CN113310855A - 基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置及方法，检测装置中，样品池容纳变压器油，样品池的侧壁由透光材料制成；激光器朝向样品池以提供用于光散射的光源，衰减片接收来自激光器的光源以调节其强度，激光准直系统设在激光器和样品池之间以准直来自衰减片的入射光，且照射变压器油形成光散射，中心探测阵列设在样品池远离激光器的一侧且与入射光保持同心，中心探测阵列检测光散射的光强分布，信号接收与检测系统连接中心探测阵列以接收光强分布，信号接收与检测系统基于光强分布生成变压器油中气泡粒径分布信息。

Description

基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置及方法

技术领域

本发明属于变压器油纸绝缘系统中气泡检测技术领域，特别是一种基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置及方法。

背景技术

油浸式电力变压器是电力系统中的核心设备，其可靠运行对电力系统的安全稳定至关重要。而油纸绝缘因其良好的绝缘性能，被广泛运用于变压器的绝缘结构，但当油纸绝缘系统内出现气泡时，其绝缘性能会受到严重影响，轻微的则会导致局部放电，严重的则会会导致间隙的击穿进而引起变压器的爆炸。

因此有必要研究气泡对油纸绝缘绝缘性能的影响规律，摸清气泡存在情况下油纸绝缘的放电特性，进而更好的对变压器的绝缘状态进行评估。而气泡对油纸绝缘的影响与气泡的粒径分布密切相关，相关研究发现不同大小与不同数量气泡下油纸绝缘的放电特性不同，因此需要一种能够测定变压器油中气泡粒径分布的方法，以便更好的研究气泡存在下油纸绝缘的放电特性。

目前电气工程领域对气泡的表征一般采用相机拍摄的方式，通过图像处理的方式确定气泡的有无以及大小分布情况，该方法虽然直观且操作布置简单，但由于对图像处理后方可获得气泡信息，存在一定的滞后性，且受操作人员主观因素的影响，无法较为准确的判定气泡的粒径分布情况。因此有必要寻求一种操作简单、准确度高、周期短的测定变压器油中气泡粒径分布的方法。

在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在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置及方法。其具有操作简单、准确度高、周期短等特点。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置包括，

样品池，其容纳变压器油，所述样品池的侧壁由透光材料制成；

激光器，其朝向所述样品池以提供用于光散射的光源，

衰减片，其接收来自所述激光器的光源以调节其强度，

激光准直系统，其设在所述激光器和样品池之间以准直来自所述衰减片的入射光，且照射变压器油形成光散射，

中心探测阵列，其设在所述样品池远离所述激光器的一侧且与所述入射光保持同心，中心探测阵列检测所述光散射的光强分布，

信号接收与检测系统，其连接所述中心探测阵列以接收所述光强分布，信号接收与检测系统基于光强分布生成所述变压器油中气泡粒径分布信息。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光器且经由衰减片的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，所述激光器波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，所述样品池采用石英玻璃材质制成。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，中心探测阵列为光电探测阵列以收集声光衍射光强分布并将其转换为电信号输出。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，所述信号接收与检测系统包括Tikhonov正则单元以及与其连接的Chahine迭代单元，以基于所述电信号输出生成气泡粒径分布信息。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置中，所述中心探测阵列包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

根据所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的检测方法包括以下步骤，

激光器发射的入射光经由衰减片衰减以及激光准直系统形成平行光束，

平行光束照射所述变压器油形成光散射，中心探测阵列检测所述光散射的光强分布，

基于光强分布判定变压器油的气泡粒径分布信息。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

发明采用光散射空间光强谱信息来检测油中气泡粒径的分布信息，相比于常规的通过相机检测的技术，其具有操作简单、准确度高、周期短等优点；中心光电探测阵列检测样品池油中气泡光散射光强分布，具有较高的灵敏度，接收的光学信号能够反映声气泡的生成情气泡大小、密度等特征参数，通过反演算法即可获得对应的气泡粒径分布信息。

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是一种基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的结构示意图；图中，1激光器；2衰减片；3物镜，4针孔滤波器；5准直镜；6样品池；7傅里叶透镜；8中心探测阵列；9电缆；10信号接收与检测系统。

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，基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置包括，

样品池6，其容纳变压器油，所述样品池6的侧壁由透光材料制成；

激光器1，其朝向所述样品池6以提供用于光散射的光源，

衰减片2，其接收来自所述激光器1的光源以调节其强度，

激光准直系统，其设在所述激光器1和样品池6之间以准直来自所述衰减片2的入射光，且照射变压器油形成光散射，

中心探测阵列8，其设在所述样品池6远离所述激光器1的一侧且与所述入射光保持同心，中心探测阵列8检测所述光散射的光强分布，

信号接收与检测系统10，其连接所述中心探测阵列8以接收所述光强分布，信号接收与检测系统10基于光强分布生成所述变压器油中气泡粒径分布信息。

本发明具有操作简单、准确度高、周期短等优点，能够实现对变压器油中气泡粒径分布信息进行测量。该发明能够获得油中气泡粒径分布信息，将有助于后续研究气泡对油纸绝缘的影响。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，激光准直系统包括，

