CN114076654A - 一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置及方法，所述装置包括信号采集单元和数据分析单元，信号采集单元包括压力温度光纤传感器、薄膜型氢气传感器、测量光路、取样油路、氢气电信号PCB转接板、取油阀、电连接器、光电转换器、压力温度传感器信号调理电路板和氢气传感器信号调理电路板，数据分析单元包括计算机数据分析系统。将信号采集单元安装于互感器取油孔处，信号采集单元测量信号通过屏蔽电缆进入数据分析单元进行信号处理，可以分别得到氢气浓度、压力和温度。本发明能单独解调出温度变化、压力变化和氢气浓度变化，实现三个参量的同时测量，测量精度高，操作方便，适用于变压和变温的环境中。
Description
技术领域
本发明属于电力系统测试领域，尤其涉及一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置及方法。
背景技术
近年来，因电流互感器等故障引起的电网事故时有发生。随着电压等级的升高，故障的波及范围越来越大。互感器故障或损坏不仅会造成停电事故，严重的还会引起变电站设备爆炸甚至酿成火灾。
研究表明，当互感器内部故障气体溶解和释放达到动态平衡后，油中氢气含量持续增加则表明设备内部压力迅速上升，即油浸倒置式电流互感器内部氢气含量能够较为灵敏地预警设备运行过程中因内部缺陷或绝缘劣化而引发的膨胀器冲顶甚至爆炸事故。同时，油温对过热缺陷敏感、油压对气体总量超标敏感，通过对油的基本物理特性的监测，可为少油设备故障诊断提供更全面的基础信息。
目前电流互感器绝缘状态诊断的手段较为单一，试验周期较长，带电检测的有效性较差。多参量测量装置通过对氢气、油温、油压的实时在线监测，可发现设备早期的潜伏性故障，将缺陷消除在微弱的萌芽状态，提高电网的可靠性水平。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置及方法，可以同时测量氢气、压力和温度三个参量，为绝缘故障诊断提供依据。
本发明采用如下的技术方案。
一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，所述装置包括信号采集单元和数据分析单元；
其中，信号采集单元包括压力温度光纤传感器、薄膜型氢气传感器、测量光路、取样油路、氢气电信号PCB转接板、外壳、取油阀、电连接器、光电转换器、压力温度传感器信号调理电路板、氢气传感器信号调理电路板和信号传输通道；
数据分析单元包括计算机数据分析系统；
压力温度光纤传感器的光纤通过测量光路与取油阀相连，对互感器内部压力、温度进行测量；光电转换器与压力温度光纤传感器连接，将压力温度光纤传感器采集所得的光信号转换为电信号，并传送给压力温度传感器信号调理电路板；
薄膜型氢气传感器与取样油路相连接，对互感器内部氢气含量进行测量；氢气电信号PCB转接板与薄膜型氢气传感器，将薄膜型氢气传感器中氢敏电阻的电阻变化量转化为电信号，并传送给氢气传感器信号调理电路板；
所述压力温度传感器信号调理电路板和氢气传感器信号调理电路板将电信号传输到计算机数据分析系统中，进行氢气含量、压力和温度的计算。
进一步地，所述电连接器固定于外壳尾部，用于连接外部有源电路；
电连接器与压力温度传感器信号调理电路板和氢气传感器信号调理电路板相连，将电信号上传计算机数据分析系统；
同时，电连接器连接氢气电信号PCB转接板、光电转换器、压力温度传感器信号调理电路板和氢气传感器信号调理电路板，为测量装置供电。
进一步地，测量光路包括扫频激光器和传感光纤，扫频激光器用于提供初始扫频光；传感光纤与取油阀相连，通过取油阀的光纤通道置于互感器内部油中，传递光纤中反射回来的反映压力和温度信号的测量光。
进一步地，所述压力温度光纤传感器包括屏蔽壳、压力敏感元件、温度敏感元件和光纤光栅；压力敏感元件、温度敏感元件和光纤光栅位于屏蔽壳内，屏蔽壳内镶嵌增敏聚合物，光纤光栅在施加一定预应力后封装于增敏聚合物内，尾部光纤从屏蔽壳后端穿出。
进一步地，所述压力温度光纤传感器内部通过四个梯台连接块进行连接，其直接与外部屏蔽壳浇筑在一起，内部聚合物镶嵌在屏蔽壳中；
