CN110542839A - 用于sf6气体绝缘设备的全光学绝缘故障监测系统 - Google Patents

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Abstract

用于SF6气体绝缘设备的全光学绝缘故障在线监测系统，其包括数据采集卡和监控设备。该故障在线监测系统还包括至少三个光纤干涉腔探头，每个光纤干涉腔探头构造用于采集SF6气体绝缘设备中相应位置处的局放超声波信号和局放超声波信号的时延信息，基于局放超声波信号和局放超声波信号的时延信息来监测SF6气体绝缘设备中的绝缘故障。该故障在线监测系统可对SF6气体绝缘设备故障分解气体原位实时在线监测，实现对绝缘故障的定性、定量判断，并同时可通过监测绝缘故障产生的超声波信号，实现对绝缘故障的定位判断，系统采用全光信号传导，不会对SF6气体绝缘设备产生绝缘隐患，且具有抗电磁干扰能力强、精度高，无需消耗载气和后期免维护等特点。

Description

用于SF6气体绝缘设备的全光学绝缘故障监测系统
技术领域
本发明属于高压气体绝缘设备在线监测的技术领域，具体涉及用于SF6气体绝缘设备的全光学绝缘故障监测系统。
背景技术
SF6气体绝缘设备作为输变电系统中的枢纽设备，一旦发生绝缘故障，不仅损坏昂贵的气体绝缘设备，还会导致电网瘫痪，对人民日常生活及国家经济造成难以估计的损失。在运行过程中，SF6气体绝缘设备将会产生各种反映运行状态的特征量，如反映局部放电强弱与定位的超声波信号，反映不同绝缘缺陷类型(局部放电、火花放电和电弧放电等)的特征气体(SOF2、SOF4、SO2F2、SO2、H2S、COS、SF4、CF4、CH4、CO、CO2等)。
常见的SF6气体绝缘设备局部放电检测方法有：脉冲电流法、特高频(UHF)法、超声波法等。脉冲电流法的应用时间较长，且有国际标准IEC60270来规范其检测回路、标定方法和试验程序等，可以获得视在放电量，但是抗干扰性较差，信噪比低，难以实现在线检测。特高频法利用局部放电辐射出的特高频电磁波信号进行检测，有效地避开了实际应用中常见的电磁干扰，抗干扰能力较强，检测效率较高，并可实现在线监测、模式识别及故障定位，但是放电量难以标定。超声波法是利用安装在SF6气体绝缘设备上的超声波传感器接收局部放电产生的振动声信号以达到检测局部放电的，抗电磁干扰能力较强，并可实现局部放电的故障定位，但也存在放电量难以标定、信噪比低、抗振动干扰性较差以及检测效率较低等不足。
现有绝缘故障特征气体传感分析方法主要有：气相色谱(Gas chromatograph，GC)法、质谱法、半导体气敏传感器、燃料电池传感器及红外吸收光谱法。气相色谱法是微量故障特征气体分析最常用的检测方法，可实现准确测量。但其在长期使用之后，色谱柱的老化将导致色谱仪性能退化，不利于长期检测。质谱法具有高效、准确的特点，但需结合色谱柱才能实现混合气体的有效检测；半导体气敏传感器具有灵敏度高的优点，但存在混合气体交叉敏感问题且易老化、稳定性不高，检测准确度也有待提高。红外吸收光谱法具有不破坏和不消耗样气的特点，检测灵敏度高，是近年来迅速发展的气体光学检测方法，但其需要的待测气体体积多，且灵敏度低，在复杂环境中长期运行时受到温度、振动等参数的影响，可能出现基线漂移，测量精度降低的问题。
光声光谱(Photoacousticspectroscopy，PAS)法是基于光声效应，使用各类微音器测量气体吸收光能膨胀产生的振动声波信号，通过周期性改变激光光源波长，就可以检测不同类型的特征气体，特征气体产生的光声信号与特征气体浓度呈良好的线性关系，由此可以实现待测气体的定性及定量分析。更有优势的是光声光谱法与超声波法的检测物理量均为声信号，通过合理设计，可以实现单传感器检测双参量的效果。
