CN114942100A - 一种用于真空开关真空度检测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种用于检测真空开关真空度的装置，包括：等离子体激发模块，用于对待测真空开关进行激发，以产生等离子体信号；第一信号转换模块，用于将所述等离子体信号转换为电流信号；第二信号转换模块，用于将所述电流信号转换为电压信号；检测模块，用于提取所述电压信号的特征参量，并根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

Description

一种用于真空开关真空度检测的装置及方法

技术领域

本公开属于真空开关真空度检测领域，具体涉及一种用于真空开关真空度检测的装置及方法。

背景技术

目前，126kV输电等级真空断路器已经具备实际挂网条件，但是对高电压等级真空断路器进行真空度在线检测手段的缺乏，大大限制了126kV输电等级真空断路器的大规模推广。基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测技术有望实现真空开关的在线检测，其原理是来源于LIBS技术，即激光诱导等离子体击穿光谱，利用高能纳秒脉冲激光轰击真空开关屏蔽罩，诱导产生激光等离子体，通过采集分析激光等离子体信息，提取等离子体特征参量，根据特征参量得到真空度信息。但是，激光诱导等离子体是瞬态过程，在超高真空下，激光等离子体的寿命只有数百纳秒，一般的成像设备难以对激光等离子体进行成像；目前，常用的激光等离子体成像设备是ICCD相机，可以拍摄纳秒级的等离子体图像。但是，ICCD相机价格昂贵，体积大，大大限制了基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测技术的实际工程应用，也制约了真空开关断路器在中高压、特高压及以上输电等级电网中的大规模使用。

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用于真空开关真空度检测的装置及方法，通过采用高速大带宽光电二极管作为等离子体信号探测元件，极大降低了等离子体信号的探测成本，相较于 ICCD相机有着更小的体积、更轻的重量，更合适作为实际工程使用的等离子体信号探测元件，推动了基于激光诱导等离子体技术的真空开关真空度检测技术的实际工程应用。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种用于真空开关真空度检测的装置，包括：

等离子体激发模块，用于对待测真空开关进行激发，以产生等离子体信号；

第一信号转换模块，用于将所述等离子体信号转换为电流信号；

第二信号转换模块，用于将所述电流信号转换为电压信号；

检测模块，用于提取所述电压信号的特征参量，并根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

优选的，所述第一信号转换模块包括信号衰减单元和第一信号转换单元，所述信号衰减单元用于将所述等离子体信号衰减至所述第一信号转换单元的工作强度范围。

优选的，所述第二信号转换模块包括电源和第二信号转换单元，且所述第二信号转换单元与所述信号衰减单元及第一信号转换单元构成回路。

优选的，所述检测模块包括：

提取单元，用于提取所述电压信号的特征参量；

检测单元，用于根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

优选的，所述检测单元通过将所述电压信号的特征参量代入真空度检测模型获得待测真空开关的真空度。

优选的，所述真空度检测模型由真空开关在不同真空度下获得的电压信号的特征参量与真空度拟合而成。

优选的，所述等离子体激发模块包括位于同一光路的纳秒脉冲激光器、二向色镜和平凸透镜。

本公开还提供一种检测真空开关真空度的方法，包括如下步骤：

S100：激发待测真空开关产生等离子体信号；

S200：采集等离子体信号并转换为电流信号；

S300：将电流信号转换为电压信号；

S400：提取电压信号的特征参量并根据真空度检测模型获得待测真空开关的真空度。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开通过纳秒脉冲激光在真空开关屏蔽罩上诱导出激光等离子体，将激光等离子体光信号转换成电信号，根据电信号特征参量得出待测真空开关真空度，可实现真空开关真空度非接触式、在线监测；

2、本公开采用光电二极管作为等离子体的探测元件，相比于传统的等离子体探测元件ICCD相机而言，光电二极管的成本更低几乎可以忽略不计，极大地降低了真空开关真空度检测成本；

3、本公开采用体积仅有黄豆大小的光电二极管，相比于ICCD相机体积更小，重量更轻，更有利于基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测技术的实际工程应用；

