CN112710926B - 用于gis放电探测的传感头及放电探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于GIS放电探测的传感头及放电探测系统，所示传感头包括弹性材料制成的第一传感片、第二传感片和第三传感片，所述的各个传感片构成圆台，所述传感头还包括缠绕在圆台侧部的光纤，所述光纤用胶水固定；所述探测系统包括串联的多个所述传感头，所述传感头之间通过光纤连接。本发明的传感头精度高、信噪比高、布设方便，探测系统能够实现对扰动信号的空间定位。

Description

用于GIS放电探测的传感头及放电探测系统

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，特别是一种用于GIS放电探测的传感头及放电探测系统。

背景技术

随着科技的发展，GIS放电传感技术有了新的突破，针对放电过程中产生的化学气体、光信号、电脉冲以及声发射信号，共有以下5种传感技术：

(1)化学气体检测法。GIS设备内部的SF6气体在放电的作用下，会分解成SO2、SOF2以及SO2F2等气体，这些气体可以通过高效液相色谱或溶解气体分析进行监测。

(2)光测法。针对放电时产生的闪光，可以使用荧光光纤探测，以此判断电力设备内部是否出现放电。然而光检测的传感器需要安装在GIS设备的内部，因此现阶段还没有将此方法进行现场的应用。目前在实际应用中还存在一些问题，如检测灵敏度不高、误差大以及该方法的设备精密且昂贵。

(3)电脉冲检测法。针对放电时产生的电脉冲，这种振荡电脉冲信号一般通过内置的脉冲电压传感器探测，

(4)高频检测法。在放电发生的初期，其脉冲电流上升速度极快，会产生300MHz至3GHz的电磁辐射，可以通过内置的超高频传感器对其进行探测。

(5)声发射检测法。放电发生后，一部分能量会以机械波的形式传递至罐体表面，随后沿着罐体表面传递至周围空间中。因此，对于放电声发射的探测，可以将传感器放置在罐壁或GIS设备周围来实现，避免了安装和拆卸时的不便。传统的声发射传感由压电换能器(PZT)实现，该技术相对成熟，将PZT或麦克风阵列放置在电力设备附近，即可在放电时检测到声信号。

除声发射检测法以外，其余的检测方法均为入侵式传感，即需要安装在GIS罐体内部实现对放电的检测。入侵式的方法需要在生产或安装GIS设备时将传感设备部署在GIS内部，传感设备的检修、安装、拆卸都十分麻烦。近年来，对于非入侵式传感设备的需求越来越大，使用PZT和麦克风阵列实现GIS设备的击穿放电声发射信号探测已得到了广泛的使用。然而，在实验中发现，GIS设备内部发生击穿放电时会产生强烈的电磁脉冲，对周围的电子设备产生严重的干扰，附近的麦克风阵列信号采集系统在放电发生后会发生宕机故障，甚至永久性受损。

相位敏感光时域反射系统(φ-OTDR)作为一种新型分布式光纤传感技术，具有本征安全、抗电磁干扰、动态范围大、监测距离长、能够实时监测多点扰动事件等优点，从出现以来便得到广泛关注与研究，在周界安防、长距离油气管道防盗采、轨道交通和结构健康监测等领域具有良好的应用前景。Φ-OTDR的特点是使用高相干光源并利用瑞利散射原理，通过光纤中散射光的相干，实现长距离、空间高分辨率、高灵敏度和高系统响应速度的分布式传感和实时在线监测。

传统的光纤声发射探测是将光纤在待测物体表面紧密地缠绕数圈，以提高光纤传感设备对声发射信号的响应度。然而这种方式使得传感设备的布设和拆除非常繁琐，在布设过程中使得光纤紧密有序地缠绕是十分困难的，在缠绕时光纤也容易折断，而在光纤表面包裹保护层会降低光纤传感的灵敏度。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种用于GIS放电探测的传感头及放电探测系统。具体技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种用于GIS放电探测的高灵敏度的传感头，所述传感头包括传感头本体和光纤，所述传感头本体为中空的圆台状，所述传感头本体的上底面处设置有第一传感片，所述传感头本体的下底面处设置有第二传感片，所述传感头本体的侧部作为第三传感片，所述第一传感片、第二传感片和第三传感片均由弹性材料制成，所述光纤缠绕在所述传感头本体的侧部。