现有的SF6气体绝缘设备局部放电下分解组分的光声检测装置及方法，如2015年8月19日授权的公告号为“CN104198393B”、名称为“SF6电气设备内分解气体组分在线监测系统及方法”的专利中，其通过对不同波长的红外激光器进行调制，通过检测分解组分在光声池内因光声效应产生的微弱声信号，实现对不同组分的检测。该专利的不足之处是：(1)需要对SF6气体绝缘设备内的SF6气体进行抽取检测，无法实现故障气体的原位检测，测量周期长，无法实现实时在线监测，系统脆弱部位如微音器振膜易老化，且仍存在一定的漏气隐患；(2)需要消耗载气SF6，增加了材料成本与人工成本；(3)测量完毕后的气体重新送回SF6气体绝缘设备中时，可能导致将杂质颗粒或空气送入SF6气体绝缘设备中，严重影响SF6气体绝缘设备的绝缘水平，引发绝缘故障；(4)该系统中的电子微音器对高压设备周围产生的强电磁场干扰敏感，无法避免SF6气体绝缘设备及其他高压气体绝缘设备对系统产生的强电磁场干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于SF6气体绝缘设备的全光学绝缘故障监测系统，其能用于对SF6气体绝缘设备进行绝缘故障的实时在线监测。所述全光学绝缘故障监测系统包括数据采集卡和监控设备，还包括至少三个构造成能布置在所述SF6气体绝缘设备中不同位置的光纤干涉腔探头，每个所述光纤干涉腔探头构造用于采集所述SF6气体绝缘设备中相应位置处的绝缘故障相关信号，基于各个位置处的故障相关信号来监测所述SF6气体绝缘设备中的故障发生情况。
优选地，针对每一个所述光纤干涉腔探头分别设置有可调谐解调激光器、可调谐激发激光器、环形器、光电探测器、调制激发光光路光纤以及解调光光路光纤，所述可调谐解调激光器发出的激光经由所述环形器传导至所述光纤干涉腔探头，在所述光纤干涉腔探头处反射的激光经由所述环形器传导至所述光电探测器。所述解调光光路光纤相对于所述光纤干涉腔探头而定位成延伸进入到所述光纤干涉腔探头，使得所述可调谐解调激光器发出的可调谐激光能通过所述解调光光路光纤传导至所述光纤干涉腔探头中并发生反射，反射光传导回所述解调光光路光纤时发生干涉。所述调制激发光光路光纤设置成能将所述可调谐激发激光器产生的调制激发光传导进入到所述光纤干涉腔探头内，然后从所述光纤干涉腔探头射出。所述光电探测器配置用于读取干涉光的光强并进行解调以确定局放超声波信号的频率和大小，探测光声信号并进行解调。
优选地，每个所述光纤干涉腔探头的本体由呈中空圆柱状的熔硅管构成，其包括进光及进气口、出光及进气口、光纤干涉腔端面以及石墨烯振膜，所述石墨烯振膜以遮盖住所述熔硅管一端开口的方式粘附于所述熔硅管的一个端部，所述光纤干涉腔端面位于所述熔硅管的内部空间并与所述石墨烯振膜平行，所述光纤干涉腔端面与所述石墨烯振膜之间的空间限定为光纤干涉腔，所述可调谐激发激光器产生的调制激发光经由所述调制激发光光路光纤从所述进光及进气口传导进入所述光纤干涉腔腔内，并从所述出光及进气口射出所述光纤干涉腔。
优选地，所述石墨烯振膜的厚度在10nm-10μm的范围内。
优选地，所述光纤干涉腔的直径在200μm-5mm的范围内。
优选地，所述光纤干涉腔端面与所述石墨烯振膜之间的距离限定为光纤干涉腔的腔长，所述腔长在50μm-500μm的范围内。
优选地，所述全光学绝缘故障在线监测系统包括第一光纤干涉腔探头、第二光纤干涉腔探头、第三光纤干涉腔探头和第四光纤干涉腔探头，它们构造成能均匀地布置在所述SF6气体绝缘设备中的不同位置。
优选地，所述可调谐解调激光器是中心波长1550.12nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器。
优选地，针对所述第一光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1541.7nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是常规波段C段的单模光纤。针对所述第二光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1552nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是常规波段C段的单模光纤。针对所述第三光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1568nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是长波长波段L段的单模光纤。针对所述第四光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1576.3nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是长波长波段L段的单模光纤。
