CN110514973A - 检测局部放电光辐射强度的光子计数装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种检测局部放电光辐射强度的光子计数装置和方法。在该装置中，依次连接有光电探测器模块、信号调理模块以及脉冲计数模块，光电探测器模块用于接收局部放电光辐射并将光辐射转换为光电子信号，信号调理模块用于对光电子信号进行放大，对放大后的光电子信号除噪形成标准电信号，脉冲计数模块对标准电信号进行降频，最后对降频后的电信号计数。通过记录一段时间内形成的降频后电信号个数就可以得到单个光子的个数，也就可以得到局部放电的光辐射强度，因此解决了现有技术获取放大信号可能会出现的误差，导致的无法检测或检测数据误差较大的问题。
Description
技术领域
本申请涉及电力设备状态监测和故障诊断领域，尤其涉及一种检测局部放电光辐射强度的光子计数装置和方法。
背景技术
随着电力生产、电力传输系统的发展，电网运行电压的等级也越来越高，电力设备在其运行中会发生的各种故障，电力设备在发生故障前会出现局部放电现象。局部放电是当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象。局部放电对绝缘结构起着一种侵蚀作用，会破坏绝缘材料的分子结构和引起绝缘材料过热甚至碳化，局部放电的持续发展会使绝缘的劣化损伤逐步扩大，最终使绝缘正常寿命缩短、短时绝缘强度降低，甚至可能使整个绝缘击穿。
为了减少局部放电的危害，通常需要对局部放电进行检测，传统的检测方法有超声检测法、化学检测法、射频检测法、光学检测法。其中，光学检测法是检测局部放电产生的光辐射，进行光电转换后通过对电信号脉冲的数量计数，反映局部放电光辐射强度的情况，传统光学检测法主要是将利用探测器检测局部放电产生的光辐射，将探测器输出的光辐射输入至前置放大器，再将前置放大器输出的放大后的信号传输至锁相放大器或者取样积分器，利用锁相放大器或者取样积分器进行检测。
但是，锁相放大器中的模拟移相由分立元件电阻和电容等构成，受温度变化相位会产生漂移；取样积分器中的模拟开关属于半导体器件，存在漏电流，并不能实现真正意义上的关断，会引入额外的噪声，锁相放大器和取样积分器通常要求探测器输出与前置放大器输入端尽量靠近，并且尽量缩短前置放大器输出与锁相放大器或者取样积分器输入端间的传输距离，如果前置放大器输出与锁相放大器或者取样积分器输入端间的传输距离超过阈值，则锁相放大器或者取样积分器获取的放大后的信号会出现偏差，导致难以检测或检测数据误差较大。
发明内容
为解决现有技术中，检测局部放电光辐射强度存在的难以检测或检测数据误差较大的问题，本申请通过以下实施例公开一种检测局部放电光辐射强度的光子计数装置和方法。
在本申请的第一方面，公开一种检测局部放电光辐射强度的光子计数装置，包括依次连接的光电探测器模块、信号调理模块以及脉冲计数模块。
其中，光电探测器模块包括光探测器和光电倍增管，光探测器的输出端与光电倍增管的输入端相连接；光探测器用于检测到电力设备局部放电所产生的光辐射；光电倍增管用于将光辐射转换为光电子信号。
信号调理模块包括前置放大器和电平甄别模块，前置放大器的输入端和光电倍增管的输出端相连接，前置放大器的输出端和电平甄别模块的输入端相连接；前置放大器用于对光电子信号进行放大，达到可甄别要求的电信号脉冲；电平甄别模块用于消除电信号脉冲中的背景噪声，形成标准电信号，将标准电信号输入脉冲计数模块。
脉冲计数模块包括外部分频电路和单片机，外部分频电路的输入端和电平甄别模块的输出端相连接，外部分频电路的输出端和单片机的输入端相连接；外部分频电路用于降低标准电信号的频率，获取降频后的标准电信号；单片机用于在计数周期内，对降频后的标准电信号进行计数。
