CN112912742A - 用于高压电缆附件的光学检测器和光学测量放电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高压电缆附件的光学检测器。本发明还涉及一种用于检测高压电缆附件中的放电的监测系统，以及一种检测和/或监测发生在这种高压电缆附件的绝缘部分中的放电的方法。根据本发明，所述光学检测器检测高压电缆附件放电产生的具有放电产生的辐射波长的辐射。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高压电缆附件的光学检测器。本发明还涉及一种用于检测高压电缆附件中的放电的监测系统，以及一种检测和/或监测发生在这种高压电缆附件的绝缘部分中的放电的方法。
背景技术
高压电缆附件用于将高压电力电缆连接到电气设备，如架空线、变压器、电涌放电器、开关设备等。高压电缆附件在不同的环境条件下对电力电缆的电场进行绝缘或控制，预计使用寿命超过40年，且不会出现任何故障。为了达到这一要求，必须定期检查绝缘系统及其性能。此外，由于安装终端或安装电缆接头总是需要手动安装，因此还必须考虑安装过程中的故障。这种故障可能会导致电击穿，随后在终端内部产生电弧。因此，需要一种诊断方法来提供关于电缆附件的当前状态的信息，包括它们的剩余寿命。
下文中使用的术语“高压”是指大约1kV以上的电压。特别地，术语高压意在包括电力传输的通常标称电压范围，即中压(约3kV至约50kV)、高压(约50kV至约110kV)以及超高压(目前约500kV)。当然，将来也可以考虑更高的电压。这些电压可以是直流(DC)或交流(AC)电压。在下文中，术语“高压电缆”意在表示适合于在大约1kV以上的电压下承载约大于1A的电流的电缆。因此，术语“高压附件”意在表示适于将高压设施和/或高压电缆相互连接的装置。特别是，高压电缆附件可以是末端终端或电缆接头。
提供关于电缆附件的状态和剩余寿命的实时信息的最常用诊断方法是局部放电(PD}测量。不完全桥接彼此紧密靠近的两个电极或导体的放电称为“部分”放电。因此，下文中使用的术语“局部放电”意在描述绝缘体内的短期、低能量和局部受限的放电，其会不可逆地损坏绝缘体，但不会导致完全的电击穿。术语“局部放电”尤其意在包括发生在非气态绝缘材料内的所谓“内部局部放电”。局部放电源于诸如空腔或夹杂物之类的缺陷，以及与其他材料的界面，特别是与承载高压的导体的界面，局部放电导致“树”的形成，这些树随时间而生长，最终导致电击穿。这种PD树通常具有超过1μm的长度。
这种局部放电的量级通常很小，转移的电荷量在10至几百皮库仑(pC)的范围内。对于局部放电测试，将适当高的AC或DC电压施加到被测绝缘材料周围的导体上。或者，根据缺陷和通电系统特性，可以在正常运行条件下检测放电。
当前，获取高压电缆附件状态最常用的诊断方法是根据IEC标准60270(“高压测试技术-局部放电测量”，IEC 60270:2000)进行的电气局部放电测量。此设置主要由一个高压源(可以基于不同的技术，如标准50赫兹或谐振系统)、一个用于信号提取的耦合电容和一个用于适应PD信号以直接测量的四极杆组成。在树化过程中，每次局部放电事件都会产生短路电流信号，该信号可由连接的测量设备检测到。
因此，PD诊断基于非常小幅度的电信号测量。这种技术的一个缺点是，由于振幅小，它对外部电场(如来自变压器、架空线等)引起的电噪声非常敏感。因此，噪声环境中(例如，现场测试期间)的局部放电测量并不总是能够正确解释局部放电的测量结果，因此不能了解高压设备的状况。
局部放电也产生光，因此可以通过测量由此产生的光来检测局部放电。这种光学PD测量有利地不受来自周围高压设备的电噪声的影响。例如，通过使用集成到高压附件中的光纤传感器，可以实现基于光学PC测量的实时损坏监测。
这种使用荧光光纤的光纤传感器装置例如在W.R.Habel等人的文章中有所描述："Fibre-optic sensors for early damage detection in plastic installations ofhigh-voltage facilities"，XVII届，高压工程国际研讨会，德国汉诺威，2011年8月22日至26日。该系统的详细描述也在博士论文“Dielectric strength behavior and mechanicalproperties of transparent insulation materials suitable to optical monitoringof partial discharges”中给出，该论文由汉诺威Gottfried Wilhelm Leibniz大学电气工程与计算机科学学院的Chaiyaporn Lothongkam发布，2014年2月2日，德国专利申请DE102010061607 A1中也类似。
