CN114518474A - 一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：所述装置包括遮光法兰(1)、光学传感器(2)、固定单元(3)和连接单元(4)；其中，所述遮光法兰(1)为中空圆筒形状，与GIS设备观察窗口形状匹配，并扣设与观察窗口(5)的外部，以实现对干扰自然光的屏蔽；所述光学传感器(2)设置于所述遮光法兰(1)的筒底内部，通过固定单元(3)与所述遮光法兰(1)实现固定连接；所述连接单元(4)一体化集成于所述遮光法兰(1)的筒底，以实现所述光学传感器(2)与外部供电和通信设备之间的连接。本发明方法简单、设计巧妙，利用光学阵列能够并行同时采集观察窗口各个位置上的局放光信号，同时最大程度上降低了外界干扰信号的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备领域，更具体地，涉及一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置及方法。
背景技术
目前，气体绝缘开关设备(GIS，Gas Insulated Switchgear)由于体积小、维护便捷、可靠性高、检修周期长及环境适应能力强等优点，得到了电力行业的普遍认可，并被广泛地应用于变电站中。作为变电站中的主要设备之一，气体绝缘开关设备，能够将隔离开关、断路器、接地开关、互感器、避雷器和母线等设备密闭于一个接地的金属外壳内，并通过壳内的六氟化硫气体实现良好的绝缘和灭弧。
随着GIS设备装机容量的升高和运行时间的增长，GIS设备不可避免的将会发生各种异常和故障问题。而由于GIS设备的内部密封性，当设备内部发生异常时，常常难以发现，且即使发现了设备异常也难以维修，即使启动了维修，也存在着维修时间长、费用高、影响大、消耗高等问题。因此，现有技术中针对GIS设备的运维方法仍然经常使得GIS设备中存在着大量的“欠修”和“过修”问题。
现有技术中，GIS设备的局部放电通常会伴随着热，声，光，电磁等物理特征，根据这些物理特征，现有技术中衍生出了多种GIS设备局部放电检测方法，目前使用较多的有高频电流法、特高频法以及超声波法等。在上述方法中，光学检测手段作为一种非常本征的检测手段能够准确的获取局放故障信号的本征属性，且具有很强的抗电磁干扰能力。同时，由于光速可以达到3×108m/s，所以光测法也能够实时且快速的反映局部放电故障的具体情况。进而，通过光测法对GIS内部设备状态进行实时的检测，相对于其他检测方法来说具备了时效性高、准确性高的特点，能够大幅提高电力系统的可靠性。
然而，目前对光测法的研究寥寥无几，且主要集中于实验室研究。这是因为，传统光测法所采用的传感器主要为光电倍增管(PMT，Photo Multiplier Tube)，这类传感器虽然具有较高的精确度和灵敏度，能够充分满足光测法在接收到光学信号后对局放信息的还原，但是其体积较大、驱动电压高且造价昂贵，很难用于现场的局放检测当中。
另一方面，部分现有技术中采用体积很小的微光传感器设置于GIS设备的内部实现对局放数据的检测。例如，专利文献CN107884690A中公开了一种基于微光传感器的GIS开关局放在线监测系统及方法，并具体公开了通过在GIS柜壁上开孔安装微光传感器，确保不破坏开关柜的密闭性，光信号通过微光传感器、塑料光纤传送至光电转换模块。然而，由于微光传感器本身的光信号检测精度不够高，难以充分还原出局放故障的具体信息。因此，为了保证其采集到的光信号尽可能准确有效，就必须将微光传感器设置在GIS柜壁内部，以最大程度上采集有效信号，并屏蔽外接的自然光。但是，GIS设备的柜壁开孔不仅会导致GIS设备的安全性能、设备的使用寿命的降低，也增大了装置本身的安装难度。由于不同厂家的光学检测设备的尺寸也各不相同，这也增加了各类GIS设备柜壁开孔和光学检测设备安装的难度。另外，GIS设备内部的强电磁干扰也同样会对传感器造成干扰，因此限制了传感器的选型。
针对上述问题，本发明提供了一种新的基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置及方法。
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，提供一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置及方法，通过遮光法兰将超敏感光学阵列与GIS设备的观察窗口保持相对位置固定，并充分屏蔽外界自然光的干扰，从而确保了多路信号的同时采集，以及光信号的准确性。