所述外部屏蔽壳材料为耐油橡胶。
进一步地，所述薄膜型氢气传感器包括四个氢敏电阻；两个钝化氢敏电阻，电阻表面有钝化膜；另外两个氢敏电阻为氢敏桥臂，四个电阻通过惠斯通全桥的方式连接。
进一步地，氢敏电阻由Pd-Ni钯镍合金薄膜制成，电阻底部的三氧化二铝陶瓷基底表面有折线型电阻结构。
进一步地，所述薄膜型氢气传感器探头结构为带密封槽和底部焊接凸台的柱塞结构；薄膜芯片固定在隔热垫的凹槽内，芯片上端装有隔热盖，隔热垫与隔热盖材料均为聚四氟乙烯，隔热盖上端装有滤网，滤网通过焊接的方式固定在基座上。
进一步地，信号传输通道包括传输光纤和传输导线，且信号传输通道安装于信号采集单元的内壁之中。
进一步地，光电传感器与压力温度光纤传感器通过信号传输通道的信号传输光纤进行连接，光电传感器与压力温度传感器信号调理电路板通过信号传输通道的传输导线连接；
氢气信号PCB转接板与氢气传感器信号调理电路板通过信号传输通道连接。
一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量方法，包括如下步骤：
(1)将双参量传感光纤穿入毛细套管中，并使光纤能在套管中自由滑动；
(2)将光纤头部接入取油阀；
(3)将取油阀接上互感器底部取油口；
(4)将测量装置连接电源，开始对互感器内部压力、温度和油中氢气浓度进行测量；
(5)测量结果由计算机数据分析系统完成可视化操作后展示给用户。
进一步地，取油阀为双通道阀，一侧采集油样，另一侧可容许光纤探头通入。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置可实现电流互感器状态的实时检测，在故障前及时发现缺陷并采取有效措施从而避免重大事故的发生，对社会产生较大的经济效益。
附图说明
图1为氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置整体结构图；
图2为氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置信号采集单元的剖视图；
图3是压力温度光纤传感器示意图；
图4是薄膜型氢气传感器示意图；
图5是信号传输通道示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置包括信号采集单元13和数据分析单元，数据分析单元包括计算机数据分析系统12。
如图2所示，信号采集单元13包括压力温度光纤传感器1、薄膜型氢气传感器2、测量光路3、取样油路4、氢气电信号PCB转接板5、外壳6、取油阀7、电连接器8、光电转换器9、压力温度传感器信号调理电路板10、氢气传感器信号调理电路板11和信号传输通道14。
信号传输通道14包括传输光纤和传输导线，且信号传输通道14安装于信号采集单元13的内壁之中。
如图3所示，压力温度光纤传感器1包括屏蔽壳、压力敏感元件、温度敏感元件和光纤光栅。屏蔽壳用来屏蔽其他方向上的压力和温度干扰，内部增敏聚合物作为压力和温度敏感元件，光纤光栅在施加一定预应力后封装于增敏元件内，尾部光纤从后端穿出。尾部光纤从后端穿出后与取油阀7相连，取油阀7为双通道阀，一侧采集油样，与取样油路4相连；另一侧可容许光纤探头通入。
压力温度光纤传感器1的光纤选通入测量光路3，然后测量光路3中的传感光纤再通入取油阀7的光纤通道进入互感器底部，将测量装置连接电源，开始对互感器内部压力、温度进行测量。
测量光路3包括扫频激光器和传感光纤，扫频激光器用于提供初始扫频光。传感光纤与取油阀7相连，通过取油阀7的光纤通道置于互感器内部油中，传递光纤中反射回来的反映压力和温度信号的测量光。
此处测量光路3主要是收集和传递光信号，相当于是一个测量的端口，将光信号传递给压力温度光纤传感器1，然后压力温度光纤传感器再将原始光信号处理为光电转换器9可以识别的光信号类型。
光电转换器9与压力温度光纤传感器1连接，将压力温度光纤传感器1采集所得的光信号转换为电信号，并传送给压力温度传感器信号调理电路板10。
如图5所示，光电传感器9与压力温度光纤传感器1通过信号传输通道14的信号传输光纤进行连接，光电传感器9与压力温度传感器信号调理电路板10通过信号传输通道14的传输导线连接。
