CN111624449B - 一种基于发射光谱法的电力设备局部放电多通道光学检测系统 - Google Patents

一种基于发射光谱法的电力设备局部放电多通道光学检测系统 Download PDF

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Abstract

一种基于发射光谱法的电力设备局部放电多通道光学检测系统，其光纤(1)采集电力设备局部放电产生的光辐射信号，并将光信号传输至电力设备外部的光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)将光信号分束给N个检测通道，每一个检测通道的光信号经过窄带滤光片(3)之后仅保留特征谱段的光信号，并被高灵敏度光电探测器(4)采集和提取。高灵敏度光电探测器(4)将采集到的每个特征谱段的光谱信息、相对强度以模拟信号的形式传送给A/D转换模块(5)，A/D转换模块(5)将模拟信号转换为数字信号并传递给通讯协议转换卡(6)，通讯协议转换卡(6)将数据信号发送给远程监控计算机(7)进行光学信号分析，并据此进行局部放电故障诊断。

Description

一种基于发射光谱法的电力设备局部放电多通道光学检测 系统
技术领域
本发明涉及一种电力设备用的多通道光学检测系统。
背景技术
随着工业发展和社会进步，电力系统正在向着大容量、特高压方向发展，国民对系统运行可靠性也提出了越来越高的要求。以绝缘开关、变压器、管道母线为代表的各类高压电力设备是电力系统中重要的组成部分，经过长期的绝缘老化，电力设备发生击穿、闪络等绝缘故障的概率显著增大，严重威胁到电力系统的安全稳定运行。局部放电是各类绝缘故障的先兆和表现形式，也是电力设备绝缘缺陷的主要判据和诊断对象。
电力设备在发生局部放电时，通常会产生电流脉冲、电磁辐射、超声波，以及化学分解产生新物质。根据局部放电产生的不同物理化学过程，其检测方法主要包括脉冲电流法、射频法、超高频法、超声波检测法，以及化学检测法。其中，脉冲电流法是最常用的检测方法，也是国家标准GB/T 7354-2003《局部放电测量》中推荐的局部放电检测方法，专利CN201710178926.3设计的一种稍不均匀电场下尖端局部放电的试验模型，利用圆弧形电极装置与脉冲电流法配合完成了尖端故障缺陷模拟和局部放电量的测量。射频法是利用射频传感器检测局部放电，并激发出高频电磁信号，经过后续电路处理得到局部放电量。这两种方法均是直接通过检测电气参量来判断放电情况，由于抗电磁干扰能力差，不适用于电力设备的现场带电检测。同时，超高频法和超声波检测法凭借抗电磁干扰能力强、可对局部放电源进行定位等优势，也逐渐被用于电力设备局部放电检测当中，如专利CN201610844556.8通过对超高频放电信号时域分布特征参数的分析处理，提出了一种变压器局部放电故障类型的识别方法。然而，超高频法和超声波检测法无法对局部放电量进行标定，而且测量结果极易受到电力设备机械振动的干扰，因此在实际工程应用中受到限制。此外，化学检测法具有灵敏度高、不受电磁干扰等优点，也被提出用于局部放电诊断当中，如专利CN201710715991.5通过检测和分析局部放电所致SF6分解产物，提出了干式套管绝缘缺陷诊断方法。然而，由于气体分解产物组分及含量会随着绝缘介质种类、绝缘缺陷类型、环境温湿度的改变而呈现出显著差异性，因此化学检测判据对于不同运行环境、不同类型的电力设备不具备通用性。
随着光学传感技术的发展，光学检测法凭借抗干扰能力强、检测精度高、在线带电检测等显著优势而被逐渐应用于电力设备的局部放电检测当中。如专利CN201910760124.2设计的一种电-热-力多场耦合下的局部放电声光电联合测量平台，利用超声波传感器、光电倍增管和特高频传感器同时实现了对沿面放电的声、光、电信号的有效测量及对比分析，在一定程度上验证了光学检测法的可行性。目前，局部放电的光学检测方法尚处于实验室研究阶段，虽然各类绝缘缺陷类型的光谱特征及诊断判据正在逐渐被提出，然而由于缺乏面向电力设备运行现场的在线检测装备或检测系统，光学检测法在电力设备局部放电检测方面的工程应用及推广受到了诸多限制。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种电力设备用多通道光学检测系统。本发明能够在线实时检测出电力设备的局部放电，为电力设备的绝缘缺陷诊断分析及故障早期预警提供可靠依据。本发明对于电力设备局部放电的检测灵敏度较高，便于与电力设备配合安装，其检测结果基本不受电力设备运行现场的电磁、声波或机械振动的干扰，而且在整个检测过程中不会对电力设备的正常运行造成影响。
