CN114062870A - 一种gis局部放电声光电联合检测复合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及GIS局部放电检测领域，具体而言，涉及一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器。本发明以局部放电产生声、光、电信号的本质物理现象为基础，通过GIS设备的检修手孔进行安装，通过本发明中的超声波传感器、光学传感器和宽频电压传感器可以同时测量GIS局部放电产生的声、光、电信号，克服现有技术存在的缺陷，显著提升GIS局部放电传感测量灵敏度和准确度。本发明通过各个部分的优化设计，进行合理加工、开槽、安装，具有布局科学、结构简单、空间紧凑、安装方便、经济实用等特点，具有抗电磁干扰能力强，可同时监测声、光、电多源信号，测量灵敏度和准确度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及GIS局部放电检测领域，具体而言，涉及一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器。
背景技术
气体绝缘开关（Gas Insulated Switchgear，GIS)是电力系统中的核心输变电装备，其运行可靠性对于电网的安全稳定至关重要。根据国家电网公司2014-2020年间的GIS故障统计结果，GIS绝缘故障占比最高，达到了85.5%，由GIS绝缘故障引起的停电事故占总停电事故的30%，为电网的安全稳定运行带来隐患。分析产生上述问题的原因在于：SF6气体绝缘设备随着电压等级提高、体积增大，已难以通过专用气路获取绝缘气体的真实状态，现有GIS设备绝缘状态监测多使用基于电学的局部放电传感器进行测量，其具有很多缺点如安装限制因素较多、信号辨识水平较低，感知数据的来源单一、数据特征挖掘深度不足，感知数据无法准确表征局部放电发生、发展的内在特点及其变化规律，导致GIS绝缘故障的漏报率及误报率显著偏高，绝缘故障引起停电事故时有发生。
经过检索，中国专利公开号为CN 210427702 U公开了一种GIS用局放特高频、超声波、光脉冲联合检测系统，GIS用局放特高频、超声波、光脉冲联合检测系统，该系统包括被监测对象GIS、特高频、超声波和光脉冲一体化传感器、光纤传输、同轴电缆、3dB耦合器、光源、多通道光电转换和放大器装置、滤波和放大器装置、多通道数据采集和存储装置、控制与显示装置和打印装置；所述的特高频、超声波和光脉冲一体化传感器为具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号局部放电的一体化组合传感器，所述的特高频、超声波和光脉冲一体化传感器在被监测对象GIS的外壳上进行内置式安装布置。该实用新型具有简单、实用、可靠、降低电磁干扰、能够相互佐证信号源等优点。但是该实用新型没有给出具体特高频、超声波和光脉冲一体化传感器制作方案，没有考虑到多种测量方式的融合难题，没有给出一体化传感器各个部分优化布置的尺寸、参数、材质等。
经过检索，中国专利公开号为CN 106569105 B公开了一种GIS局部放电光学特高频联合检测方法。其特点是，包括如下步骤：1 )将光电倍增管放置在GIS的观察窗处；2 )将外置式特高频传感器也放置在观察窗的盆式绝缘子处；3 )通过光电倍增管和外置式特高频传感器两者同时进行检测，根据检测结果判定局部放电是否发生在观察窗所在气室。该发明的检测方法充分发挥了光学检测抗干扰性能强，特高频检测范围广的优点，可实现GIS局部放电的准确现场检测。但是该发明专利为外置式传感器，现场GIS观察窗多为金属材料制成，局部放电光信号无法传播到GIS设备外部；特高频信号通过GIS设备的盆式绝缘子处辐射出来的信号幅值也较小，很难有效检测到GIS局部放电信号。
发明内容
本发明以局部放电产生声、光、电信号的本质物理现象为基础，为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，有望提升GIS局部放电传感测量准确度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，安装在GIS设备的检修手孔上，具备同时测量局部放电产生声、光、电信号能力。
所述的GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，主要包含GIS用局部放电超声波传感器、光学传感器和宽频电压传感器、单模光纤、同轴电缆、塑料光纤、荧光光纤、均压环、均压环支座、气密FC-APC石英光纤法兰、气密FC-PC塑料光纤法兰、气密BNC接口、同轴结构、密封盖板等。
所述的超声波传感器基于迈克尔逊干涉的光纤超声传感器，具有本质绝缘、检测可靠性高、不受电磁干扰及运行环境影响等诸多优点。
所述的光学传感器为螺旋圆环荧光光纤，线芯掺杂荧光材料为罗丹明（Rhodamine6G），吸收光谱中心波长为529nm，发射光谱中心波长为480nm，可以用于检测局部放电发出的光信号。
所述的宽频电压传感器频率响应曲线衰减或者增益不超过3dB的频段为5Hz~200MHz。
所述的均压环为空心圆环，其内直径100mm，外直径400mm，厚度10mm，采用可拆卸式安装在均压环支座上，可以根据不同的GIS设备检修手孔尺寸对其直径进行调整，边沿刻三个竖槽，用于光纤引出。
优选地，在宽频电压传感器的中央和均压环分别刻一个超声波传感器布置槽，槽内直径50mm，宽度20mm，深度2mm，开槽需进行圆角处理。