优选地，所述解调光光路光纤是常规波段C段的单模光纤。
优选地，所述光电探测器的带宽为3kHz。
另一方面，本发明还提供一种监测SF6气体绝缘设备的绝缘故障的方法，其利用上述全光学故障在线监测系统来进行，包括以下步骤：
(1)实时监测超声波信号和周期性监测SF6分解故障特征组分气体
利用所述光纤干涉腔探头实时监测所述SF6气体绝缘设备内相应位置处的超声波信号，基于超声波信号确定是否发生局放故障，控制所述可调谐激发激光器按预定时间间隔输出预定故障特征气体波长处的可调谐激光，所述可调谐激光经由所述调制激发光光路光纤而传导到所述光纤干涉腔内并激发所述光纤干涉腔内的所述预定故障特征气体产生光声信号，所述光电探测器解调确定光声信号强度，基于所述光声信号强度确定所述预定故障特征气体的浓度值和所述浓度值的变化趋势，
(2)当监测到局放超声波信号时，所述全光学绝缘故障在线监测系统进入警戒模式
当任一个所述光纤干涉腔探头监测到局放超声波信号时，其余每一个所述光纤干涉腔探头都对局放超声波信号进行采集，基于各个所述光纤干涉腔探头所采集的所述局放超声波信号之间的时延对局放源头进行定位，同时对每一个所述光纤干涉腔探头检测到的局放超声波信号的强度进行记录，进而对局放故障进行初步的定量监测，所述在线监测系统进入警戒模式，此时对SF6气体绝缘设备内故障特征气体的浓度值及其变化趋势进行实时监测，当故障特征气体的浓度值超过报警阈值时所述监控设备发出警报；
(3)警报解除后重新切换成实时监测超声波信号和周期性监测SF6分解故障特征组分气体
当所述SF6气体绝缘设备内发生的绝缘故障解除后，返回到步骤(1)，实时监测超声波信号和周期性监测SF6分解故障特征组分气体。
优选地，所述预定时间间隔为30分钟。
优选地，所述故障特征组分气体包括H2S、CO、SO2F2、CF4。
本发明所提供的绝缘故障在线监测系统能够对SF6气体绝缘设备的故障分解气体进行原位实时在线监测，实现对绝缘故障的定性、定量判断，并同时可通过监测绝缘故障产生的超声波信号，实现对绝缘故障的定位判断。所述故障在线监测系统采用全光信号传导，不会对SF6气体绝缘设备产生绝缘隐患，且具有抗电磁干扰能力强、精度高，无需消耗载气和后期免维护等优点。
附图说明
下文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
图1示意性地示出了本发明的一种示例性故障在线监测系统的结构，其中包括均匀分布地定位于SF6气体绝缘设备中的四个光纤干涉腔探头。
图2示出了本发明的SF6气体绝缘设备故障在线监测系统中的示例性光纤干涉腔探头的结构示意图。
具体实施方式
为了帮助更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本申请的具体实施方式进行详细的描述。
本发明所提供的绝缘故障在线监测系统大体包括数据采集卡、监控设备以及至少三个光纤干涉腔探头。当用于在SF6气体绝缘设备进行绝缘故障监测时，这些光纤干涉腔探头均匀分布地定位在SF6气体绝缘设备中的不同位置，每个光纤干涉腔探头采集相应位置处的局放超声波信号和各位置之间局放超声波信号的时延信息，基于局放超声波信号和各位置之间局放超声波信号的时延信息来监测SF6气体绝缘设备中的故障。
为了便于说明，下面将以具有四个光纤干涉腔探头、用于同时监测SO2F2、CF4、CO、H2S这四种故障特征气体的故障在线监测系统为例，同时以SF6气体绝缘设备中的断路器所在气室作为SF6气体绝缘设备的实例，结合图1和图2对本发明的技术方案进行详细描述。该故障在线监测系统能用于监测SF6气体绝缘设备中由于绝缘故障而产生的特征气体组分以及局放超声波信号，进而监测SF6气体绝缘设备的故障发生情况。
如图1所示，作为SF6气体绝缘设备的断路器所在气室40是竖直放置的圆柱形腔体，四个光纤干涉腔探头分别是第一光纤干涉腔探头17、第二光纤干涉腔探头18、第三光纤干涉腔探头19和第四光纤干涉腔探头20。这四个光纤干涉腔探头具有相同的结构，均匀分布在气室40中，它们各自在相应的位置处进行光纤干涉腔腔内的光声光谱气体检测以及光纤干涉腔外局放超声波信号检测。
