CN113009294B - 非透镜的放电定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种非透镜的放电定位装置及方法，装置中，广角摄像头模组设在圆台形基座的顶表面以采集放电的图像数字信号，平面光电传感阵列包括多个平面光电传感器，且：多个平面光电传感器以广角摄像头模组为中心、扇形均匀阵列于圆台形基座的侧表面，多个平面光电传感器的平面法向量夹角不为零，其中，平面光电传感阵列用于：对放电产生光束进行光电转换，并输出多路模拟信号；中央处理单元连接图像处理单元和多通道数采单元以接收和叠加图像灰度数据和数字信号，中央处理单元包括：基于叠加的图像灰度数据和数字信号生成放电光辐射角度的计算单元。

Description

非透镜的放电定位装置及方法

技术领域

本发明涉及电力设备放电检测技术领域，特别是一种非透镜的放电定位装置及方法。

背景技术

电力设备外绝缘发生的电晕放电和设备内绝缘发生的局部放电，是危害电力设备绝缘安全的重要因素。对电晕放电的检测和局部放电的检测是检查电力设备外绝缘和内绝缘状态的重要手段。对电晕放电和局部放电的带电检测(非电接触式检测)是目前的主要应用形式。

对于设备外绝缘电晕放电，一般采用紫外成像仪或紫外脉冲探测器来检测，前者能够实现电晕放电的可视化定位，方便查明发生放电的外绝缘问题和位置；后者能够发现外绝缘放电的强度，但无法实现精确的定位和目标排查。前者中用于设备外绝缘或线路外绝缘电晕放电的日盲紫外成像法以日盲紫外成像仪为载体，日盲紫外成像仪的主要构成包括：日盲紫外光透镜系统(或日盲紫外滤光片+透镜系统)、微通道板(MCP)或像增强器、CCD或CMOS模组、可见光辅助镜头及显示装置构成。其方法为：通过日盲透镜使得太阳日盲波段(200nm～280nm)的放电光辐射进入探测系统，并滤除非日盲波段的干扰波进入系统，通过微通道板或像增强器将紫外光经荧光转置和放大到可见波段，通过CCD或CMOS芯片模组进行灰度成像，并将紫外成像光斑通过数字化手段叠加在可见光辅助镜头获得的可见光影像上。日盲紫外成像法的关键元件为日盲紫外透镜和微通道板，这两个部件较为精密，生产工艺复杂，成本极高，优质工艺和制造技术掌握在少数几个国外企业中。但对于放电定位而言，在工程对绝缘状态进行检测时，并不需要对放电紫外光斑轮廓信息，仅需要放电位置和强度信息就可以对绝缘状态做出准确诊断，这使得日盲紫外成像仪在技术和成本上均存在大量冗余，极高的设备成本，不适合在电力系统运维中大量推广。

对于设备内绝缘放电，尤其是气体绝缘电力设备，一般采用特高频检测法、高频电流检测法、超声检测法及光测法作为主要的在线监测方法。特高频检测法主要利用放电产生的电磁波进行天线耦合；高频电流检测法主要是利用放电在设备接地线上产生的脉冲电流，通过电流线圈进行检测；超声检测法主要是利用放电产生的超声辐射信号，利用声电传感器进行接收；光测法主要是利用放电的光辐射，采用荧光光纤进行强度探测。现有技术中，特高频法和高频电流法容易受到现场复杂电磁辐射干扰或回路传导干扰，超声法容易受到现场复杂谐波噪声或线路噪声干扰，因此上述方法在现场应用时的检测信噪比和诊断置信度存在一定问题；另外，光测法不受电磁或声波干扰，且具有较高的灵敏度，但由于无法定位和器件寿命的问题，在实际设备中的应用受限。用于设备内绝缘局部放电的荧光光纤测量法或直接探测法以荧光光纤测量系统为载体，荧光光纤测量系统包括裸荧光光纤、光纤连接器、熔融石英光纤、光纤准直器、光电转换单元(真空光电倍增管或硅光电倍增管)、信号处理单元及AD采样单元构成。其方法为：将裸荧光光纤外体暴露于放电光辐射范围内，通过荧光光纤将紫外光信号转置为荧光波段，并通过光纤连接器输入石英光纤进行光信号传输，由光纤连接器均化光束并导入光电转换单元探测窗口。光电转换器件一般为单光子响应器件，通常为真空光电倍增管(PMT)，并配以U/I转换电路(积分电阻电路)和放大滤波电路，完成光信号向电信号的转换。荧光光纤或直接探测法在方法上仅能够对放电光辐射的强弱做出判断，但无法对放电位置做出判断，但设备内部放电故障的定位对于设备运行维护和故障防范尤为重要，除荧光光纤或直接探测法之外的光探测方法目前均无法实现通过单一传感器进行放电定位，使得光测法也难以在设备中大量应用。

