CN116148611A - 特高频与光学集成的传感装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特高频与光学集成的传感装置和系统，涉及信号传感与检测技术领域。装置包括特高频传感单元和光学传感单元；特高频传感单元的手孔盖板用于盖合到GIS设备的手孔上，特高频耦合器用于感应GIS设备内缺陷局部放电所产生的电磁信号，并产生特高频信号由电缆头输出；光学传感单元包括聚光透镜和感光元件，聚光透镜安装在特高频耦合器、绝缘垫层和手孔盖板上的安装通孔内，感光元件可拆卸地连接在聚光透镜的端部，聚光透镜用于汇聚GIS设备内缺陷产生的光，并由感光元件转化为电信号。该装置和系统将特高频传感和光学传感集成在一起，实现对GIS设备内缺陷更全面地感知和检测。

Description

特高频与光学集成的传感装置和系统

技术领域

本发明涉及信号传感与检测技术领域，具体而言，涉及一种特高频与光学集成的传感装置和系统。

背景技术

气体绝缘开关设备(英文名：gas insulated switchgear，简称：GIS)以其结构紧凑、占地面积小、安装方便、维护工作量小、环境适应能力强等优点，在大型水电站、超/特高压变电站、以及特高压直流换流站等电能生产与传输环节应用广泛，是大规模能源送出通道的重要节点。在GIS设备的实际运行中，绝缘故障时有发生，影响能源电力送出，危及电网安全稳定。

传统GIS状态监测通常仅从单一物理量的感知入手，单一传感技术存在监测盲区，对GIS绝缘表面缺陷、GIS机械缺陷等引起的突发性故障难以预警。

发明内容

本发明的目的包括提供一种特高频与光学集成的传感装置和系统，其将特高频传感和光学传感集成在一起，实现对GIS设备内缺陷更全面地感知和检测。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种特高频与光学集成的传感装置，装置用于安装到GIS设备的手孔中，装置包括特高频传感单元和光学传感单元；

特高频传感单元包括特高频耦合器、绝缘垫层、手孔盖板、馈电棒以及电缆头，特高频耦合器、绝缘垫层和手孔盖板依次层叠设置，手孔盖板用于盖合到手孔上、且将特高频耦合器置于手孔内，电缆头安装在手孔盖板远离特高频耦合器的一侧，馈电棒贯穿绝缘垫层和手孔盖板，馈电棒的一端连接到特高频耦合器，馈电棒的另一端连接到电缆头，特高频耦合器用于感应GIS设备内缺陷局部放电所产生的电磁信号，并产生特高频信号由电缆头输出；

光学传感单元包括聚光透镜、密封遮光块、端盖和感光元件，特高频耦合器、绝缘垫层和手孔盖板上开设有安装通孔，聚光透镜安装在安装通孔内，端盖连接在手孔盖板远离特高频耦合器的一侧，感光元件可拆卸地连接在聚光透镜的端部、且从端盖中伸出，密封遮光块安装在端盖内、且包覆聚光透镜与感光元件的连接处，聚光透镜用于汇聚GIS设备内缺陷产生的光，并由感光元件转化为电信号。

在可选的实施方式中，特高频传感单元还包括第一密封圈和第二密封圈，第一密封圈夹持在特高频耦合器与绝缘垫层之间，第二密封圈夹持在绝缘垫层与手孔盖板之间。

在可选的实施方式中，聚光透镜位于第一密封圈和第二密封圈的内部。

在可选的实施方式中，特高频耦合器、绝缘垫层和手孔盖板均为圆盘形状，特高频耦合器、绝缘垫层、手孔盖板、馈电棒以及电缆头均同轴线设置。

在可选的实施方式中，聚光透镜包括依次连接的半球形部、台型过渡段和圆柱段，安装通孔包括开设在特高频耦合器上的第一通孔、开设在绝缘垫层上的第二通孔和开设在手孔盖板上的第三通孔，半球形部配合在第一通孔中，台型过渡段配合在第二通孔中，圆柱段配合在第三通孔中。

在可选的实施方式中，第一通孔上远离绝缘垫层一端的开口的口径小于靠近绝缘垫层一端的开口的口径。

在可选的实施方式中，第二通孔的孔径从靠近特高频耦合器一端到另一端逐渐减小。

在可选的实施方式中，半球形部与台型过渡段的连接线位于特高频耦合器与绝缘垫层之间。

在可选的实施方式中，光学传感单元还包括保护盖，在感光元件从聚光透镜的端部拆卸后，保护盖可拆卸地安装在端盖上、以封闭端盖。

第二方面，本发明提供一种特高频与光学集成的传感系统，系统包括信号采集单元、交换机、智能分析诊断单元和至少一个前述实施方式的特高频与光学集成的传感装置，电缆头和感光元件均连接到信号采集单元，信号采集单元、交换机和智能分析诊断单元依次连接。