针对第一光纤干涉腔探头17，设置有第一可调谐解调激光器1、第一可调谐激发激光器5、第一环形器9、第一光电探测器13、第一调制激发光光路光纤21和第一解调光光路光纤25。第一可调谐解调激光器1发出的激光经由第一环形器9传导至第一光纤干涉腔探头17，由第一光纤干涉腔探头17反射的激光经由第一环形器9传导至第一光电探测器13。第一解调光光路光纤25延伸进入到第一光纤干涉腔探头17内，使得第一可调谐解调激光器1发出的可调谐激光能通过第一解调光光路光纤25射入第一光纤干涉腔探头17中并发生反射，反射光射回第一解调光光路光纤25时发生干涉，第一光电探测器13读取干涉光的光强并解调干涉光光强的强度变化大小与频率。第一调制激发光光路光纤21设置成能将第一可调谐激发激光器产生的调制激发光导入第一光纤干涉腔探头17内，然后从第一光纤干涉腔探头17射出。
针对第二光纤干涉腔探头18，设置有第二可调谐解调激光器2、第二可调谐激发激光器6、第二环形器10、第二光电探测器14、第二调制激发光光路光纤22和第二解调光光路光纤26。与第二光纤干涉腔探头18相关的光路传导方式类似于与第一光纤干涉腔探头17相关的光路传导。
针对第三光纤干涉腔探头19，设置有第三可调谐解调激光器3、第三可调谐激发激光器7、第三环形器11、第三光电探测器15、第三调制激发光光路光纤23和第三解调光光路光纤27。与第三光纤干涉腔探头19相关的光路传导方式类似于与第一光纤干涉腔探头17相关的光路传导。
针对第四光纤干涉腔探头20，设置有第四可调谐解调激光器4、第四可调谐激发激光器8、第四环形器12、第四光电探测器16、第四调制激发光光路光纤24和第四解调光光路光纤28。与第四光纤干涉腔探头20相关的光路传导方式类似于与第一光纤干涉腔探头17相关的光路传导。
第一光电探测器13、第二光电探测器14、第三光电探测器15和第四光电探测器16分别连接到数据采集卡29，数据采集卡29通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、RS-485、RS-232、以太网、各种无线网络等总线接入监控系统30。数据采集卡29自动采集信号数据并传输到监控系统30，监控设备30可以是计算机、上位机等。
下面以第一光纤干涉腔探头17为例，结合图2来描述光纤干涉腔探头的结构。如图2所示，第一光纤干涉腔探头17的本体是由熔硅管172构成且呈中空圆柱状，其包括进光及进气口173、出光及进气口174、光纤干涉腔端面175和石墨烯振膜176。
石墨烯振膜176以遮盖住熔硅管172一端开口的方式粘附于熔硅管172的一个端部。石墨烯振膜176的厚度范围为10nm-10μm，石墨烯振膜176的直径范围为200μm-5mm。
光纤干涉腔端面175由熔硅材料制成，其位于石墨烯振膜176与熔硅管172的另一端部之间且与石墨烯振膜176平行。光纤干涉腔端面175与石墨烯振膜176之间的空间限定为光纤干涉腔177，光纤干涉腔177的直径范围为200μm-5mm。光纤干涉腔端面175与石墨烯振膜176之间的距离限定为光纤干涉腔177的腔长，该腔长为50μm-500μm。
第一解调光光路光纤25通过熔硅套圈171定位成与石墨烯振膜176分别位于光纤干涉腔端面175的两侧。第一可调谐解调激光器1发出的可调谐激光通过第一解调光光路光纤25射出，在光纤干涉腔端面175与石墨烯振膜176面分别发生反射，两束反射光射回解调光光路光纤25中并发生干涉，由光电探测器13可读出干涉光光强。
第一可调谐激发激光器5产生的调制激发光经由第一调制激发光光路光纤21从进光及进气口173导入光纤干涉腔177腔内，并从出光及进气口174射出光纤干涉腔177。
SF6气体绝缘设备中的绝缘气体经由进光及进气口173和/或出光及进气口174扩散进入光纤干涉腔177腔内。第一可调谐激发激光器5产生的调制激发光通过第一调制激发光光路光纤21经由进光及进气口173传导入光纤干涉腔177腔内，并由出光及进气口174射出，激发光波长中心处调谐至待检测的特定故障气体吸收谱线的波长处，并以一定频率来回扫描吸收谱线。光纤干涉腔177内的该类故障气体以该特定频率吸收激光能量并以热能形式释放出来，周期性地释放热能导致光纤干涉腔177内气体产生周期性膨胀，由此产生与扫描频率同频率的光声信号，由内而外推动石墨烯振膜176膜片受迫振动，导致光纤干涉腔端面175与石墨烯振膜176之间的距离发生变化，周期性的超声波信号产生的腔长周期性变化会导致第一光电探测器13检测到的干涉光光强同样产生周期性变化，解调光强信号变化频率与幅值即可求得SF6气体绝缘设备绝缘故障产生的局放超声波信号的频率与大小。光纤干涉腔177测量的频率范围为100Hz～20kHz，灵敏度150mV/Pa，第一光电探测器13的带宽为3kHz。