另外，直接探测法是通过将PMT或微型PMT直接置入设备，对放电产生的较宽波段范围内光子进行探测，这种方法需要制备特殊的密封法兰结构和高压电源供电系统，一般不作为设备在线监测装置，在实验室设备中应用较为常见。上述光学手段由于均受到核心光电器件寿命或电源系统的影响，难以构成电力设备在线监测系统。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非透镜的放电定位装置及方法，实现一种不依赖复杂光学系统的局放光辐射定位探测，既可以用于设备外绝缘电晕放电的溯源，也可以用于设备内部放电信号的定位，且具有高量子效率、抗干扰能力强、结构简单、寿命长等优点。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种非透镜的放电定位装置包括，

圆台形基座，

广角摄像头模组，其设在所述圆台形基座的顶表面以采集放电的图像数字信号，

平面光电传感阵列，其包括多个平面光电传感器，且：多个所述平面光电传感器以所述广角摄像头模组为中心、扇形均匀阵列于所述圆台形基座的侧表面，多个所述平面光电传感器的平面法向量夹角不为零，其中，所述平面光电传感阵列用于：对放电产生光束进行光电转换，并输出多路模拟信号；

图像处理单元，其连接所述广角摄像头模组以基于所述图像数字信号生成图像灰度数据，

多通道信号处理单元，其连接所述平面光电传感阵列以放大滤波处理平面光电传感阵列输出的所述多路模拟信号，

多通道数采单元，其连接所述多通道信号处理单元，以数模转换所述多路模拟信号为数字信号，

中央处理单元，其连接所述图像处理单元和所述多通道数采单元以接收和叠加图像灰度数据和数字信号，所述中央处理单元包括：基于叠加的所述图像灰度数据和数字信号生成放电光辐射角度的计算单元。

所述的一种非透镜的放电定位装置中，所述圆台形基座为凸锥体或凹锥体。

所述的一种非透镜的放电定位装置中，所述圆台形基座设有放置平面光电传感器和广角摄像头模组的槽口，所述平面光电传感器的顶表面以及所述广角摄像头模组的透镜底部均与所述槽口齐平。

所述的一种非透镜的放电定位装置中，所述非透镜的放电定位装置还包括用于平面光电传感阵列和广角摄像头模组供电的电源管理单元，电源管理单元连接所述中央处理单元。

所述的一种非透镜的放电定位装置中，所述非透镜的放电定位装置还包括用于实时显示放电光信号位置及可见光背景影像的显示装置和用于存储数据的数据存储单元，所述显示装置和数据存储单元均连接中央处理单元。

所述的一种非透镜的放电定位装置中，所述平面光电传感器为量子效率不低于30％、光电增益不低于10⁶的硅光电倍增器。

所述的一种非透镜的放电定位装置中，所述平面光电传感阵列包括均布于圆台形基座外表面的三个硅光电倍增器。

一种利用所述的一种非透镜的放电定位装置的定位方法包括以下步骤，

局部放电或电晕放电光辐射以点光源方式均匀射出，以平行光方式到达平面光电传感阵列中各平面；平面光电传感器接收的等效光通量正比于入射平行光束在传感器法向量方向n上的投影面积；传感器的光电流强度I与接收的等效光通量成正比；当平行光束与传感器平面法向量夹角α为零时的传感器光电流强度为I_o；单个平面传感器的响应强度I为：I＝I_o·cos(α)；