本发明实施例提供的特高频与光学集成的传感装置和系统的有益效果包括：

1.将特高频传感和光学传感集成在一起，结构紧凑，同时结合已有的GIS设备的手孔，避免在GIS设备上新开设传感器安装点，避免影响GIS设备整体的可靠性；

2.可以实现对GIS设备内缺陷的更全面的感知和检测，不同传感信号之间可以相互验证，有效避免因外部干扰带来的对检测信号的误判断；

3.采用可拆卸灵活布置的感光元件，一方面可以节省成本、减少设备运行维护量，另一方面可以避免GIS设备正常运行中开关开合燃弧产生的强烈光线对感光元件的损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的特高频与光学集成的传感装置的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的特高频与光学集成的传感装置的俯视结构示意图；

图3为光学传感单元所在部位的放大示意图；

图4为感光元件拆卸后的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的特高频与光学集成的传感系统的结构示意图。

图标：100-特高频与光学集成的传感装置；200-特高频与光学集成的传感系统；1-壳体；2-手孔；3-中心导体；4-特高频耦合器；5-第一密封圈；6-绝缘垫层；7-第二密封圈；8-手孔盖板；9-馈电棒；10-电缆头；11-聚光透镜；12-半球形部；13-台型过渡段；14-圆柱段；15-密封遮光块；16-感光元件；17-端盖；18-预留孔；19-第三密封圈；20-保护盖；21-信号采集单元；22-交换机；23-智能分析诊断单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，GIS设备包括壳体1和中心导体3，中心导体3安装在壳体1内，壳体1上开设有手孔2。

本实施例提供了一种特高频与光学集成的传感装置100(以下简称：装置)，装置用于安装到GIS设备的手孔2中，装置包括特高频传感单元和光学传感单元。

其中，特高频传感单元包括特高频耦合器4、绝缘垫层6、手孔盖板8、馈电棒9、电缆头10、第一密封圈5和第二密封圈7。其中，绝缘垫层6采用环氧树脂浇注形成。

具体的，特高频耦合器4、绝缘垫层6和手孔盖板8依次层叠设置，绝缘垫层6使特高频耦合器4与手孔盖板8之间实现电绝缘。特高频耦合器4、绝缘垫层6和手孔盖板8均为圆盘形状，绝缘垫层6的两侧均开设有凹槽，第一密封圈5夹持在特高频耦合器4与绝缘垫层6之间、且位于凹槽内，第二密封圈7夹持在绝缘垫层6与手孔盖板8之间、且位于凹槽内。第一密封圈5和第二密封圈7能够保证GIS设备内高压气体不外漏。

手孔盖板8用于盖合到手孔2上、且将特高频耦合器4置于手孔2内，电缆头10安装在手孔盖板8远离特高频耦合器4的一侧，馈电棒9贯穿绝缘垫层6和手孔盖板8，绝缘垫层6中安装馈电棒9的通孔的孔径略大于馈电棒9的直径。馈电棒9为金属导体。馈电棒9的一端连接到特高频耦合器4，馈电棒9的另一端连接到电缆头10，电缆头10构成特高频传感单元的输出端口。特高频耦合器4、绝缘垫层6、手孔盖板8、馈电棒9以及电缆头10均同轴线设置。

特高频耦合器4用于感应GIS设备内缺陷局部放电所产生的电磁信号，并产生特高频信号由电缆头10输出。

其中，光学传感单元包括聚光透镜11、密封遮光块15、端盖17和感光元件16。感光元件16可以是光电倍增管或红外信号监测器件。

具体的，特高频耦合器4、绝缘垫层6和手孔盖板8上开设有安装通孔，聚光透镜11安装在安装通孔内。

端盖17连接在手孔盖板8远离特高频耦合器4的一侧，感光元件16可拆卸地连接在聚光透镜11的端部、且从端盖17的预留孔18中伸出，密封遮光块15安装在端盖17内、且包覆聚光透镜11与感光元件16的连接处，聚光透镜11用于汇聚GIS设备内缺陷产生的光，并由感光元件16转化为电信号，使聚光透镜11形成的光路从GIS设备内部贯通至GIS设备外部。

请查阅图2，聚光透镜11位于第一密封圈5和第二密封圈7的内部。由于聚光透镜11的尺寸相对特高频耦合器4而言较小，在特高频耦合器4上局部开孔，不会引起特高频传感特性明显的改变，特高频传感单元依然具有较好的特高频信号检测效果。

