日盲紫外和中红外双路放电监测装置及危险度计算方法

摘要

公开了日盲紫外和中红外双路放电监测装置及危险度计算方法，装置中，熔融石英菲涅尔透镜聚焦开关柜内放电日盲紫外光束，日盲型紫外SiC雪崩二极管设于熔融石英菲涅尔透镜后端以接收聚焦的放电日盲紫外光束，生成光脉冲信号，聚乙烯菲涅尔透镜聚焦开关柜内放电中远红外光束，生成光脉冲信号，聚乙烯菲涅尔透镜和熔融石英菲涅尔透镜的视场角不小于120°，金属型高速红外热释电传感器设于聚乙烯菲涅尔透镜后端以接收聚焦的放电中远红外光束生成红外光脉冲信号，信号放大器连接日盲型紫外SiC雪崩二极管和金属型高速红外热释电传感器以转换和放大脉冲信号，微处理器连接信号放大器以采样紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号且生成故障判定信息。

说明书

技术领域

本发明属于开关柜设备检测技术领域，尤其涉及一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置及危险度计算方法。

背景技术

开关柜设备内部局部放电或异常电弧是绝缘状态异常的表现，也是导致绝缘故障或事故的诱因。因此，对局部放电的有效监测，是故障防范的重要手段。然而，常规的地电波或超声检测方法易受电磁干扰或声波干扰，使得放电检测的信噪比和灵敏度往往较低，另一方面，由于放电源位置和信号传播途径未知，在线的放电检测定量困难，一般采用变化率来进行危险度评估，使得设备运维和检修决策建议难以得出，并严重依赖主观经验。

此外，也有相关文献采用了多光谱的光学方法进行放电监测，但大多不具备日盲紫外波段和中远红外的响应能力，而针对中远红外的检测大多是基于部件红外测温的措施，而非针对放电产生的红外脉冲光束本身。事实上，当随着放电能量的增加，所引起的热电离效应会引发更多成分的中远红外波段辐射，因此利用日盲紫外波段和中远红外波段光束成分的强度变化就可以对放电进行能量分级，然而，公开报道中的多光谱局部放电检测主要是针对可见波段和近红外波段进行光谱脉冲成分监测，难以本征性地反映中高能火花放电和间歇性电弧等高能放电的发生和发展。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置及危险度计算方法，不但具有较高的抗干扰能力和信噪比，而且能够对放电危险性进行定量判断，提供有效的放电故障早期预警判据。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置包括：

熔融石英菲涅尔透镜，其聚焦开关柜内放电日盲紫外光束；

日盲型紫外SiC雪崩二极管，其设于所述熔融石英菲涅尔透镜后端以接收聚焦的所述放电日盲紫外光束生成紫外光脉冲信号；

聚乙烯菲涅尔透镜，其聚焦开关柜内放电中远红外光束，聚乙烯菲涅尔透镜与熔融石英菲涅尔透镜构成的视场角不小于120°；

金属型高速红外热释电传感器，其设于所述聚乙烯菲涅尔透镜后端以接收聚焦的所述放电中远红外光束生成红外光脉冲信号；

信号放大器，其连接所述日盲型紫外SiC雪崩二极管和金属型高速红外热释电传感器以转换和放大所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号；

微处理器，其连接所述信号放大器以采样所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号且生成故障判定信息。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述微处理器包括，

采集单元，其连接所述信号放大器采集紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号，并分别捡取脉冲峰值强度和峰值时间；

数模转换器，其连接采集单元以数模转换；

处理单元，其连接所述数模转换，所述处理单元基于脉冲峰值强度和峰值时间生成故障判定信息。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述日盲型紫外SiC雪崩二极管的响应速度不低于微秒级，量子效率不低于30％，响应波段范围为190nm至285nm。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述金属型高速红外热释电传感器的响应速度为微秒级，响应波段范围覆盖1.2μm至10μm，温度测量范围覆盖10℃至100℃。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述信号放大器包括I-U转换单元、电压跟随和电压放大单元，电压放大增益不小于20dB。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述熔融石英菲涅尔透镜、日盲型紫外SiC雪崩二极管、聚乙烯菲涅尔透镜、金属型高速红外热释电传感器、信号放大器和微处理器集成于电路板上，所述电路板固定于固定支架上。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述放电检测装置经由磁吸方式吸附于开关柜壳体内壁。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置中，所述磁吸方式为铝铁硼磁吸。

一种基于所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置的检测方法包括以下步骤，

熔融石英菲涅尔透镜聚焦开关柜内放电日盲紫外光束，日盲型紫外SiC雪崩二极管设于所述熔融石英菲涅尔透镜后端以接收聚焦的所述放电日盲紫外光束生成紫外光脉冲信号；

聚乙烯菲涅尔透镜聚焦开关柜内放电中远红外光束，金属型高速红外热释电传感器设于所述聚乙烯菲涅尔透镜后端以接收聚焦的所述放电中远红外光束生成红外光脉冲信号；

信号放大器连接所述日盲型紫外SiC雪崩二极管和金属型高速红外热释电传感器以转换和放大所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号；