数据采集卡29的采样频率为96k，采样位数为16位。
第二光纤干涉腔探头18、第三光纤干涉腔探头19和第四光纤干涉腔探头20按与上述相同的方式采集局放超声波信号。
根据第一光纤干涉腔探头17、第二光纤干涉腔探头18、第三光纤干涉腔探头19和第四光纤干涉腔探头20接收到的超声波信号时间差可以计算出绝缘故障产生的位置。根据第一光纤干涉腔探头17、第二光纤干涉腔探头18、第三光纤干涉腔探头19和第四光纤干涉腔探头20接收到的超声信号强度可以大致估计出绝缘故障的严重程度。
第一可调谐解调激光器1、第二可调谐解调激光器2、第三可调谐解调激光器3以及第四可调谐解调激光器4分别为中心波长1550.12nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器。第一解调光光路光纤25、第二解调光光路光纤26、第三解调光光路光纤27以及第四解调光光路光纤28分别为常规波段C段的单模光纤。其中，常规波段C段指的是光纤带宽为1530nm-1565nm的光纤。
第一可调谐激发激光器5优选为中心波长1541.7nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，用于激发SO2F2的特征吸收谱线。第一调制激发光光路光纤21优选为常规波段C段的单模光纤。
第二可调谐激发激光器6优选为中心波长1552nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，用于激发CF4的特征吸收谱线。第二调制激发光光路光纤22优选为常规波段C段的单模光纤。
第三可调谐激发激光器7优选为中心波长1568nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，用于激发CO的特征吸收谱线。第三调制激发光光路光纤23优选为长波长波段L段的单模光纤。其中，长波长波段L段指的是光纤带宽为1565nm-1625nm的光纤。
第四可调谐激发激光器8优选为中心波长1576.3nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，用于激发H2S的特征吸收谱线。第四调制激发光光路光纤24优选为长波长波段L段的单模光纤。
各个可调谐解调激光器优选为中心波长1550.12nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器。各解调光光路光纤优选为常规波段C段的单模光纤。
石墨烯振膜176优选通过以下方式进行设置。
首先，制备石墨烯薄膜，具体为：在镍基底上采用化学气相沉积法(CVD)生成石墨烯薄膜，接下来采用氯化铁溶液腐蚀镍基底，最后用去离子水洗涤掉残留在石墨烯薄膜上的铁离子。
接下来，将石墨烯薄膜设置到光纤干涉腔探头17-20上，形成石墨烯振膜176。具体为：将洗净后的石墨烯薄膜漂浮于去离子水液面处，将光纤干涉腔探头17-20的本体置于该去离子水中使得去离子水完全淹没光纤干涉腔探头17-20，然后将光纤干涉腔探头17-20垂直向上移动直至石墨烯薄膜覆盖到光纤干涉腔探头17-20的一端上，最后将一端覆盖了石墨烯薄膜的光纤干涉腔探头17-20放置在25℃的室温下干燥24小时，使得石墨烯薄膜牢固地粘贴于光纤干涉腔探头17-20端部，形成相应的石墨烯振膜176。
上述故障在线监测系统是用于监测SF6气体绝缘设备绝缘故障的全光型监测系统。安置在SF6气体绝缘设备内部的光纤干涉腔探头的本体由作为电绝缘材料的熔硅材料制成，其上覆盖的石墨烯振膜同样也是电绝缘材料，这种探头安置在SF6气体绝缘设备中时不会对设备的绝缘水平造成影响。其余模块均安置于远离SF6气体绝缘设备的监控室中，所有信号均通过调制激发光光路光纤、解调光光路光纤进行传输，避免了高压气体绝缘设备产生的强电磁场对该故障在线监测系统造成干扰以及由于故障在线监测系统低端取能而影响到的高压气体绝缘设备的绝缘安全。
