CN112782085B - 基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力设备在线监测技术领域，是一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置及方法，包括光源发射单元生成不同波长的激光信号；传感单元包括多个衰减全反射探头阵列，衰减全反射探头阵列对获得的激光信号进行多次全反射，返回输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；采集分析单元，对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。本发明在充油设备的孔洞处设置衰减全反射探头阵列，衰减全反射探头阵列体积小，同时本发明实施例无需油气分离，能够直接放置在油中进行测试，测试布置非常简洁方便。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备在线监测技术领域，是一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置及方法。
背景技术
充油设备是电力系统中广泛应用的一类电力设备，其包括实现电气测量功能的互感器、实现电压变换功能的变压器以及实现限流功能的限流电抗器等。充油设备中的电气绝缘油受热分解之后会产生大量可燃气体，一旦这类设备发生故障，势必引起火灾、爆炸以及环境污染。油中溶解气体分析是诊断预警充油设备异常状态最有效的方法之一，该分析技术基于油中溶解气体组分含量与异常状态类型之间的映射关系判断充油设备存在哪一类故障，并周期性跟踪异常状态的发展过程。现有充油设备溶解气体在线监测手段包括复合光学检测方法。
复合光学方法是进行气体成分检测的一类重要方法，该方法的理论基础为气体分子红外光谱理论以及Lambert-Beer定律（朗伯比尔定律）。该方法使用复合光学检测器直接测量光信号，相比使用电信号的热导检测器、火焰离子检测器以及光声光谱检测器，不存在光电转换环节，因此不受变电站复杂电磁环境以及电气设备强烈机械振动的影响，测量影响因素少，抗干扰能力强。现有复合光学检测方法多通过光传导吸收实现，光传导吸收模式下存在光吸收室的体积不得小于100mL、光传输路径不得小于1000mm、不利于分布式配置的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有现有光传导吸收模式的充油设备油中溶解气体监测存在的光吸收室的体积大，不利于分布式布置的问题。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，包括光源发射单元、传感单元和采集分析单元；
光源发射单元，生成不同波长的激光信号，并对激光信号进行复用控制，依次输出激光信号至传感单元；
传感单元，传感单元，包括多个衰减全反射探头阵列，且衰减全反射探头阵列内设置有参考绝缘油，每个衰减全反射探头阵列分别对应设置在充油设备的孔洞处，与试品绝缘油相接触，其中孔洞包括充油设备的取样口和非电量保护装置盲孔；衰减全反射探头阵列对获得的激光信号进行多次全反射，返回输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；
采集分析单元，对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述衰减全反射探头阵列包括柱形固定基座、至少两个测量衰减全反射探头和至少两个参考衰减全反射探头，至少两个测量衰减全反射探头和至少两个参考衰减全反射探头均设置在柱形固定基座上，至少两个测量衰减全反射探头和至少两个参考衰减全反射探头均连接有尾纤；测量衰减全反射探头对激光信号进行多次全反射，返回输出一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号；每个参考衰减全反射探头中均注有参考绝缘油，参考衰减全反射探头对激光信号进行多次全反射，返回输出一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号。
上述测量衰减全反射探头包括柱状合成石英晶体基座，合成石英晶体基座的一端设置有ZnSe晶体薄膜，合成石英晶体基座的另一端设置有入射接口和反射接口；入射接口获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜多次全反射，返回一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口输出该激光信号。
上述参考衰减全反射探头包括柱状合成石英晶体基座，合成石英晶体基座的一端设置有ZnSe晶体薄膜，在ZnSe晶体薄膜外侧的合成石英晶体基座上套装有波纹膨胀金属罩壳，在波纹膨胀金属罩壳上设置有橡胶注油孔，通过橡胶注油孔在波纹膨胀金属罩壳和ZnSe晶体薄膜之间注入参考绝缘油，合成石英晶体基座的另一端设置有入射接口和反射接口；入射接口获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜多次全反射，返回一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口输出该激光信号。
