CN114280436B - 一种监测电力设备局部放电的f-p超声传感器阵列植入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监测电力设备局部放电的F‑P超声传感器阵列植入装置，由F‑P超声传感器支撑件、F‑P超声传感器阵列和光纤接线端组成。该阵列能够植入具有套管与电流互感器同轴结构的电力设备内部，灵敏迅速地检测电力设备套管、器身、引线、线圈等各部位因局部放电产生的超声波信号，检测范围可覆盖20kHz～300kHz超声波频带。本发明一方面解决了F‑P传感器植入电力设备内部的问题，能够在不破坏电力设备绝缘性能与气密性的前提下检测电力设备套管和本体的局部放电超声波信号；另一方面，本发明采用不同响应频率的F‑P超声传感器组成的宽频传感器阵列，相比单一频段的F‑P超声传感器，F‑P超声传感器阵列能够覆盖检测20kHz～300kHz频带的局部放电超声波信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测电力设备局部放电的F-P(法布里-珀罗(Fabry-Perot)的简称)超声传感器阵列植入装置。
背景技术
电力设备在长期运行过程中，电热老化、制造缺陷、极端环境等问题将引发绝缘劣化，进而导致电力设备发生局部放电等绝缘故障。因此，监测电力设备的局部放电，一方面有助于掌握电力设备的绝缘状态，另一方面可预警潜在的绝缘故障，对电力设备的长期稳定运行具有重大意义。电力设备发生局部放电时会产生超声波信号，而传统的超声波法往往采用固定在电力设备外壁的压电类传感器接收来自设备内部的局部放电信号，环境扰动、传播路径等都影响着超声信号的检测效果。
近几年，光纤F-P传感器在局部放电检测领域得到了一定程度的关注。光纤F-P传感器是一种体积小、灵敏度高、抗干扰能力强的光学传感器，传感原理是：当待测参量发生变化并以声压形式作用于光纤F-P传感器的光学声敏感元件时，敏感元件会发生机械振动从而导致干涉光的强度、相位等参量发生变化，检测干涉光信号即可获知变化参量的信息。光纤F-P传感器的本质是一种声传感器，其声压响应灵敏度优于传统的压电类传感器。局部放电产生的超声波信号频段范围主要集中于20kHz～300kHz，当光纤F-P传感器的响应频段在此范围内时，就可作为F-P超声传感器来替代压电类传感器检测微弱的超声波信号。目前，对F-P超声传感器的应用突破点在于如何在不破坏变压器绝缘性能与气密性的前提下，将F-P超声传感器植入电力设备，并准确、有效、广覆盖地检测局部放电超声波信号。为有效检测并定位电力设备局部放电，专利202011403856.5在变压器油箱壁面及套管伞裙处安装了16个超声波传感器检测局部放电，然而该方法仍是在变压器外壁上获取超声波信号。
电力设备因局部放电产生的超声波信号一般比较微弱，植入式传感器对超声波信号的检测更加准确有效，因此需要一种在电力设备内部植入高灵敏、广超声频段覆盖的F-P超声传感器阵列的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置。本发明通过在套管与电流互感器同轴结构中增设传感器支撑件，将F-P超声传感器阵列植入具有套管与电流互感器同轴结构的电力设备，可用于检测电力设备套管和本体的因局部放电产生的20kHz～300kHz频段的超声波信号。
本发明提供一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置。该电力设备可以是电力变压器、电抗器、互感器、六氟化硫气体绝缘封闭式组合电器、六氟化硫断路器、六氟化硫隔离开关等。为叙述简便，现以油浸式变压器为例进行说明。
