器，所述波分复用器用于对脉冲光在所述传感光纤中产生的向后的拉曼散射光进行过滤，得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；

与所述波分复用器的输出端相连的光电探测器，用于将所述分别将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号转换成模拟电信号；

与所述光电探测器相连的数据采集器，用于依据预设频率采集转换成模拟电信号后的所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；

与所述数据采集器相连的处理器，用于依据所述数据采集器采集到的转换成模拟电信号后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算得到所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的功率，依据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的功率计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，所述处理器具体用于：

用于依据所述数据采集器采集到的转换成模拟电信号后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算得到所述斯托克斯光信号的功率P_s和反斯托克斯光信号的功率P_as，依据公式P_s＝P₀K_sλ_s ^-4R_s(T)exp]-(α₀+α_s)L]和P_as＝P₀K_asλ_as ^-4R_as(T)exp[-(α₀+α_as)L]，计算得到干式空心电抗器的内部温度值T；

其中，P₀为传感光纤的入射光的功率，K_s为与斯托克斯光散射界面相关的系数、Kas为与反斯托克斯光散射界面的相关系数，λs为斯托克斯光的波长，λas为反斯托克斯光的波长，α₀所述入射光的衰减系数，所述α_s为斯托克斯光的衰减系数，所述α_as为反斯托克斯光的衰减系数，L为所述传感光纤的长度值，R_s(T)为斯托克斯光的玻尔兹曼因子，R_as(T)为反斯托克斯光的玻尔兹曼因子，所述 $R_s\left(T\right)=\frac{1}{1-\exp (-h\mathrm{\Δ}v/kT)},R_{as}\left(T\right)=\frac{1}{\exp (h\mathrm{\Δ}v/kT)-1},$ 其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼频移。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，还包括：

数据存储器，用于存储所述处理器计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T；

显示器，用于显示所述处理器计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T；

告警器，用于当所述处理器计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T大于预设值时输出告警信号；

开关控制器，用于依据用户指令向所述激光器输出用于控制所述激光器停/启的控制信号。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，所述光电探测器包括：

输入端与所述波分复用器的第一输出端相连的第一光电二极管；

输入端与所述波分复用器的第二输出端相连的第二光电二极管；

输入端所述第一光电二极管的输出端相连、输出端与所述数据采集器的第一输入端相连的第一放大器；

输入端所述第二光电二极管的输出端相连、输出端与所述数据采集器的第二输入端相连的第二放大器。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，所述处理器，包括距离-温度曲线生成模块：

用于依据所述传感光纤的长度L和计算得到的与所述传感光纤的长度L相匹配的干式空心电抗器的内部温度值T生成距离-温度曲线。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，所述传感光纤为沿干式空心电抗器的风道布置的传感光纤。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，所述传感光纤为沿风道绕行的传感光纤。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，所述显示器，还用于显示所述距离-温度曲线。

优选的，上述干式空心电抗器测温系统中，还包括：

设置在所述激光器与所述光纤耦合器之间的光纤放大器。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的干式空心电抗器测温系统中，激光器通过所述光纤耦合器向所述传感光纤输出脉冲光，所述脉冲光在所述传感光纤内部传输时与介质分子发生碰撞产生后向拉曼散射光，所述拉曼散射光经所述波分复用器过滤后，分出斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，光电探测器将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号转换成模拟电信号，所述数据采集器依据预设频率对所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号对应的模拟电信号进行采集，计算得到所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号所对应的功率，处理器依据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号所对应的功率即可计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值。由于上述方案是通过对脉冲光信号在光纤传输过程中产生的后向拉曼散射光计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值的，所述脉冲光信号和所述拉曼散射光并不受外界环境的影响，因此，保证了在计算所述干式空心电抗器的内部温度值时不受外界环境影响，保证了测量的精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种干式空心电抗器测温系统的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的一种干式空心电抗器测温系统结构示意图；

图3为本申请另一实施例提供的一种干式空心电抗器测温系统的结构示意图；

图4为本申请另一实施例提供的一种干式空心电抗器测温系统的结构示意图。

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，所描述的实施例仅仅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。