通过三个平面传感器的响应关系进行光角判定，其包括坐标平移与平面确定、平面内光角计算、双平面交线的确定，其中，将平面光电传感阵列中其中i号和j号两个传感器的表面法向量n_i与n_j所在坐标进行平移，使坐标原点重合为点O，法向量n_i与n_j在平移后坐标系内构成的平面为γ，法向量夹角为β，放电光辐射光线b在平面γ入射至点O，在光线b上任取一点A，通过点A作一条与平面γ的垂线，与平面γ相交于点B，在平面γ上，通过点B作与n_i的垂线BC，通过点B作与n_j的垂线BD，向量OA与n_i与n_j的夹角分别为α_i和α_j，向量OB与n_i与n_j的夹角分别为β_i和β_j，通过α_i、α_j、β_i和β_j之间的几何关系以及单个平面传感器的响应强度得到：

其中，I_i和I_j分别为i号和j号平面传感器的响应强度，因为n_i与n_j的夹角为β，得到方程组：

其中，β、I_i和I_j均为已知量，求解出β_i和β_j的值，同时由β_i和β_j的值，可算出向量OB和向量BA的值，向量OB、向量BA和向量AO确定一个平面γ_a，通过i号传感器和k号传感器，确定来光光线方向所在的另一个平面γ_b，确定平面γ_a和平面γ_b的交线向量m，交线向量m则为放电源光辐射来光的空间光角。

所述的定位方法中，放电源光辐射来光在XYZ直角坐标系空间中的直线方为：

所述的定位方法中，每三个不同法向量平面传感器能够确定一个平面交线的来光方向角m_i，将确定m_i所涉及的三个传感器光电流强度记为I_mi，1，I_mi，2，I_mi，，3，并计算光电流平均强度为：

经总光电流强度比例加权后的光角m为：m＝a_i·m_i，其中，a_i为权重系数，

其中，k为三个不同法向量平面传感器组合的数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明摆脱紫外成像仪中日盲紫外透镜系统和微通道板的技术和成本限制，采用新方法和新型器件，在无紫外透镜系统的条件下，实现放电光辐射的定位，降低探测装置的成本，提高实用化程度，解决设备内绝缘光学局部放电监测无法定位和溯源的问题，采用新方法和新型器件，降低光学定位装置的尺寸和成本，无需较为昂贵和精贵的透镜系统、微通道板、紫外CCD等器件，大大降低了光学成像或定位系统的成本，更利于工程推广。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的基座结构示意图；

图3(a)至图3(d)是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的定位方法的方位示意图，其中，图3(a)为单个平面传感器的响应强度示意图，图3(b)为坐标平移与平面确定示意图，图3(c)为平面内光角计算示意图，图3(d)为双平面交线的确定示意图；

图4是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的定位方法的通过三个以上平面传感器提高精度的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的三平面传感器定位阵列示意图；

图6(a)至图6(d)是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的三传感器阵列的定位方法的方位示意图，其中，图6(a)为坐标平移与平面确定示意图，图6(b)为坐标平移与平面确定示意图，图6(c)为双平面交线的确定示意图，图6(d)为双平面交线的确定示意图；

图7(a)至图7(b)是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的定位方法的光线方向确定示意图，其中，图7(a)为光线1所在双平面示意图，图7(b)为坐光线方向联立示意图；

图8(a)至图8(d)是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的定位方法的用于外绝缘电晕放电定位效果对比示意图，其中，图8(a)为线路绝缘子紫外成像仪定位结果示意图，图8(b)为线路绝缘子的本发明定位结果示意图，图8(c)为GIS套管紫外成像仪定位结果示意图，图8(d)为GIS套管的本发明定位结果示意图；

图9(a)至图9(b)是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的定位方法的GIS内部局部放电定位效果示意图，其中，图9(a)为紫外成像仪定位结果示意图，图9(b)为本发明定位结果示意图；

图10是根据本发明一个实施例的一种非透镜的放电定位装置的定位方法不同传感器阵列规模光角判定实验结果示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图10更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，一种非透镜的放电定位装置，其包括，

