CN202631680U

CN202631680U - 一种实现开关柜闪弧检测的光学传感器

Info

Publication number: CN202631680U
Application number: CN 201220214525
Authority: CN
Inventors: 陈应林; 李从飞
Original assignee: NANJING HONGYI ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: NANJING HONGYI ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2022-05-14

Abstract

本实用新型公开了一种实现开关柜闪弧检测的光学传感器，能够有效检测开关柜出线或母线发生短路故障时产生的电弧光并将其转换为电信号输出。本实用新型提供的光学传感器，包括光采集镜头、光电转换器和塑料光纤，塑料光纤的两端设有ST连接器，所述塑料光纤通过ST连接器与光采集镜头和光电转换器相连。由于光采集镜头为无源器件，与有源的光电转换部分之间采用塑料光纤连接，不会对开关柜的一次设备产生影响；光采集镜头可有效滤除其它光源的干扰；传感器只有在光电转换部分才有电信号，其余均为光信号，可有效避免开关柜中开关动作时产生的电磁干扰；通过设置瞬变二极管达到的防静电设计，提高器件可靠性，并能适应各种装配、使用环境。

Description

一种实现开关柜闪弧检测的光学传感器

技术领域

本实用新型涉及属于光学传感领域，特别涉及一种应用于电力系统开关柜闪弧监测的光学传感器。

背景技术

中、低压开关柜适用于发电厂、石油、化工、冶金、纺织、高层建筑等行业，作为输电、配电及电能转换之用。近些年来，全国中低压开关柜事故不断，究其原因，往往是当出线或母线发生单相接地故障时，由于接地点容性电流较大，接地点电弧不能完全熄灭，导致电弧反复重燃；又由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过流速断整定值而不能快速动作切断故障，而其它设备绝缘水平较低导致迅速发展为相间短路，电弧持续燃烧释放出巨大的能量，从而造成开关柜被严重烧毁的灾难性的后果。开关柜的闪弧故障，如果没有得到及时清除，发展为中压母线故障，带来的危害是非常严重的。

中压开关柜闪弧导致的电网设备损坏和停电事故不仅造成了相当大的经济损失，还严重地影响了电网的安全稳定运行，从而直接威胁变电所正常运行和运行人员的安全。因此研究闪弧检测的光学传感器，进而安装有效的继电保护，解决闪弧问题，对于提高电力系统的安全、稳定性，降低经济损失有很大的意义。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种光学传感器，能够有效检测开关柜出线或母线发生短路故障时产生的电弧光并将其转换为电信号输出。

本实用新型提供如下技术方案：

一种实现开关柜闪弧检测的光学传感器，包括光采集镜头、光电转换器和塑料光纤，塑料光纤的两端设有ST连接器，所述塑料光纤通过ST连接器与光采集镜头和光电转换器相连；所述光采集镜头包括被封装在光采集镜头封装底座中的平凸透镜、频率提取器、波长转换器、聚焦镜头；所述光电转换器包括封装在光电转换器封装底座上的聚焦透镜和光电二极管芯片；所述塑料光纤包括塑料光纤纤芯、覆盖在所述纤芯外的塑料光纤内层防护层以及覆盖在所述内层防护层外的塑料光纤外层防护层。

作为一种优选，所述平凸透镜上覆盖涂有至少一层透明介质材料的薄膜。

作为一种改进，所述光电转换器中还包括与光电二极管芯片并联的瞬变二极管。

作为一种优选，所述聚焦镜头将光信号聚焦在光电二极管芯片表面。

作为一种改进，还包括与光采集镜头连接的安装底座。

作为一种优选，所述安装底座包括彼此之间活动连接的安装底座固定部分和安装底座活动部分。

作为一种优选，所述安装底座固定部分和安装底座活动部分之间连接方式为齿轮状咬合连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

