CN104165707A - 一种基于传像导引的飞秒全光纤拉曼电力变压器测温方法 - Google Patents

一种基于传像导引的飞秒全光纤拉曼电力变压器测温方法 Download PDF

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Abstract

一种基于传像导引的飞秒全光纤拉曼电力变压器测温方法，本发明采用的探测***由光纤子***及伺服子***组成。光纤子***由飞秒全光纤拉曼激光器、红外光纤传像束、CARS光纤束组成。红外光纤传像束负责实时采集重点监测区域红外图像，根据红外图像分析确定重点高温监测点。由伺服子***带动CARS光纤束转动到某一位置，使激光聚焦点与重点高温监测点重合。由CARS信号采集光纤采集重点高温监测点CARS光强信号。然后根据CARS光强与温度的关系，计算得到该高温监测点的温度，从而可实现对变压器内部重点区域的温度监测。本发明采用了全光纤传像、光谱分析与聚焦伺服扫描的综合，可实现灵活准确的变压器内部温度监测。

Description

一种基于传像导引的飞秒全光纤拉曼电力变压器测温方法
 
技术领域    
本发明涉及一种电力***变压器内部的测温方法。具体来说，属于激光光谱温度传感技术领域。
背景技术    
随着电网的规模增大，电力***的变压器单机容量也不断增大。其运行情况对整个电网***影响很大，因此需要进行监测以确保工作稳定安全。在监测变压器工作情况时，变压器内部温度，尤其是绕组热点温度是反映变压器正常运行及决定其使用寿命的一个重要参数，很多故障可通过这个参数反映出来，因此对其进行实时监测对电网***的安全运行具有重要的意义。
目前，常用的变压器绕组测温方法有复合式测温、半导体测温及分布式光纤测温方法。复合式测温采用压力式温度计或热敏电阻检测变压器油箱不同层的不同点温，由于油温的变化滞后于绕组温度的变化，因此实时性及精度都较差。半导体测温采用砷化镓等半导体材料作为感温器件，其光谱吸收特性随温度而改变，该技术受光源波动影响很大，精度较低。分布式光纤温度传感成本较高，铺设安装调试较为复杂，受实际安装条件所限。由于实际的变压器内部空间及情况各异，该技术较难大规模推广。
为解决常用变压器多点温度监测技术的问题，本发明提出一种基于全光纤传像、光谱分析与聚焦伺服扫描综合的变压器内部温度监测方法，实现对变压器内部重点区域的温度实时监测。
发明内容
本发明提供一种基于全光纤传像、光谱分析与聚焦伺服扫描的综合的变压器内部温度监测方法，实现对变压器内部重点区域的温度实时监测。
本发明的技术方案是这样来实现的：
一种测量变压器温度的激光探测***，***包括：
飞秒全光纤拉曼激光器，用于发出脉冲CARS激光，所述激光中包含时域重合且同轴的飞秒级泵浦光与斯托克斯光；
红外光纤传像束，用于实时采集重点监测区域红外图像；
CARS光纤束，CARS光纤束包括CARS激光传输光纤及CARS信号采集光纤；所述CARS激光传输光纤用于传输脉冲CARS激光；所述CARS信号采集光纤用于采集重点高温监测点CARS光强信号；
计算机，用于控制飞秒全光纤拉曼激光器发出脉冲CARS激光；分析图像采集卡实时采集的监测区域红外图像，确定重点高温监测点；根据CARS光强与温度的关系，计算得到该高温监测点的温度，实现对变压器内部重点区域的温度监测；
伺服子***，用于带动CARS光纤束转动到某一位置，使激光聚焦点与重点高温监测点重合。
所述CARS激光传输光纤的激光输出头中设有第一聚焦小透镜，使脉冲CARS激光聚焦至变压器绕组上；所述CARS信号采集光纤的采集探头中设有第二聚焦小透镜。
所述伺服子***包括伺服供电及控制盒、双轴伺服电机及供电及控制电缆；双轴伺服电机安装在变压器内；CARS光纤束装配在电机传动机构上；计算机通过伺服供电及控制盒发出控制指令，经供电及控制电缆对双轴伺服电机进行供电及控制。
所述***的所述飞秒全光纤拉曼激光器发出脉冲CARS激光，所述激光中包含时域重合且同轴的飞秒级泵浦光与斯托克斯光；所述脉冲CARS激光经过所述CARS激光传输光纤传输，再通过所述CARS光纤束中激光输出头，使脉冲CARS激光聚焦至变压器绕组上；变压器绕组通过广角红外成像耦合透镜所成的实时红外图像经过红外光纤传像束传送至红外面阵图像传感器，经图像采集卡实时采集，送到计算机进行分析；计算机通过伺服供电及控制盒发出控制指令，经供电及控制电缆对双轴伺服电机进行供电及控制，使电机传动机构带动CARS光纤束做两维扫描；脉冲CARS激光打到高温监测点激发出来的反斯托克斯拉曼信号包含有高温监测点的温度信息，所述反斯托克斯拉曼信号通过采集探头耦合至CARS信号采集光纤，并送至拉曼光谱仪得到反斯托克斯拉曼谱线。