进一步地，所述第一传感片和/或第二传感片的形状为圆形，所述第一传感片与所述上底面共轴设置，和/或，所述第二传感片与所述下底面共轴设置。

进一步地，所述第一传感片的面积大于或等于所述上底面的面积，和/或，所述第二传感片的面积大于或等于所述下底面的面积。

进一步地，所述弹性材料的泊松比大于或等于0.394。

进一步地，所述弹性材料的杨氏模量小于或等于2.3GPa。

进一步地，所述第一传感片的直径和所述第二传感片的直径均小于或等于29mm。

进一步地，所述第一传感片、第二传感片和第三传感片为一体成型设置。

进一步地，所述传感头用3D打印方法制成。

另一方面，本发明提供了一种高灵敏度的光纤GIS放电探测系统，所述光纤GIS放电探测系统具有至少一个所述的传感头。

进一步地，所述光纤GIS放电探测系统具有两个或两个以上所述的传感头，所述的多个传感头共用一根光纤，所述的多个传感头依次串联连接。

本发明的技术方案带来的有益效果包括：

a.传感头不受到电磁干扰的影响，且不影响待监测电力系统的电气性能。；

b.对声发射敏感，对击穿放电的检测有着更高的信噪比；

c.快速布设，安装便捷；

d.损耗低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的传感头的示意图；

图2是本发明实施例的传感头的侧视图；

图3是本发明实施例的传感头的俯视图；

图4是本发明实施例的多传感头串联连接的示意图。

其中，附图标记包括：1-第一传感片，2-第二传感片，3-第三传感片，4-光纤，5-传感头本体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于GIS放电探测的高灵敏度的传感头，如图1至图3所示，所述传感头为中空的圆台，所述圆台的上底面处设置有第一传感片1，所述圆台的下底面处设置有第二传感片2，所述圆台的侧部作为第三传感片3，所述第一传感片1、第二传感片2和第三传感片3均由弹性材料制成，所述传感头还包括缠绕在其侧部的光纤4。

由于传感头两端为弹性材料薄片，可以捕捉到GIS外壁微弱的GIS振动信号，中间为空心的梯形圆柱体，在有振动信号发生时可以产生横向应变，即在与上、下底面直径平行的方向上发生形变；弹性材料应变大、对振动信号感知能力强。光纤缠绕在上述传感头的侧部，在圆台发生形变时会带动光纤产生相应的形变。因此，将听诊器的结构用于制作传感头，使用弹性材料作为传感头的主要材料，可以使得缠绕在传感头的光纤的应变随之增大；优选地，光纤缠绕较紧且用胶水固定，可以认为光纤环的直径变化量与弹性圆柱体的直径变化量相同，对圆台的形变更加敏感，从而增加了光纤在微弱振动信号产生时的相对形变程度。

两端是由弹性材料构成的薄片，固定在梯形圆柱上，在使用时一端固定于振动源上，便于安装与拆卸。利用此种传感头与传感光纤相结合的方式，可以制作出一种灵敏度高且便于安装的光纤传感器。

该传感头不含有介电介质，满足快速布设拆除的要求，同时对声发射信号敏感。

在本发明的一个实施例中，所述弹性材料的泊松比大于或等于0.394。

在本发明的一个实施例中，所述弹性材料的杨氏模量小于或等于2.3GPa。

在本发明的一个实施例中，所述第一传感片的直径和所述第二传感片的直径均小于或等于29mm。

所述弹性材料的参数选择高泊松比、低杨氏模量的材料，减小圆台的横截面积，可以很好的提升由应变引起的光相位变化量。

在本发明的一个实施例中，所述第一传感片1和/或第二传感片2的形状为圆形，所述第一传感片1与所述上底面共轴设置，和/或，所述第二传感片2与所述下底面共轴设置。

所述第一传感片1的面积大于或等于所述上底面的面积，和/或，所述第二传感片21的面积大于或等于所述下底面的面积。优选大于相应的底面，以增大探测面积，对振动信号更加敏感。

在本发明的一个实施例中，所述第一传感片1、第二传感片2和第三传感片3为一体成型设置。所述传感头优选用3D打印方法制成。3D打印技术对参数的设计更加灵活，很好的对传感头的各项参数进行控制，以达到提升传感头信噪比的目的，在优化弹性体结构参数方面具有较大的优势，便于确定一个灵敏度最高的传感器结构。

本发明的另一个实施例提供了一种高灵敏度的光纤GIS放电探测系统，所述光纤GIS放电探测系统具有至少一个所述的传感头。

在本发明的一个实施例中，所述光纤GIS放电探测系统具有两个或两个以上所述的传感头，所述的多个传感头共用一根光纤，所述的多个传感头依次串联连接。

多个传感头串联接入Φ-OTDR中，避免了多传感头复用的问题，且通过分析各个位置传感器的解调信号时延差，可以实现对扰动信号的空间定位。该传感系统兼具了Φ-OTDR的大传感范围与传感头的高灵敏度等优点，能够在电磁干扰环境稳定运行。