本发明采用如下的技术方案。
本发明第一方面，涉及一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，装置包括遮光法兰1、光学传感器2、固定单元3和连接单元4；其中，遮光法兰1为中空圆筒形状，与GIS设备观察窗口形状匹配，并扣设与观察窗口5的外部，以实现对干扰自然光的屏蔽；光学传感器2设置于遮光法兰1的筒底内部，通过固定单元3与遮光法兰1实现固定连接；连接单元4一体化集成于所述遮光法兰1的筒底，以实现光学传感器2与外部供电和通信设备之间的连接。
优选的，遮光法兰1的筒状侧壁远离所述筒底的一侧上，间隔均匀的设置有多个螺旋通孔；遮光法兰1的筒底内侧设置有多个螺旋凹槽，且其位置与光学传感器2形状匹配。
优选的，固定单元3中包括多个观察窗口螺栓，观察窗口螺栓的数量与遮光法兰1中多个螺旋通孔的数量相同；当螺栓穿过螺旋通孔拧紧时，将遮光法兰1卡设于观察窗口的突出于GIS设备的侧壁外部。
优选的，光学传感器2为超敏感光学阵列，其边缘设置有导通上、下表面的固定通孔，上表面用于感应光学信号，下表面上设置有传感信号收发单元和电源接收端口。
优选的，固定单元3中包括多个传感器螺栓，传感器螺栓依次穿过光学传感器2的固定通孔和所述螺旋凹槽后，实现光学传感器2与遮光法兰1的相对位置固定。
优选的，光学传感器2的上表面朝向GIS设备的法兰窗口固定。
优选的，连接单元4与光学传感器2的下表面上的传感信号收发端口和电源接收端口位置匹配，且相互连接。
优选的，连接单元4位于遮光法兰1的外部一侧以插座形式实现，且符合航空插头的连接标准。
优选的，光学传感器2的供电和信号接收主机通过航空插头、连接单元4实现与光学传感器2的连接。
10、一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集方法，其中，方法采用如本发明第一方面中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置实现。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置及方法，能够通过遮光法兰将超敏感光学阵列与GIS设备的观察窗口保持相对位置固定，并充分屏蔽外界自然光的干扰，从而确保了多路信号的同时采集，以及光信号的准确性。本发明方法简单、设计巧妙，利用光学阵列能够并行同时采集观察窗口各个位置上的局放光信号，同时最大程度上降低了外界干扰信号的影响。
本发明的有益效果还包括：
1、本发明方法无需在GIS设备的柜壁上开孔，能够在GIS设备保持原始封闭状态的情况下，准确的采集到光信号。使用、安装非常方便，能够容易的适配于各种不同类型的光学阵列传感器，降低了传感器的选型限制。
2、采用光学阵列传感器对同一个观察窗口下、相同环境中的光信号进行并行多路采集，使得采集得到的信号具备充分的冗余性，从而为光信号的后期处理算法和局放事件的还原方式上提供了充分的有效数据，便利于结合各类智能算法，实现对局放故障的准确还原。
3、设置于观察窗口外部的光学阵列传感器，在采集光信号时，即不会受到GIS设备内部强电磁干扰的影响，又在遮光法兰的保护下，防止了外界自然光的屏蔽，极大程度上提高了光信号采集的准确性。
附图说明
图1为本发明现有技术中一种GIS设备外部观察窗口的示意图；
图2为本发明一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置的正方向示意图；
图3为本发明一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置的侧方向剖面示意图。
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。
图1为本发明现有技术中一种GIS设备外部观察窗口的示意图。如图1所示，现有技术中，经常采用GIS设备，也就是气体绝缘开关设备作为变电站中各种开关、断路器等元件的屏蔽装置。
为了方便电力系统运维人员对于电力元件的运行状态的观察和维护，通常GIS设备上会开设有多个观察窗口，该观察窗口通过法兰方式实现于GIS柜壁的连接，在必要检修时，运维人员会开启窗口实现对内部元件的调节。但是大多数情况下，GIS设备内部，及其观察窗口是与外界封闭隔离的，从而保证了外部环境的安全，和内部设备的稳定运行。