1. 光采集镜头为无源器件，与有源的光电转换部分之间采用塑料光纤连接，不会对开关柜的一次设备产生影响；

2. 光采集镜头只采集弧光中的特定波段，即波段为380nm～450nm的光信号，可有效滤除其它光源，如闪电、太阳等自然光源和电筒、红外测温器等人造光源的干扰；

3. 平凸透镜表面涂装的透明介质材料的薄膜，增加了特定波段光线的透过率；

4. 光电转换器经光纤长距离隔离后，不会主动或被动改变开关柜内的电磁环境，因此传感器只有在光电转换部分才有电信号，其余均为光信号，可有效避免开关柜中开关动作时产生的电磁干扰；

5. 聚焦镜头设计，能有效增加光电转换器的转换效率。

6. 通过设置瞬变二极管达到的防静电设计，提高器件可靠性，并能适应各种装配、使用环境。

7. 无死区设计：底座活动部分可在X轴空间平面上进行180°范围内转动，底座固定部分可在Y轴安装平面上360°范围内进行固定，两者结合，可保证底座活动部分可对准任意位置和角度，活动范围为半球型；

8. 防松设计：底座活动部分与固定部分接合面设计有咬合面，咬合面形状和工作方式类似齿轮，安装完毕后底座活动部分与固定部分如齿轮般咬合，有效保证震动环境下对准位置不发生位移。

附图说明

图1为本实用新型提供的光学传感器的结构示意图；

图2为安装底座结构侧视图；

图3为安装底座结构俯视图。

附图标明列表：

1- 平凸透镜， 2-频率提取器，

3-波长转换器， 4-聚焦镜头，

5-塑料光纤纤芯， 6-塑料光纤内层防护层，

7-塑料光纤外层防护层， 8-聚焦透镜，

9-光电二极管芯片， 10-瞬变二极管，

11-光采集镜头封装底座， 12-光电转换器封装底座，

14-安装底座活动部分， 15-采集镜头安装位置，

16-紧固件， 17-底座安装螺丝固定位置，

18-安装底座固定部分， 19-底座活动部分齿轮状咬合面，

20-底座固定部分齿轮状咬合面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本实用新型提供的光学传感器包括光采集镜头、光电转换器、以及连接光采集镜头与光电转换器的塑料光纤。其中，采集镜头包括平凸透镜1、频率提取器2、波长转换器3、聚焦镜头4和光采集镜头封装底座11，所述采集镜头中的部件利用胶体被封装在ST标准接口的光采集镜头封装底座11中。平凸透镜1的作用在于增大采集镜头的感光角度和面积，使更多被测光源的光线能够通过平凸透镜聚焦在频率提取换器上；平凸透镜表面优选涂一层透明介质材料的薄膜，以增加特定波段光线的透过率，根据测试对象的不同，可以涂覆多层透明薄膜。频率提取器2允许弧光中波段为380nm～450nm的光信号通过，其它波段尤其是照明光源的光信号被吸收或反射，这样能有效滤除如闪电、太阳等自然光源和电筒、红外测温器等人造光源的干扰，所述的特定波段是根据实际发生的弧光波段进行确定的。由于600nm～660nm范围内光线具有最小衰减率，对其它波长的光线尤其是非可见光具有很大的传输损耗，因此波长转换器3将特定波段的光转换为600～660nm范围的有效光信号；聚焦镜头优选将有效光信号聚焦在光电二极管芯片9表面，这样能有效增加光电转换器的转换效率。

如图1所示，塑料光纤包括连接着采集镜头和光电转换器的塑料光纤纤芯5，所述塑料光纤纤芯5具有双层屏蔽，不仅覆盖着塑料光纤内层防护层6，所述塑料光纤内层防护层6外还覆盖着塑料光纤外层防护层7。塑料光纤两端连接着标准ST连接器，塑料光纤通过ST连接器与采集镜头和光电转换器连接。塑料光纤可传输来自光采集镜头的有效信号，同时大幅度衰减由采集镜头透入的其他短波长干扰信号。塑料光纤的长度应足够长，以有效隔离光电转换器和开关柜，这样光电转换器不会主动或被动改变开关柜内的电磁环境。