上述ZnSe晶体薄膜的厚度大于等于0.5mm。
上述光源发射单元包括光源、光源控制器和光切换元件；光源与光切换元件连接，光源控制器分别与光源和光切换元件连接，光源控制器控制光源发射不同波长的激光信号，并控制光切换元件对激光信号进行复用，输出多路激光信号。
上述采集分析单元包括光探测模块和数据采集分析模块，光探测模块对被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和被参考绝缘油吸收衰减的激光信号进行探测，数据采集分析模块根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
上述光探测模块包括光功率计和光谱仪，光功率计和光谱仪均分别与数据采集分析模块和每个衰减全反射探头阵列连接。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测方法，包括：
光源发射单元生成不同波长的激光信号，并对激光信号进行复用控制，依次输出激光信号至传感单元；
每个衰减全反射探头阵列对接收到的激光信号进行多次全反射，返回输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；
采集分析单元对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述光功率计对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测，包括：
光功率计接收每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号，探测不同波长激光信号分别被试品绝缘液和被参考绝缘油吸收后，对应的光强衰减程度。
数据采集分析模块将光源发出不同波长的激光信号与光功率计探测到的光强衰减程度一一对应，并根据不同油中溶解气体的主要吸收谱带、最强吸收谱线及其峰值吸收系数、以及参考绝缘液和试品绝缘液两组反射激光信号的光强衰减程度差异，推断故障气体的种类和折算出故障气体及水的浓度值；
根据故障气体的种类和故障气体及水的浓度值，对充油设备绝缘油的异常状态进行评估、定位、分析和预测。
本发明在充油设备的各个取样口设置衰减全反射探头阵列，衰减全反射探头阵列体积小，同时本发明实施例无需油气分离，能够直接放置在油中进行测试，也能贴附于充油设备外壳表面，测试布置非常简洁方便；并且本发明实施例通过光的解调实现对故障气体及水的传感，抗电磁干扰能力强，能够在复杂的电磁环境中正常工作；本发明实施例中衰减全反射探头阵列内自带标准物，能采用相对比较方法计算试品绝缘油中故障气体及水的含量，避免温度、压力等参量对监测装置的影响。
附图说明
附图1为本发明实施例1的结构示意图。
附图2为本发明实施例2衰减全反射探头阵列的俯视结构示意图。
附图3为本发明实施例2衰减全反射探头阵列的侧视结构示意图。
附图4为本发明实施例3测量衰减全反射探头的结构示意图。
附图5为本发明实施例4参考衰减全反射探头的结构示意图。
附图6为本发明实施例3和实施例4中ZnSe晶体薄膜的结构示意图。
附图7为本发明实施例7的方法流程示意图。
附图8为本发明实施例8采集分析单元的方法流程示意图。
附图中的编码分别为：1为柱形固定基座，2为测量衰减全反射探头，3为参考衰减全反射探头，4为尾纤，5为柱状合成石英晶体基座，6为ZnSe晶体薄膜，7为入射接口，8为反射接口，9为波纹膨胀金属罩壳，10为橡胶注油孔。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
实施例1，如附图1,所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，包括光源发射单元、传感单元和采集分析单元；
光源发射单元，生成不同波长的激光信号，并对激光信号进行复用控制，依次输出激光信号至传感单元；
传感单元，包括多个衰减全反射探头阵列，且衰减全反射探头阵列内设置有参考绝缘油，每个衰减全反射探头阵列分别对应设置在充油设备的孔洞处，与试品绝缘油相接触，其中孔洞包括充油设备的取样口和非电量保护装置盲孔；衰减全反射探头阵列对获得的激光信号进行多次全反射，返回输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；
采集分析单元，对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
上述技术方案中，光源发射单元生成不同波长的激光信号，这里激光信号可为紫外激光信号也可为红外激光信号，使得既能实现紫外吸收光谱测量又能实现红外光谱测量。