圆台形基座2，

广角摄像头模组3，其设在所述圆台形基座2的顶表面以采集放电的图像数字信号，

平面光电传感阵列1，其包括多个所述平面光电传感器，多个所述平面光电传感器以所述广角摄像头模组3为中心、扇形均匀阵列于所述圆台形基座2的侧表面，多个所述平面光电传感器的平面法向量夹角不为零，所述平面光电传感阵列1用于：对放电产生光束进行光电转换，并输出多路模拟信号，

图像处理单元4，其连接所述广角摄像头模组3以基于所述图像数字信号生成用于获得其视场范围内的图像灰度数据，

多通道信号处理单元5，其连接所述多个平面光电传感阵列1以放大滤波处理平面光电传感阵列1的多路模拟信号，

多通道数采单元6，其连接所述多通道信号处理单元5，以数模转换多路模拟信号为数字信号，

中央处理单元7，其连接所述图像处理单元4和所述多通道数采单元6以接收和叠加图像灰度数据和数字信号，所述中央处理单元7包括基于叠加的所述图像灰度数据和数字信号生成放电光辐射角度的计算单元。

所述的一种非透镜的放电定位装置的优选实施例中，所述圆台形基座2为凸锥体或凹锥体。

所述的一种非透镜的放电定位装置的优选实施例中，所述圆台形基座2设有放置平面光电传感器和广角摄像头模组3的槽口，所述平面光电传感器的顶表面以及所述广角摄像头模组3的透镜底部均与所述槽口齐平。

所述的一种非透镜的放电定位装置的优选实施例中，所述非透镜的放电定位装置还包括用于平面光电传感阵列1和广角摄像头模组3供电的电源管理单元9，电源管理单元9连接所述中央处理单元7。

所述的一种非透镜的放电定位装置的优选实施例中，所述非透镜的放电定位装置还包括用于实时显示放电光信号位置及可见光背景影像的显示装置和用于存储数据的数据存储单元10，所述显示装置和数据存储单元均连接中央处理单元7。

所述的一种非透镜的放电定位装置的优选实施例中，所述平面光电传感器为量子效率不低于30％、光电增益不低于10⁶的硅光电倍增器。

所述的一种非透镜的放电定位装置的优选实施例中，所述平面光电传感阵列1包括均布于圆台形基座2外表面的三个硅光电倍增器。

在一个实施例中，非透镜的放电定位装置由多个平面光电传感器构成的阵列、传感器基座2、微型广角摄像头模组3、图像处理单元4、电源管理单元9、多通道信号处理和数采单元6、中央处理器和显示单元8构成。

在一个实施例中，多个平面光电传感器构成的阵列以微型广角摄像头为中心，围绕在一个凸锥体或凹锥体表面排布，各传传感器平面法向量夹角不为零，夹角依据测量对象所需视场范围决定，阵列中光电传感器的数量依据测量所需定位精度和误差要求决定，且各传感器以微型广角摄像头为中心，按照扇形均匀排布。上述传感器基座2用于固定多个平面光电传感阵列1，并保证传感器平面与传感器基座2各方向槽口齐平，传感器基座2可采用金属材料制作，也可采用覆盖电磁屏蔽材料的有机材料制作。上述平面光电传感器件优选量子效率不低于30％、光电增益不低于10⁶的单光子敏感器件，优选地，采用硅光电倍增器、带有紫外日盲滤光片(或紫外日盲滤光镀膜)的硅光电倍增器，以及紫外日盲APD阵列。微型广角摄像头模组3镜头部分固定于传感器基座2顶部位置，镜头部外透镜底部与槽口齐平。电源管理单元9用于光电传感阵列和微型摄像头模组3的供电，多通道信号处理和数采单元6用于光电传感阵列多路模拟信号的放大滤波处理及数模转换。图像处理模块，用于处理微型广角摄像头模组3输出的数据，形成图像灰度数据；中央处理器用于控制光电传感阵列和微型广角摄像头模组3，并实时处理来自光电传感阵列和微型广角摄像头模组3信号，并完成图像叠加功能；显示装置用于实时显示放电光信号位置及可见光背景影像。

