CN109709453A - 一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，光源的输出端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与耦合器的输入端口连接，耦合器的第二输出端口与传输光纤的一端连接；耦合器的第一输出端口与波长分路器的输入端连接，波长分路器的输出端分别连接第一、第二光电探测器的输入端，第一、第二光电探测器的输出端均连接信号处理单元；石英套管固定套置于光纤准直器的外部，石英膜包覆于石英套管的末端，石英膜的内侧镀反射膜，石英膜的外侧涂覆荧光粉；所述光纤准直器的输入端连接传输光纤的另一端。此种系统通过对电弧放电过程中产生的紫外光及超声波的同时检测，判断电弧放电现象，具有抗干扰能力强、响应速度快、结构紧凑、可靠性高等优点。

Description

一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统

技术领域

本发明属于光学传感及电力设备状态检测应用领域，特别涉及一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统。

背景技术

随着工业发展和社会进步，电力系统向大容量、超高压和特高压方向发展，对系统运行可靠性要求越来越高。电力设备是组成电力系统的基本元件，其工作状况直接关系到电力系统的安全经济运行。

开关柜用于在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的部件主要有断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等。开关柜内部故障电弧是一种频发性、灾难性的严重故障，中压开关柜弧光故障导致的电网设备损坏和停电事故不仅会造成相当大的经济损失，而且严重地威胁电网的安全稳定运行，直接威胁变电所正常运行和运行人员的安全，对工农业生产也产生一定的影响。因此研究应用弧光保护，进而采取有效的保护措施，解决弧光短路问题，对于提高电力系统的安全、稳定性，降低经济损失有很大的意义。

传统弧光保护动作判据有两个，即电弧光及过流，当同时检测到电弧光和过流时，保护发出快速跳闸命令。但是过流或零序过流保护技术存在着保护动作长等问题，不能充分发挥弧光保护快速响应的特点。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，通过对电弧放电过程中产生的紫外光及超声波的同时检测，判断电弧放电现象，具有抗干扰能力强、响应速度快、结构紧凑、可靠性高等优点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，包括主机、传感探头和传输光纤；

主机包括光源、隔离器、耦合器、波长分路器、第一光电探测器、第二光电探测器及信号处理单元，光源的输出端与隔离器的输入端连接，而隔离器的输出端与耦合器的输入端口连接，耦合器的第二输出端口与传输光纤的一端连接；耦合器的第一输出端口与波长分路器的输入端连接，波长分路器的输出端分别连接第一、第二光电探测器的输入端，第一、第二光电探测器的输出端均连接信号处理单元；

所述传感探头包括光纤准直器、石英套管和石英膜，其中，石英套管固定套置于光纤准直器的外部，并使光纤准直器的输出端位于石英套管内，而光纤准直器的输入端位于石英套管外；石英膜包覆于石英套管的末端，石英膜的内侧镀反射膜，从而使反射膜与光纤准直器的输出端面相对，而石英膜的外侧涂覆荧光粉；所述光纤准直器的输入端连接传输光纤的另一端。

上述传输光纤采用大数值孔径的多模光纤或者石英光纤实现。

上述石英套管的直径随所检测声发射信号的频率及幅值调整。

上述石英膜的厚度随所检测声发射信号的频率及幅值调整。

上述反射膜的反射率随所检测声发射信号的频率及幅值调整。

研究发现，开关柜在某一时刻发生弧光短路并迅速发生故障电弧燃烧，除可产生肉眼可以识别的可见光外，还伴随有多种辐射现象，如声波、红外线、紫外线或电磁波的辐射等。因此，通过检测上述弧光伴随的效应，可以快速、有效检测弧光。同时，通过对多个物理量的同时检测，可有效降低误判概率，提高电弧光保护产品的可靠性。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

本发明针对上述问题提供一种紫外光超声波复合电弧放电检测方案。采用一个无源光纤传感探头同时探测电弧放电过程中伴随的紫外光及超声波信号。通过对电弧放电过程中产生的紫外光及超声波的同时检测，判断电弧放电现象，具有抗干扰能力强、响应速度快、结构紧凑、可靠性高等优点，能够有效避免误动，提高弧光保护系统的动作速度及可靠性，为弧光保护系统提供一种新的弧光保护方案。

本发明所述方案具有系统自检功能，可有效识别传感系统是否会发生光路故障，避免如传统弧光传感系统需另加自检设备。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明工作点对输出信号的影响示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，包括主机、传感探头和传输光纤4，下面分别介绍。

主机包括光源1、隔离器2、耦合器3、波长分路器10、光电探测器11、12、及信号处理单元13，其中，光源1的输出端与隔离器2的输入端连接，而隔离器2的输出端与耦合器3的端口3a连接，耦合器3的端口3c与传输光纤4的一端连接；耦合器3的端口3b与波长分路器10的输入端连接，波长分路器10的输出端分别连接光电探测器11、12的输入端，光电探测器11、12的输出端均连接信号处理单元13。