欧洲专利申请No.15173098.3中公开了另一种光纤传感器装置。在欧洲专利15173098.3中，高压电缆附件的场控制元件包括至少部分地配备有荧光染料的电绝缘材料。荧光染料被配置为将放电产生的第一辐射转换成波长比第一辐射的波长长的第二辐射。光纤用于检测第二辐射。
现有的光纤传感器装置在光纤或高压电缆附件的场控制元件中，使用荧光来变换由局部放电产生的辐射的波长。因为传统的光电检测器不够灵敏，不能正确检测来自放电的其自然产生的波长的辐射，因此有必要变换波长。然而，包含荧光材料来实现这种变换可能需要购买或生产特定且昂贵的荧光光纤或荧光绝缘材料。
发明内容
本发明的目的是克服现有解决方案的缺点，并提供对电绝缘体中的局部放电的灵敏、准确且抗干扰的实时监测，并可以更有效地生产。
该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
本发明基于这样的构思，即通过使用能够以令人满意的灵敏度直接检测由放电产生的辐射的光学检测器，可以更容易地实现局部放电检测。特别地，本发明提出提供一种用于高压电缆附件的光学检测器，其中光学检测器检测由高压电缆附件的放电产生的辐射，该辐射是在放电产生的辐射的波长下。
有利的是，通过使用足够灵敏的光学检测器来直接检测在辐射波长下的由放电产生的辐射，没有必要提供能够变换辐射波长的元件。因此，需要更少的组件例如荧光材料或荧光染料用于精确检测，并且光学检测器和/或高压电缆附件可以更有效和更经济地生产。光学检测器可以与常规生产的高压电缆附件一起使用，以精确检测放电。这导致光学检测器的简单安装，并且还允许在必要时容易且有效地更换部件。此外，由于检测原理是基于光学监测，它不受电噪声效应或电晕的影响。这里描述的本发明的实施例也可以用于所有电压等级(AC和DC)。
根据本发明，光学检测器包括用于从检测到的辐射产生电信号的光学变换器和用于传输所述辐射的光纤。使用光纤从检测到的辐射产生电信号消除了电噪声的影响。提供光纤和单独的光学变换器的优点在于，光学变换器可以布置在高压电缆附件外部的受保护环境中，因此也不受电噪声的影响。光学变换器可以包括例如光电二极管，以将检测到的辐射精确地转换成电信号，而不增加光学检测器的必要尺寸。
本发明还涉及一种用于检测高压电缆附件中的放电的监测系统。根据本发明，监测系统包括高压电缆附件和光学检测器。如上所述，根据本发明的术语“高压电缆附件”表示用于将高压设施与高压电缆连接或者将高压电缆相互连接的设备。特别地，高压电缆附件可以是电缆接头或末端终端。它包括绝缘部分，该绝缘部分在安装状态下至少部分地包围电缆绝缘体。如本领域中已知的，绝缘部分通常包括用于控制电场的场控制元件，从而可以避免由于电荷累积引起的电场增强。为此，场控制元件包括具有场分级材料的区域，该场分级材料包括例如形成场控制元件的偏转器的聚合物基质和导电有机填料。由于其几何形状，高压电缆附件的场控制元件也常被称为“应力锥”。
如2014年7月25日由汉诺威Gottfried Wilhelm Leibniz电气工程与计算机科学学院的Chaiyaporn Lothongkam的博士论文“Dielectric strength behavior andmechanical properties of transparent insulation materials suitable to opticalmonitoring of partial discharges”中详细描述的那样，这种场控制元件至少部分由聚硅氧烷材料制成。其他材料也用于制造场控制元件。由半透明或透明的聚硅氧烷制造场控制元件的绝缘场控制体允许足够强的光信号被传输到场控制元件的外部。
场控制元件的偏转器是导电的或半导电的，并且位于场控制元件的绝缘场控制体内，以便增强由场控制元件提供的抗电噪声性。在一个实施例中，偏转器是不透明的，并且不允许由放电产生的辐射穿过偏转器，以便限制用于检测来自放电的辐射的场控制元件的必要区域。
根据本发明，光学检测器被形成为与场控制元件机械地且光学地耦合，用于最佳地检测辐射。场控制元件可以具有一个或多个用于引入光纤的开口。替代地，光纤也可以布置在场控制元件的外表面，或者光纤可以部分嵌入场控制元件中且部分布置在外表面。光纤的感测区域沿着不与偏转器相交的发射光的路径定位，以便直接检测发射光的辐射。