本发明电力设备用多通道光学检测系统包括：光纤、光纤耦合器、窄带滤光片、高灵敏度光电探测器、A/D转换模块、通讯协议转换卡，以及远程监控计算机。
所述的光纤分为两段，第一段光纤位于电力设备内部，用于探测局部放电光辐射信号。第一段光纤经由绝缘盖板上的光纤连接管与位于电力设备外部的第二段光纤的输入端连接，第二段光纤的输出端与光纤耦合器的输入端连接，将光信号传送至光纤耦合器。绝缘盖板位于电力设备外壳上。光纤耦合器的N个输出端口和N个检测通道连接，检测通道的数量与光纤耦合器输出端口的数量相等，N的取值范围为2～16。每个检测通道由窄带滤光片和高灵敏度光电探测器组成，光纤耦合器的输出端位于窄带滤光片的前方，窄带滤光片位于高灵敏度光电探测器的前方。光纤耦合器的输出端、窄带滤光片和高灵敏度光电探测器位于同一水平高度。高灵敏度光电探测器采集窄带滤光片透射出的光信号。高灵敏度光电探测器的输出端同时与A/D转换模块的输入端连接，A/D转换模块的输出端连接通讯协议转换卡的输入端，通讯协议转换卡的信号发送端以无线通讯传输的方式将数据信号传送给远程监控计算机的信号接收端。
光纤采集电力设备局部放电产生的光辐射信号，并将光信号传输至位于电力设备外部的光纤耦合器。光纤耦合器将光信号分束给N个检测通道，每一个检测通道的光信号经过窄带滤光片之后仅保留特征谱段的光信号，所述的光信号被高灵敏度光电探测器采集和提取，高灵敏度光电探测器将采集到的每个特征谱段的光谱信息、相对强度，以模拟信号的形式传送给A/D转换模块，A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号并传递给通信协议转换卡，通讯协议转换卡采用无线通讯传输方式将数据信号发送给远程监控计算机进行光谱分析，以及局部放电故障诊断。
所述的窄带滤光片与高灵敏度光电探测器成对分布于每一个检测通道。检测通道的数量N由待测特征谱段的数量决定。所述的窄带滤光片仅能透过特征谱段的光信号，其他光学谱段均被窄带滤光片所滤除。每一个检测通道对应特征谱段的中心波长和半高宽度均由待测电力设备的局部放电故障缺陷类型决定。所述的高灵敏度光电探测器提取出每一个特征谱段光信号的光谱信息及相对光强，经过模/数信号转换及远程发送，作为最终诊断电力设备局部放电类型及严重程度的基础性现场检测数据。
所述的光纤布置于电力设备内部易发生局部放电的部位，利用光纤不影响电力设备绝缘的特点，对局部放电产生的光辐射进行实时采集；所述的光纤在电力设备内部的安装与位置调整由光纤支架、滑轨、环氧树脂滑板，以及动滑轮配合完成。光纤支架固定在电力设备外壳的内壁上，光纤支架的表面敷设有滑轨，光纤探头固定在环氧树脂滑板上。光纤探头的前端安装有光信号放大器，增强对局部放电致微弱光辐射信号的采集效果。位于环氧树脂滑板底部的动滑轮在滑轨上移动，使得光纤探头直射于待检测部位。
多个所述的绝缘盖板的安装位置根据待检测电力设备内部绝缘结构特点确定，在每一个较易发生局部放电故障部位的邻近电力设备外壳处安装一个绝缘盖板，绝缘盖板的正面朝向对应的局部放电故障待测部位，每个绝缘盖板均安装在电力设备外壳的外侧，绝缘盖板的表面与电力设备外壳的安装面平行。所述的绝缘盖板中心位置嵌套有光纤连接管，绝缘盖板上沿圆周均布多个内螺纹孔。绝缘盖板的其中一面嵌套密封胶圈，利用紧固螺栓与密封胶圈的配合，确保绝缘盖板与电力设备外壳之间的紧密接触，以避免对电力设备原有的气密性造成任何影响。所述的第二段光纤与光纤连接管相连的一端可灵活拆卸，通过第二段光纤末端与多个不同位置的绝缘盖板上的光纤连接管依次连接，可以实现电力设备带电运行情况下的多点局部放电检测。