本发明的监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，包括传感器支撑件、F-P超声传感器阵列、光纤接线端、托板、套管CT部分、绝缘纸板、电流互感器、光纤接线端；所述传感器支撑件为设有中心圆形通孔的圆柱形支撑件，其周向外侧壁和底部均设有通孔，所述传感器支撑件放置在所述托板上方，其底部的通孔与托板的通孔对齐并连通；绝缘纸板和电流互感器交错堆叠设置在所述传感器支撑件的上方；所述托板、绝缘纸板和电流互感器均设有中心圆形通孔，与传感器支撑件的中心圆形通孔对齐相通；套管CT部分从上至下穿过交错堆叠的绝缘纸板和电流互感器、传感器支撑件和托板的中心圆形通孔；所述F-P超声传感器阵列通过所述传感器支撑件和所述托板底部的通孔、所述传感器支撑件周向外侧壁的通孔连接光纤接线端。
进一步的，所述传感器支撑件为打孔式传感器支撑件或组装式传感器支撑件。
进一步的，所述的F-P超声传感器支撑件采用层压木、层压纸板、环氧树脂、或化工类人工合成固体材料的绝缘材料，或采用钢铁材料、有色金属材料、合金或者不锈钢。
进一步的，所述的打孔式传感器支撑件的周向外侧壁设有沿半径方向与所述中心圆形通孔连通的支撑件周向外侧壁通孔，所述支撑件周向外侧壁通孔设置多个，形成支撑件周向外侧壁通孔阵列；支撑件底部设置有支撑件底部第一通孔、支撑件底部第二通孔和支撑件底部第三通孔；支撑件周向外侧壁通孔沿半径方向设有垂直向下、与传感器支撑件底面连通的支撑件底部第一通孔、支撑件底部第二通孔和支撑件底部第三通孔。
进一步的，所述的组装式传感器支撑件由上支撑板、支撑插件和下支撑板组装而成。上支撑板与下支撑板之间通过支撑插件进行连接；上支撑板、支撑插件和下支撑板之间的组装空隙形成支撑件周向外侧壁通孔；支撑件周向外侧壁通孔可有多个，形成支撑件周向外侧壁通孔阵列。下支撑板设有垂直向下的、与支撑件周向外侧壁通孔连通的支撑件底部第一通孔、支撑件底部第二通孔和支撑件底部第三通孔。
进一步的，所述托板焊接于变压器升高座壁的内壁上，与变压器升高座壁垂直；托板上设置有与传感器支撑件相同数量、相同竖直方向位置、一一对齐的通孔：托板第一通孔与支撑件底部第一通孔对齐并连通；托板第二通孔与支撑件底部第二通孔对齐并连通；托板第三通孔与支撑件底部第三通孔对齐并连通；所述绝缘纸板有四个，所述电流互感器有三个，第四绝缘纸板放置于传感器支撑件上；第三电流互感器放置于第四绝缘纸板上，第三绝缘纸板放置于第三电流互感器上。第二电流互感器放置于第三绝缘纸板上，第二绝缘纸板放置于第二电流互感器上，第一电流互感器放置于第二绝缘纸板上，第一绝缘纸板放置于第一电流互感器上以形成交错堆叠设置，直至将托板与变压器升高座壁所围的空间在竖直方向上填满。
进一步的，所述的F-P超声传感器阵列至少包括第一F-P超声传感器、第二F-P超声传感器、第三F-P超声传感器、第四F-P超声传感器、光纤耦合器、光分路器与光纤。
进一步的，所述的第一F-P超声传感器、第二F-P超声传感器、第三F-P超声传感器与第四F-P超声传感器的最佳响应频段各不相同，组合起来覆盖检测20kHz～300kHz频段范围的超声波信号；第一F-P超声传感器、第二F-P超声传感器、第三F-P超声传感器与第四F-P超声传感器的光学声敏感元件为膜片或悬臂梁。
进一步的，所述的第一F-P传感器依次穿过支撑件底部第一通孔与托板第一通孔，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电；第二F-P传感器依次穿过支撑件底部第二通孔与托板第二通孔，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电；第三F-P传感器依次穿过支撑件底部第三通孔与托板第三通孔，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电；第一F-P超声传感器、第二F-P超声传感器与第三F-P超声传感器的光学声敏感元件在同一水平面上，且周围没有阻挡超声波信号传播的介质；第四F-P超声传感器穿入但不伸出支撑件周向外侧壁通孔，与套管CT部分垂直，用于测量变压器套管油中部分的局部放电；所述第一F-P超声传感器、第二F-P超声传感器、第三F-P超声传感器与第四F-P超声传感器通过光纤与光纤耦合器相接；所述光纤耦合器放置于支撑件周向外侧壁通孔的外侧壁入口处；各路支撑件周向外侧壁通孔放置的光纤耦合器通过光纤与光分路器相接；所述光分路器通过光纤与光纤接线端相接。