在上述绝缘故障在线监测系统中，每个光纤干涉腔探头均构造成圆柱状腔体，调制激发光由相应的调制激发光光路光纤经由进光及进气口射入光纤干涉腔腔体中，并经由出光及进气口射出光纤干涉腔腔体，以激发光声信号的一阶径向共振模式，实现光纤干涉腔内的光声信号驻波放大。
上述绝缘故障在线监测系统可以用于在SF6气体绝缘设备正常运行时，实时监测SF6气体绝缘设备内部的声信号，并设定成按预定时间间隔例如每30分钟对SF6气体绝缘设备内各类故障气体的浓度值进行一次测量。当监测到局放超声波信号时，通过均匀布置在SF6气体绝缘设备内的多个光纤干涉腔探头能实现局放故障的定位监测，并初步对局放故障进行定量监测，当故障特征气体浓度超过报警阈值时及时发出警报。当SF6气体绝缘设备内发生的绝缘故障在短期内自行解除或通过检修人员检修解除后时，重新回到24小时实时监测SF6气体绝缘设备内部的声信号，并每30分钟对SF6气体绝缘设备内各类故障气体的浓度值进行一次测量的监测模式。
下面将对利用上述示例性故障在线监测系统对SF6气体绝缘设备中的绝缘故障进行原位实时定性、定量及定位在线监测的方法进行描述，该方法具体是对SF6气体绝缘设备内部绝缘故障产生SF6分解特征组分气体含量及局放故障产生的超声波信号进行实时在线监测。具体过程大体如下。
首先，实时监测SF6气体绝缘设备中的局放超声波信号并周期性检测SF6分解特征组分气体。在SF6气体绝缘设备正常运行时，使用四个光纤干涉腔探头17-20对SF6气体绝缘设备内部的声信号进行实时监测，可调谐激发激光器5-8按预定时间间隔例如每隔30分钟输出故障特征气体波长处的可调谐激光，对SF6气体绝缘设备内各类故障气体的浓度值进行一次测量，并由监控设备记录测量数据并监测故障气体浓度变化趋势，通过监测相应故障特征气体的浓度和浓度变化趋势，并在监测到发生过热故障时及时进行报警。
其次，监测到局放超声波信号后进入警戒模式。由于声速传播需要一定的时间，在SF6气体绝缘设备内的不同部位产生局放时，局放超声信号到达各个光纤干涉腔探头所用的时间会不同。通过光纤干涉腔探头17-20采集并输入到监控设备30中的局放超声波信号的时延对局放源头进行四点精准定位，实现局放故障的定位监测，并同时记录四个光纤干涉腔探头17-20检测到的局放声信号的强度，并在考虑传导距离与损耗的情况下计算局放信号的超声波信号强度，初步对局放故障进行定量监测。此时故障在线监测系统进入警戒模式，对SF6气体绝缘设备内各类故障气体的浓度值的监测由30分钟一次的周期模式更改为实时监测模式。由于故障特征气体是在放电处产生的，故障特征气体扩散至光纤干涉腔探头处需要一定的时间，通过光声光谱法实时监测SF6气体绝缘设备内多种故障特征气体的浓度及其变化趋势。当故障特征气体浓度超过报警阈值时，监控设备及时发出警报。由于不同种类的放电故障产生的故障特征气体种类不同，根据检测到的故障特征气体种类可以对故障进行定性分析，当故障特征气体浓度变化趋势稳定时，通过故障特征气体浓度的大小并结合局放超声波信号强度可以对故障进行定量分析，由此完成对SF6气体绝缘设备内绝缘故障的定位、定性及定量监测。
接下来，警报解除后重新进入正常运行监测周期。当SF6气体绝缘设备内发生的绝缘故障在短期内自行解除或通过检修人员检修解除后，故障在线监测系统重新进入正常运行监测周期。若SF6气体绝缘设备内SF6气体的绝缘性仍满足要求，不需重新更换气体时，将该状态下检测到稳定的特征气体浓度作为新的零点来进行系统的零点校准，并重新以每30分钟为周期进行在线监测。
与现有技术比较，本发明采用光声光谱法及光纤光纤干涉腔解决了SF6气体绝缘设备多气体组分原位在线监测及局放故障定位的问题，实现了绝缘故障的定性、定量及定位在线监测。系统采用全光信号传导，不会对SF6气体绝缘设备产生绝缘隐患，且具有抗电磁干扰能力强、精度高，无需消耗载气和后期免维护等特点。
将光纤干涉腔探头安置于SF6气体绝缘设备内部，无需设置采样气路，既节省了采样周期所耗费的时间，又避免了采样时漏气以及将测量完毕的气样送回SF6气体绝缘设备中时将空气及其他杂质导入设备内的隐患，且无需消耗载气，节约了测量成本与人工成本。