一种利用所述的一种非透镜的放电定位装置的定位方法包括以下步骤，

局部放电或电晕放电光辐射以点光源方式均匀射出，以平行光方式到达平面光电传感阵列1中各平面；平面光电传感器接收的等效光通量正比于入射平行光束在传感器法向量方向n上的投影面积；传感器的光电流强度I与接收的等效光通量成正比；当平行光束与传感器平面法向量夹角a为零时的传感器光电流强度为I_o；单个平面传感器的响应强度I为：I＝I_o·cos(α)；

通过三个平面传感器的响应关系进行光角判定，其包括坐标平移与平面确定、平面内光角计算、双平面交线的确定，其中，将平面光电传感阵列1中其中i号和j号两个传感器的表面法向量n_i与n_j所在坐标进行平移，使坐标原点重合为点O，法向量n_i与n_j在平移后坐标系内构成的平面为γ，法向量夹角为β，放电光辐射光线b在平面γ入射至点O，在光线b上任取一点A，通过点A作一条与平面γ的垂线，与平面丫相交于点B，在平面γ上，通过点B作与n_i的垂线BC，通过点B作与n_j的垂线BD，向量OA与n_i与n_j的夹角分别为α_i和α_j，向量OB与n_i与n_j的夹角分别为β_i和β_j，通过α_i、α_j、β_i和β_j之间的几何关系以及单个平面传感器的响应强度得到：

其中，I_i和I_j分别为i号和j号平面传感器的响应强度，因为n_i与n_j的夹角为β，得到方程组：

其中，β、I_i和I_j均为已知量，求解出β_i和β_j的值，同时由β_i和β_j的值，可算出向量OB和向量BA的值，向量OB、向量BA和向量AO确定一个平面γ_a，通过i号传感器和k号传感器，确定来光光线方向所在的另一个平面γ_b，确定平面γ_a和平面γ_b的交线向量m，交线向量m则为放电源光辐射来光的空间光角。

所述的定位方法的优选实施方式中，放电源光辐射来光在XYZ直角坐标系空间中的直线方为：

所述的定位方法的优选实施方式中，每三个不同法向量平面传感器能够确定一个平面交线的来光方向角m_i，将确定m_i所涉及的三个传感器光电流强度记为I_mi，1，I_mi，2，I_mi，，3，并计算光电流平均强度为：

经总光电流强度比例加权后的光角m为：m＝a_i·m_i，其中，a_i为权重系数，

其中，k为三个不同法向量平面传感器组合的数量。

在一个实施方式中，方法包括，

①单个平面传感器的响应强度(I)，如图3(a)所示：局部放电或电晕放电光辐射以点光源方式均匀射出，以平行光方式到达光电传感阵列中各平面；平面光电传感器接收的等效光通量正比于入射平行光束在传感器法向量方向(n)上的投影面积；传感器的光电流强度(I)与接收的等效光通量成正比；当平行光束与传感器平面法向量夹角(a)为零时的传感器光电流强度为I_o；由此，单个平面传感器的响应强度(I)为：

I＝I_o·cos(α) (1)

②通过三个平面传感器的响应关系进行光角判定流程包括坐标平移与平面确定、平面内光角计算、双平面交线的确定，如图3(b)至图3(d)所示：

A.坐标平移与平面确定(如图3(b))：将平面光电传感器传感器阵列中其中两个传感器(i号和j号)表面法向量n_i与n_j所在坐标进行平移，使坐标原点重合为点O，法向量n_i与n_j在平移后坐标系内构成的平面为γ，法向量夹角为β。

B.平面内光角计算(如图3(c))：放电光辐射光线b在平面γ入射至点O。在光线b上任取一点A，通过点A作一条与平面γ的垂线，与平面丫相交于点B。在平面γ上，通过点B作与n_i的垂线BC，类似的，通过点B作与n_j的垂线BD。向量OA与n_i与n_j的夹角分别为α_i和α_j，向量OB与n_i与n_j的夹角分别为β_i和β_j。通过α_i、α_j、β_i和β_j之间的几何关系以及单个平面传感器的响应强度，可得到如下计算关系：

其中，I_i和I_j分别为i号和j号平面传感器的响应强度。因为n_i与n_j的夹角为β，得到方程组：

其中，β、I_i和I_j均为已知量，因此可通过该方程组(3)求解出β_i和β_j的值，同时由β_i和β_j的值，可算出向量OB和向量BA的值。向量OB、向量BA和向量AO确定一个平面γ_a。