进一步的，所述的光纤接线端在电流互感器流入接线端与电流互感器流出接线端同侧，并嵌入安装于环氧树脂接线板上。
相比于现有技术，本发明提供的技术方案具有以下显著优点：
本发明通过在套管与电流互感器同轴结构中增设传感器支撑件，可实现在电力设备内部灵敏迅速地检测电力设备套管和本体的因局部放电所产生的20kHz～300kHz频段的超声波信号。一方面，本发明解决了F-P传感器植入电力设备内部的问题，能够在不破坏电力设备绝缘性能与气密性的前提下检测电力设备套管和本体的局部放电超声波信号。另一方面，对于需安装F-P超声传感器阵列的在役电力设备，本发明不需要增设安装孔或人孔等而引起密封面增加，技术升级不引入新隐患，且技术改造成本低。最后，本发明采用不同响应频率的F-P超声传感器组成的宽频传感器阵列，相比单一频段的F-P超声传感器，F-P超声传感器阵列能够覆盖检测20kHz～300kHz频带的局部放电超声波信号。
附图说明
图1为一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置示意图。
图中：1-1为第一绝缘纸板、1-2为第二绝缘纸板、1-3为第三绝缘纸板、1-4为第四绝缘纸板、2-1为第一电流互感器、2-2为第二电流互感器、2-3为第三电流互感器、3为传感器支撑件、4为托板、5为套管CT部分、6为F-P超声传感器阵列、7为光纤、8为光纤接线端、9-1为电流互感器流入接线端、9-2为电流互感器流出接线端、10为环氧树脂接线板、11为变压器升高座壁。
图2为打孔式传感器支撑件示意图。
图中：3-1为支撑件底部第一通孔、3-2为支撑件底部第二通孔、3-3为支撑件底部第三通孔、3-4为支撑件周向外侧壁通孔、12为中心圆形通孔。
图3为组装式传感器支撑件示意图。
图中：3-5为上支撑板、3-6为支撑插件、3-7为下支撑板。
图4为F-P超声传感器阵列及其装配方式示意图。
图中：4-1为托板第一通孔、4-2为托板第二通孔、4-3为托板第三通孔、6-1为F-P超声传感器、6-2为第二F-P超声传感器、6-3为第三F-P超声传感器、6-4为第四F-P超声传感器、6-5为光纤耦合器、6-6为光分路器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1-3所示，本发明的监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置包括传感器支撑件3、F-P超声传感器阵列6和光纤接线端8。
所述的传感器支撑件3为设有中心圆形通孔12的圆柱形支撑件，材料可采用层压木、层压纸板、环氧树脂、各种化工类人工合成固体材料等绝缘材料，也可以是钢铁材料、有色金属材料、各种合金或者不锈钢等材质。所述传感器支撑件3的结构可设计为打孔式传感器支撑件或组装式传感器支撑件，具体如下。
如图2所示，所述的打孔式传感器支撑件3的外侧壁设有沿半径方向与支撑件中心圆形通孔12连通的支撑件周向外侧壁通孔3-4。所述支撑件周向外侧壁通孔3-4可设置多个，形成支撑件侧壁通孔阵列，图2中仅以8个支撑件侧壁通孔为例作为示意。支撑件周向外侧壁通孔3-4沿半径方向设有垂直向下、与传感器支撑件3底面连通的支撑件底部第一通孔3-1、支撑件底部第二通孔3-2和支撑件底部第三通孔3-3。支撑件底部通孔的数量与形状可以是任意的，图2中仅以每个支撑件周向外侧壁通孔3-4中设置3个圆柱形通孔为例作为示意。