内置于SF6气体绝缘设备内部的光纤干涉腔探头由电绝缘的硅及石墨烯材料构成，采集到的声信号由光纤中的激光传递回光电探测器中，由于光纤作为光传导媒介损耗极小，且不受高压气体绝缘设备周围强电磁场的干扰，需要低端功能的光电探测器等模块可以安置在远离SF6气体绝缘设备及其他高压设备的监控室中，这样既避免了高压气体绝缘设备周围强电磁场对传统电子微音器微弱声电信号的干扰，又避免了由在线监测设备低端取能导致的高压气体绝缘设备绝缘隐患的发生，设备调试及维修时也避免了维修人员需要接近高压气体绝缘设备的安全风险。
以上结合设置有分别监测H2S、CO、SO2F2、CF4四种分解气体组分的四个光纤干涉腔探头的故障在线监测系统对本申请的技术方案进行了详细的描述。然而，应当理解的是，本申请的故障在线监测系统并不局限于监测上述四种分解气体组分，还可以构造成用于监测其他种类和/或数量的故障气体组分。可以根据需要监测的故障气体组分的种类，设置相应数量的光纤干涉腔探头并将这些光纤干涉腔探头安置在适当的位置。
尽管已经示出和描述了本发明的一些示例性实施方式，本领域的技术人员应当理解，在不背离权利要求及它们的等效方案中限定的本发明的原则和精神的情况下，可以对这些示例性实施方式做出变化。在不偏离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (14)

1.一种用于SF6气体绝缘设备的全光学绝缘故障监测系统，其包括数据采集卡和监控设备，其特征在于：
所述全光学绝缘故障在线监测系统还包括至少三个构造成能布置在所述SF6气体绝缘设备中不同位置的光纤干涉腔探头，每个所述光纤干涉腔探头构造用于采集所述SF6气体绝缘设备中相应位置处的绝缘故障相关信号，基于各个位置处的绝缘故障相关信号来监测所述SF6气体绝缘设备中的故障发生情况。
2.根据权利要求1所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：
针对每一个所述光纤干涉腔探头分别设置有可调谐解调激光器、可调谐激发激光器、环形器、光电探测器、调制激发光光路光纤以及解调光光路光纤，所述可调谐解调激光器发出的激光经由所述环形器传导至所述光纤干涉腔探头，在所述光纤干涉腔探头处反射的激光经由所述环形器传导至所述光电探测器，
所述解调光光路光纤相对于所述光纤干涉腔探头而定位成延伸进入到所述光纤干涉腔探头，使得所述可调谐解调激光器发出的可调谐激光能通过所述解调光光路光纤传导至所述光纤干涉腔探头中并发生反射，反射光传导回所述解调光光路光纤时发生干涉，
所述调制激发光光路光纤设置成能将所述可调谐激发激光器产生的调制激发光传导进入到所述光纤干涉腔探头内，然后从所述光纤干涉腔探头射出，
所述光电探测器配置用于读取干涉光的光强并进行解调以确定局放超声波信号的频率和大小，探测光声信号并进行解调。
3.根据权利要求2所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：
每个所述光纤干涉腔探头的本体由呈中空圆柱状的熔硅管构成，其包括进光及进气口、出光及进气口、光纤干涉腔端面以及石墨烯振膜，所述石墨烯振膜以遮盖住所述熔硅管一端开口的方式粘附于所述熔硅管的一个端部，所述光纤干涉腔端面位于所述熔硅管的内部空间并与所述石墨烯振膜平行，所述光纤干涉腔端面与所述石墨烯振膜之间的空间限定为光纤干涉腔，所述可调谐激发激光器产生的调制激发光经由所述调制激发光光路光纤从所述进光及进气口传导进入所述光纤干涉腔腔内，并从所述出光及进气口射出所述光纤干涉腔。
4.根据权利要求3所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：所述石墨烯振膜的厚度在10nm-10μm的范围内。
5.根据权利要求3所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：所述光纤干涉腔的直径在200μm-5mm的范围内。
6.根据权利要求3所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：
所述光纤干涉腔端面与所述石墨烯振膜之间的距离限定为光纤干涉腔的腔长，所述腔长在50μm-500μm的范围内。
7.根据权利要求1所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：