上述技术方案中，传感单元包括多个衰减全反射探头阵列，衰减全反射探头阵列与充油设备的孔洞相对应，衰减全反射探头阵列设置在与之对应的空洞处，使得衰减全反射探头阵列可与充油设备中的试品绝缘油接触，从而激光信号能经衰减全反射探头阵列全反射，输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号。该设置方式即取消了传统的气体吸收室，又能使得衰减全反射探头阵列直接与充油设备中试品绝缘油接触，降低了气体响应时间，并且充油设备外壳的取样口有多个，包括气体继电器的观察窗，使得能通过衰减全反射探头阵列的分布实现对充油设备中绝缘液异常状态的定位。衰减全反射探头阵列内设置有参考绝缘油，即自带标准物，从而能实时对采集分析单元进行校准，并使得采集分析单元可以采用相对比较方法计算试品绝缘油中故障气体及水的含量，避免温度、压力等参量对监测装置的影响。
上述技术方案中，采集分析单元获取衰减全反射探头阵列输出的多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号，通过相对比较方法推断故障气体的种类、折算出故障气体及水浓度值等，完成对充油设备绝缘油异常状态的监测。
综上本发明实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，在充油设备的取样口或者非电量保护装置盲孔一类的与绝缘油直接接触的孔洞处设置衰减全反射探头阵列，衰减全反射探头阵列体积小，同时本发明实施例无需油气分离，能够直接放置在油中进行测试；并且本发明实施例通过光的解调实现对故障气体及水的传感，抗电磁干扰能力强，能够在复杂的电磁环境中正常工作；本发明实施例中衰减全反射探头阵列内自带标准物，能采用相对比较方法计算试品绝缘油中故障气体及水的含量，避免温度、压力等参量对监测装置的影响。
实施例2，如附图2、3所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其中衰减全反射探头阵列进一步包括柱形固定基座1、至少两个测量衰减全反射探头2和至少两个参考衰减全反射探头3，至少两个测量衰减全反射探头2和至少两个参考衰减全反射探头3均设置在柱形固定基座1上，至少两个测量衰减全反射探头2和至少两个参考衰减全反射探头3均连接有尾纤4；测量衰减全反射探头2对激光信号进行多次全反射，返回输出一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号；每个参考衰减全反射探头3中均注有参考绝缘油，参考衰减全反射探头3对激光信号进行多次全反射，返回输出一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号。
上述技术方案中，激光信号通过入射光纤射入至少两个测量衰减全反射探头2和至少两个参考衰减全反射探头3；其中激光信号在参考衰减全反射探头3中进行全反射，激光能量被参考绝缘油（即标准物质）吸收，因此反射光的强度光谱信息中包含有参考绝缘油的信息，在采集分析单元中该信息可以用来校正温度、压力对检测采集分析单元造成的测量误差，同时各个探头的参考绝缘油同源同质，该测试结果可以实时反映探头工作状态；其中激光信号在测量衰减全反射探头2中进行全反射，激光能量被试品绝缘油吸收，因此反射光的强度光谱信息中包含有被试品绝缘油的信息，在采集分析单元中该信息通过与参考绝缘油信息以及其他测试部位信息的横向对比，通过与历史测试信息的纵向对比，可以换算出被试品绝缘油中特征气体及水的浓度值（即含量）。柱形固定基座1可为聚四氟乙烯基座。
实施例3，如附图4所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其中测量衰减全反射探头2进一步包括柱状合成石英晶体基座5，合成石英晶体基座5的一端设置有ZnSe晶体薄膜6，合成石英晶体基座5的另一端设置有入射接口7和反射接口8；入射接口7获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜6多次全反射，返回一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口8输出该激光信号。
上述技术方案中，入射接口7和反射接口8处均连接有尾纤4；ZnSe晶体薄膜6设置在合成石英晶体基座5的一端，完全密封合成石英晶体基座5的一端，ZnSe晶体薄膜6厚度不低于0.5mm，ZnSe晶体薄膜6可进行三次全反射，如附图5所示ZnSe晶体薄膜6中角1为150°，角2为120°。故入射接口7获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜6三次全反射，引起反射光特定区域光强度的降低，返回一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口8输出该激光信号。