为了解决现有技术中在采用红外测温发对干式空心电抗器进行温度检测时，检测过程容易受外界环境影响的问题，例如当测量环境温度过高/过低，或者空气中存在大量粉尘时，红外测温的灵敏度和精确度均会变差，本申请公开了一种新的干式空心电抗器测温系统，参见图1，本申请公开的测温系统包括：

激光器10；

第一端与所述激光器10的输出端相连的光纤耦合器20；

一端与所述光纤耦合器20的第一输出端相连、另一端设置于所述干式空心电抗器内部的传感光纤30；

输入端与所述光纤耦合器20第二输出端相连的波分复用器40，所述波分复用器40用于对脉冲光在所述传感光纤30中产生的向后的拉曼散射进行过滤，得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；

与所述波分复用器40的输出端相连的光电探测器50，用于将所述分别将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号转换成模拟电信号；

与所述光电探测器50相连的数据采集器60，用于依据预设频率采集转换成模拟电信号后的所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；

与所述数据采集器60相连的处理器70，用于依据所述数据采集器采集到的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算得到所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的功率，依据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的功率计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值。

当采用本申请上述实施例公开的技术方案对所述干式空心电抗器的内部温度进行检测时，所述激光器通10过所述光纤耦合器20向所述传感光纤30输出脉冲光，所述脉冲光在所述传感光纤30内部传输时，会与介质分子发生碰撞产生后向拉曼散射光，所述拉曼散射光经所述波分复用器40过滤后，分出斯托克斯(Stokes)光信号和反斯托克斯(Anti-Stokes)光信号，然后通过所述光电探测器50将所述斯托克斯(Stokes)光信号和反斯托克斯(Anti-Stokes)光信号转换成模拟电信号，然后，所述数据采集器60依据预设频率对所述斯托克斯(Stokes)光信号和反斯托克斯(Anti-Stokes)光信号对应的模拟电信号进行采集，并计算得到所述斯托克斯(Stokes)光信号和反斯托克斯(Anti-Stokes)光信号所对应的功率，最后，所述处理器70再依据所述斯托克斯(Stokes)光信号和反斯托克斯(Anti-Stokes)光信号所对应的功率即可计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值。

参见本申请公开的上述技术方案，由于上述方案是通过对脉冲光信号在光纤传输过程中产生的后向拉曼散射光计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值的，所述脉冲光信号和所述拉曼散射光并不受外界环境的影响，因此，保证了在计算所述干式空心电抗器的内部温度值时不受外界环境影响，保证了测量的精准度。并且，使用该技术可以实现远距离对所述干式空心电抗器实时温度检测，并且采集到的信号具有良好的信噪比；具有较高的空间分辨率和温度分辨率；能够及早发现电抗器的过热性故障，提高了电抗器运行的安全性和可靠性。

为了方便用户更加清楚直观的了解本申请上述实施例公开的技术方案中，所述处理器70依据所述斯托克斯(Stokes)光信号和反斯托克斯(Anti-Stokes)光信号所对应的功率计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值的详细过程，本申请还对所述处理器70的工作过程进行了详细展开说明：

所述处理器的具体用于：

用于依据所述数据采集器采集到的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算得到所述斯托克斯光信号功率P_s和反斯托克斯光信号的功率P_as，其中，所述P_s＝P₀K_sλ_s ^-4R_s(T)exp[-(α₀+α_s)L](式1)，所述P_as＝P₀K_asλ_as ^-4R_as(T)exp[-(α₀+α_as)L](式2)，在得到所述P_s和P_as的值后，将上述两个等式(式1和式2)左右两边进行对比，计算得到干式空心电抗器的内部温度值T；

其中，P₀为传感光纤的入射光的功率，K_s为与斯托克斯光散射界面相关的系数、Kas为与反斯托克斯光散射界面的相关系数，λs为斯托克斯光的波长，λas为反斯托克斯光的波长，α₀所述入射光的衰减系数，所述α_s为斯托克斯光的衰减系数，所述α_as为反斯托克斯光的衰减系数，L为所述传感光纤的长度值，R_s(T)为斯托克斯光的玻尔兹曼因子，R_as(T)为反斯托克斯光的玻尔兹曼因子，所述 $R_s\left(T\right)=\frac{1}{1-\exp (-h\mathrm{\Δ}v/kT)},R_{as}\left(T\right)=\frac{1}{\exp (h\mathrm{\Δ}v/kT)-1},$ 其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼频移。