优选地，超声波传感器由100米普通单模光纤绕制成一个光纤超声传感器，其内直径51mm，外直径69mm，高度4.5mm。
优选地，在均压环上刻两个螺旋圆环光学传感器布置槽，宽度1mm，深度0.1mm，开槽需进行圆角处理。
优选地，在均压环上（不含传感器布置槽内）镀上一层罗丹明（Rhodamine 6G）荧光材料，厚度为1mm，用于增加光学传感器检测灵敏度。
优选地，光学传感器的荧光光纤纤芯直径1mm，长度为2米，将其紧密地螺旋盘绕固定在光学传感器布置槽内。
优选地，宽频电压传感器的天线为圆盘+锥形结构，圆盘直径80mm，在检测GIS高频局部放电信号时增益最大，便于信号采集；均压环支座和宽频电压传感器进行波阻抗前端匹配；锥形结构采用环氧树脂胶体和后端同轴电缆进行后端匹配，有效避免谐振信号进入测量同轴电缆内部，增大测量精度。
优选地，宽频电压传感器锥形结构需满足波阻抗
，其中Z为同轴锥形腔体
波阻抗，所述的宽频电压传感器波阻抗取50Ω；
为同轴锥形腔体介质的相对介电常数，
所述的宽频电压传感器取1； 
和
为同轴结构锥形腔体夹角。
所述的GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，其中超声波传感器通过气密FC-APC石英光纤法兰、光学传感器通过气密FC-PC塑料光纤法兰将超声信号和光信号分别传输到GIS设备本体外，电学传感器通过气密BNC接口将电信号传输到GIS设备本体外。
与现有技术相比，本发明克服现有GIS设备局部放电声、光、电检测技术多为不同传感器互相独立使用，具有感知数据的来源单一、信号辨识水平低、无法准确表征GIS局部放电发生发展特点及其变化规律、检测漏报率及误报率显著偏高等缺点，提出一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器。即以GIS局部放电产生声、光、电信号的本质物理现象为基础，本发明通过在GIS设备的检修手孔进行安装，可将GIS局部放电产生的声光电信号通过本发明中的超声波传感器、光学传感器和宽频电压传感器进行一体化同步测量，多源信号测量可以优势互补，有效提高检测灵敏度和准确度。本发明中的光学传感器是线芯掺杂荧光材料为罗丹明（Rhodamine 6G）的螺旋圆环荧光光纤，具有有效检测GIS局部放电过程中产生的光信号的优点。超声波传感器由普通单模光纤绕制成光纤环，具有检测超声信号灵敏度比传统压电陶瓷超声传感器（PZT，R15a型）高15dB以上且成本更低的优点。宽频电压传感器的天线采用圆盘+锥形结构，具有信号增益大，便于信号采集的优点；均压环支座和宽频电压传感器进行波阻抗前端匹配，锥形结构采用环氧树脂胶体和后端同轴电缆进行波阻抗后端匹配，前端匹配和后端匹配具有避免谐振信号进入测量同轴电缆内部，减少噪声干扰，增加测量精度的优点。本发明通过各个部分的优化设计，进行合理加工、开槽、安装，具有布局科学、结构简单、空间紧凑、安装方便、经济实用等特点，具有抗电磁干扰能力强，可同时监测声、光、电多源信号，测量灵敏度和准确度高等优点。
附图说明
图1为一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器安装示意图。
图2为一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器结构示意图。
图3为宽频电压传感器同轴结构示意图。
其中，1为GIS高压导杆；2为GIS外壳；3为GIS内起支撑作用盆式绝缘子；4为GIS局部放电声光电联合检测复合传感器；5为GIS预留手孔，用于安装GIS局部放电声光电联合检测复合传感器；6为单模光纤；7为同轴电缆；8为塑料光纤；9为光学传感器布置槽，用于安装荧光光纤；10为超声波传感器布置槽，用于安装光纤超声传感器；11为宽频电压传感器；12为均压环；13为均压环竖槽，用于光纤的引出；14为均压环支座；15为气密FC-PC塑料光纤法兰；16为气密FC-APC石英光纤法兰；17为气密BNC接口；18为同轴结构；19为密封盖板，20为超声波传感器，21为光学传感器。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：如图1一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器安装示意图，提供了本发明的安装说明，将GIS局部放电声光电联合检测复合传感器4，安装在GIS预留手孔5，测量到的GIS局部放电产生声、光、电信号分别通过单模光纤6、同轴电缆7、塑料光纤8将信号传输到GIS设备本体外。
实施例2：如图2一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器结构示意图，提供了
本发明的传感器详细结果说明：首先加工制作宽频电压传感器11，属的宽频电压传感器频
率响应曲线衰减或者增益不超过3dB的频段为5Hz~200MHz，其天线采用圆盘+锥形结构，圆
盘直径80mm，在检测GIS高频局部放电信号时增益最大，便于信号采集；均压环支座14和宽
频电压传感器11进行波阻抗前端匹配；锥形结构18采用环氧树脂胶体和后端同轴电缆7进
行后端匹配，有效避免谐振信号进入测量同轴电缆内部，增大测量精度。宽频电压传感器锥
形结构18需满足波阻抗阻抗 
，其中Z为同轴锥形腔体波阻抗，所述的宽频电压传
感器波阻抗取50Ω；
为同轴锥形腔体介质的相对介电常数，所述的宽频电压传感器取1； 
和
为同轴结构锥形腔体夹角。