所述广角红外成像耦合透镜的成像视场能覆盖所需监测的变压器绕组。
一种基于传像导引的飞秒全光纤拉曼电力***测温方法，方法在变压器内外部安装探测***，然后进行激光聚焦点的成像点在红外光纤传像束生成图像中的初始坐标定位，即通过扫描控制，使激光聚焦点的成像点在红外光纤传像束生成图像的中心位置；红外光纤传像束负责实时采集重点监测区域红外图像，根据红外图像分析确定重点高温监测点；由伺服子***带动CARS光纤束转动到某一位置，使激光聚焦点与重点高温监测点重合；由CARS信号采集光纤采集重点高温监测点CARS光强信号；然后根据CARS光强与温度的关系，计算得到该高温监测点的温度，从而可实现对变压器内部重点区域的温度监测。
本发明的优点是采用全光纤技术，体积小重量轻，安装方便，采用全光纤传像、光谱分析与聚焦伺服的结合，基于图像处理扫描监测高温点，可实现对监测区域的实时重点测温。
附图说明    
图1为本发明的示意图；
图2为红外光纤传像束生成图像示意图；
在图中，1是计算机；2是图像采集卡；3是红外面阵图像传感器；4是红外光纤传像束；5是孔A；6是广角红外成像耦合透镜；7是视场；8是变压器，9是电机传动机构；10是CARS光纤束；11是激光输出头；12是采集探头；13是高温监测点；14是变压器绕组；15是双轴伺服电机；16是光纤电缆束；17是孔B；18是供电及控制电缆；19是CARS信号采集光纤；20是CARS激光传输光纤；21是伺服供电及控制盒；22是拉曼光谱仪；23是飞秒全光纤拉曼激光器；24是高温监测点成像点；25是激光聚焦点的成像点；26是红外光纤传像束生成图像。
具体实施方式
如图1所示，本发明是这样实现的，探测***由光纤子***及伺服子***组成。光纤子***主要由飞秒全光纤拉曼激光器23、红外光纤传像束4、CARS光纤束10组成；其中CARS光纤束10包括CARS激光传输光纤20及CARS信号采集光纤19。伺服子***包括伺服供电及控制盒21、双轴伺服电机15及供电及控制电缆18组成。
首先在变压器8内部固定安装广角红外成像耦合透镜6，使其成像视场7能覆盖所需监测的变压器绕组14。变压器绕组14通过广角红外成像耦合透镜6所成的实时红外图像经过红外光纤传像束4传送至红外面阵图像传感器3，经图像采集卡2实时采集，送到计算机1进行分析。变压器8外壳开孔A5，以便红外光纤传像束4从内部穿出至外部。同时，在变压器8内部合适位置固定安装双轴伺服电机15，CARS光纤束10装配在电机传动机构9上。计算机1通过伺服供电及控制盒21发出控制指令，经供电及控制电缆18对双轴伺服电机15进行供电及控制，使电机传动机构9带动CARS光纤束10做两维扫描。
由计算机1控制飞秒全光纤拉曼激光器23发出脉冲CARS激光，该激光中包含时域重合且同轴的飞秒级泵浦光与斯托克斯光，脉冲CARS激光经过CARS激光传输光纤20传输，再通过CARS光纤束10中激光输出头11，激光输出头11中有第一聚焦小透镜，使脉冲CARS激光聚焦至变压器绕组14上。激光聚焦点的成像点25在红外光纤传像束生成图像26中的坐标位置可随扫描而移动。
然后进行激光聚焦点的成像点25在红外光纤传像束生成图像26中的初始坐标定位，即通过扫描控制，使激光聚焦点的成像点25在红外光纤传像束生成图像26的中心位置。
对变压器绕组14进行温度监测时，计算机1通过红外光纤传像束4实时采集变压器绕组14重点监测区域红外图像。可根据红外图像灰度分析确定高温监测点13，即红外灰度最大值的位置坐标即为高温监测点成像点24。根据高温监测点成像点24与激光聚焦点的成像点25的坐标差值，确定双轴伺服电机15所需控制量，计算机1通过伺服供电及控制盒21发出对应该控制量的控制指令，使双轴伺服电机15通过电机传动机构9带动CARS光纤束10扫描移动，让激光输出头11的激光聚焦点的成像点25与监测高温点成像点24重合。此时的脉冲CARS激光聚焦点即为变压器绕组14的高温监测点13。由脉冲CARS激光打到高温监测点13激发出来的反斯托克斯拉曼信号当时包含有高温监测点13的温度信息，CARS光纤束10中的采集探头12中含有第二聚焦小透镜，该反斯托克斯拉曼信号可通过采集探头12耦合至CARS信号采集光纤19，并送至拉曼光谱仪22得到反斯托克斯拉曼谱线，通过计算机1进行分析，由反斯托克斯拉曼光谱波长及强度与温度的关系，计算得到高温监测点13的温度，从而可实现对变压器内部重点区域的温度监测。
为了布线简洁，在变压器8内部，供电及控制电缆18、CARS信号采集光纤与CARS激光传输光纤集合成一光纤电缆束16，并通过开孔B17穿出变压器8。