实施例4，如附图5所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其中参考衰减全反射探头3进一步包括柱状合成石英晶体基座5，合成石英晶体基座5的一端设置有ZnSe晶体薄膜6，在ZnSe晶体薄膜6外侧的合成石英晶体基座5上套装有波纹膨胀金属罩壳9，在波纹膨胀金属罩壳9上设置有橡胶注油孔10，通过橡胶注油孔10在波纹膨胀金属罩壳9和ZnSe晶体薄膜6之间注入参考绝缘油，合成石英晶体基座5的另一端设置有入射接口7和反射接口8；入射接口7获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜6多次全反射，返回一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口8输出该激光信号。
上述技术方案中，入射接口7和反射接口8处均连接有尾纤4；ZnSe晶体薄膜6设置在合成石英晶体基座5的一端，完全密封在合成石英晶体基座5的一端，ZnSe晶体薄膜6厚度不低于0.5mm，ZnSe晶体薄膜6可进行三次全反射，如附图6所示ZnSe晶体薄膜6中角α为150°，角β为120°。为了实现参考绝缘油与衰减全反射探头的结合，参考衰减全反射探头3设有ZnSe晶体薄膜6一端的用波纹膨胀金属罩壳9构建了参考绝缘油贮存腔，并通过波纹膨胀金属罩壳9上的橡胶注油孔10，注入参考绝缘油至参考绝缘油贮存腔。故入射接口7获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜6三次全反射，引起反射光特定区域光强度的降低，返回一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口8输出该激光信号。
实施例5，如附图1所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其中光源发射单元进一步包括光源、光源控制器和光切换元件；光源与光切换元件连接，光源控制器分别与光源和光切换元件连接，光源控制器控制光源发射不同波长的激光信号，并控制光切换元件对激光信号进行复用，输出多路激光信号。
上述技术方案中，光源可为大功率超连续谱宽带光源，其光谱输出波段不低于4至20000nm，总输出功率不低于200mW，平均功率密度不低于100μW，能依次发出不同波长的激光信号，例如可发出紫外激光、红外激光；光源控制器可为激光控制器，用于控制光源和光切换元件动作。
需要说明的是，由于故障气体在复合光学检测中均有吸收光谱，因此采用复合光学方法进行检测。并且由于不同气体成份的吸收峰波长不同，因此通过改变光源的输出波长就可以有效的进行多种油中溶解气体包括一氧化碳、二氧化碳、乙炔、甲烷、乙烷、乙烯以及水分的监测。并且利用光切换元件进行时分复用控制,可实现对充油设备的取样口或者非电量保护装置盲孔一类的与绝缘油直接接触的孔洞处的多个衰减全反射探头阵列进行检测,以便获得故障气体的定位信息并且降低检测故障气体的响应时间，实现实时监测。
实施例6，如附图1所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其中采集分析单元进一步包括光探测模块和数据采集分析模块，光探测模块对被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和被参考绝缘油吸收衰减的激光信号进行探测，数据采集分析模块根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
上述技术方案中，光探测模块包括光功率计和光谱仪。光功率计对光谱吸收的强度进行检测，即获得不同波长激光信号吸收衰减后的光强衰减程度；数据采集分析模块为现有公知技术，对充油设备中的溶解气体进行监测，监测过程包括：1、数据采集与分析装置将光源发出不同波长的激光信息与光功率计探测到的光强衰减程度一一对应,并根据不同油中溶解气体的主要吸收谱带、最强吸收谱线及其峰值吸收系数、以及参考绝缘液和试品绝缘液两组反射激光的强度差异来推断故障气体的种类和折算出故障气体及水浓度值；2、根据故障气体的种类与浓度值得到绝缘油中的水含量；3、在此基础上对充油设备绝缘油的异常状态进行评估、定位、分析和预测。
实施例7，如附图7所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测方法，包括：
步骤S101，光源发射单元生成不同波长的激光信号，并对激光信号进行复用控制，依次输出激光信号至传感单元；
步骤S102，每个衰减全反射探头阵列对接收到的激光信号进行多次全反射，返回输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；
步骤S103，采集分析单元对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
实施例8，如附图8所示，本实施例公开了一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测方法，其中光功率计对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测，进一步包括：