C.双平面交线的确定(如图3(d))：由上述可知，在已知i号传感器和j号传感器的相对位置以及响应强度的基础上，可对来光光线所在的其中一个平面γ_a进行确定。同样的，通过i号传感器和k号传感器，还可确定来光光线方向所在的另一个平面γ_b。由此，可以确定平面γ_a和平面γ_b的交线向量m，交线向量m则为放电源光辐射空间来光方向，即空间光角。具体计算可有联立方程求解得到：

式中：β_ia和β_ja分别为平面γ_a上的来光角度；β_ib和β_kb分别为平面γ_b上的来光角度。

进一步，放电光辐射来光在XYZ直角坐标系空间中的直线方程由下式计算：

至此，利用三个平面光电传感器进行光角判定的流程结束。

③三个以上平面传感器的光角判定：原则上三个不同法向量平面传感器能够对视场范围内任意光角进行判定；三个以上不同法向量平面传感器的作用为两方面；一，增加了传感器阵列的探测视角(θ)，减少探测盲区；二，通过多个来光方向角计算结果，以总光电流强度比例加权的方式，提高光角判定的精度；

④上述提高光角判定精度的方法为：处在有效探测视场内的每三个不同法向量平面传感器能够确定一个平面交线，即来光方向角m_i，如图4所示；将确定m_i所涉及的三个传感器光电流强度记为(I_mi，1，I_mi，2，I_mi，，3)，并计算光电流平均强度为：

经总光电流强度比例加权后的光方向角计算结果(即光角，m)为：

m＝a_i·m_i (7)

其中，a_i为权重系数，由下式计算得到：

其中，k为所有具有有效视场范围的三个不同法向量平面传感器组合的数量。定位方法的工作流程包括，

1、以三平面传感器定位阵列为例，其结构如图6(a)至图6(d)所示，通过法向量几何角度关系和受光强度比例大小便可对局部放电源位置进行确定。定位方法流程的第一步为坐标平移与平面确定。在平行光这一假设下，进入平面光电传感器传感器表面的光通量只与平面光电传感器传感器表面法向量与光线方向的夹角有关，因此可以推出如下结论：将平面光电传感器传感器在平行光线中从原位置随意平移至另一位置，平面光电传感器传感器对入射光的响应不变。基于此，为了便于进行进一步计算及分析，将图6(a)至图6(d)中平面光电传感器传感器阵列中1号和2号平面光电传感器传感器表面法向量n₁与n₂进行平移，使二者起点重合为点O，如图6(a)所示。平移前n₁和n₂的夹角大小为β，根据平移的几何性质，两条法向量的夹角大小在平移后仍为β。

2、定位方法流程的第二步为平面内光角计算。如图6(b)所示，法向量n₁和法向量n₂构成平面丫。假设从空间中有一束光线1入射到平面γ进入点O。在光线1上任取一点A。接下来通过点A作一条与平面γ垂直的直线，直线与平面γ相交于点B，连接点O与点B。在平面γ上，通过点B作一条与法向量n₁垂直的直线，直线与法向量n₁相交于点C。类似的，通过点B作一条与法向量n₂垂直的直线，直线与法向量n₂相交于点D。点A、点C、点D分别位于光线1、法向量n₁以及法向量n₂上。向量OA与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为α₁和α₂，向量OB与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为β₁和β₂。根据立体几何知识，可以得出角α₁、角α₂、角β₁和角β₂之间有如下关系：