当然，与上述实施例中计算干式空心电抗器的内部温度值T的原理类似，本申请还公开了另外一种计算干式空心电抗器的内部温度值T的方法：

首先将待测光纤置于参考温度T₀下,在该参考温度T₀下所述斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号的功率比值为 $R\left(T_0\right)=\frac{K_{as}}{K_s}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_{as}}\right)}^4\exp (-h\mathrm{\Δ}v/{\mathrm{kT}}_0)\exp \[-({\mathrm{\α}}_{as}-{\mathrm{\α}}_s)L\]$ (式3)；当干式空心电抗器的内部温度值为T时，测得所述斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号的功率比值为 $R\left(T\right)=\frac{K_{as}}{K_s}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_{as}}\right)}^4\exp (-h\mathrm{\Δ}v/kT)\exp \[-({\mathrm{\α}}_{as}-{\mathrm{\α}}_s)L\]$ (式4)；将上述两式(式3和式4)求比值，消掉衰减项后得到(式5)，化简式5可得到干式空心电抗器的内部温度分布曲线(式6)，依据式6即可计算得到干式空心电抗器的内部温度值。

可以理解的是，为了方便历史数据的存储、温度数据的显示以及当所述干式空心电抗器的内部温度值超出预设范围后对用户做出提醒，本申请上述实施例中公开的干式空心电抗器测温系统中，还可以还包括：数据存储器71、显示器72、告警器73和开关控制器；

所述数据存储器71，用于存储所述处理器70计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T，当然为了方便用户通过所述干式空心电抗器的温度变化判断其故障原因，在存储所述温度值T的同时还存储了生成所述温度值T的时刻信息；

所述显示器72，用于显示所述处理器70计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T，当然，为了方便用户对所述干式空心电抗器的工作状态进行分析，所述显示器可通过二维坐标系显示所述干式空心电抗器的温度随时间的变化曲线；

所述告警器73，用于判断所述处理器70计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T是否大于预设值，如果是，表明所述干式空心电抗器处于异常状态，输出告警信号，其中，所述告警信号的类型可以依据用户需求自行选择，本申请并不再做过多限定；

所述开关控制器用于依据用户指令向所述激光器10输出用于控制所述激光器10停/启的控制信号。

可以理解的是，为了方便用户使用，本申请上述技术方案中，所述处理器70、数据存储器71、显示器72和告警器73均可以为计算机中的相关器件。

此外，为了更好地对所述斯托克斯光和反斯托克斯光进行处理，参见图3，本申请上述实施例中的所述光电探测器的具体结构可以包括：

输入端与所述波分复用器40的第一输出端相连的第一光电二极管D1；

输入端与所述波分复用器40的第二输出端相连的第二光电二极管D2；

输入端所述第一光电二极管D1的输出端相连、输出端与所述数据采集器60的第一输入端相连的第一放大器U1；

输入端所述第二光电二极管D2的输出端相连、输出端与所述数据采集器60的第二输入端相连的第二放大器U2。

当然，可以理解的是，所述干式空心电抗器在工作时，其内部不同的位置处的温度信息不同，因此，为了方便用户了解所述干式空心电抗器内部不同位置处温度信息，所述处理器，包括距离-温度曲线生成模块，其用于依据所述传感光纤的长度L和计算得到的与所述传感光纤的长度L相匹配的干式空心电抗器的内部温度值T生成距离-温度曲线，将生成的距离-温度曲线采用显示器进行显示。所述距离-温度曲线的横坐标可以为所述传感光纤的长度值L，纵坐标可以为与所述长度值L匹配的干式空心电抗器的内部温度值T。