步骤S201，光功率计接收每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号，探测不同波长激光信号分别被试品绝缘液和被参考绝缘油吸收后，对应的光强衰减程度。
步骤S202，数据采集分析模块将光源发出不同波长的激光信号与光功率计探测到的光强衰减程度一一对应，并根据不同油中溶解气体的主要吸收谱带、最强吸收谱线及其峰值吸收系数、以及参考绝缘液和试品绝缘液两组反射激光信号的光强衰减程度差异，推断故障气体的种类和折算出故障气体及水的浓度值（即采用相对比较方法，推断故障气体的种类和计算故障气体及水的浓度值）；油中溶解气体的最强吸收谱线如附图8所示；光源的谱线及特征气体的吸收谱线如表1所示。
步骤S203，根据故障气体的种类和故障气体及水的浓度值，对充油设备绝缘油的异常状态进行评估、定位、分析和预测。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
Claims (3)
1.一种基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其特征在于，包括光源发射单元、传感单元和采集分析单元；光源发射单元，生成不同波长的激光信号，并对激光信号进行复用控制，依次输出激光信号至传感单元；
传感单元，包括多个衰减全反射探头阵列，且衰减全反射探头阵列内设置有参考绝缘油，每个衰减全反射探头阵列分别对应设置在充油设备的孔洞处，与试品绝缘油相接触，其中孔洞包括充油设备的取样口和非电量保护装置盲孔；衰减全反射探头阵列对获得的激光信号进行多次全反射，返回输出多路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和多路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；
采集分析单元，对每个衰减全反射探头阵列输出的激光信号进行探测，根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测；
所述衰减全反射探头阵列包括柱形固定基座、至少两个测量衰减全反射探头和至少两个参考衰减全反射探头，至少两个测量衰减全反射探头和至少两个参考衰减全反射探头均设置在柱形固定基座上，至少两个测量衰减全反射探头和至少两个参考衰减全反射探头均连接有尾纤；测量衰减全反射探头对激光信号进行多次全反射，返回输出一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号；每个参考衰减全反射探头中均注有参考绝缘油，参考衰减全反射探头对激光信号进行多次全反射，返回输出一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号；
所述测量衰减全反射探头包括柱状合成石英晶体基座，合成石英晶体基座的一端设置有ZnSe晶体薄膜，合成石英晶体基座的另一端设置有入射接口和反射接口；入射接口获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜多次全反射，返回一路被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口输出该激光信号；
所述参考衰减全反射探头包括呈立柱状的合成石英晶体基座，合成石英晶体基座的一端设置有ZnSe晶体薄膜，在ZnSe晶体薄膜外侧的合成石英晶体基座上套装有波纹膨胀金属罩壳，在波纹膨胀金属罩壳上设置有橡胶注油孔，通过橡胶注油孔在波纹膨胀金属罩壳和ZnSe晶体薄膜之间注入参考绝缘油，合成石英晶体基座的另一端设置有入射接口和反射接口；入射接口获取激光信号，激光信号经ZnSe晶体薄膜多次全反射，返回一路被参考绝缘油吸收衰减的激光信号，反射接口输出该激光信号；
所述ZnSe晶体薄膜的厚度大于等于0.5mm；
所述光源发射单元包括光源、光源控制器和光切换元件；光源与光切换元件连接，光源控制器分别与光源和光切换元件连接，光源控制器控制光源发射不同波长的激光信号，并控制光切换元件对激光信号进行复用，输出多路激光信号。
2.根据权利要求1所述的基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其特征在于，所述采集分析单元包括光探测模块和数据采集分析模块，光探测模块对被充油设备中试品绝缘油吸收衰减的激光信号和被参考绝缘油吸收衰减的激光信号进行探测，数据采集分析模块根据探测结果对充油设备中的溶解气体进行监测。
3.根据权利要求2所述的基于复合光学的充油设备油中溶解气体监测装置，其特征在于，所述光探测模块包括光功率计和光谱仪，光功率计和光谱仪均分别与数据采集分析模块和每个衰减全反射探头阵列连接。
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