CN111308289A

CN111308289A - 一种局部放电多光谱弱光检测装置及方法

Info

Publication number: CN111308289A
Application number: CN202010154959.6A
Authority: CN
Inventors: 任明; 王思云; 夏昌杰; 王彬; 李信哲
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-06-19

Abstract

本公开揭示了一种局部放电多光谱弱光检测装置，包括：聚光透镜、滤光镜、光电探测阵列、信号处理模块和诊断模块。本公开还揭示了一种局部放电多光谱弱光检测方法，包括：利用光电探测阵列对电力设备内局部放电产生的多光谱信号进行同步探测并转换为多路电流信号；利用信号处理模块对所述光电探测阵列输出的多路电流信号进行同步处理，获得不同波段的光脉冲信号；利用诊断模块计算所述不同波段的光脉冲信号的强度比例关系，确定局部放电的类型和严重程度。本公开所示装置体积小，检测范围大，检测灵敏度高，具有较强的抗电磁干扰能力，所述方法快速、高效，适用于电力设备内局部放电诊断。

Description

一种局部放电多光谱弱光检测装置及方法

技术领域

本公开属于电力设备状态监测和故障诊断领域，具体涉及一种局部放电多光谱弱光检测装置及方法。

背景技术

局部放电检测作为一种发现绝缘缺陷的有效手段，在电力设备诊断中发挥着重要作用。通常，局部放电伴随着光辐射，因此，通过检测光辐射信号可以侧面反应局部放电情况。局部放电光谱能够反映电子温度、激发截面和发展模态等微观信息，可利用光谱特征对放电机制和绝缘劣化程度进行深入分析。将放电统计信息和光谱信息相结合，不但能判断放电类型，还能反应放电强弱。通过对局部放电多光谱信号进行监测，能够对绝缘的缺陷类型及严重程度做出判断，实现对电力设备的绝缘缺陷、劣化程度及剩余寿命的诊断和评估。

光测法作为一种较为本征和直观表征手段，通过观测局部放电光谱可以对放电进行深入分析，判断放电类型及放电严重程度。现有的电力设备内部光测法主要包括：利用荧光光纤探测和利用光电倍增管(PMT)探测。但这些方法无法体现光谱信息对于局部放电检测的优越性。为了充分利用光谱信息在局放检测方面的优势，本发明提出了一种基于硅光电倍增管阵列的局放多光谱检测装置。这对于光测法的进一步应用，提高设备现场带电巡检质量，实现放电严重程度判别，缩短设备事故发现消缺的周期有显著的实际意义。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种局部放电多光谱弱光检测装置及方法，利用聚光透镜将局部放电产生的光信号进行汇聚，通过滤光镜将入射光信号转化为所需的波段，然后由光电探测阵列进行接收，从而得到局放多光谱信息。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种局部放电多光谱弱光检测装置，包括：聚光透镜、滤光镜、光电探测阵列、信号处理模块和诊断模块，其中，

所述聚光透镜和滤光镜位于同一光路，且所述聚光透镜和滤光镜用于对被测电力设备内局部放电产生的微弱光信号进行汇聚和过滤，以获得包括不同波段的局放多光谱信号，所述聚光透镜和滤光镜置于所述光电探测阵列的输入端；

所述光电探测阵列用于同步探测、接收所述局放多光谱信号，并转换为多路电流信号；

所述信号处理模块连接于所述光电探测阵列的输出端，用于对所述光电探测阵列输出的多路电流信号进行同步处理，获得不同波段的光脉冲信号；

所述诊断模块连接于所述信号处理模块的输出端，用于接收所述不同波段的光脉冲信号并计算不同波段的光脉冲信号的强度比例关系，并根据比例关系判断电力设备内局部放电的类型和严重程度。

优选的，所述光电探测阵列包括多个独立设置的探测单元，每个探测单元包括单光子级别的硅光电倍增管和雪崩二极管中的任意一种。

优选的，所述信号处理模块包括与所述探测单元数目相同的信号处理单元，每个信号处理单元包括：

电流-电压转换电路，用于将所述光电探测阵列输出的多路电流信号转换为第一电压信号；

信号放大电路，用于接收所述第一电压信号并放大生成第二电压信号；

模数转换器，用于接收所述第二电压信号并转换为不同波段的光脉冲信号。

优选的，所述电流-电压转换电路包括第一反相放大器和第一反馈电阻，所述第一反相放大器的反相输入端连接所述硅光电倍增器，且同时通过所述第一反馈电阻与输出端连接形成负反馈电路，所述第一反相放大器的同相输入端接地。