压力温度光纤传感器1内部通过四个梯台连接块进行连接，其直接与外部屏蔽壳浇筑在一起，内部聚合物镶嵌在屏蔽壳中。外部屏蔽壳材料为耐油橡胶。
如图4所示，薄膜型氢气传感器2包括氢敏电阻，氢敏电阻由Pd-Ni钯镍合金薄膜制成，电阻底部的三氧化二铝陶瓷基底表面有折线型电阻结构。
薄膜型氢气传感器2内部包含四个氢敏电阻，其中有两个钝化氢敏电阻，电阻表面有钝化膜，使得氢敏电阻与氢气隔离，另外两个氢敏电阻为氢敏桥臂，四个电阻通过惠斯通全桥的方式连接。
薄膜型氢气传感器2探头结构为带密封槽和底部焊接凸台的柱塞结构。薄膜芯片固定在隔热垫的凹槽内，芯片上端装有隔热盖，隔热垫与隔热盖材料均为聚四氟乙烯，隔热盖上端装有滤网，滤网通过焊接的方式固定在基座上。
取样油路4与取油阀7和薄膜型氢气传感器2相连接。薄膜型氢气传感器2与取样油路4相连，将测量装置连接电源，开始对互感器内部氢气含量进行测量。薄膜型氢气传感器2与氢气电信号PCB转接板5相连。
氢气电信号PCB转接板5固定于外壳6内壁，将薄膜型氢气传感器2中氢敏电阻的电阻变化量转化为电信号，并传送给氢气传感器信号调理电路板11。
氢气信号PCB转接板5与氢气传感器信号调理电路板11通过信号传输通道14连接。
压力温度传感器信号调理电路板10和氢气传感器信号调理电路板11将电信号传输到计算机数据分析系统12中，经数据分析得到氢气含量以及实时温度和压力。
电连接器8固定于外壳6尾部，用于连接外部有源电路。电连接器8与压力温度传感器信号调理电路板10和氢气传感器信号调理电路板11相连，将电信号上传计算机数据分析系统12。同时，电连接器8连接氢气电信号PCB转接板5、光电转换器9、压力温度传感器信号调理电路板10和氢气传感器信号调理电路板11等，为测量装置供电。
一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置的测试方法，包括如下步骤：
(1)将双参量传感光纤穿入毛细套管中，并使光纤能在套管中自由滑动；
此处毛细套管指的是一种带孔隙的保护套，可以保护传感光纤头不被碰坏，又不影响其采集信号。
(2)将光纤头部接入取油阀；取油阀为双通道阀，一侧采集油样，另一侧可容许光纤探头通入；
(3)将取油阀接上互感器底部取油口；
(4)将测量装置连接电源，开始对互感器内部压力、温度和油中氢气浓度进行测量；
(5)测量结果由计算机数据分析系统完成可视化操作后展示给用户。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置可实现电流互感器状态的实时检测，在故障前及时发现缺陷并采取有效措施从而避免重大事故的发生，对社会产生较大的经济效益。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，所述装置包括信号采集单元(13)和数据分析单元；
其中，信号采集单元(13)包括压力温度光纤传感器(1)、薄膜型氢气传感器(2)、测量光路(3)、取样油路(4)、氢气电信号PCB转接板(5)、外壳(6)、取油阀(7)、电连接器(8)、光电转换器(9)、压力温度传感器信号调理电路板(10)、氢气传感器信号调理电路板(11)和信号传输通道(14)；
数据分析单元包括计算机数据分析系统(12)；
压力温度光纤传感器(1)的光纤通过测量光路(3)与取油阀(7)相连，对互感器内部压力、温度进行测量；光电转换器(9)与压力温度光纤传感器(1)连接，将压力温度光纤传感器(1)采集所得的光信号转换为电信号，并传送给压力温度传感器信号调理电路板(10)；
薄膜型氢气传感器(2)与取样油路(4)相连接，对互感器内部氢气含量进行测量；氢气电信号PCB转接板(5)与薄膜型氢气传感器(2)，将薄膜型氢气传感器(2)中氢敏电阻的电阻变化量转化为电信号，并传送给氢气传感器信号调理电路板(11)；
所述压力温度传感器信号调理电路板(10)和氢气传感器信号调理电路板(11)将电信号传输到计算机数据分析系统(12)中，进行氢气含量、压力和温度的计算。
2.根据权利要求1所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