本发明装置的工作原理和过程如下：
光纤安装在电力设备内部易发生局部放电的位置。利用动滑轮在滑轨上移动光纤探头，使固定在光纤探头前端光信号放大器的检测范围覆盖电力设备局部放电待测区域，经由绝缘盖板上的光纤连接管将电力设备内部的第一段光纤与电力设备外部的第二段光纤连接为光通路，第二段光纤的输出端与光纤耦合器的输入端连接，使第一段光纤采集到的光辐射信号经由第二段光纤被顺利传送至光纤耦合器。电力设备投入运行后一旦发生局部放电故障，伴随局部放电产生的光辐射信号被光纤采集，并传输给位于电力设备外部的光纤耦合器。光纤耦合器将光信号分束给N个检测通道，每个检测通道的光信号经过窄带滤光片之后仅保留特征谱段的光信号，每个通道对应光信号的光谱信息及相对光强被高灵敏度光电探测器提取，高灵敏度光电探测器将每个特征谱段的光谱信息、相对光强以模拟信号的形式传送给A/D转换模块，A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号并传递给通信协议转换卡，通讯协议转换卡采用无线通讯传输方式将数据信号发送给远程监控计算机进行光谱分析，完成局部放电故障类型及放电发展程度的诊断。
本发明利用光学检测法对电力设备内部局部放电故障进行检测，可实现远距离、连续带电在线监测。光纤的引入使局部放电检测结果不受到运行现场电磁、机械振动、声波的影响，整个检测过程也不会对电力设备的绝缘性能、气密性造成任何影响。同时，相比于原有的光栅分离法，本发明所提出的基于窄带滤光片与高灵敏度光电探测器的多通道检测方法实现了不同特征谱段的分离以及每一个特征谱段光信号的高灵敏、连续波长提取，大幅提升了光谱分析效率及局部放电诊断的准确性。此外，无线通讯方式的引入更便于工作人员对设备绝缘状态进行远程、实时在线监测，保障了电力设备的安全稳定运行。
本发明所提出的电力设备用多通道光学检测系统，适用于绝缘开关、变压器、管道母线等各类开放型或封闭型高压电力设备的局部放电在线监测，具有极其广泛的工程应用前景。
附图说明
图1为多通道光学检测系统原理图，图中：1光纤，2光纤耦合器，3窄带滤光片，4高灵敏度光电探测器，5A/D转换模块，6通讯协议转换卡，7远程监控计算机；
图2为光信号在检测通道内的处理及提取过程示意图；
图3a、图3b为光纤在电力设备内部安装方式的示意图，其中图3a为主视图，图3b为左视图，图中：8光纤支架，9滑轨，10环氧树脂滑板，11动滑轮，12光纤探头，13光信号放大器；
图4a、图4b为绝缘盖板结构及其在电力设备外壳上固定方法的示意图，其中图4a为主视图，图4b为左视图，图中：14电力设备外壳，15绝缘盖板，16光纤连接管，17密封胶圈，18紧固螺栓。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明光学检测系统包括光纤1、光纤耦合器2、窄带滤光片3、高灵敏光电探测器4、A/D转换模块5、通讯协议转换卡6，以及远程监控计算机7。
如图4a和图4b所示，所述的光纤1分为两段，第一段光纤位于电力设备内部，用于探测局部放电光辐射信号。第一段光纤经由绝缘盖板15上的光纤连接管16，与位于电力设备外部的第二段光纤的输入端连接，第二段光纤的输出端与光纤耦合器2的输入端连接，将光信号传送至光纤耦合器2。绝缘盖板15位于电力设备外壳14上。光纤耦合器2的N个输出端口和N个检测通道连接，检测通道的数量与光纤耦合器2输出端口的数量相等，N的取值范围为2～16。每个检测通道由窄带滤光片3和高灵敏度光电探测器4组成，光纤耦合器2的输出端位于窄带滤光片3的前方，窄带滤光片3位于高灵敏度光电探测器4的前方。光纤耦合器2的输出端、窄带滤光片3和高灵敏度光电探测器4位于同一水平高度。高灵敏度光电探测器4采集透射过窄带滤光片3的光信号，所有高灵敏度光电探测器4的输出端均与A/D转换模块5的输入端连接，A/D转换模块5的输出端连接通讯协议转换卡6的输入端，通讯协议转换卡6的信号发送端以无线通讯传输的方式将数据信号传送给远程监控计算机7的信号接收端。