可选的，光电探测器模块还包括外围供电电路模块，外围供电电路模块包括高压电源、分压器以及制冷装置，高压电源和分压器连接，分压器和光电倍增管连接，高压电源还和制冷装置连接，制冷装置和光电倍增管连接。
高压电源用于给光电倍增管和制冷装置提供电压。
分压器用于将一千伏特以上的电压逐级分配，为光电倍增管的各个倍增极提供分配后的电压；。
制冷装置用于降低光电倍增管周围的温度，以减小光电倍增管的热噪声。
可选的，光电倍增管接收光辐射的光功率不超过10-14W。
在本申请的第二方面，公开一种检测局部放电光辐射强度的光子计数方法，包括:
光探测器接收电力设备局部放电所产生的光辐射。
光电倍增管将光辐射转换为光电子信号。
前置放大器对光电子信号进行放大，达到可甄别要求的电信号脉冲；
电平甄别模块消除电信号脉冲中含有的背景噪声，形成标准电信号，将标准电信号输入脉冲计数模块。
外部分频电路降低标准电信号频率，获取降频后的标准电信号。
单片机在计数周期内，对降频后的标准电信号进行计数。
可选的，高压电源给光电倍增管和制冷装置提供电压。
分压器将一千伏特以上的电压逐级分配给光电倍增管的各个倍增极，为光电倍增管各个倍增极提供电压。
制冷装置通过降低光电倍增管周围的温度，以减小光电倍增管的热噪声。
可选的，光电倍增管将光辐射信号转换为光电子信号，方法如下：
光电倍增管将光辐射转换为第一光电子，将第一光电子按聚焦极电场进入光电倍增管的阴极。
光电倍增管对第一光电子进行二次放大，获得第二光电子。
光电倍增管在阳极收集第二光电子，将第二光电子作为光电子信号进行输出。
通过本申请实施例公开的检测局部放电光辐射强度的光子计数装置和方法，在检测局部放电光辐射强度时，光探测器探测到的光辐射经光电倍增管转换为光电子信号，对光电子信号进行放大形成可甄别的电信号脉冲，对电信号脉冲进行除噪和降频，最后对除噪和降频后的电信号计数，解决了现有检测技术中，对放大信号出现误差导致的无法检测或监测数据误差较大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。
图1为本申请实施例公开的一种检测局部放电光辐射强度的光子计数装置结构示意图。
图2为本申请实施例公开的光电探测模块装置结构示意图。
图3为本申请实施例公开的一种检测局部放电光辐射强度的光子计数方法的工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
参见图1所示的检测局部放电光辐射强度的光子计数装置结构示意图，本申请实施例公开的检测局部放电光辐射强度的光子计数装置包括：光电探测器模块10、信号调理模块20以及脉冲计数模块30。
其中，光电探测器模块10包括光探测器101和光电倍增管102，光探测器101的输出端与光电倍增管102的输入端相连接；光探测器101用于检测到电力设备局部放电所产生的光辐射；光电倍增管102用于将光辐射转换为光电子信号。
信号调理模块20包括前置放大器201和电平甄别模块202，前置放大器201的输入端和光电倍增管102的输出端相连接，前置放大器201的输出端和电平甄别模块202的输入端相连接；前置放大器201用于对光电子信号进行放大，达到可甄别要求的电信号脉冲；电平甄别模块202用于消除电信号脉冲中的背景噪声，形成标准电信号，将标准电信号输入脉冲计数模块。
脉冲计数模块30包括外部分频电路301和单片机302，外部分频电路301的输入端和电平甄别模块202的输出端相连接，外部分频电路301的输出端和单片机302的输入端相连接；外部分频电路301用于降低标准电信号的频率，获取降频后的标准电信号；单片机302用于在计数周期内，对降频后的标准电信号进行计数。