下面进一步描述本发明的一个具体实施例。

本发明采用闪铸科技(FLASHFORGE)的梦想家/Dreamer双喷头打印机。该打印机可以可以灵活设计和制备各种形状的弹性体。经过对3D打印机性能的仔细研究，在设计弹性体时避免出现悬空的部分，由此提出了组合式套件，将弹性体分成三个部分进行打印。其中两块(简称外部组件)的底层上有一圈圆环，另一块(简称内部组件)的底层有一个直径小于外部组件圆环直径的空心圆环或实心圆柱。将内部组件和外部组件相扣，三部分即可组合成一个弹性体，如图2、3所示。

本发明选择了使用柔性材料制备内径为19mm-22mm的空心结构弹性体，上圆外部套件的内径为25mm，外径为29mm；下圆外部套件的内径为22mm，外径为26mm；中间内部套件的内径为19mm-22mm，外径为21.95mm-24.95mm，略小于外部套件的内径，因此在两者相扣时可以紧扣。光纤缠绕如图1所示，完毕后，在凹槽内填充硅橡胶进行固定，等硅橡胶凝固后，传感头制备完毕。

本发明的优势在于：

(1)抗电磁干扰。高压电力系统周围有复杂的电磁环境，而且击穿放电发生时会产生强烈的电磁脉冲。布设在电力系统附近的传感头不受到电磁干扰的影响，且不影响待监测电力系统的电气性能。

(2)对声发射敏感。传感头需要对电力设备内部的击穿放电现象产生的声发射信号具有较高的灵敏度，与光纤缠绕的传感方式相比，传感头中的弹性体能够实现对声发射信号的“增敏”，从而使得光纤传感系统对击穿放电的检测有着更高的信噪比。

(3)快速布设。传感头针对GIS设备投入使用前耐压测试过程中产生的击穿放电现象进行监测和定位，耐压测试开始前和结束后传感器需要快速地布设和拆除以提高设备质检的效率。因此，传感头需要能够快速地贴合在GIS设备表面。

(4)低损耗。由于在本文中采用Φ-OTDR系统对光信号进行解调，各个传感头以串联的方式连接在传感光纤上，因此，每个传感头的光损耗应当尽可能小，以此减小探测光功率的损耗。将多个传感头以串联的形式接入Φ-OTDR系统后的传感光纤中，如图4所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高灵敏度的光纤GIS放电探测系统，用于对被测GIS设备产生击穿放电现象进行监测，其特征在于，所述光纤GIS放电探测系统包括Φ-OTDR系统以及多个传感头，每个传感头包括传感头本体(5)和光纤(4)，所述传感头本体为中空的圆台状，所述传感头本体(5)的上底面处设置有第一传感片(1)，所述传感头本体(5)的下底面处设置有第二传感片(2)，所述第一传感片(1)和第二传感片(2)为弹性材料薄片，所述传感头本体(5)的侧部作为第三传感片(4)，所述光纤(4)缠绕在所述传感头本体(5)的侧部；

所述传感头本体(5)采用组合式套件组合成一个弹性体，所述组合式套件包括上圆外部套件、下圆外部套件和中间内部套件，所述上圆外部套件、下圆外部套件的底层上设有一圈圆环，所述中间内部套件的一端设有一个直径小于所述上圆外部套件底层圆环直径的空心圆环或实心圆环，其另一端设有一个直径对应小于所述下圆外部套件底层圆环直径的空心圆环或实心圆环；

所述传感头的制作步骤包括：将所述光纤(4)缠绕在所述中间内部套件的侧表面和所述第一传感片、第二传感片形成的的凹槽内，再在凹槽内填充硅橡胶进行固定，直至硅橡胶凝固；

多个传感头的光纤（4）首尾相连，第一个传感头的光纤（4）头部接入所述Φ-OTDR系统的传感光纤中，且所述第一传感片(1)、第二传感片(2)和第三传感片(3)均由弹性材料制成，所述弹性材料的杨氏模量小于或等于2.3GPa，所述第一传感片（1）和/或第二传感片（2）被设计成能够贴合在被测GIS设备表面的薄片。

2.如权利要求1所述的放电探测系统，其特征在于，所述第一传感片(1)和/或第二传感片(2)的形状为圆形，所述第一传感片(1)与所述上底面共轴设置，和/或，所述第二传感片(2)与所述下底面共轴设置。

3.如权利要求1所述的放电探测系统，其特征在于，所述弹性材料的泊松比大于或等于0.394。

4.如权利要求1所述的放电探测系统，其特征在于，所述第二传感片(2)的直径小于或等于29mm。

5.如权利要求1所述的放电探测系统，其特征在于，所述传感头本体用3D打印方法制成。