CN115597724A - 一种基于光纤传像束的gis内窥测温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，包括红外信号感知与传输模块和数据处理与检测模块，所述红外信号感知与传输模块包括前端光路与图像采集器，所述数据处理与检测模块包括上位机，所述上位机包括数据存储模块、信息显示模块、全息温度场分析模块、温度预警模块和远程控制模块，所述图像采集器包括图像传感器和下位机PCB电路板。本发明通过设备前端光路内嵌于GIS罐体中进行红外图像直接观测，通过透镜组合调整观测范围，在前端光路和图像采集器之间加入光纤束实现光电信号分离，最后利用上位机完成温度信号分析及网络传送，克服了现有监测技术不够直接、不够及时、不够全面、不够精准的缺陷。

Description

一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统
技术领域
本发明属于GIS监测设备技术领域，具体涉及一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统。
背景技术
在电力系统中，GIS因其结构紧凑、性能可靠等多种优点受到广泛应用。随着GIS设备运行年限的增加，罐体内电气连接部件磨损、表面腐蚀、预紧力松弛等因素使电接触形态劣化、发生局部过热，进而导致设备故障。因此,实现GIS设备在线温度监测，提前发现并消除热故障隐患，对GIS的安全可靠运行具有非常重要的意义。
当前GIS内部温度场监测方法主要可分为三类：一类是通过外部定点测温，反推实现GIS内部过温异常判断。该技术方法下，由于GIS异常发热因素众多，热点位置不确定，内部过热源向壳体热流达到平衡需要较大的时间延迟，因此，监测结果无论从精度、快速性、准确性方面均难以保证；第二类是将温度传感器置入GIS内部，实现定点测温。该技术方法对于测点位置过热反应及时，但如果异常过热点不在测点位置，则会导致测量结果会出现偏差，此外，由于该测量本质上属接触式测量，对于GIS内相关本体部件也可能存在影响；第三类是工业级红外热像仪，该装置尽管可以通过一次设备观察孔实现温度场检测，但由于预留观察孔通常是出于肉眼检测需要，位置有限且往往不针对发热关键部位，而工业级红外热像设备体型庞大，开窗安装将严重影响壳体机械强度和气密性，此外，工业产品在结构上没有将光路和电路有效分离，也将引入绝缘隐患，更为关键的是工业级热像仪工作波长没有针对GIS进行定制，直接应用下往往存在测量范围太小，高温点饱和无法量化，或者高温点可以测量，但是低温区域分别率极低的弊端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，通过设备前端光路内嵌于GIS罐体中进行红外图像直接观测，通过透镜组合调整观测范围，在前端光路和图像采集器之间加入光纤束实现光电信号分离，最后利用上位机完成温度信号分析及网络传送，克服了现有监测技术不够直接、不够及时、不够全面、不够精准的缺陷，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，包括采集GIS内部温度场红外图像并将其转换成电信号的红外信号感知与传输模块和依据红外热图完成全息温度场数据分析即温度预警的数据处理与检测模块，所述红外信号感知与传输模块包括前端光路与图像采集器，所述前端光路通过红外光纤束连接图像采集器，所述数据处理与检测模块包括上位机，所述图像采集器通过信号传输电缆通讯连接于上位机，所述上位机包括数据存储模块、信息显示模块、全息温度场分析模块、温度预警模块和远程控制模块，所述图像采集器包括图像传感器和下位机PCB电路板，所述图像传感器安装在下位机PCB电路板上，所述前端光路通过红外光纤束连接于下位机PCB电路板。
优选的，所述前端光路包括多个透镜组、法兰和SF6防漏垫圈，使用时，在GIS罐外壁上开设安装孔，将前端光路通过密封胶密封安装在安装孔内，以对GIS罐内部温度进行监测，其中，透镜组的参数，根据应用场景具体计算。