微处理器连接所述信号放大器以采样所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号且生成故障判定信息，其中，

计算单位时间T内紫外光脉冲平均强度q

t

t

其中，T取工频电压周期的整数倍；n

放电故障判定：①当q

所述的检测中，阈值a

在上述技术方案中，本发明提供的一种日盲SiC雪崩二极管和高速热释电管的放电监测装置及危险度计算方法，具有以下有益效果：日盲紫外和中红外双路放电监测装置采用日盲型单光子器件和红外热释电器件对放电进行检测，避免了电磁、谐波和声波干扰，提升了放电检测的置信度和缺陷检出能力；日盲紫外和中红外双路放电监测装置的放电危险度量化监测方法依据了如下原理，即低能放电主要以紫外辐射为主，而高能放电红外辐射突增，利用上述原理建立双路光谱信号判断逻辑，可以对放电能级和危险度进行量化分析；本发明提出的检测装置结构简单、安装方便，可部署在开关柜母线室和电缆室等故障易发部位，方便故障定位和排查。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的日盲紫外和中红外双路放电监测装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明中日盲紫外和中红外双路放电监测装置的一个开关柜母线安装实施例示意图；

图3为本发明放电危险度监测方法逻辑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，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，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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设备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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，如图1至图3所示，

日盲紫外和中红外双路放电监测装置包括，

熔融石英菲涅尔透镜1，其聚焦开关柜内放电日盲紫外光束；

日盲型紫外SiC雪崩二极管2，其设于所述熔融石英菲涅尔透镜1后端以接收聚焦的所述放电日盲紫外光束生成紫外光脉冲信号；

聚乙烯菲涅尔透镜3，其聚焦开关柜内放电中远红外光束，聚乙烯菲涅尔透镜3与熔融石英菲涅尔透镜1构成的视场角不小于120°；

金属型高速红外热释电传感器4，其设于所述聚乙烯菲涅尔透镜3后端以接收聚焦的所述放电中远红外光束生成红外光脉冲信号；

信号放大器5，其连接所述日盲型紫外SiC雪崩二极管2和金属型高速红外热释电传感器4以转换和放大所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号；

微处理器6，其连接所述信号放大器5以采样所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号且生成故障判定信息。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述微处理器6包括，

采集单元，其连接所述信号放大器5采集紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号，并分别捡取脉冲峰值强度和峰值时间；

数模转换器，其连接采集单元以数模转换；

处理单元，其连接所述数模转换，所述处理单元基于脉冲峰值强度和峰值时间生成故障判定信息。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述日盲型紫外SiC雪崩二极管2的响应速度不低于微秒级，量子效率不低于30％，响应波段范围为190nm至285nm。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述金属型高速红外热释电传感器4的响应速度为微秒级，响应波段范围覆盖1.2μm至10μm，温度测量范围覆盖10℃至100℃。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述信号放大器5包括I-U转换单元、电压跟随和电压放大单元，电压放大增益不小于20dB。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述熔融石英菲涅尔透镜1、日盲型紫外SiC雪崩二极管2、聚乙烯菲涅尔透镜3、金属型高速红外热释电传感器4、信号放大器5和微处理器6集成于电路板7上，所述电路板7固定于固定支架上。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述放电检测装置经由磁吸方式吸附于开关柜壳体内壁。

所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置优选实施例中，所述磁吸方式为铝铁硼磁吸。

在一个实施例中，日盲紫外和中红外双路放电监测装置包括日盲型紫外SiC雪崩二极管2、金属型高速红外热释电传感器4、熔融石英菲涅尔透镜1、聚乙烯菲涅尔透镜3、固定支架、信号放大器5和带AD的微处理器6。日盲型紫外SiC雪崩二极管2的响应速度不低于微秒级，量子效率不低于30％，响应波段范围为190nm至285nm，用于将放电辐射紫外光子转变为电流脉冲信号，金属型高速红外热释电传感器4的响应速度为微秒级，响应波段范围至少覆盖1.2μm至10μm，温度测量范围至少覆盖10℃至100℃，用于将放电红外辐射转变为电流脉冲信号，熔融石英菲涅尔透镜1，安装于日盲型紫外SiC雪崩二极管2前端，用于聚焦开关柜内放电日盲紫外光束；上述聚乙烯菲涅尔透镜3安装于金属型高速红外热释电传感器4前端，用于聚焦开关柜内放电中远红外光束；上述两种菲涅尔透镜的视场角范围不小于120°锥角。信号放大器5包含I-U转换、电压跟随和电压放大功能，电压放大增益不小于20dB，用于对上述日盲型紫外SiC雪崩二极管2和金属型高速红外热释电传感器4输出电流脉冲信号进行转换和放大，固定支架用于固定上述两个菲涅尔透镜、两个光电传感器、信号放大单元和微处理器6构成的电路板7，并采用铝铁硼磁吸方式将放电检测装置吸附于开关柜壳体内壁。AD功能的微处理器6，一方面用于对两路光电脉冲信号进行采样，并捡取脉冲峰值强度(q)和峰值时间(t)，另一方面执行诊断预警算法，另一实例中，在实验室搭建了局放-电弧故障模拟平台，使用本装置对其进行了实测，执行诊断预警算法，以此说明本发明数据采样、处理及故障诊断的工作流程，并验证本装置的正确判断率，判别流程如附图3所示。