物镜3，其接收并聚焦来自激光器1且经由衰减片2的入射光，

针孔滤波器4，其通过来自物镜3的入射光，

准直镜5，其接收来自针孔滤波器4的入射光且将其转换为平行光束。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，所述物镜3和准直镜5为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，所述针孔滤波器4的针孔直径为100μm，物镜3直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜5直径为40mm，焦距为80mm。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，所述激光器1波长为G32nm，光斑直径为5mm，功率为5mW。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，所述样品池6采用石英玻璃材质制成。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，中心探测阵列8为光电探测阵列8以收集声光衍射光强分布并将其转换为电信号输出。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，所述信号接收与检测系统10包括Tikhonov正则单元以及与其连接的Chahine迭代单元，以基于所述电信号输出生成气泡粒径分布信息。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，所述中心探测阵列8包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的优选实施例中，傅里叶透镜7设在所述样品池6和中心探测阵列8中间，其提高了检测效能。

在一个优选实施例中，装置包括激光器1、衰减片2、激光准直系统3、4、5、样品池6、傅里叶透镜7、中心光电探测阵列8、信号处理系统9。所述激光器1提供光散射所需的光源；所述衰减片2将激光的强度控制在中心光电探测阵列可以接受的范围内；所述激光扩速准直系统包括物镜镜3、针孔4、准直镜5，所述激光准直系统置于激光器和样品池之间；所述样品池6为能够产生一定气泡粒径分布的变压器油样；所述中心探测阵列8置于样品池之后，且与激光入射光源保持同心，用于检测光散射的光强分布；所述信号接收与检测系统包括信号电缆9和计算机10，信号电缆接收来自中心光电探测阵列的光散射空间光强分布数据，计算机对空间光强谱进行分析处理，选择合适的反演算法，反演得到油中气泡粒径分布的信息。

在一个优选实施例中，为了使变压器油对入射激光的吸收尽可能小，所述激光器1选用的波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW；所述激光扩速准直系统包括物镜、针孔、准直镜、其中物镜、准直镜、均为凸透镜，通过调节透镜的距离，可将激光器产生的光转换成5-20mm直径的平行光束，所述针孔滤波器4的针孔直径为100μm，所述物镜3直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜5直径为40mm，焦距为80mm。

在一个优选实施例中，所述中心光电探测阵列7采用高精度线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm，探测阵列用以收集声光衍射光强信号并将其转换为电信号输出。采用Tikhonov正则化后的Chahine迭代算法对获得的光强分布进行反演，获得气泡粒径分布信息。

工作时，在较为纯净的变压器油中存在气泡时，气泡的折射率与变压器油的不一致导致光的散射，导致光强在空间分布上不再均一，而不同大小和不同数量的气泡引起的光强的空间分布不同，一定粒径分布的气泡对应特定的光强分布，即光强分布信息中携带着气泡粒径分布信息，在光路的中心位置放置接收光强的装置，通过得到的光强分布信息，反演算法就可获得对应的气泡粒径的分布信息。

根据所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的检测方法包括以下步骤，

激光器1发射的入射光经由衰减片2衰减以及激光准直系统形成平行光束，

平行光束照射所述变压器油形成光散射，中心探测阵列8检测所述光散射的光强分布，

基于光强分布判定变压器油的气泡粒径分布信息。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其特征在于，其包括，

样品池，其容纳变压器油，所述样品池的侧壁由透光材料制成；

激光器，其朝向所述样品池以提供用于光散射的光源，

衰减片，其接收来自所述激光器的光源以调节其强度，

激光准直系统，其设在所述激光器和样品池之间以准直来自所述衰减片的入射光，且照射变压器油形成光散射，

中心探测阵列，其设在所述样品池远离所述激光器的一侧且与所述入射光保持同心，中心探测阵列检测所述光散射的光强分布，

信号接收与检测系统，其连接所述中心探测阵列以接收所述光强分布，信号接收与检测系统基于光强分布生成所述变压器油中气泡粒径分布信息。

2.根据权利要求1所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，优选的，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光器且经由衰减片的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束。

3.根据权利要求2所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

4.根据权利要求2所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

5.根据权利要求1所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，所述激光器波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW。

6.根据权利要求1所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，所述样品池采用石英玻璃材质制成。

7.根据权利要求1所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，中心探测阵列为光电探测阵列以收集声光衍射光强分布并将其转换为电信号输出。

8.根据权利要求7所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，所述信号接收与检测系统包括Tikhonov正则单元以及与其连接的Chahine迭代单元，以基于所述电信号输出生成气泡粒径分布信息。

9.根据权利要求1所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置，其中，所述中心探测阵列包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于光散射的变压器油中气泡粒径分布的检测装置的检测方法，其包括以下步骤，

激光器发射的入射光经由衰减片衰减以及激光准直系统形成平行光束，

平行光束照射所述变压器油形成光散射，中心探测阵列检测所述光散射的光强分布，

基于光强分布判定变压器油的气泡粒径分布信息。

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