优选的，所述前端光路的作用其一是对GIS内部温度场进行成像，然后将采集的红外信号精准传递给光纤束；其二是封堵GIS罐体安装孔，避免SF6泄露。
优选的，所述红外光纤束包括尾纤、纤芯、纤芯包层、护层和扩束器；所述红外光纤束为柔性结构；红外光纤束的尾纤与前端光路的法兰采用可拆卸式连接，尾纤与前端光路的透镜组衔接；其中，红外光纤材质、拉丝工艺、排丝技术、端面处理、光路设计依据应用场景具体研究。
优选的，所述图像采集器还包括封装壳体，封装壳体和红外光纤束的扩束器采用可拆卸式连接，封装壳体外有信号传输及供电电缆接口；其中，图像传感器的作用是将接收的红外光波信号转化为电信号，交由上位机进行数据分析，实现人机交互；下位机PCB板起控制图像传感器、初步校正电信号及信号传输的作用。
优选的，所述全息温度场分析模块，包括数据校准补偿、温度范围、平均温度、温度梯度、温度时变特性等分析功能；其中，温度预警模块包括全息温度信息综合评判和异常温升部位警告模块。
优选的，为还原真实的信号，所述全息温度场分析模块，由于GIS内部不同材质表面具有不同红外发射率、SF6对10.6μm的红外波长选择吸收、各光学单元光束结构无法完全耦合及各单元固有因素对热辐射损耗等多种因素影响，首先应进行采集设备参数校准、红外图像数据补偿，在获得准确数据的基础上针对温度场特性进行GIS内部温度范围、平均温度、温度梯度、温度时变特性等全息温度场分析。
优选的，为保证设备安全稳定运行以及检修人员生命健康安全，所述温度预警模块，基于全息温度场参数进行综合评判后，在异常温升部位发出视听一体化警告，提示工作人员及时处理；所述远程控制模块，可以支持GIS内部温度场在线监测、远程遥控监测设备以及大规模数据云存储。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过设备前端光路内嵌于GIS罐体中进行红外图像直接观测，通过透镜组合调整观测范围，在前端光路和图像采集器之间加入光纤束实现光电信号分离，最后利用上位机完成温度信号分析及网络传送，克服了现有监测技术不够直接、不够及时、不够全面、不够精准的缺陷。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明提供了如图1-2所示的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，包括采集GIS内部温度场红外图像并将其转换成电信号的红外信号感知与传输模块和依据红外热图完成全息温度场数据分析即温度预警的数据处理与检测模块，红外信号感知与传输模块包括前端光路与图像采集器，前端光路通过红外光纤束连接图像采集器，数据处理与检测模块包括上位机，图像采集器通过信号传输电缆通讯连接于上位机，上位机包括数据存储模块、信息显示模块、全息温度场分析模块、温度预警模块和远程控制模块，图像采集器包括图像传感器和下位机PCB电路板，图像传感器安装在下位机PCB电路板上，前端光路通过红外光纤束连接于下位机PCB电路板。
前端光路包括多个透镜组、法兰和SF6防漏垫圈，使用时，在GIS罐外壁上开设安装孔，将前端光路通过密封胶密封安装在安装孔内，以对GIS罐内部温度进行监测，其中，透镜组的参数，根据应用场景具体计算。
前端光路的作用其一是对GIS内部温度场进行成像，然后将采集的红外信号精准传递给光纤束；其二是封堵GIS罐体安装孔，避免SF6泄露。
红外光纤束包括尾纤、纤芯、纤芯包层、护层和扩束器；红外光纤束为柔性结构；红外光纤束的尾纤与前端光路的法兰采用可拆卸式连接，尾纤与前端光路的透镜组衔接；其中，红外光纤材质、拉丝工艺、排丝技术、端面处理、光路设计依据应用场景具体研究。
图像采集器还包括封装壳体，封装壳体和红外光纤束的扩束器采用可拆卸式连接，封装壳体外有信号传输及供电电缆接口；其中，图像传感器的作用是将接收的红外光波信号转化为电信号，交由上位机进行数据分析，实现人机交互；下位机PCB板起控制图像传感器、初步校正电信号及信号传输的作用。