如图3所示，所述的组装式传感器支撑件3由上支撑板3-5、支撑插件3-6和下支撑板3-7组装而成。上支撑板3-5与下支撑板3-7之间通过支撑插件3-6进行连接。上支撑板3-5、支撑插件3-6和下支撑板3-7之间的组装空隙形成支撑件周向外侧壁通孔3-4。支撑件周向外侧壁通孔3-4可有多个，形成支撑件侧壁通孔阵列，图3中仅以8个支撑件侧壁通孔为例作为示意。支撑件周向外侧壁通孔3-4中，在下支撑板3-7的部分设有垂直向下的支撑件底部第一通孔3-1、支撑件底部第二通孔3-2和支撑件底部第三通孔3-3。支撑件底部通孔的数量与形状可以是任意的，图3中仅以每个支撑件周向外侧壁通孔3-4中设置3个圆柱形通孔为例作为示意。
所述的传感器支撑件3放置在托板4上。所述托板4焊接于变压器升高座壁11的内壁上，与变压器升高座壁11垂直。托板4上设置有与传感器支撑件3相同数量、相同竖直方向位置、一一对齐的通孔：支撑件底部第一通孔3-1与托板第一通孔4-1对齐并连通；支撑件底部第二通孔3-2与托板第二通孔4-2对齐并连通；支撑件底部第三通孔3-3与托板第三通孔4-3对齐并连通。第四绝缘纸板1-4放置于传感器支撑件3上。第三电流互感器2-3放置于第四绝缘纸板1-4上。第三绝缘纸板1-3放置于第三电流互感器2-3上。第二电流互感器2-2放置于第三绝缘纸板1-3上。第二绝缘纸板1-2放置于第二电流互感器2-2上。第一电流互感器2-1放置于第二绝缘纸板1-2上。第一绝缘纸板1-1放置于第一电流互感器2-1上。依此叠放，直至将托板4与变压器升高座壁11所围的空间在竖直方向上填满。绝缘纸板1-1、1-2、1-3和1-4，电流互感器2-1、2-2和2-3，传感器支撑件3与托板4的中心均设有圆形通孔。套管CT部分5从上至下穿过绝缘纸板1-1、1-2、1-3和1-4，电流互感器2-1、2-2和2-3，传感器支撑件3与托板4中心的圆形通孔。
如图4所示，所述F-P超声传感器阵列6至少包括第一F-P超声传感器6-1、第二F-P超声传感器6-2、第三F-P超声传感器6-3、第四F-P超声传感器6-4、光纤耦合器6-5、光分路器6-6与光纤7。
所述的第一F-P超声传感器6-1、第二F-P超声传感器6-2、第三F-P超声传感器6-3与第四F-P超声传感器6-4的最佳响应频段各不相同，组合起来可覆盖检测20kHz～300kHz频段范围的超声波信号。第一F-P超声传感器6-1、第二F-P超声传感器6-2、第三F-P超声传感器6-3与第四F-P超声传感器6-4的光学声敏感元件可以是膜片，也可以是悬臂梁。
F-P超声传感器阵列6与传感器支撑件3及托板4之间的装配方式为：第一F-P传感器6-1依次穿过传感器支撑件3的底部第一通孔3-1与托板第一通孔4-1，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电。第二F-P传感器6-2依次穿过传感器支撑件3的底部第二通孔3-2与托板第二通孔4-2，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电。第三F-P传感器6-3依次穿过传感器支撑件3的底部第三通孔3-3与托板第三通孔4-3，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电。第一F-P超声传感器6-1、第二F-P超声传感器6-2与第三F-P超声传感器6-3的光学声敏感元件在同一水平面上，且周围没有阻挡超声波信号传播的介质。第四F-P超声传感器6-4穿入但不伸出支撑件周向外侧壁通孔3-4，与套管CT部分5垂直，用于测量变压器套管油中部分的局部放电。所述第一F-P超声传感器6-1、第二F-P超声传感器6-2、第三F-P超声传感器6-3与第四F-P超声传感器6-4通过光纤与光纤耦合器6-5相接。所述光纤耦合器6-5放置于支撑件周向外侧壁通孔3-4的外侧壁入口处。各路支撑件周向外侧壁通孔3-4放置的光纤耦合器6-5通过光纤与光分路器6-6相接。所述光分路器6-6通过光纤7与光纤接线端8相接。