所述电连接器(8)固定于外壳(6)尾部，用于连接外部有源电路；
电连接器(8)与压力温度传感器信号调理电路板(10)和氢气传感器信号调理电路板(11)相连，将电信号上传计算机数据分析系统(12)；
同时，电连接器(8)连接氢气电信号PCB转接板(5)、光电转换器(9)、压力温度传感器信号调理电路板(10)和氢气传感器信号调理电路板(11)，为测量装置供电。
3.根据权利要求1所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
测量光路(3)包括扫频激光器和传感光纤，扫频激光器用于提供初始扫频光；传感光纤与取油阀(7)相连，通过取油阀(7)的光纤通道置于互感器内部油中，传递光纤中反射回来的反映压力和温度信号的测量光。
4.根据权利要求1所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
所述压力温度光纤传感器(1)包括屏蔽壳、压力敏感元件、温度敏感元件和光纤光栅；压力敏感元件、温度敏感元件和光纤光栅位于屏蔽壳内，屏蔽壳内镶嵌增敏聚合物，光纤光栅在施加一定预应力后封装于增敏聚合物内，尾部光纤从屏蔽壳后端穿出。
5.根据权利要求4所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
所述压力温度光纤传感器(1)内部通过四个梯台连接块进行连接，其直接与外部屏蔽壳浇筑在一起，内部聚合物镶嵌在屏蔽壳中；
所述外部屏蔽壳材料为耐油橡胶。
6.根据权利要求1所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
所述薄膜型氢气传感器(2)包括四个氢敏电阻；两个钝化氢敏电阻，电阻表面有钝化膜；另外两个氢敏电阻为氢敏桥臂，四个电阻通过惠斯通全桥的方式连接。
7.根据权利要求6所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
氢敏电阻由Pd-Ni钯镍合金薄膜制成，电阻底部的三氧化二铝陶瓷基底表面有折线型电阻结构。
8.根据权利要求1所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
所述薄膜型氢气传感器(2)探头结构为带密封槽和底部焊接凸台的柱塞结构；薄膜芯片固定在隔热垫的凹槽内，芯片上端装有隔热盖，隔热垫与隔热盖材料均为聚四氟乙烯，隔热盖上端装有滤网，滤网通过焊接的方式固定在基座上。
9.根据权利要求1所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
信号传输通道(14)包括传输光纤和传输导线，且信号传输通道(14)安装于信号采集单元(13)的内壁之中。
10.根据权利要求9所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，其特征在于，
光电传感器(9)与压力温度光纤传感器(1)通过信号传输通道(14)的信号传输光纤进行连接，光电传感器(9)与压力温度传感器信号调理电路板(10)通过信号传输通道(14)的传输导线连接；
氢气信号PCB转接板(5)与氢气传感器信号调理电路板(11)通过信号传输通道(14)连接。
11.一种氢气、压力和温度并行测量的多参量测量方法，采用权利要求1-10任一所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量装置，包括如下步骤：
(1)将双参量传感光纤穿入毛细套管中，并使光纤能在套管中自由滑动；
(2)将光纤头部接入取油阀；
(3)将取油阀接上互感器底部取油口；
(4)将测量装置连接电源，开始对互感器内部压力、温度和油中氢气浓度进行测量；
(5)测量结果由计算机数据分析系统完成可视化操作后展示给用户。
12.根据权利要求11所述的氢气、压力和温度并行测量的多参量测量方法，其特征在于，
取油阀为双通道阀，一侧采集油样，另一侧可容许光纤探头通入。
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