光纤1将采集的电力设备局部放电产生的光辐射信号传输至位于电力设备外部的光纤耦合器2，光纤耦合器2将光信号分束给N个检测通道，每一个检测通道的光信号经过窄带滤光片3之后仅保留特征谱段的光信号，并被高灵敏度光电探测器4采集和提取。高灵敏度光电探测器4将采集到的每个特征谱段的光谱信息、相对强度以模拟信号的形式传送给A/D转换模块5，A/D转换模块5将模拟信号转换为数字信号并传递给通信协议转换卡6，通讯协议转换卡6采用无线通讯传输方式将数据信号发送给远程监控计算机7进行光谱分析以及局部放电故障诊断。
如图2所示，窄带滤光片3与高灵敏度光电探测器4成对分布于每一个检测通道，检测通道的数量N由待测特征谱段的数量决定。所述的每一个检测通道所包含的窄带滤光片3仅能透过特征谱段的光信号，其他特征谱段均被窄带滤光片3所滤除。每一个检测通道对应特征谱段的中心波长和半高宽度均由待测电力设备的局部放电故障缺陷类型决定。所述的高灵敏度光电探测器4提取出每一个特征谱段光信号的光谱信息及相对光强，经过模/数信号转换及远程发送，作为最终诊断电力设备局部放电类型及严重程度的基础性现场检测数据。
如图3a和图3b所示，光纤1布置于电力设备内部易发生局部放电的部位，利用光纤1不影响电力设备绝缘的特点，对局部放电产生的光辐射信号进行实时采集。所述的光纤1在电力设备内部的安装与位置调整由光纤支架8、滑轨9、环氧树脂滑板10，以及动滑轮11配合完成。光纤支架8固定在电力设备的内壁上，滑轨9敷设在光纤支架8的表面。光纤探头12固定在环氧树脂滑板10上，光纤探头12的前端安装有光信号放大器13，增强对局部放电致微弱光辐射信号的采集效果。位于环氧树脂滑板10底部的动滑轮11在滑轨上移动，使得光纤探头12直射于待检测部位。
如图4a和图4b所示，所述的多个绝缘盖板15的安装位置根据待检测电力设备内部绝缘结构特点确定。在每一个较易发生局部放电故障部位的邻近电力设备外壳14处安装一个绝缘盖板15，绝缘盖板15的正面朝向对应的局部放电故障待测部位，每个绝缘盖板15均安装在电力设备外壳的外侧，绝缘盖板15的表面与电力设备外壳14的安装面平行。所述的绝缘盖板15的中心位置嵌套有光纤连接管16，在绝缘盖板15上沿圆周均布多个内螺纹孔，绝缘盖板15的其中一面嵌套有密封胶圈17，利用紧固螺栓18与密封胶圈17配合确保绝缘盖板15与电力设备外壳14之间的紧密接触，以避免对电力设备原有的气密性造成任何影响。
第一段光纤与绝缘盖板15上光纤连接管16的一端连接，光纤连接管16的另一端与位于电力设备外部的第二段光纤的输入端连接，第二段光纤的输出端与光纤耦合器2的输入端连接。第二段光纤与光纤连接管16相连的一端可灵活拆卸，通过第二段光纤末端与电力设备外壳上多个不同位置的绝缘盖板15上光纤连接管依次连接，以实现电力设备带电运行情况下的多点局部放电检测。
本发明装置的工作过程如下：
在电力设备投入运行前，将光纤1安装在电力设备内部易发生局部放电的位置，利用动滑轮11在滑轨9上移动光纤探头12，使固定在光纤探头12前端的光信号放大器的检测范围覆盖局部放电待测区域，经由绝缘盖板15上的光纤连接管16将电力设备内部的第一段光纤与设备外部的第二段光纤连接为光通路，第二段光纤的输出端与光纤耦合器2的输入端连接，使第一段光纤采集到的光辐射信号经由第二段光纤传送至光纤耦合器2。电力设备投入运行后，一旦发生局部放电故障，伴随局部放电产生的光辐射信号被光纤1采集到，并传输给位于电力设备外部的光纤耦合器2，光纤耦合器2将光信号分束给N个检测通道，检测通道的数量与光纤耦合器输出端口的数量相等，N的取值范围为2～16。每个检测通道的光信号经过窄带滤光片3之后仅保留特征谱段的光信号，每个通道对应光信号的光谱信息及相对光强被高灵敏度光电探测器4提取，高灵敏度光电探测器4将特征光谱信息以模拟信号的形式传送给A/D转换模块5，A/D转换模块5将模拟信号转换为数字信号并传递给通信协议转换卡6，通讯协议转换卡6采用无线通讯传输方式将数据信号发送给远程监控计算机7进行光谱分析，完成局部放电故障类型及放电发展程度的诊断。