结合式(1)平面光电传感器传感器响应强度与法向量和光线方向的关系可得：

结合步骤一中法向量n₁与法向量n₂夹角为β，即角β₁和角β₂角度之和为β，可得如下方程组：

式中：I₁——1号平面光电传感器传感器响应强度/V；I₂——2号平面光电传感器传感器响应强度/V。

在方程式(11)中，β、I₁以及I₂均为已知量，因此可以通过该方程组求解出β₁和β₂的值。

3、定位方法流程的第三步为双平面交线的确定。在第二步中确定角β₁和角β₂的基础上，可以算出向量OB的值，继而进一步可以获得与γ平面垂直的向量BA的值。由立体几何知识可知，向量OB与向量BA之间存在垂直的几何关系，因此根据立体几何公理：经过不在同一条直线上的三点，有且只有一个平面，因此通过二者可以唯一确定一个平面γ₁。通过观察可知，点A和点O均在平面γ₁上，且点A和点O均为直线1上的点，根据立体几何公理1：如果一条直线上的两个点在一个平面内，那么这条直线上的所有点都在这个平面内。因此可以得出光线1在平面γ₁内。以上工作说明在已知1号传感器和2号传感器的相对位置以及响应强度的基础上，我们可以对来光光线所在的一个平面进行确定。同样的，通过1号传感器和3号传感器我们还可以确定来光光线方向所在的另一个平面γ₂，如图6(c)至图6(d)所示。

4、定位方法流程的第四步为光线方向确定。通过以上三个步骤我们得到了光线1所在的两个平面γ₁和γ₂，如图7(a)所示。立体几何公理二为如果两个不同平面有一个公共点，那么这两个平面的公共部分是过这个点的一条直线。根据这一公理可以推出光线1为平面γ₁和平面γ₂的交线。据此我们可以确定来光光线方向，联立方法如图7(b)所示。式(12)为三个传感器响应及位置关系联立的结果。

式中：β₁₁、β₁₂——1号平面光电传感器传感器和2号平面光电传感器传感器确定的夹角；β₂₁、β₂₂——1号平面光电传感器传感器和3号平面光电传感器传感器确定的夹角。

当平面光电传感器传感器阵列布置如图5中形式时，即法向量n₁与x轴正方向相同，n₂位于XOY平面第一象限中，n₃位于XOZ平面第一象限中，通过计算光线在空间中的直线方程可以被确定为：

传感器的角度选择要综合考虑定位精度与视场的范围，在达到定位精度的同时，尽量保证视场范围最大化，对于狭长的GIS设备，视场范围尤为重要。因此本章将上述传感器阵列中的锥形角设定为30°，再联立式(12)和(13)进而计算来光方向。

现场应用验证

1、设备外绝缘电晕测试：使用本发明装置，针对实际高压线路绝缘子串进行测试，图8(a)和图8(b)分别为采用紫外成像仪和本发明装置对电晕放电的测试结果。由对比可知，本发明装置的测试结果准确有效；使用本发明装置，针对实际GIS出线套管进行测试，图8(c)和图8(d)分别为采用紫外成像仪和本发明装置对电晕放电的测试结果。由对比可知，本发明装置的测试结果准确有效。

2、使用本发明装置，针对真型220kVGIS设备内部局部放电进行测试，图9(a)和图9(b)分别为采用紫外成像仪和本发明装置对局部放电的测试结果。由对比可知，本发明装置的测试结果准确有效。

3、采用三个以上平面光电传感器阵列1得到的光角判定实验结果如图10所示。有结果可知，在采用相同空间排布结构情况下，当增加平面光电传感器阵列1中传感器数量(规模)后，光角判定精度明显提高。

本发明经过方法样机，对上述高压放电光辐射角度判定装置和非透镜放电光辐射角判定方法进行了充分验证，图为变电站内外部电晕放电实际实验的效果；图多平面定位的误差。图测试结果表明，本发明的装置和与之相配合的方法算法，能够准确确定放电光辐射位置，并于紫外成像仪效果相接近；图2表明，采用3个以上不同法向量平面传感器阵列，能够通过增加阵列规模提高光角判定精度。

工业实用性

本发明所述的一种定位装置及方法可以在放电检测制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (8)

1.一种非透镜的放电定位装置，其特征在于，其包括，

圆台形基座，

广角摄像头模组，其设在所述圆台形基座的顶表面以采集放电的图像数字信号，

平面光电传感阵列，其包括多个平面光电传感器，且：多个所述平面光电传感器以所述广角摄像头模组为中心、扇形均匀阵列于所述圆台形基座的侧表面，多个所述平面光电传感器的平面法向量夹角不为零，其中，所述平面光电传感阵列用于：对放电产生光束进行光电转换，并输出多路模拟信号；