均压环12为空心圆环，其内直径100mm，外直径400mm，厚度10mm，采用可拆卸式安装在均压环支座14上，可以根据不同直径的GIS设备检修手孔5进行调整，边沿刻三个竖槽13，用于光纤引出。
首先在宽频电压传感器11的中央和均压环12分别刻一个超声波传感器布置槽10，槽内槽内直径50mm，宽度20mm，深度2mm，开槽需进行圆角处理。然后安装超声波传感器，其由100米普通单模光纤绕制成一个光纤超声传感器，其内直径51mm，外直径69mm，高度4.5mm。所述的超声波传感器基于迈克尔逊干涉的光纤超声传感器，具有本质绝缘、检测可靠性高、不受电磁干扰及运行环境影响等诸多优点。
然后在均压环12上刻两个螺旋圆环光学传感器布置槽9，宽度1mm，深度0.1mm，开槽需进行圆角处理。在均压环12上（不含光学传感器布置槽内9）镀上一层罗丹明（Rhodamine 6G）荧光材料，厚度为1mm，用于增加光学传感器检测灵敏度。然后将纤芯直径1mm，长度为2米的荧光光纤光学传感器紧密地螺旋盘绕固定在光学传感器布置槽内。所述的光学传感器为螺旋圆环荧光光纤，线芯掺杂荧光材料为罗丹明（Rhodamine 6G），吸收光谱中心波长为529nm，发射光谱中心波长为480nm，可以用于检测局部放电发出的光信号。
所述的GIS局部放电声光电联合检测复合传感器4，其中超声波传感器通过气密FC-APC石英光纤法兰16、光学传感器通过气密FC-PC塑料光纤法兰15将超声信号和光信号分别传输到GIS设备本体外，电学传感器通过气密BNC接口17将电信号传输到GIS设备本体外。
Claims (10)
1.一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，其特征在于，该传感器主要包含单模光纤（6）、同轴电缆（7）、塑料光纤（8）、光学传感器布置槽（9）、超声波传感器布置槽（10）、宽频电压传感器（11）、均压环（12）、均压环竖槽（13）、均压环支座（14）、气密FC-PC塑料光纤法兰（15）、气密FC-APC石英光纤法兰（16）、气密BNC接口（17）、同轴结构（18）、密封盖板（19）、超声波传感器（20）、光学传感器（21）。
2.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的宽频电压传感器（11），其天线为圆盘+锥形结构，圆盘直径80mm，频率响应曲线衰减或者增益不超过3dB的频段为5Hz~200MHz。
3.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的超声波传感器（20）是基于迈克尔逊干涉的光纤超声传感器，由100米普通单模光纤绕制成一个光纤超声传感器，其内直径51mm，外直径69mm，高度4.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的光学传感器（21）为螺旋圆环荧光光纤，纤芯直径1mm，长度为2米，将其紧密地螺旋盘绕固定在光学传感器布置槽（9）内；其线芯掺杂荧光材料为罗丹明（Rhodamine 6G），吸收光谱中心波长为529nm，发射光谱中心波长为480nm，可以用于检测局部放电发出的光信号。
5.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的均压环（12）为空心圆环，其内直径100mm，外直径400mm，厚度10mm，采用可拆卸式安装在均压环支座（14）上，可以根据不同的GIS设备检修手孔尺寸对其直径进行调整，边沿刻三个均压环竖槽（13），用于光纤引出；在不含光学传感器布置槽（9）和超声波传感器布置槽（10）内以外的表面镀上一层罗丹明（Rhodamine 6G）荧光材料，厚度为1mm，用于增加光学传感器检测灵敏度。
6.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的光学传感器布置槽（9）为两个螺旋圆环，其宽度1mm，深度0.1mm，开槽需进行圆角处理。
7.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的超声波传感器布置槽（10）的槽内直径50mm，宽度20mm，深度2mm，开槽需进行圆角处理。
8.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的宽频电压传感器（11）和均压环支座（14）进行波阻抗前端匹配，锥形结构（18）采用环氧树脂胶体和后端同轴电缆（7）进行波阻抗后端匹配。
9.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的锥形结
构（18）需满足波阻抗
，其中Z为同轴锥形腔体波阻抗，所述的宽频电压传感器
（11）波阻抗取50Ω；
为同轴锥形腔体介质的相对介电常数，所述的宽频电压传感器（11）
取1； 
和
为同轴结构（18）锥形腔体夹角。
10.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电声光电联合检测复合传感器，所述的超声波传感器（20）通过气密FC-APC石英光纤法兰（16）将超声信号传输到GIS设备本体外；所述的光学传感器（21）通过气密FC-PC塑料光纤法兰（15）将光信号分别传输到GIS设备本体外；所述的宽频电压传感器（11）通过气密BNC接口（17）将电信号传输到GIS设备本体外。
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