全息温度场分析模块，包括数据校准补偿、温度范围、平均温度、温度梯度、温度时变特性等分析功能；其中，温度预警模块包括全息温度信息综合评判和异常温升部位警告模块。
为还原真实的信号，全息温度场分析模块，由于GIS内部不同材质表面具有不同红外发射率、SF6对10.6μm的红外波长选择吸收、各光学单元光束结构无法完全耦合及各单元固有因素对热辐射损耗等多种因素影响，首先应进行采集设备参数校准、红外图像数据补偿，在获得准确数据的基础上针对温度场特性进行GIS内部温度范围、平均温度、温度梯度、温度时变特性等全息温度场分析。
为保证设备安全稳定运行以及检修人员生命健康安全，温度预警模块，基于全息温度场参数进行综合评判后，在异常温升部位发出视听一体化警告，提示工作人员及时处理；远程控制模块，可以支持GIS内部温度场在线监测、远程遥控监测设备以及大规模数据云存储。
本发明通过采用微直径管式密封前端光路、密封胶等密封工艺，大大降低了安装后SF6泄露风险；前端光路嵌入GIS罐体，进行图像化信息直接采集，与上位机配合实现观测点温度场全息分析，精准掌握GIS内部高压SF6气氛环境下温度场动态信息；利用柔性光纤束分离光、电信号，使GIS设备绝缘强度不受影响，保证图像采集器电信号不受GIS电磁场干扰畸变，并突破测试地点的限制；组合式光学结构设计，实现设备安装简易、替换便捷、存储体积小，有效保证检测设备与GIS生命周期相匹配，未来通过匹配不同波长还可扩展至紫外波段测量。
其中，红外信号感知与传输模块设有嵌入GIS设备安装孔的前端光路，和通过红外光纤束与前端光路相连接的图像采集器；数据处理与监测模块设有通过信号传输电缆与图像采集器相连接的上位机，使用时，由硬件模块获取GIS内部热图成像，完成温度场非接触式测量，进而由上位机软件依据红外热图准确量化多维温度信息，实现GIS内部高压SF6气氛环境下温度场实时监测和异常温升及时准确预警；本设备由硬件模块获取GIS内部热图成像，完成温度场非接触式测量，进而由上位机软件依据红外热图准确量化多维温度信息，实现GIS内部高压SF6气氛环境下温度场实时监测和异常温升及时准确预警；
其中，要在GIS内部狭小的物距条件下实现较大的观测范围，并保证前端光路信号以最佳入射角传入光纤束，所以前端光路为多组透镜组合设计，透镜组具体配合参数，应灵活根据被检测GIS设备精确计算。透镜组处在微直径管式密封层中，且误差容许值低，因此透镜加工应采用精密光学加工设备。针对GIS特殊气体环境，以及电弧产生的高光功率密度，镜片应选择耐腐蚀材质，且具有高通光损伤阈值；通过法兰将前端光路安装在GIS罐体上的安装孔内部，衔接处加装SF6防泄漏垫圈；前端光路所有缝隙，填充防腐蚀密封胶。
其中，不同于常规大气环境，GIS运行时加载高压大电流，且内部充满0.6MPa的高压SF6气体。当GIS罐体漏气泄压、罐内碎屑引起局放导致GIS停运，将严重影响电力系统安全稳定运行。为满足GIS密封、耐压要求，罐体应完好无裂纹。针对已生产GIS，采用无碎屑、无损伤工艺加工微直径安装孔，如飞秒激光冷加工；针对未生产GIS，GIS制造时便将罐体、安装孔和静法兰设计为一体化。安装孔位置应依据观测需求，选取目标温度场最佳观测点。
其中，GIS的电磁干扰将会引起图像传感器电信号发生畸变，而且通常将传感器固定于GIS上的设计，也限定了工作人员的测试范围。因此前端光路和图像采集器之间的柔性光纤，对GIS主设备电磁信号与图像采集器PCB电路电信号起到了隔离作用，实现光、电信号分离，保证PCB采集到真实的信号；另一个作用是光纤束的加入突破了测试地点的限制，实现现场检测与远程监测相融合；
由于纤芯较脆，可进行一定程度的弯曲，曲率过大择容易则断，所以纤芯包层和护层将起保护纤芯的作用；为使各光学单元精准配合、抑制通光损耗，所以光纤束两端分别加装尾纤和扩束器以保证设备精密性；