请查阅图3，聚光透镜11由良好导光材质(如高纯度石英玻璃、塑料等)制成，具有较好的导光特性。聚光透镜11包括依次连接的半球形部12、台型过渡段13和圆柱段14，其中，半球形部12具有圆弧面，可以使得GIS设备内缺陷产生的光从不同角度入射聚光透镜11，并在聚光透镜11内部汇集，并顺着聚光透镜11后端的圆柱段14传导到GIS设备外，被感光元件16接受并转换为电信号。

安装通孔包括开设在特高频耦合器4上的第一通孔、开设在绝缘垫层6上的第二通孔和开设在手孔盖板8上的第三通孔，半球形部12配合在第一通孔中，台型过渡段13配合在第二通孔中，圆柱段14配合在第三通孔中。

台型过渡段13与绝缘垫层6之间还在有第三密封圈19。密封遮光块15为圆柱形，密封遮光块15上开设有第四通孔，第四通孔与感光元件16过盈配合，可保证密封遮光块15对外部光线的良好遮挡，避免GIS设备外部光影响感光元件16的测量。密封遮光块15可以采用黑色泡沫材料制作，具有良好的遮光特性并且具有一定程度的弹性。

第一通孔上远离绝缘垫层6一端的开口的口径小于靠近绝缘垫层6一端的开口的口径。第二通孔的孔径从靠近特高频耦合器4一端到另一端逐渐减小。半球形部12与台型过渡段13的连接线位于特高频耦合器4与绝缘垫层6之间。

这样，在组装过程中，先将手孔盖板8和绝缘垫层6叠放，再放置聚光透镜11，接着放置特高频耦合器4，紧固特高频耦合器4上的螺栓，压紧聚光透镜11，从而使聚光透镜11安装稳固。

请查阅图4，光学传感单元还包括保护盖20，在感光元件16从聚光透镜11的端部拆卸后，保护盖20可拆卸地安装在端盖17上、以封闭端盖17上的预留孔18，形成密封防水保护结构，避免内部密封遮光块15和聚光透镜11受外部环境侵蚀。

由于光电倍增管等感光元件16成本较高，容易损坏，不利于维护；且GIS设备内隔离开关和断路器等开关气室的开断燃弧将产生较强的光，强烈的弧光将损坏感光元件16。因此，基于成本和后期使用维护考虑，感光元件16设计为可拆卸方式。装置安装在GIS设备上，平时只将特高频信号引出，接入监测后台，光学传感单元的感光元件16不接入，将保护盖20安装上(请查阅图4)。

当特高频传感单元监测到异常信号，或进行常规例行带电检测时，将保护盖20取下，将感光元件16从预留孔18伸入密封遮光块15上的第四通孔内，感光元件16的前端感光部分与聚光透镜11的端部导光部分接触，感光元件16的输出端接入监测后台。

感光元件16可拆卸，除了可安装用于检测局部放电光信号的光电倍增管外，还可用于安装可用于监测红外信号的感光器件。GIS内某些机械缺陷(如导体接触不良等)可能不表现出局部放电，但接触不良可能引起导体严重发热，辐射红外，通过该光传感结构也可实现对该类机械缺陷的有效检测。

请查阅图5，本实施例还提供一种特高频与光学集成的传感系统200(以下简称：系统)，系统包括信号采集单元21、交换机22、智能分析诊断单元23和至少一个前述实施方式的特高频与光学集成的传感装置100，图5中画出了两个特高频与光学集成的传感装置100，电缆头10和感光元件16均连接到信号采集单元21，信号采集单元21、交换机22和智能分析诊断单元23依次连接。

具体的，特高频与光学集成的传感装置100通过同轴电缆连接至信号采集单元21的输入端口，信号采集单元21具有至少两个输入通道，采样带宽大于500MHz。信号采集单元21通过光纤连接至交换机22，交换机22通过网线连接至智能分析诊断单元23，由智能分析诊断单元23对各监测信号进行分析、诊断和显示。

本实施例提供的特高频与光学集成的传感装置100和系统的有益效果包括：

1.将特高频传感和光学传感集成在一起，结构紧凑，同时利用已有的GIS设备的手孔2安装特高频与光学集成的传感装置100，避免在GIS设备上新开设传感器安装点，不会带来额外的GIS设备本体结构改变，无论对已有的存量GIS设备改造，还是新增GIS设备，均具有安装和使用方便的优点，避免影响GIS设备整体的可靠性；