图2为本发明一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置的正方向示意图。如图2所示，本发明方法中，希望通过不开启GIS设备的观察窗口就实现对GIS局放光信号的检测。具体来说，本发明涉及一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其中，装置包括遮光法兰1、光学传感器2、固定单元3和连接单元4；遮光法兰1为中空圆筒形状，与GIS设备观察窗口形状匹配，并扣设与观察窗口的外部，以实现对干扰自然光的屏蔽；光学传感器2设置于遮光法兰1的筒底内部，通过固定单元3与遮光法兰1实现固定连接；连接单元4一体化集成于遮光法兰1的筒底，以实现光学传感器2与外部供电和通信设备之间的连接。
本发明中的遮光法兰1，是设置于GIS设备观察窗口法兰外部的另外一个法兰设备。器能够通过螺栓的方式实现与观察窗口结构的固定。另外，传感器置于遮光法兰的筒底，一边通过遮光法兰与供电端口和通信端口连接，另一边则平行于观察窗口的外表面，实现相同环境下多路光信号的同时采集。由于传感器、观察窗口整个位于遮光法兰1的内部，因此充分屏蔽了外接自然光，且容易安装和拆卸。
优选的，遮光法兰1的筒状侧壁远离所述筒底的一侧上，间隔均匀的设置有多个螺旋通孔；遮光法兰1的筒底内侧设置有多个螺旋凹槽，且其位置与光学传感器2形状匹配。
可以理解的是，本发明中的遮光法兰上设置的螺旋通孔，用于实现遮光法兰与观察窗口外壁的固定连接。而其底部的螺旋凹槽则用来装设光学传感器2。
优选的，固定单元3中包括多个观察窗口螺栓，观察窗口螺栓的数量与遮光法兰1中多个螺旋通孔的数量相同；当螺栓穿过螺旋通孔拧紧时，将遮光法兰1卡设于观察窗口的突出于GIS设备的侧壁外部。
本发明中的观察窗口螺栓，其尺寸与螺旋通孔匹配，且其长度可以调节，从而更加便利的适配于多种不同尺寸的观察窗口。同时在遮光法兰1与观察窗口固定后在遮光法兰1的外部经过简单的处理还可以实现更为良好的遮光。或者，在遮光法兰的筒体内部远离筒体一侧也可以设置其他的遮光方式。
优选的，光学传感器2为超敏感光学阵列，其边缘设置有导通上、下表面的固定通孔，上表面用于感应光学信号，下表面上设置有传感信号收发单元和电源接收端口。
本发明中所采用的光学传感器是采集信号数量最多、采集灵敏度准确度最高的光学阵列。相对于现有技术中，对电磁干扰屏蔽和尺寸要求较高的微光传感器，本发明中可以采用更为准确的方式，采集观察窗口外的信号。另外，对于光学阵列的尺寸、形状等并不做过多的特殊要求。
本发明一实施例中，光学阵列可以为雪崩光电二极管阵列，该阵列可以具有超高的单管子探测灵敏度，其尺寸极小，集成化程度高，电路简单。现有技术中存在单片变长小于2mm的阵列结构。另外，该二极管阵列探测波段范围较宽，等效像素尺寸小，成像分辨率高，电子快门的重复频率高，完全符合对于局放光信号采集和处理的要求。
优选的，固定单元3中包括多个传感器螺栓，传感器螺栓依次穿过光学传感器2的固定通孔和螺旋凹槽后，实现光学传感器2与遮光法兰1的相对位置固定。光学传感器2的上表面朝向GIS设备的法兰窗口固定。
一般情况下，现有技术中的光学阵列均为片状，其电路板边缘通常自带固定通孔，实现与其他元件的固定。因此，本发明中可以采用各种类型的光学阵列，并简单调整遮光法兰1中螺旋凹槽的位置，使得光学阵列的物理中心与所述圆柱形筒底的物理中心重合，从而使光学阵列，充分采集圆形观察窗口中每一个位置上的光信号。
优选的，连接单元4与光学传感器2的下表面上的传感信号收发端口和电源接收端口位置匹配，且相互连接。
需要特殊设计的是，光学阵列的下表面的一定位置上，应当包括电源接收端口和光信号收发端口。通常，根据集成电路的设计规范，这些端口可以只以金属线的形式存在于光学阵列的下表面的固定位置上即可。
由于本发明具有连接单元4，可以将光学阵列的下表面与连接单元实现接触，从而实现导电和信号传输。
优选的，连接单元4位于遮光法兰1的外部一侧以插座形式实现，且符合航空插头的连接标准。光学传感器2的供电和信号接收主机通过航空插头、连接单元4实现与光学传感器2的连接。
本发明中，连接单元4的另外一侧可以以一定的方式实现与光学传感器控制主机之间的电连接。这种连接方式可以以现有技术的标准实现，例如可以将连接单元4的外侧制作成航空插座的形式。因此，控制主机通过标准的航空插头就可以实现与本发明装置中的光学传感器实现连接。