由于纤芯之间间隙，所以尾纤一端纤芯添加微透镜以保证图像传感器接收到完成红外图像；光纤束的材质、拉丝工艺、排丝技术、端面处理、光路设计依据应用场景具体研究。
其中，为使设备存储占地面积小、更换简易，封装壳体与扩束器采用可拆卸式连接；所述封装壳体外有信号传输及供电电缆接口。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，包括采集GIS内部温度场红外图像并将其转换成电信号的红外信号感知与传输模块和依据红外热图完成全息温度场数据分析即温度预警的数据处理与检测模块，其特征在于：所述红外信号感知与传输模块包括前端光路与图像采集器，所述前端光路通过红外光纤束连接图像采集器，所述数据处理与检测模块包括上位机，所述图像采集器通过信号传输电缆通讯连接于上位机，所述上位机包括数据存储模块、信息显示模块、全息温度场分析模块、温度预警模块和远程控制模块，所述图像采集器包括图像传感器和下位机PCB电路板，所述图像传感器安装在下位机PCB电路板上，所述前端光路通过红外光纤束连接于下位机PCB电路板。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：所述前端光路包括多个透镜组、法兰和SF6防漏垫圈，使用时，在GIS罐外壁上开设安装孔，将前端光路通过密封胶密封安装在安装孔内，以对GIS罐内部温度进行监测，其中，透镜组的参数，根据应用场景具体计算。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：所述前端光路的作用其一是对GIS内部温度场进行成像，然后将采集的红外信号精准传递给光纤束；其二是封堵GIS罐体安装孔，避免SF6泄露。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：所述红外光纤束包括尾纤、纤芯、纤芯包层、护层和扩束器；所述红外光纤束为柔性结构；红外光纤束的尾纤与前端光路的法兰采用可拆卸式连接，尾纤与前端光路的透镜组衔接；其中，红外光纤材质、拉丝工艺、排丝技术、端面处理、光路设计依据应用场景具体研究。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：所述图像采集器还包括封装壳体，封装壳体和红外光纤束的扩束器采用可拆卸式连接，封装壳体外有信号传输及供电电缆接口；其中，图像传感器的作用是将接收的红外光波信号转化为电信号，交由上位机进行数据分析，实现人机交互；下位机PCB板起控制图像传感器、初步校正电信号及信号传输的作用。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：所述全息温度场分析模块，包括数据校准补偿、温度范围、平均温度、温度梯度、温度时变特性等分析功能；其中，温度预警模块包括全息温度信息综合评判和异常温升部位警告模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：为还原真实的信号，所述全息温度场分析模块，由于GIS内部不同材质表面具有不同红外发射率、SF6对10.6μm的红外波长选择吸收、各光学单元光束结构无法完全耦合及各单元固有因素对热辐射损耗等多种因素影响，首先应进行采集设备参数校准、红外图像数据补偿，在获得准确数据的基础上针对温度场特性进行GIS内部温度范围、平均温度、温度梯度、温度时变特性等全息温度场分析。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤传像束的GIS内窥测温系统，其特征在于：为保证设备安全稳定运行以及检修人员生命健康安全，所述温度预警模块，基于全息温度场参数进行综合评判后，在异常温升部位发出视听一体化警告，提示工作人员及时处理；所述远程控制模块，可以支持GIS内部温度场在线监测、远程遥控监测设备以及大规模数据云存储。
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