所述全光学绝缘故障在线监测系统包括第一光纤干涉腔探头、第二光纤干涉腔探头、第三光纤干涉腔探头和第四光纤干涉腔探头，它们构造成能均匀地布置在所述SF6气体绝缘设备中的不同位置。
8.根据权利要求7所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：所述可调谐解调激光器是中心波长1550.12nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器。
9.根据权利要求7或8所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：
针对所述第一光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1541.7nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是常规波段C段的单模光纤；
针对所述第二光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1552nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是常规波段C段的单模光纤；
针对所述第三光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1568nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是长波长波段L段的单模光纤；
针对所述第四光纤干涉腔探头设置的可调谐激发激光器是中心波长1576.3nm、线宽为3kHz的窄线宽激光器，其所连接的调制激发光光路光纤是长波长波段L段的单模光纤。
10.根据权利要求1或8所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：所述解调光光路光纤是常规波段C段的单模光纤。
11.根据权利要求2所述的全光学绝缘故障监测系统，其特征在于：所述光电探测器的带宽为3kHz。
12.一种监测SF6气体绝缘设备的绝缘故障的方法，其利用权利要求1-11中任一项所述的全光学绝缘故障在线监测系统来进行，包括以下步骤：
(1)实时监测超声波信号和周期性监测SF6分解故障特征组分气体
利用所述光纤干涉腔探头实时监测所述SF6气体绝缘设备内相应位置处的超声波信号，基于超声波信号确定是否发生局放故障，控制相应的可调谐激发激光器按预定时间间隔输出预定故障特征气体波长处的可调谐激光，所述可调谐激光经由所述调制激发光光路光纤而传导到所述光纤干涉腔内并激发所述光纤干涉腔内的所述预定故障特征气体产生光声信号，所述光电探测器解调确定光声信号强度，基于所述光声信号强度确定所述预定故障特征气体的浓度值和所述浓度值的变化趋势，
(2)当监测到局放超声波信号时，所述全光学绝缘故障在线监测系统进入警戒模式
当任一个所述光纤干涉腔探头监测到局放超声波信号时，其余每一个所述光纤干涉腔探头都对局放超声波信号进行采集，基于各个所述光纤干涉腔探头所采集的所述局放超声波信号之间的时延对局放源头进行定位，同时对每一个所述光纤干涉腔探头检测到的局放超声波信号的强度进行记录，进而对局放故障进行初步的定量监测，所述在线监测系统进入警戒模式，此时对SF6气体绝缘设备内故障特征气体的浓度值及其变化趋势进行实时监测，当故障特征气体的浓度值超过报警阈值时所述监控设备发出警报；
(3)警报解除后重新切换成实时监测超声波信号和周期性监测SF6分解故障特征组分气体
当所述SF6气体绝缘设备内发生的绝缘故障解除后，返回到步骤(1)，实时监测超声波信号和周期性监测SF6分解故障特征组分气体。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述预定时间间隔为30分钟。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述故障特征组分气体包括H2S、CO、SO2F2、CF4。
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