本发明第二方面，涉及一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集方法，其中，方法采用本发明第一方面中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置实现。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置及方法，能够通过遮光法兰将超敏感光学阵列与GIS设备的观察窗口保持相对位置固定，并充分屏蔽外界自然光的干扰，从而确保了多路信号的同时采集，以及光信号的准确性。本发明方法简单、设计巧妙，利用光学阵列能够并行同时采集观察窗口各个位置上的局放光信号，同时最大程度上降低了外界干扰信号的影响。
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 (10)
1.一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述装置包括遮光法兰(1)、光学传感器(2)、固定单元(3)和连接单元(4)；其中，
所述遮光法兰(1)为中空圆筒形状，与GIS设备观察窗口形状匹配，并扣设与观察窗口(5)的外部，以实现对干扰自然光的屏蔽；
所述光学传感器(2)设置于所述遮光法兰(1)的筒底内部，通过固定单元(3)与所述遮光法兰(1)实现固定连接；
所述连接单元(4)一体化集成于所述遮光法兰(1)的筒底，以实现所述光学传感器(2)与外部供电和通信设备之间的连接。
2.根据权利要求1中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述遮光法兰(1)的筒状侧壁远离所述筒底的一侧上，间隔均匀的设置有多个螺旋通孔；
所述遮光法兰(1)的所述筒底内侧设置有多个螺旋凹槽，且其位置与所述光学传感器(2)形状匹配。
3.根据权利要求2中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述固定单元(3)中包括多个观察窗口螺栓，所述观察窗口螺栓的数量与所述遮光法兰(1)中多个螺旋通孔的数量相同；
当所述螺栓穿过所述螺旋通孔拧紧时，将所述遮光法兰(1)卡设于所述观察窗口的突出于所述GIS设备的侧壁外部。
4.根据权利要求3中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述光学传感器(2)为超敏感光学阵列，其边缘设置有导通上、下表面的固定通孔，上表面用于感应光学信号，下表面上设置有传感信号收发单元和电源接收端口。
5.根据权利要求4中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述固定单元(3)中包括多个传感器螺栓，所述传感器螺栓依次穿过所述光学传感器(2)的固定通孔和所述螺旋凹槽后，实现所述光学传感器(2)与所述遮光法兰(1)的相对位置固定。
6.根据权利要求5中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述光学传感器(2)的上表面朝向所述GIS设备的法兰窗口固定。
7.根据权利要求6中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述连接单元(4)与所述光学传感器(2)的下表面上的传感信号收发端口和电源接收端口位置匹配，且相互连接。
8.根据权利要求7中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述连接单元(4)位于所述遮光法兰(1)的外部一侧以插座形式实现，且符合航空插头的连接标准。
9.根据权利要求8中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置，其特征在于：
所述光学传感器(2)的供电和信号接收主机通过航空插头、所述连接单元(4)实现与所述光学传感器(2)的连接。
10.一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集方法，其特征在于：
所述方法采用权利要求1-9任意一项中所述的一种基于超敏感光学阵列的局放信号采集装置实现。
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