Claims (6)

1.一种测量变压器温度的激光探测***，其特征在于，
所述***包括：
飞秒全光纤拉曼激光器，用于发出脉冲CARS激光，所述激光中包含时域重合且同轴的飞秒级泵浦光与斯托克斯光；
红外光纤传像束，用于实时采集重点监测区域红外图像；
CARS光纤束，CARS光纤束包括CARS激光传输光纤及CARS信号采集光纤；所述CARS激光传输光纤用于传输脉冲CARS激光；所述CARS信号采集光纤用于采集重点高温监测点CARS光强信号；
计算机，用于控制飞秒全光纤拉曼激光器发出脉冲CARS激光；分析图像采集卡实时采集的监测区域红外图像，确定重点高温监测点；根据CARS光强与温度的关系，计算得到该高温监测点的温度，实现对变压器内部重点区域的温度监测；
伺服子***，用于带动CARS光纤束转动到某一位置，使激光聚焦点与重点高温监测点重合。
2.根据权利要求1所述一种测量变压器温度的激光探测***，其特征在于，所述CARS激光传输光纤的激光输出头中设有第一聚焦小透镜，使脉冲CARS激光聚焦至变压器绕组上；所述CARS信号采集光纤的采集探头中设有第二聚焦小透镜，反斯托克斯拉曼信号可通过采集探头耦合至CARS信号采集光纤，并送至拉曼光谱仪得到反斯托克斯拉曼谱线。
3.根据权利要求1所述一种测量变压器温度的激光探测***，其特征在于，所述伺服子***包括伺服供电及控制盒、双轴伺服电机及供电及控制电缆；双轴伺服电机安装在变压器内；CARS光纤束装配在电机传动机构上；计算机通过伺服供电及控制盒发出控制指令，经供电及控制电缆对双轴伺服电机进行供电及控制。
4.根据权利要求1所述一种测量变压器温度的激光探测***，其特征在于，所述***的所述飞秒全光纤拉曼激光器发出脉冲CARS激光，所述激光中包含时域重合且同轴的飞秒级泵浦光与斯托克斯光；所述脉冲CARS激光经过所述CARS激光传输光纤传输，再通过所述CARS光纤束中激光输出头，使脉冲CARS激光聚焦至变压器绕组上；变压器绕组通过广角红外成像耦合透镜所成的实时红外图像经过红外光纤传像束传送至红外面阵图像传感器，经图像采集卡实时采集，送到计算机进行分析；计算机通过伺服供电及控制盒发出控制指令，经供电及控制电缆对双轴伺服电机进行供电及控制，使电机传动机构带动CARS光纤束做两维扫描；脉冲CARS激光打到高温监测点激发出来的反斯托克斯拉曼信号包含有高温监测点的温度信息，所述反斯托克斯拉曼信号通过采集探头耦合至CARS信号采集光纤，并送至拉曼光谱仪得到反斯托克斯拉曼谱线。
5.根据权利要求4所述一种测量变压器温度的激光探测***，其特征在于，所述广角红外成像耦合透镜的成像视场能覆盖所需监测的变压器绕组。
6.一种基于传像导引的飞秒全光纤拉曼电力***测温方法，其特征在于，所述方法在变压器内外部安装探测***，然后进行激光聚焦点的成像点在红外光纤传像束生成图像中的初始坐标定位，即通过扫描控制，使激光聚焦点的成像点在红外光纤传像束生成图像的中心位置；红外光纤传像束负责实时采集重点监测区域红外图像，根据红外图像分析确定重点高温监测点；由伺服子***带动CARS光纤束转动到某一位置，使激光聚焦点与重点高温监测点重合；由CARS信号采集光纤采集重点高温监测点CARS光强信号；然后根据CARS光强与温度的关系，计算得到该高温监测点的温度，从而可实现对变压器内部重点区域的温度监测。
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