本发明还涉及一种检测和/或监测高压电缆附件的绝缘部分内发生的放电的方法。该方法包括光学感测由高压电缆附件的放电产生的在放电产生的辐射波长下的辐射。特别地，不需要提供能够变换辐射波长的元件就可以充分地检测放电。在一个实施例中，该方法能够检测波长低于400nm的辐射，以在检测和/或监测放电中获得最佳的灵敏度和准确度。此外，用于检测和/或监测放电的方法当然也可以用于除电缆附件之外的设备。
附图说明
附图被并入说明书中并形成说明书的一部分，以图示说明本发明的几个实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅仅是为了图示如何制造和使用本发明的优选和替代示例的目的，并且不应被解释为将本发明限制为仅图示和描述的实施例。此外，根据本发明，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合形式形成解决方案。因此，以下描述的实施例可以被认为是单独的或任意组合。如附图所示，从以下对本发明的各种实施例的更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是已知高压室外终端的示意图；
图2是已知高压室外终端的另一个实施例的示意图；
图3是已知高压室外终端的场控制元件中的局部放电和来自局部放电的辐射的示意图；
图4是根据本发明实施例的光学检测器的光纤的示意图，其位于场控制元件上以检测来自局部放电的辐射；
图5是根据本发明的监测系统的示意图，其具有光学检测器，该光学检测器被定位成检测来自高压室外终端中的局部放电的辐射。
具体实施方式
图1示出了通常用于架空线的已知高压室外终端100。终端100提供了带有电缆接线耳104的电缆102，用于将电缆102与例如高压设施连接。在一些实施例中，室外终端100安装在基板106上。在一个实施例中，可以由瓷制成的壳体108包围终端100的内部部件，并保护内部部件免受周围环境的影响。在其他实施例中，壳体108可以由硅树脂材料制成。
插入并连接在电缆终端100内的高压电缆102通常在电缆终端100内剥去其外层。电缆102的外层，例如电缆护套、缓冲层、绝缘层和金属屏蔽，可以全部从电缆102的一部分剥离，以暴露终端100内的电缆102的导线110。在图1所示的终端100中，电缆102的半导电外部电缆屏蔽112保留在壳体108内的电缆102的一部分上，并且被剥皮的外部电缆屏蔽112的一端和导线110之间的至少过渡部分被终端100的场控制元件120包围。
如本领域所通常已知的，在壳体108内有一个绝缘区域118，该区域填充有电绝缘填充物。在各种实施例中，绝缘区域118中的绝缘填充物可以包括气体，例如空气或六氟化硫(SF6)，或者液体，例如油。在所示实施例中，绝缘区域118基本上是圆柱形且旋转对称的。
场控制元件120也被称为应力锥(stress cone)，被提供用于控制电缆102的导线110和电缆102的其他外层之间的过渡处的电场。场控制元件120被布置在绝缘区域118内的一个位置，在该位置处电场应力将会太高而不能被绝缘区域118内的绝缘填充物单独绝缘。
如图1所示，场控制元件120包括绝缘场控制体122和至少一个导电或半导电偏转器124。偏转器124适于控制电场并影响高压电缆附件如终端100内的电场分布。在一个实施例中，场控制体122由透明或半透明的弹性材料形成，偏转器124集成在场控制体122内。场控制体122可以由电绝缘的聚硅氧烷形成。在一个实施例中，场控制元件120被形成为具有集成偏转器124的锥体，该偏转器被形成为通过几何/电容效应来偏转电场线，使得场控制元件120外部的场强被降低到非临界值。场控制元件120形成有用于接收电缆102的内部中空圆柱形开口。内部中空圆柱形开口的尺寸可以是形成适合在电缆102的电缆绝缘体和场控制元件120之间的压配合。
图2更详细地示出了通常用于架空线的已知高压室外终端100的场控制元件120周围的另一实施例。在图2所示的实施例中，电缆内绝缘层114保留在场控制元件120内以及终端100内的电缆102的导线110周围。玻璃纤维层116位于壳体108的内侧，并以绝缘填充物包围绝缘区域118。玻璃纤维层116为外部电场提供了额外的电阻。在图2中更详细示出的偏转器124可以由不透明的导电或半导电材料形成，该材料对于光辐射基本上是不可透过的。
现在将参照图3-5更详细地解释本发明。
光学局部放电检测是基于对放电过程中物理击穿过程产生的光的检测。产生的光的波长取决于发生放电的绝缘材料。对于三种主要的用于高压工程中的绝缘材料组：空气、油和SF6，放电情况不同。空气中放电的波长范围部分在紫外线区域，通常低于475纳米。在一个实施例中，空气中放电的波长范围低于400纳米。油中的放电导致波长范围从大约380纳米到大约750纳米的辐射发射。在SF6中发生的放电产生的辐射波长范围从380纳米到800纳米左右。