所述的光纤接线端8在电流互感器流入接线端9-1与电流互感器流出接线端9-2同侧，并嵌入安装于环氧树脂接线板10上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，包括传感器支撑件(3)、F-P超声传感器阵列(6)、光纤接线端(8)、托板(4)、套管CT部分(5)、绝缘纸板、电流互感器；所述传感器支撑件(3)为设有中心圆形通孔(12)的圆柱形支撑件，其周向外侧壁和底部均设有通孔，所述传感器支撑件(3)放置在所述托板(4)上方，其底部的通孔与托板(4)的通孔对齐并连通；绝缘纸板和电流互感器交错堆叠设置在所述传感器支撑件(3)的上方；所述托板(4)、绝缘纸板和电流互感器均设有中心圆形通孔，与传感器支撑件(3)的中心圆形通孔(12)对齐相通；套管CT部分(5)从上至下穿过交错堆叠的绝缘纸板和电流互感器、传感器支撑件(3)和托板(4)的中心圆形通孔；所述F-P超声传感器阵列(6)通过所述传感器支撑件(3)和所述托板(4)底部的通孔、所述传感器支撑件(3)周向外侧壁通孔连接光纤接线端(8)。
2.如权利要求1所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述传感器支撑件(3)为打孔式传感器支撑件或组装式传感器支撑件。
3.如权利要求2所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述传感器支撑件(3)采用层压木、层压纸板或化工类人工合成固体材料的绝缘材料，或采用有色金属材料或合金。
4.如权利要求2所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述的打孔式传感器支撑件的周向外侧壁设有沿半径方向与所述中心圆形通孔(12)连通的支撑件周向外侧壁通孔(3-4)，所述支撑件周向外侧壁通孔(3-4)设置多个，形成支撑件周向外侧壁通孔阵列；传感器支撑件底部设置有支撑件底部第一通孔(3-1)、支撑件底部第二通孔(3-2)和支撑件底部第三通孔(3-3)；支撑件周向外侧壁通孔(3-4)沿半径方向设有垂直向下、与传感器支撑件(3)底面连通的支撑件底部第一通孔(3-1)、支撑件底部第二通孔(3-2)和支撑件底部第三通孔(3-3)。
5.如权利要求2所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述的组装式传感器支撑件由上支撑板(3-5)、支撑插件(3-6)和下支撑板(3-7)组装而成；上支撑板(3-5)与下支撑板(3-7)之间通过支撑插件(3-6)进行连接；上支撑板(3-5)、支撑插件(3-6)和下支撑板(3-7)之间的组装空隙形成支撑件周向外侧壁通孔(3-4)；支撑件周向外侧壁通孔(3-4)为多个，形成支撑件周向外侧壁通孔阵列；下支撑板(3-7)设有垂直向下的、与支撑件周向外侧壁通孔(3-4)连通的支撑件底部第一通孔(3-1)、支撑件底部第二通孔(3-2)和支撑件底部第三通孔(3-3)。