图像处理单元，其连接所述广角摄像头模组以基于所述图像数字信号生成图像灰度数据，

多通道信号处理单元，其连接所述平面光电传感阵列以放大滤波处理平面光电传感阵列输出的所述多路模拟信号，

多通道数采单元，其连接所述多通道信号处理单元，以数模转换所述多路模拟信号为数字信号，

中央处理单元，其连接所述图像处理单元和所述多通道数采单元以接收和叠加图像灰度数据和数字信号，所述中央处理单元包括：基于叠加的所述图像灰度数据和数字信号生成放电光辐射角度的计算单元，

所述圆台形基座为凸锥体或凹锥体，所述圆台形基座设有放置平面光电传感器和广角摄像头模组的槽口，所述平面光电传感器的顶表面以及所述广角摄像头模组的透镜底部均与所述槽口齐平，广角摄像头模组镜头部分固定于传感器基座顶部位置。

2.如权利要求1所述的一种非透镜的放电定位装置，其中，所述非透镜的放电定位装置还包括用于平面光电传感阵列和广角摄像头模组供电的电源管理单元，电源管理单元连接所述中央处理单元。

3.如权利要求1所述的一种非透镜的放电定位装置，其中，所述非透镜的放电定位装置还包括用于实时显示放电光信号位置及可见光背景影像的显示装置和用于存储数据的数据存储单元，所述显示装置和数据存储单元均连接中央处理单元。

4.如权利要求1所述的一种非透镜的放电定位装置，其中，所述平面光电传感器为量子效率不低于30％、光电增益不低于10⁶的硅光电倍增器。

5.如权利要求1所述的一种非透镜的放电定位装置，其中，所述平面光电传感阵列包括均布于圆台形基座外表面的三个硅光电倍增器。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的一种非透镜的放电定位装置的定位方法，其包括以下步骤，

局部放电或电晕放电光辐射以点光源方式均匀射出，以平行光方式到达平面光电传感阵列中各平面；平面光电传感器接收的等效光通量正比于入射平行光束在传感器法向量方向n上的投影面积；传感器的光电流强度I与接收的等效光通量成正比；当平行光束与传感器平面法向量夹角α为零时的传感器光电流强度为I_o；单个平面传感器的响应强度I为：I＝I_o·cos(α)；

通过三个平面传感器的响应关系进行光角判定，其包括坐标平移与平面确定、平面内光角计算、双平面交线的确定，其中，将平面光电传感阵列中其中i号和j号两个传感器的表面法向量n_i与n_j所在坐标进行平移，使坐标原点重合为点0，法向量n_i与n_j在平移后坐标系内构成的平面为γ，法向量夹角为β，放电光辐射光线b在平面γ入射至点0，在光线b上任取一点A，通过点A作一条与平面γ的垂线，与平面γ相交于点B，在平面γ上，通过点B作与n_i的垂线BC，通过点B作与n_j的垂线BD，向量OA与n_i与n_j的夹角分别为α_i和α_j，向量OB与n_i与n_j的夹角分别为β_i和β_j，通过α_i、α_j、β_i和β_j之间的几何关系以及单个平面传感器的响应强度得到：

其中，I_i和I_j分别为i号和j号平面传感器的响应强度，因为n_i与n_j的夹角为β，得到方程组：

其中，β、I_i和I_j均为已知量，求解出β_i和β_j的值，同时由β_i和β_j的值，算出向量OB和向量BA的值，

向量OB、向量BA和向量AO确定一个平面γ_a，通过i号传感器和k号传感器，确定来光光线方向所在的另一个平面γ_b，确定平面γ_a和平面γ_b的交线向量m，交线向量m则为放电源光辐射来光的空间光角。

7.如权利要求6所述的定位方法，其中，放电源光辐射来光在XYZ直角坐标系空间中的直线方为：

8.如权利要求6所述的定位方法，其中，每三个不同法向量平面传感器能够确定一个平面交线的来光方向角m_i，将确定m_i所涉及的三个传感器光电流强度记为I_mi，1，I_mi，2，I_mi，3，并计算光电流平均强度为：

经总光电流强度比例加权后的光角m为：m＝a_i·m_i，其中，a_i为权重系数，

其中，k为三个不同法向量平面传感器组合的数量。

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