在固体材料中，大多数放电与空气放电有关，因为空隙中含有空气，或者故障通常是由空气滞留引起的。局部放电通常发生在终端100的应力锥或场控制元件120的区域，这可能是由于场控制元件120的不正确安装或终端100内电缆102的有缺陷的终端导致了空气滞留。其他区域也可能发生放电，例如，由于湿气进入绝缘区域118而导致在油中放电。来自塑料绝缘体(例如场控制元件120的场控制体122)中的局部放电的辐射的特征波长可以被假设为对应于空气中放电的波长。
图3示出了场控制元件120中局部放电的光辐射的典型发射。如上所述，放电源210通常由于场控制元件120处的截留空气而出现，并且如图3所示，通常位于场控制体122的邻近导线110的电场集中的部分。由于靠近电缆102的外部电缆屏蔽112的端部，放电源210通常也靠近偏转器124定位。当然，放电源210也可以出现在场控制体122和场控制元件120的其他部分；图3所示的放电源210的位置仅仅是示例性的。
如图3所示，在发生局部放电时，光形式的发射辐射220沿着从放电源210延伸的所有径向方向上的多个发射光路行进。发射辐射220穿过场控制体122的透明或半透明弹性材料。如图3所示，与电缆内绝缘体114或电缆102的其他部分相交的发射辐射220的路径被阻挡，并且不能穿过电缆102。同样，在所示实施例中，与偏转器124相交的发射辐射220的路径被不透明偏转器124阻挡，并且不能继续穿过场控制元件120。
发射辐射220的至少一条路径不受阻碍地穿过场控制体122，并在图3所示的发射区域230处到达场控制体122的外表面。如下文更详细描述的，光学检测器可以位于发射区域230，以通过接收来自放电源210的发射辐射220来检测和/或监测放电的发生。
如图4和5所示，根据本发明的光学检测器包括适于传输辐射的光纤310和连接到光纤310的光学变换器320，光学变换器320适于接收来自光纤310的辐射并从辐射光信号产生电输出信号。在所示实施例中，光纤310是聚合物光纤(POF)。
如图4所示，对应于局部放电的发生的放电源210可以发生在场控制体122内的多个位置，并且每个放电源发射辐射220，该辐射穿过场控制体122并在多个发射区域230之一到达场控制体122的外表面。光纤310在发射区域230具有与场控制元件120机械和光学耦合的感测区域，以检测来自放电源210的发射辐射220。光纤310的感测区域沿着不与偏转器124相交的发射辐射220的路径定位。
在图4所示的实施例中，光纤310的感测区域部分位于场控制体122的外表面上，且部分嵌入场控制体122内。在图4的实施例中，光纤310的感测区域相对于场控制体122的外表面沿基本垂直于场控制元件120的纵轴的方向周向缠绕。场控制体122可以具有一个或多个接收光纤310的感测区域的开口，然而，光纤310必须无空隙地设置在场控制体122中，以避免光学检测器本身成为局部放电的来源。
在图5所示的实施例中，光纤310的感测区域基本上完全位于场控制体122的外表面上，并且平行于场控制元件120的纵轴延伸。在其他实施例中，光纤310的感测区域可以完全嵌入场控制体122中，或者光纤310的感测区域的任何部分可以嵌入场控制体122中或者位于场控制体122的外表面上。此外，光纤310的感测区域可以相对于场控制元件120的纵轴在任何方向上延伸。光纤310的所有实施例，不论机械耦合装置的特定类型，都具有与场控制元件120的发射区域230机械且光学耦合的感测区域。
在另一个实施例中，为了确保场控制体122和光纤310之间的光学反射，可以在两个表面之间的交界面处设置具有光学优化反射特性的单独层。在另一个实施例中，光学检测器可以包括直接布置在场控制元件120的场控制体122处的光电检测器。
根据本发明的监测系统400在图5中示出，该系统包括耦合到高压室外终端100的光学检测器。光纤310的感测区域在图4所示的场控制元件120的发射区域230聚集发射辐射220，并且经由光纤310除感测区域之外的部分将辐射220传输到图5所示的光学变换器320。
在一个实施例中，光学变换器320是用于将从光纤310接收的辐射220转换成电信号的光电二极管。在另一个实施例中，光学变换器320可以是电荷耦合器件(CCD)。由变换器320产生的电信号可以由光学检测器的中央监测单元(未示出)进一步处理，该中央监测单元被配置成监测从例如多个这样的变换器320传输的电信号。
根据本发明，光学变换器320足够灵敏，以精确地转换具有非常短波长的检测到的辐射220。在一个实施例中，光学变换器320能够将检测到的波长低于400纳米的辐射220精确地转换成电信号，用于分析场控制元件210中的局部放电。