如图1所示，光电转换器由聚焦透镜8、光电二极管芯片9和光电转换器封装底座12构成，光电转换器中的各部件由封装透明胶和不透明粘接密封胶粘合封装在光电转换器封装底座12上。其中光电二极管芯片也可以用光电二极管代替。所述聚焦透镜应为曲面透镜、柱面透镜、平面透镜、圆顶透镜等具有聚焦功能的透镜或透镜组合。为了保护光电二极管芯片9免受静电损伤，光电二极管芯片9上还可优选并联瞬变二极管10，提高器件的可靠性。聚焦透镜8接收到的有效光信号耦合到光电二极管芯片辐射敏感区，光电二极管芯片将有效光信号转换为有效电信号，一般幅值不大于±10V，通常AD转换电路可直接使用。

如图2，图3所示，为了便于光学传感器的稳定安装，作为优选，本实用新型还包括无盲区防震安装底座。所述无盲区防震安装底座包括通过紧固件16连接的安装底座固定部分18和安装底座活动部分14，其中采集镜头被安装在安装底座活动部分14中的采集镜头安装位置15上，固定部分18和活动部分14通过底座活动部分齿轮状咬合面19与底座固定部分齿轮状咬合面20用类似于齿轮的工作方式紧紧咬合。所述紧固件16为具有固定连接效果的常规零件如紧固螺丝。松开紧固件16时，所述活动部分14能以紧固件为圆心在固定部分18上活动，旋紧紧固件16时，齿轮状咬合面使得固定部分18和活动部分14紧紧咬合。安装底座固定部分18通过底座安装螺丝固定位置17固定在其他设备或墙面上。

安装底座固定部分18可在垂直平面上360°范围内选择任一方向固定，同时由于安装底座活动部分14在18导槽内可进行水平平面上180°范围内转动，因此安装底座活动部分14能够到达半球型面上任意一点，这样采集镜头能够无盲区对准监测点。对准目标后，底座活动部分齿轮状咬合面19与底座固定部分齿轮状咬合面20之间紧密咬合，可有效防止震动环境下底座活动部分出现位移。

当开关柜闪弧时，采集镜头采集闪弧信息，塑料光纤将来自采集镜头的有效光信号传递到光电转换器，经光电转换器处理后转换成有效光信号。塑料光纤能够衰减采集镜头未能完全处理的无效光信号。光电转换器进行光电转换，将有效光信号转换成标准电信号，提供给任意第三方综合保护控制类设备进行采集处理。

具体地说，如图1所示，具体采集转换过程如下：开关柜闪弧时产生的弧光信号a经过平凸透镜后聚焦为光b，频率提取器从光b的众多光谱中提取出特殊波段的光c，c经过波长转换器转换为波长为600nm～660nm的光d，d经过聚焦镜头汇聚成光e，e直接进入带双层屏蔽的塑料光纤中；e经光纤传输后成为光f，f由透镜耦合到光电二极管芯片，经光电二极管芯片转换为电流信号h。经过以上步骤，开关柜出线或母线发生短路故障时产生的电弧光被有效采集并转换为电信号输出。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：包括光采集镜头、光电转换器和塑料光纤，塑料光纤的两端设有ST连接器，所述塑料光纤通过ST连接器与光采集镜头和光电转换器相连；所述光采集镜头包括被封装在光采集镜头封装底座中的平凸透镜、频率提取器、波长转换器、聚焦镜头；所述光电转换器包括封装在光电转换器封装底座上的聚焦透镜和光电二极管芯片；所述塑料光纤包括塑料光纤纤芯、覆盖在所述纤芯外的塑料光纤内层防护层以及覆盖在所述内层防护层外的塑料光纤外层防护层。

2.根据权利要求1所述的实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：所述平凸透镜上覆盖涂有至少一层透明介质材料的薄膜。

3.根据权利要求1或2所述的实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：所述光电转换器中还包括与光电二极管芯片并联的瞬变二极管。

4.根据权利要求1或2所述的实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：所述聚焦镜头将光信号聚焦在光电二极管芯片表面。

5.根据权利要求1所述的实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：还包括与光采集镜头连接的安装底座。

6.根据权利要求5所述的实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：所述安装底座包括彼此之间活动连接的安装底座固定部分和安装底座活动部分。

7.根据权利要求6所述的实现开关柜闪弧检测的光学传感器，其特征在于：所述安装底座固定部分和安装底座活动部分之间连接方式为齿轮状咬合连接。