另一个实施例中，固定支架采用肘形结构，将两个透镜与传感器的组合(熔融石英菲涅尔透镜1安装于日盲型紫外SiC雪崩二极管2前端为一组，聚乙烯菲涅尔透镜3安装于金属型高速红外热释电传感器4前端为第二组)分别置于两边，信号放大单元连接两个组合，并将数据经过转换放大后输送至带有AD功能的微处理器6，微处理器6对其进行数据信号采集，并执行预警诊断。信号放大单元与微处理器6构成电路板7安装于固定支架上。将检测装置、采集装置及诊断装置集成化，设备结构简单、安装方便，可部署在开关柜母线室和电缆室等故障易发部位，方便故障定位和排查。

另一个实例中，如图2所示，该装置部署于开关柜母线室和电缆室等故障易发部位可选择图2中的1、2、3位置安装传感装置。本实例中，将装置通过铝铁硼磁吸方式将放电检测装置吸附于开关柜壳体内壁。聚乙烯菲涅尔透镜3通过聚焦作用将信号折射到传感器上，并将探测区域分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的物体能以温度变化的形式在金属型高速红外热释电传感器4上产生变化热释红外信号，随后金属型高速红外热释电传感器4将放电红外辐射转变为电流脉冲信号。紫外光转变类似。

如图2所示，以传感器在开关柜母线室内的布置方式为例说明本发明的应用方法，选取图中3点为传感器典型布置位置，两种菲涅尔透镜的视场角范围均大于120°锥角，能够覆盖母线室中的绝大多数故障。

为了模拟电力设备中局部及电弧放电并获取放电的红外及紫外信号，搭建了局放-电弧故障模拟平台，试验平台由试验变压器、试验腔体、放电缺陷模型和信号检测模块组成，实现对试验腔体内部放电信号的同步检测。

一种基于所述的一种日盲紫外和中红外双路放电监测装置的危险度计算方法包括以下步骤，

熔融石英菲涅尔透镜1聚焦开关柜内放电日盲紫外光束，日盲型紫外SiC雪崩二极管2设于所述熔融石英菲涅尔透镜1后端以接收聚焦的所述放电日盲紫外光束生成紫外光脉冲信号；

聚乙烯菲涅尔透镜3聚焦开关柜内放电中远红外光束，金属型高速红外热释电传感器4设于所述聚乙烯菲涅尔透镜3后端以接收聚焦的所述放电中远红外光束生成红外光脉冲信号；

信号放大器5连接所述日盲型紫外SiC雪崩二极管2和金属型高速红外热释电传感器4以转换和放大所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号；

微处理器6连接所述信号放大器5以采样所述紫外光脉冲信号和红外光脉冲信号且生成故障判定信息，其中，

计算单位时间T内紫外光脉冲平均强度q

t

t

其中，T取工频电压周期的整数倍；n

放电故障判定：①当q

所述的危险度计算方法的优选实施方式中，阈值a

所述的危险度计算方法的优选实施方式中，带有AD功能的微处理器6作为信号检测模块，一方面用于对两路光电脉冲信号进行采样，并捡取脉冲峰值强度(q)和峰值时间(t)，另一方面执行诊断预警算法。

如图3所示，微处理器6对光电脉冲信号进行采样，并计算单位时间T内紫外光脉冲和红外光脉冲平均强度q

计算单位时间内紫外光脉冲和红外脉冲活跃时长t

t

t

上述公式中，T取工频电压周期的整数倍；n

微处理器6对放电故障进行判定：

①当q

②当q

③当q

当t

当t

当t

以沿面放电为例，实验室实测发现，外施电压低于8.8kV时，放电量较低且放电量随着外施电压的增加呈平稳增长趋势，此时为低能放电阶段；外施电压在8.8kV～13kV时，放电量突增，放电发展为中能放电阶段；外施电压大于13kV后，随着外施电压的提高放电量显著上升，放电接近击穿状态，为高能间歇性电弧放电阶段；电压继续增大，会形成从高压到低压的通道，这时候也可以叫做贯穿性电弧通道，即放电击穿后，称为高能短路型电弧放电。

在放电判定中，对各阈值进行给定说明。首先测量背景噪声。在进行放电试验前，首先应闭合调压台，在加压前记录各波段下的底噪水平Un，并在试验数据采集的过程中分别对不同的波段滤掉底噪，从而保证所获取的脉冲信号均由局部放电产生。测定Un＜2Mv。开关柜额定运行功率下允许的温度为24℃。

经实验测定，阈值a1按照紫外光路检测系统现场背景噪声水平的1.15倍进行设定，阈值b按照开关柜额定运行功率下允许的温度水平1.25倍进行设定，阈值c1设定为0.5，阈值c2设定为1.5。

后通过重复实验验证，该装置对故障判定预警准确率达到96％。

最后应该说明的是：所描述的实施例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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。