可以理解的是，为了防止所述传感光纤影响所述干式空心电抗器的内部元件的布局，本申请上述实施例中的所述传感光纤为沿所述干式空心电抗器的风道布置的传感光纤。具体的所述传感光纤沿风道绕行。

当然，为了保证所述激光器10能够发出足够功率的脉冲光，参见图4，本申请上述实施例中公开的技术方案中还可在所述激光器10和所述光纤耦合器20之间设置一个光纤放大器11，其用于直接对所述激光器10发出的脉冲光进行放大。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种干式空心电抗器测温系统，其特征在于，包括：

激光器；

第一端与所述激光器的输出端相连的光纤耦合器；

一端与所述光纤耦合器的第一输出端相连、另一端设置于干式空心电抗器内部的传感光纤；

输入端与所述光纤耦合器的第二输出端相连的波分复用器，用于对脉冲光在所述传感光纤中产生的向后的拉曼散射光进行过滤，得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；

与所述波分复用器的输出端相连的光电探测器，用于将所述分别将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号转换成模拟电信号；

与所述光电探测器相连的数据采集器，用于依据预设频率采集转换成模拟电信号后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，并发送给处理器；

与所述数据采集器相连的处理器，用于依据所述数据采集器采集到的转换成模拟电信号后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算得到所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的功率，依据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的功率计算得到所述干式空心电抗器的内部温度值。

2.根据权利要求1所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，所述处理器具体用于：

用于依据所述数据采集器采集到的转换成模拟电信号后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算得到所述斯托克斯光信号的功率P_s和反斯托克斯光信号的功率P_as，依据公式P_s＝P₀K_sλ_s ^-4R_s(T)exp[-(α₀+α_s)L]和P_as＝P₀K_asλ_as ^-4R_as(T)exp[-(α₀+α_as)L]，计算得到干式空心电抗器的内部温度值T；

其中，P₀为传感光纤的入射光的功率，K_s为与斯托克斯光散射界面相关的系数、Kas为与反斯托克斯光散射界面的相关系数，λs为斯托克斯光的波长，λas为反斯托克斯光的波长，α₀所述入射光的衰减系数，所述α_s为斯托克斯光的衰减系数，所述α_as为反斯托克斯光的衰减系数，L为所述传感光纤的长度值，R_s(T)为斯托克斯光的玻尔兹曼因子，R_as(T)为反斯托克斯光的玻尔兹曼因子，所述 $\begin{array}{cc}{R}_s\left(T\right)=\frac{1}{1-\exp (-h\mathrm{\Δ}v/kT)},& R_{as}\left(T\right)=\frac{1}{\exp (h\mathrm{\Δ}v/kT)-1}\end{array},$ 其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼频移。

3.根据权利要求1所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，还包括：

数据存储器，用于存储所述处理器计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T；

显示器，用于显示所述处理器计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T；

告警器，用于当所述处理器计算得到的干式空心电抗器的内部温度值T大于预设值时输出告警信号；

开关控制器，用于依据用户指令向所述激光器输出用于控制所述激光器停/启的控制信号。

4.根据权利要求1所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，所述光电探测器包括：

输入端与所述波分复用器的第一输出端相连的第一光电二极管；

输入端与所述波分复用器的第二输出端相连的第二光电二极管；

输入端所述第一光电二极管的输出端相连、输出端与所述数据采集器的第一输入端相连的第一放大器；

输入端所述第二光电二极管的输出端相连、输出端与所述数据采集器的第二输入端相连的第二放大器。

5.根据权利要求3所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，所述处理器，包括距离-温度曲线生成模块：

用于依据所述传感光纤的长度L和计算得到的与所述传感光纤的长度L相匹配的干式空心电抗器的内部温度值T生成距离-温度曲线。

6.根据权利要求1所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，所述传感光纤为沿干式空心电抗器的风道布置的传感光纤。

7.根据权利要求6所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，所述传感光纤为沿风道绕行的传感光纤。

8.根据权利要求5所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，所述显示器，还用于显示所述距离-温度曲线。

9.根据权利要求1所述的干式空心电抗器测温系统，其特征在于，还包括：

设置在所述激光器与所述光纤耦合器之间的光纤放大器。