优选的，所述信号放大电路包括第二反相放大器、第二反馈电阻、接地电阻和第一负载电阻，所述第二反相放大器的反相输入端连接至所述电流-电压转换电路的输出端，同时，所述第二反相放大器的反相输入端通过所述第二反馈电阻与输出端连接形成负反馈电路，所述第二反相放大器的同相输入端通过接地电阻接地，所述第二反相放大器的输出端连接第一负载电阻。

优选的，所述滤光镜包括如下任一：前置或后置于所述聚光透镜的平面滤光片、电镀在所述聚光透镜表面或光电探测阵列上的滤光镀膜。

优选的，所述平面滤光片通过多光谱骨架进行固定，所述光电探测阵列置于所述多光谱骨架的凹槽内并通过设置与凹槽底部的窗口与所述平面滤光片贴合。

本公开还提供一种局部放电多光谱弱光检测方法，包括如下步骤：

S100：利用光电探测阵列对电力设备内局部放电产生的多光谱信号进行同步探测并转换为多路电流信号；

S200：利用信号处理模块对所述光电探测阵列输出的多路电流信号进行同步处理，获得不同波段的光脉冲信号；

S300：利用诊断模块计算所述不同波段的光脉冲信号的强度比例关系，确定局部放电的类型和严重程度。

优选的，步骤S300中，所述局部放电的类型包括悬浮放电、电晕放电和沿面放电。

优选的，步骤S300中，所述局部放电的严重程度包括高能放电、中能放电和低能放电。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：装置体积小，检测范围大，检测灵敏度高，具有较强的抗电磁干扰能力，适用于电力设备内局部放电诊断。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种局部放电多光谱弱光检测装置的结构示意图；

图2是本公开一个实施例提供的信号处理模块的结构示意图；

图3是本公开一个实施例提供的信号处理模块内各电路的电路框图；

图4是本公开一个实施例提供的多光谱骨架结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种局部放电多光谱弱光检测装置，包括：聚光透镜、滤光镜、光电探测阵列、信号处理模块和诊断模块，其中，

通过聚光透镜与滤光透镜对电力设备内局部放电产生的光信号进行汇聚和滤光，形成不同波段的局放多光谱信号，再通过光电探测阵列分别接收经过聚光透镜与滤光透镜的局放多光谱信号并转换为电流信号，通过信号处理模块对光电探测阵列输出的多路电流信号进行电流-电压转换、电压信号放大以及信号模数转换获得不同波段的光脉冲信号，最后通过计算不同波段的光脉冲信号的强度比例关系来实现对局部放电类型和严重程度的判断。现有普通检测装置仅能提供正对光电探测阵列面积大小的检测范围，本实施例通过使用聚光透镜能够有效增加检测范围，另外，本实施所述装置能够提供不小于5pC的检测灵敏度，具有检测灵敏度高，电磁干扰免疫的特点，可实现对电力设备内局部放电新的快速、精确检测。

另一个实施例中，所述光电探测阵列包括多个独立设置的探测单元，每个探测单元包括单光子级别的硅光电倍增管和雪崩二极管中的任意一种。

该实施例中，光电探测阵列包括多个独立的光电探测单元，每个单元分别接收经过聚光透镜和滤光镜的多个光谱范围内的光信号，其中，每个光电探测单元采用单光子级别的硅光电倍增管或雪崩二极管，与传统的光电倍增管相比，单光子级别的硅光电倍增管或雪崩二极管的单片面积仅为3*3mm²，由此组成的阵列体积不超过3*3*0.8cm³，远远小于传统光电倍增光的体积。

另一个实施例中，如图2所示，所述信号处理模块包括与所述探测单元数目相同的信号处理单元，每个信号处理单元包括：

另一个实施例中，如图3所示，所述电流-电压转换电路包括第一反相放大器和第一反馈电阻，所述第一反相放大器的反相输入端连接所述硅光电倍增器，且同时通过所述第一反馈电阻与输出端连接形成负反馈电路，所述第一反相放大器的同相输入端接地。