2.可以实现对GIS设备内缺陷的更全面的感知和检测，不同传感信号之间可以相互验证，有效避免因外部干扰带来的对检测信号的误判断；

3.采用可拆卸灵活布置的感光元件16，一方面可以节省成本、减少设备运行维护量，另一方面可以避免GIS设备正常运行中开关开合燃弧产生的强烈光线对感光元件16的损坏。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述装置用于安装到GIS设备的手孔(2)中，所述装置包括特高频传感单元和光学传感单元；

所述特高频传感单元包括特高频耦合器(4)、绝缘垫层(6)、手孔盖板(8)、馈电棒(9)以及电缆头(10)，所述特高频耦合器(4)、所述绝缘垫层(6)和所述手孔盖板(8)依次层叠设置，所述手孔盖板(8)用于盖合到所述手孔(2)上、且将所述特高频耦合器(4)置于所述手孔(2)内，所述电缆头(10)安装在所述手孔盖板(8)远离所述特高频耦合器(4)的一侧，所述馈电棒(9)贯穿所述绝缘垫层(6)和所述手孔盖板(8)，所述馈电棒(9)的一端连接到所述特高频耦合器(4)，所述馈电棒(9)的另一端连接到所述电缆头(10)，所述特高频耦合器(4)用于感应GIS设备内缺陷局部放电所产生的电磁信号，并产生特高频信号由所述电缆头(10)输出；

所述光学传感单元包括聚光透镜(11)、密封遮光块(15)、端盖(17)和感光元件(16)，所述特高频耦合器(4)、所述绝缘垫层(6)和所述手孔盖板(8)上开设有安装通孔，所述聚光透镜(11)安装在所述安装通孔内，所述端盖(17)连接在所述手孔盖板(8)远离所述特高频耦合器(4)的一侧，所述感光元件(16)可拆卸地连接在所述聚光透镜(11)的端部、且从所述端盖(17)中伸出，所述密封遮光块(15)安装在所述端盖(17)内、且包覆所述聚光透镜(11)与所述感光元件(16)的连接处，所述聚光透镜(11)用于汇聚GIS设备内缺陷产生的光，并由所述感光元件(16)转化为电信号。

2.根据权利要求1所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述特高频传感单元还包括第一密封圈(5)和第二密封圈(7)，所述第一密封圈(5)夹持在所述特高频耦合器(4)与所述绝缘垫层(6)之间，所述第二密封圈(7)夹持在所述绝缘垫层(6)与所述手孔盖板(8)之间。

3.根据权利要求2所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述聚光透镜(11)位于所述第一密封圈(5)和所述第二密封圈(7)的内部。

4.根据权利要求1所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述特高频耦合器(4)、所述绝缘垫层(6)和所述手孔盖板(8)均为圆盘形状，所述特高频耦合器(4)、所述绝缘垫层(6)、所述手孔盖板(8)、所述馈电棒(9)以及所述电缆头(10)均同轴线设置。

5.根据权利要求1所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述聚光透镜(11)包括依次连接的半球形部(12)、台型过渡段(13)和圆柱段(14)，所述安装通孔包括开设在所述特高频耦合器(4)上的第一通孔、开设在所述绝缘垫层(6)上的第二通孔和开设在所述手孔盖板(8)上的第三通孔，所述半球形部(12)配合在所述第一通孔中，所述台型过渡段(13)配合在所述第二通孔中，所述圆柱段(14)配合在所述第三通孔中。

6.根据权利要求5所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述第一通孔上远离所述绝缘垫层(6)一端的开口的口径小于靠近所述绝缘垫层(6)一端的开口的口径。

7.根据权利要求5所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述第二通孔的孔径从靠近所述特高频耦合器(4)一端到另一端逐渐减小。

8.根据权利要求5所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述半球形部(12)与所述台型过渡段(13)的连接线位于所述特高频耦合器(4)与所述绝缘垫层(6)之间。

9.根据权利要求1所述的特高频与光学集成的传感装置，其特征在于，所述光学传感单元还包括保护盖(20)，在所述感光元件(16)从所述聚光透镜(11)的端部拆卸后，所述保护盖(20)可拆卸地安装在所述端盖(17)上、以封闭所述端盖(17)。

10.一种特高频与光学集成的传感系统，其特征在于，所述系统包括信号采集单元(21)、交换机(22)、智能分析诊断单元(23)和至少一个权利要求1所述的特高频与光学集成的传感装置，所述电缆头(10)和所述感光元件(16)均连接到所述信号采集单元(21)，所述信号采集单元(21)、所述交换机(22)和所述智能分析诊断单元(23)依次连接。

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