因此，根据本发明的光学检测器能够直接检测和监测由空气中的放电产生的辐射，或者等效地，场控制元件120的场控制体122中的放电。因此，根据本发明，没有必要将发射辐射220的波长移动到更大的波长以实时检测和监测放电。有利的是，省去必要的波长偏移消除了对额外的偏移元件(例如荧光材料)的需要，从而简化了生产，并且使得光学检测器能够与已知的高压电缆附件一起使用。此外，发射辐射220在其自然产生的波长下的检测通过避免在转换到更长波长期间发射辐射220的任何检测到的特性的损失或失真来提高精度。光学检测器的使用进一步消除了电噪声对发射辐射220的检测的影响。
上面参照高压室外终端100形式的高压电缆附件描述了本发明。终端100仅仅是示例性的，本发明不限于此；本发明的光学检测器和监测系统400同样适用于被设计成安装在气体绝缘开关设备的电缆入口外壳中的开关设备终端、适于将两根电缆连接在一起的高压电缆接头、变压器终端以及本领域普通技术人员已知的其他类型的高压电缆附件。此外，光学检测器和监测系统400适用于一定范围内的可能的高电压，并且可以用于所有电压等级。本文公开的光学检测器和监测系统400可以与任何具有应力锥或场控制元件的并且其中可能发生局部放电的外壳一起使用。
附图标记说明
100 高压室外终端
102 电缆
104 电缆接线耳
106 基板
108 壳体
110 电缆导线
112 外部电缆屏蔽
114 电缆绝缘体
116 玻璃纤维层
118 带有绝缘填充物的绝缘区域
120 场控制元件
122 场控制体
124 偏转器
210 放电源
220 发射辐射
230 发射区域
310 光纤
320 光学变换器
400 监测系统
Claims (15)
1.一种用于高压电缆附件(100)的光学检测器，其中，所述光学检测器检测由高压电缆附件(100)的放电(210)产生的在放电(210)产生的辐射(220)的波长下的辐射(220)。
2.根据权利要求1所述的光学检测器，包括用于从检测到的辐射(220)产生电信号的光学变换器(320)和用于传输所述辐射的光纤(310)。
3.根据权利要求2所述的光学检测器，其中，所述光学变换器(320)包括光电二极管。
4.根据权利要求2或3所述的光学检测器，其中，所述光纤(310)不具有荧光染料。
5.一种用于检测高压电缆附件(100)中的放电(210)的监测系统，所述系统包括：
高压电缆附件(100)，以及
根据前述权利要求任一项所述的光学检测器。
6.根据权利要求5所述的监测系统，其中，所述高压电缆附件(100)具有场控制元件(120)，所述场控制元件包括绝缘场控制体(122)和设置在所述绝缘场控制体(122)内的偏转器(124)。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其中，所述绝缘场控制体(122)包括半透明或透明聚硅氧烷的至少一个部分。
8.根据权利要求6或7所述的监测系统，其中，所述偏转器(124)是导电的或半导电的并且是不透明的。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的监测系统，其中，所述场控制元件(120)和所述光学检测器都不具有荧光染料。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的监测系统，其中，所述光学检测器被形成为与所述场控制元件(120)机械地和光学地耦合以用于检测所述辐射(220)。
11.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述光纤(310)具有感测区域，该感测区域位于绝缘场控制体(122)的外表面上或者至少部分嵌入绝缘场控制体(122)内。
12.根据权利要求11所述的监测系统，其中，所述光纤(310)的感测区域沿着不与偏转器(124)相交的发射辐射(220)的路径定位。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的监测系统，其中，所述高压电缆附件(100)形成为末端终端或电缆接头。
14.一种检测和/或监测高压电缆附件(100)的绝缘部分(122)内发生的放电(210)的方法，其中，所述方法包括光学地感测由高压电缆附件(100)的放电(210)产生的在放电(210)产生的辐射(220)的波长下的辐射(220)。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述辐射(220)具有低于400纳米的波长。
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