6.如权利要求1所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述托板(4)焊接于变压器升高座壁(11)的内壁上，与变压器升高座壁(11)垂直；托板(4)上设置有与传感器支撑件(3)相同数量、相同竖直方向位置、一一对齐的通孔：托板第一通孔(4-1)与支撑件底部第一通孔(3-1)对齐并连通；托板第二通孔(4-2)与支撑件底部第二通孔(3-2)对齐并连通；托板第三通孔(4-3)与支撑件底部第三通孔(3-3) 对齐并连通；所述绝缘纸板有四个，所述电流互感器有三个，第四绝缘纸板(1-4) 放置于传感器支撑件(3)上；第三电流互感器(2-3) 放置于第四绝缘纸板(1-4)上，第三绝缘纸板(1-3)放置于第三电流互感器(2-3)上；第二电流互感器(2-2) 放置于第三绝缘纸板(1-3)上，第二绝缘纸板(1-2) 放置于第二电流互感器(2-2)上，第一电流互感器(2-1) 放置于第二绝缘纸板(1-2)上，第一绝缘纸板(1-1) 放置于第一电流互感器(2-1) 上以形成交错堆叠设置，直至将托板(4)与变压器升高座壁(11)所围的空间在竖直方向上填满。
7.如权利要求2所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述的F-P超声传感器阵列(6)至少包括第一F-P超声传感器(6-1)、第二F-P超声传感器(6-2)、第三F-P超声传感器(6-3)、第四F-P超声传感器(6-4)、光纤耦合器(6-5)、光分路器(6-6)与光纤(7)。
8.如权利要求7所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述的第一F-P超声传感器(6-1)、第二F-P超声传感器(6-2)、第三F-P超声传感器(6-3)与第四F-P超声传感器(6-4)的最佳响应频段各不相同，组合起来覆盖检测20kHz~300kHz频段范围的超声波信号；第一F-P超声传感器(6-1)、第二F-P超声传感器(6-2)、第三F-P超声传感器(6-3)与第四F-P超声传感器(6-4)的光学声敏感元件为膜片或悬臂梁。
9.如权利要求7所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述的第一F-P超声传感器(6-1)依次穿过传感器支撑件(3)的底部第一通孔(3-1)与托板第一通孔(4-1)，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电；第二F-P超声传感器(6-2)依次穿过传感器支撑件(3)的底部第二通孔(3-2)与托板第二通孔(4-2)，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电；第三F-P超声传感器(6-3)依次穿过传感器支撑件(3)的底部第三通孔(3-3)与托板第三通孔(4-3)，垂直伸入变压器油中，用于测量变压器本体的局部放电；第一F-P超声传感器(6-1)、第二F-P超声传感器(6-2)与第三F-P超声传感器(6-3)的光学声敏感元件在同一水平面上，且周围没有阻挡超声波信号传播的介质；第四F-P超声传感器(6-4)穿入但不伸出支撑件周向外侧壁通孔(3-4)，与套管CT部分(5)垂直，用于测量变压器套管油中部分的局部放电；所述第一F-P超声传感器(6-1)、第二F-P超声传感器(6-2)、第三F-P超声传感器(6-3)与第四F-P超声传感器(6-4)通过光纤与光纤耦合器(6-5)相接；所述光纤耦合器(6-5)放置于支撑件周向外侧壁通孔(3-4)的外侧壁入口处；各路支撑件周向外侧壁通孔(3-4)放置的光纤耦合器(6-5)通过光纤与光分路器(6-6)相接；所述光分路器(6-6)通过光纤(7)与光纤接线端(8)相接。
10.如权利要求1所述的一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，其特征在于，所述的光纤接线端(8)在电流互感器流入接线端 (9-1)与电流互感器流出接线端(9-2)同侧，并嵌入安装于环氧树脂接线板(10)上。
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