本发明利用光学检测法对电力设备内部局部放电故障进行检测，可实现远距离、连续带电在线监测。光纤的引入使局部放电检测结果不受到运行现场电磁、机械振动、声波的影响，整个检测过程也不会对电力设备的绝缘性能、气密性造成任何影响。同时，相比于原有的光栅分离法，本发明所提出的基于窄带滤光片与高灵敏度光电探测器的多通道检测方法实现了不同特征谱段的分离以及每一个特征谱段光信号的高灵敏、连续波长提取，大幅提升了光谱分析效率及局部放电诊断的准确性。此外，无线通讯方式的引入更便于工作人员对设备绝缘状态进行远程、实时在线监测，保障了电力设备的安全稳定运行。
本发明所提出的电力设备用多通道光学检测系统，适用于绝缘开关、变压器、管道母线等各类开放型或封闭型高压电力设备的局部放电在线监测，具有极其广泛的工程应用前景。

Claims (1)

1.一种基于发射光谱法的电力设备局部放电多通道光学检测系统，其特征在于：所述的多通道光学检测系统包括光纤(1)、光纤耦合器(2)、窄带滤光片(3)、高灵敏度光电探测器(4)、A/D转换模块(5)、通讯协议转换卡(6)，以及远程监控计算机(7)；所述的光纤(1)分为两段，第一段光纤位于电力设备内部，用于探测局部放电光辐射信号；第一段光纤经由绝缘盖板(15)上的光纤连接管(16)，与位于电力设备外部的第二段光纤的输入端连接，第二段光纤的输出端与光纤耦合器(2)的输入端连接，将光信号传送至光纤耦合器(2)；绝缘盖板(15)位于电力设备外壳(14)上；光纤耦合器(2)的N个输出端口和N个检测通道连接，检测通道的数量与光纤耦合器(2)输出端口的数量相等，N的取值范围为2～16；每个检测通道由窄带滤光片(3)和高灵敏度光电探测器(4)组成，光纤耦合器(2)的输出端位于窄带滤光片(3)的前方，窄带滤光片(3)位于高灵敏度光电探测器(4)的前方；光纤耦合器(2)的输出端、窄带滤光片(3)和高灵敏度光电探测器(4)位于同一水平高度；高灵敏度光电探测器(4)采集透射过窄带滤光片(3)的光信号，高灵敏度光电探测器(4)的输出端与A/D转换模块(5)的输入端连接，A/D转换模块(5)的输出端连接通讯协议转换卡(6)的输入端，通讯协议转换卡(6)的信号发送端以无线通讯传输的方式将数据信号传送给远程监控计算机(7)的信号接收端；
所述的检测通道的数量N由待测特征谱段的数量决定；所述的窄带滤光片(3)仅能透过特征谱段的光信号，其他光学谱段均被窄带滤光片(3)所滤除；每一个检测通道对应特征谱段的中心波长和半高宽度均由待测电力设备的局部放电故障缺陷类型决定；所述的高灵敏度光电探测器(4)提取出每一个特征谱段光信号的光谱信息及相对光强，经过模/数信号转换及远程发送，作为最终诊断电力设备局部放电类型及严重程度的基础性现场检测数据；
所述的光纤(1)布置于电力设备内部易发生局部放电的部位，实时采集电力设备局部放电产生的光辐射信号；所述的光纤(1)在电力设备内部的安装与位置调整由光纤支架(8)、滑轨(9)、环氧树脂滑板(10)，以及动滑轮(11)配合完成；光纤支架(8)固定在电力设备的内壁上，滑轨(9)敷设在光纤支架(8)的表面；光纤探头(12)固定在环氧树脂滑板(10)上，光纤探头(12)的前端安装光信号放大器(13)，增强对局部放电致微弱光辐射信号的采集效果；位于环氧树脂滑板(10)底部的动滑轮(11)在滑轨(9)上移动，使得光纤探头(12)直射于待检测部位；
在每一个易发生局部放电故障部位的邻近电力设备外壳(14)处安装一个绝缘盖板(15)，绝缘盖板(15)的正面朝向对应的局部放电故障待测部位，绝缘盖板(15)安装在电力设备外壳(14)的外侧，绝缘盖板(15)的表面与电力设备外壳(14)的安装面平行；所述的绝缘盖板(15)的中心位置嵌套有光纤连接管(16)，在绝缘盖板(15)上沿圆周均布多个内螺纹孔，绝缘盖板(15)的其中一面嵌套有密封胶圈(17)，利用紧固螺栓(18)与密封胶圈(17)配合使绝缘盖板(15)与电力设备外壳(14)之间紧密接触；
与所述绝缘盖板(15)连接的第二段光纤(1)的末端可拆卸，通过第二段光纤(1)的末端与电力设备外壳(14)上多个不同位置的绝缘盖板(15)依次连接，实现电力设备带电运行情况下的多点局部放电检测。
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