本申请实施例中，局部放电产生的微弱光辐射进入前端光探测器的接收窗后，经过光电倍增管阴极吸收，由于外光电效应，当入射光子的能量高于阴极材料的逸出能量时，阴极的光电子被激发。接着，在外电场的作用下，光电子快速的到达第一倍增级，同时产生二次电子发射，然后二次电子在电场的作用下又会达到下一倍增级，这样，随着倍增级级数的不断增加，会产生越来越多的二次电子会在光电倍增管阳极形成小光电子信号，然后对小光电子信号进行处理，达到能够被计数的程度，通过记录一段时间内形成的脉冲个数就可以得到单个光电子的个数，也就可以得到局部放电的光辐射强度。
参见图2，光电探测器模块10还包括外围供电电路模块11，外围供电电路模块11包括高压电源111、分压器112以及制冷装置113，高压电源111和分压器112连接，分压器112和光电倍增管102连接，高压电源111还和制冷装置113连接，制冷装置113和光电倍增管102连接。
其中，高压电源111用于给光电倍增管102和制冷装置113提供电压，分压器112用于将一千伏特以上的电压逐级分配，为光电倍增管102的各个倍增极提供分配后的电压，制冷装置113用于降低光电倍增管102周围的温度，以减小光电倍增管102的热噪声。外围供电电路模块11保持光电探测器模块10对局部放电光辐射稳定接收和转换。
进一步的，光电倍增管接收光辐射的光功率不超过10-14W。当入射光信号的光功率低于10-14W时，光电倍增管阴极将不再产生连续的光电流，此时阳极输出的就是离散的数字脉冲信号。这样，每当有一个光电子入射到光电倍增管的阴极，在其阳极输出端就会相应的产生一个电脉冲信号，且输出端的脉冲数与入射光电子数成正比，通过对这些输出脉冲进行计数即可得到入射光电子的数目。
参见图3所示的工作流程示意图，本申请实施例公开的检测局部放电光辐射强度的光子计数方法包括以下步骤：
步骤S11,光探测器接收电力设备局部放电所产生的光辐射，该步骤中，局部放电产生的微弱光辐射进入前端光探测器的接收窗。
步骤S12，光电倍增管将光辐射转换为光电子信号，该步骤中，光电倍增管阴极吸收，由于外光电效应，当入射光子的能量高于阴极材料的逸出能量时，阴极的光电子被激发。接着，在外电场的作用下，光电子快速的到达第一倍增级，同时产生二次电子发射，然后二次电子在电场的作用下又会达到下一倍增级，这样，随着倍增级级数的不断增加，会产生越来越多的二次电子会在光电倍增管阳极形成小光电子信号。
步骤S13，前置放大器对光电子信号进行放大，达到可甄别要求的电信号脉冲。
步骤S14电平甄别模块消除电信号脉冲中含有的背景噪声，形成标准电信号，将标准电信号输入脉冲计数模块。
利用前置放大器和电平甄别模块完成对光电倍增管输出小光电子信号的放大、甄别，使其转变为标准电信号，标准电信号中没有背景噪声，方便对标准电信号进行计数，提高对标准电信号计数的准确性。
步骤S15外部分频电路降低标准电信号频率，获取降频后的标准电信号。
步骤S16单片机在计数周期内，对降频后的标准电信号进行计数。
这里增加外部分频电路是因为电平甄别模块输出标准电信号频率较大，单片机无法直接对标准电信号进行计数，因此需要接外部分频电路。单片机通过记录一段时间内形成的脉冲个数就可以得到单个光电子的个数，也就可以得到局部放电的光辐射强度。
进一步的，检测局部放电光辐射强度的光子计数方法还包括以下步骤：
高压电源给光电倍增管和制冷装置提供电压。
分压器将一千伏特以上的电压逐级分配给光电倍增管的各个倍增极，为光电倍增管各个倍增极提供电压。
制冷装置通过降低光电倍增管周围的温度，以减小光电倍增管的热噪声。
进一步的，光电倍增管将光辐射信号转换为光电子信号，步骤如下：