该实施例中，当光电探测阵列受电力设备内局部放电产生的光信号照射时产生光电流，反相放大器的反相输入端一方面接收光电流，另一方面通过第一反馈电阻Z1与输出端连接形成负反馈电路，由于放大器的输入阻抗非常大，输出阻抗比较小，因此可以高效的进行电流-电压转换。

另一个实施例中，如图3所示，所述信号放大电路包括第二反相放大器、第二反馈电阻、接地电阻和第一负载电阻，所述第二反相放大器的反相输入端连接至所述电流-电压转换电路的输出端，同时，所述第二反相放大器的反相输入端通过所述第二反馈电阻与输出端连接形成负反馈电路，所述第二反相放大器的同相输入端通过接地电阻接地，所述第二反相放大器的输出端连接第一负载电阻。

该实施例中，电流-电压转换电路输出的第一电压信号通过电阻Z2加至运放的反相输入端，输出电压通过第二反馈电阻反馈到运放的反相输入端，从而构成电压并联负反馈放大电路。

另一个实施例中，所述滤光镜包括如下任一：前置或后置于所述聚光透镜的平面滤光片、电镀在所述聚光透镜表面或光电探测阵列上的滤光镀膜。

该实施例中，平面滤光片或滤光镀膜可对从紫外至红外(200nm～900nm)范围内多个谱段的光线进行包括低通、带通或高通在内的滤波，需要说明的是，多个谱段范围之间具有差异性，也可有部分交集。

另一个实施例中，如图4所示，所述平面滤光片通过多光谱骨架进行固定，所述光电探测阵列置于所述多光谱骨架的凹槽内并通过设置与凹槽底部的窗口与所述平面滤光片贴合。

该实施例中，示例性的，在多光谱骨架上设置了16个窗口，分别与光电探测器阵列的16个单片对应，并将探测器阵列嵌入凹槽中。滤光片放置于窗口内，多光谱骨架通过尼龙螺丝固定安装在电路板上，使滤光片与传感器表面贴合，骨架采用不透光材料，防止局部放电发光没有经过滤光片而漏进传感器中。

另一个实施例中，本公开还提供一种局部放电多光谱弱光检测方法，包括如下步骤：

该实施例中，通过对不同波段内的光脉冲强度进行实时计算或一定时间内累计统计，可以获得各光谱下光脉冲强度的比例关系，根据该比例关系可以对电力设备内局部放电的放电类型和严重程度进行诊断，一般的，局部放电的类型包括悬浮放电、电晕放电和沿面放电，局部放电的严重程度包括高能放电、中能放电和低能放电。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims

1.一种局部放电多光谱弱光检测装置，包括：聚光透镜、滤光镜、光电探测阵列、信号处理模块和诊断模块，其中，

2.根据权利要求1所述的装置，其中，优选的，所述光电探测阵列包括多个独立设置的探测单元，每个探测单元包括单光子级别的硅光电倍增管和雪崩二极管中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述信号处理模块包括与所述探测单元数目相同的信号处理单元，每个信号处理单元包括：

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电流-电压转换电路包括第一反相放大器和第一反馈电阻，所述第一反相放大器的反相输入端连接所述硅光电倍增器，且同时通过所述第一反馈电阻与输出端连接形成负反馈电路，所述第一反相放大器的同相输入端接地。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述信号放大电路包括第二反相放大器、第二反馈电阻、接地电阻和第一负载电阻，所述第二反相放大器的反相输入端连接至所述电流-电压转换电路的输出端，同时，所述第二反相放大器的反相输入端通过所述第二反馈电阻与输出端连接形成负反馈电路，所述第二反相放大器的同相输入端通过接地电阻接地，所述第二反相放大器的输出端连接第一负载电阻。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述滤光镜包括如下任一：前置或后置于所述聚光透镜的平面滤光片、电镀在所述聚光透镜表面或光电探测阵列上的滤光镀膜。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述平面滤光片通过多光谱骨架进行固定，所述光电探测阵列置于所述多光谱骨架的凹槽内并通过设置与凹槽底部的窗口与所述平面滤光片贴合。

8.一种根据权利要求1所述装置进行的检测方法，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤S300中，所述局部放电的类型包括悬浮放电、电晕放电和沿面放电。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤S300中，所述局部放电的严重程度包括高能放电、中能放电和低能放电。