所述传感探头包括光纤准直器5、石英套管6和石英膜7，其中，石英套管6的首端由光纤准直器5的输出端套入，使石英套管6套置于光纤准直器5的外部，实现对光纤准直器5的固定保护，并使光纤准直器5的输出端位于石英套管6内，而光纤准直器5的输入端位于石英套管6外；石英膜7包覆于石英套管6的末端，石英膜7的内侧镀反射膜8，从而使反射膜8与光纤准直器5的输出端面相对，而石英膜7的外侧涂覆荧光粉9；所述光纤准直器5的输入端连接传输光纤4的另一端。

光源1发出的光经隔离器2、耦合器3后，进入传感探头；光纤准直器5的输出端面和反射膜8构成FP腔，光线在腔内来回反射透射，在腔的两侧形成了相位差恒定、频率相同的相干光。根据多光束干涉理论，FP干涉仪的反射光强为：

其中，I₀为入射光强，R为腔体端面反射率，l为腔长，λ为入射光波长，n₀为腔内介质折射率。

由上式可以看出输出光强是波长和腔长的函数。

此外，根据光电探测器12接收到的输出光强I的大小，可以判断系统的传感探头或传输光纤4是否发生损坏、折断或者损耗过大，因此，本发明方案所描述的系统具有光路质量自检功能，无需额外添加自检设备。

电弧放电过程中会产生超声波和紫外光：

电弧放电过程中的超声波信号作用在石英膜7上，石英膜7在振动过程中引起FP腔的腔长随振动信号发射变化，光纤准直器5的输出端面和反射膜8反射的2束光干涉后经光纤准直器5、传输光纤4、耦合器3和波长分路器10到达光电探测器12；信号处理单元13接收光电探测器12的信号，处理后可解调出电弧放电过程中的超声波信号强度。

电弧放电过程中的紫外光照射到传感探头上的荧光粉9后，激发出能够在传输光纤4中低损耗传输的可见光，经光纤准直器5、传输光纤4、耦合器3和波长分路器10到达光电探测器11；信号处理单元13接收光电探测器11的信号，处理后可解调出电弧放电过程中的紫外光信号强度。

在本实施例中，传输光纤4采用大数值孔径的多模光纤或者石英光纤实现，可提高传感器对光能量的响应及传输能力；石英套管6的直径、石英膜7的厚度及反射膜8的反射率均可随所检测声发射信号的频率及幅值调整。

FP腔的腔长-光强特性曲线为周期性正弦关系，如图2所示。选择一段线性区间作为传感器的工作曲线，在加工传感器时，使得传感器的原始静态工作点为特性曲线线性区的中点，即正交点位置时，此时输出信号幅值最大，传感器的灵敏度最高。

综合上述，本发明一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，基于非本征法布里-珀罗干涉结构实现电弧放电过程中声发射信号的检测，采用荧光石英薄膜实现电弧放电过程中紫外光辐射信号的检测；本发明的有益效果在于结构简单、成本低、高压端无需供电、抗电磁干扰能力强、信号响应速度快，采用一个探头同时探测电弧放电过程中伴随的紫外光及超声波信号，增强电弧放电检测的可靠性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，其特征在于：包括主机、传感探头和传输光纤；

主机包括光源、隔离器、耦合器、波长分路器、第一光电探测器、第二光电探测器及信号处理单元，光源的输出端与隔离器的输入端连接，而隔离器的输出端与耦合器的输入端口连接，耦合器的第二输出端口与传输光纤的一端连接；耦合器的第一输出端口与波长分路器的输入端连接，波长分路器的输出端分别连接第一、第二光电探测器的输入端，第一、第二光电探测器的输出端均连接信号处理单元；

所述传感探头包括光纤准直器、石英套管和石英膜，其中，石英套管固定套置于光纤准直器的外部，并使光纤准直器的输出端位于石英套管内，而光纤准直器的输入端位于石英套管外；石英膜包覆于石英套管的末端，石英膜的内侧镀反射膜，从而使反射膜与光纤准直器的输出端面相对，而石英膜的外侧涂覆荧光粉；所述光纤准直器的输入端连接传输光纤的另一端。

2.如权利要求1所述的一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，其特征在于：所述传输光纤采用大数值孔径的多模光纤或者石英光纤实现。

3.如权利要求1所述的一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，其特征在于：所述石英套管的直径随所检测声发射信号的频率及幅值调整。

4.如权利要求1所述的一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，其特征在于：所述石英膜的厚度随所检测声发射信号的频率及幅值调整。

5.如权利要求1所述的一种紫外光超声波复合电弧放电检测系统，其特征在于：所述反射膜的反射率随所检测声发射信号的频率及幅值调整。