光电倍增管将光辐射转换为第一光电子，将第一光电子按聚焦极电场进入光电倍增管的阴极，光电倍增管对第一光电子进行二次放大，获得第二光电子，光电倍增管在阳极收集第二光电子，将第二光电子作为光电子信号进行输出。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种检测局部放电光辐射强度的光子计数装置，其特征在于，所述装置包括：依次连接的光电探测器模块、信号调理模块以及脉冲计数模块，其中，
所述光电探测器模块包括光探测器和光电倍增管，所述光探测器的输出端与所述光电倍增管的输入端相连接；所述光探测器用于检测到电力设备局部放电所产生的光辐射；所述光电倍增管用于将光辐射转换为光电子信号；
所述信号调理模块包括前置放大器和电平甄别模块，所述前置放大器的输入端和所述光电倍增管的输出端相连接，所述前置放大器的输出端和所述电平甄别模块的输入端相连接；所述前置放大器用于对所述光电子信号进行放大，达到可甄别要求的电信号脉冲；电平甄别模块用于消除所述电信号脉冲中的背景噪声，形成标准电信号，将所述标准电信号输入脉冲计数模块；
所述脉冲计数模块包括外部分频电路和单片机，所述外部分频电路的输入端和所述电平甄别模块的输出端相连接，所述外部分频电路的输出端和所述单片机的输入端相连接；所述外部分频电路用于降低所述标准电信号的频率，获取降频后的标准电信号；所述单片机用于在计数周期内，对降频后的标准电信号进行计数。
2.根据权利要求1所述的检测局部放电光辐射强度的光子计数装置，其特征在于，所述光电探测器模块还包括外围供电电路模块，所述外围供电电路模块包括高压电源、分压器以及制冷装置，所述高压电源和所述分压器连接，所述分压器和所述光电倍增管连接，所述高压电源还和所述制冷装置连接，所述制冷装置和所述光电倍增管连接；
所述高压电源用于给所述光电倍增管和所述制冷装置提供电压；
所述分压器用于将一千伏特以上的电压逐级分配，为所述光电倍增管的各个倍增极提供分配后的电压；
所述制冷装置用于降低光电倍增管周围的温度，以减小光电倍增管的热噪声。
3.根据权利要求1所述检测局部放电光辐射强度的光子计数装置，其特征在于，所述光电倍增管接收光辐射的光功率不超过10-14W。
4.一种检测局部放电光辐射强度的光子计数方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1～3中任一项所述的装置，包括：
光探测器接收电力设备局部放电所产生的光辐射；
光电倍增管将光辐射转换为光电子信号；
前置放大器对所述光电子信号进行放大，达到可甄别要求的电信号脉冲；
电平甄别模块消除所述电信号脉冲中含有的背景噪声，形成标准电信号，将所述标准电信号输入脉冲计数模块；
外部分频电路降低所述标准电信号频率，获取降频后的标准电信号；
单片机在计数周期内，对所述降频后的标准电信号进行计数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
高压电源给所述光电倍增管和制冷装置提供电压；
分压器将一千伏特以上的电压逐级分配给所述光电倍增管的各个倍增极，为所述光电倍增管各个倍增极提供电压；
所述制冷装置通过降低所述光电倍增管周围的温度，以减小所述光电倍增管的热噪声。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述所述光电倍增管将光辐射信号转换为光电子信号，包括：
光电倍增管将光辐射转换为第一光电子，将所述第一光电子按聚焦极电场进入光电倍增管的阴极；
光电倍增管对所述第一光电子进行二次放大，获得第二光电子；
光电倍增管在阳极收集所述第二光电子，将所述第二光电子作为光电子信号进行输出。
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