4、本公开采用光电二极管作为等离子体探测元件，降低了基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测技术的硬件成本与使用成本，有利于基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测技术的推广与使用，促进了真空断路器的大规模推广，有利于真空断路器对SF6 断路器的替代，有利于降低电网的碳排放。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种用于真空开关真空度检测的装置的结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的电压信号图；

图3是本公开另一个实施例提供的电压信号特征量与气压的曲线图；

图1中的标记说明如下：

1-纳秒脉冲激光器，2-二向色镜，3-平凸透镜，4-石英玻璃窗口，5-真空开关屏蔽罩，6-真空开关，7-滤光片，8-光电二极管，9-直流电源，10-采样电阻，11-高速信号采集板，12-控制器。

具体实施方式

下面将参照附图图1至图3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公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。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，本公开提供一种用于真空开关真空度检测的装置，包括：

等离子体激发模块，用于对待测真空开关进行激发，以产生等离子体信号；

第一信号转换模块，用于将所述等离子体信号转换为电流信号；

第二信号转换模块，用于将所述电流信号转换为电压信号；

检测模块，用于提取所述电压信号的特征参量，并根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

本实施例通过在待测真空开关内的屏蔽罩上诱导产生等离子体信号，并将等离子体信号依次转换成电流信号和电压信号，然后通过提取电压信号的特征参量以获得待测真空开关的真空度，从而可以实现待测真空开关真空度的非接触式和在线检测。

另一个实施例中，所述激光等离子体激发模块包括位于同一光路的纳秒脉冲激光器、二向色镜和平凸透镜。

本实施例中，将纳秒脉冲激光器1透过真空开关上的石英玻璃窗口4对准真空开关屏蔽罩5，并且在纳秒脉冲激光器1与石英玻璃窗口4之间设置平凸透镜3，使得由纳秒脉冲激光器1所产生的纳秒脉冲激光能够聚焦于真空开关屏蔽罩5，从而诱导产生激光等离子体；才外，还需在平凸透镜3与纳秒脉冲激光器1之间设置二向色镜2，使得激光等离子体能够从纳秒脉冲激光的聚焦光路中分离出来。

另一个实施例中，所述第一信号转换模块包括信号衰减单元和第一信号转换单元，所述信号衰减单元用于对所述等离子体信号衰减至所述第一信号转换单元的工作强度范围。

本实施例选用光电二极管8将由二向色镜2分离出来的等离子体信号转换为电流信号，此外，由于光电二极管8对光信号强度较为敏感，因此还需要采用滤光片7对等离子体信号进行过滤，以将其信号强度衰减至光电二极管8的工作强度范围之内，以保护光电二极管8 不被损坏。

需要说明的是，现有技术中一般是采用ICCD相机采集等离子体信号，但ICCD相机成本高，体积大，而光电二极管相比ICCD相机，不仅成本低，而且体积小，更有利于真空开关真空度检测的实际工程应用，因此，本实施例选用光电二极管代替传统的ICCD相机对等离子体信号进行采集。

另一个实施例中，所述第二信号转换模块包括电源和第二信号转换单元，且所述第二信号转换单元与所述信号衰减单元和第一信号转换单元构成回路。

本实施例中，电源为直流电源，且电源的正极与光电二极管8的输出负极相连，光电二极管8的输出正极与采样电阻10的一端相连，采样电阻10另一端与直流电源9的负极相连，组成采样电路；采样电路将光电二极管8的电流信号转换成采样电阻10的电压信号。

另一个实施例中，所述检测模块包括：

提取单元，用于提取所述电压信号的特征参量；

计算单元，用于根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

本实施例中，可选取电压信号峰值所对应的时刻作为电压信号的起点，选取电压信号强度值为峰值0.1353倍所对应的时刻作为电压信号的终点，对在起点和终点时刻之间的电压信号进行积分，并以此信号积分作为电压信号特征参量。

在确定好电压信号的特征参量后，根据真空度检测模型计算得出待测真空开关的真空度。

下面，本实施例结合图2至图3对真空度检测进行具体说明。

图2为本实施例中获得的不同气压下采样电阻10的电压信号图；图3为本实施例中获得的电压信号积分与环境气压的关系图。

在一个具体实施例中，所用光电二极管10的响应时间为150ps，带宽为2.5GHz，响应波长为400-1100nm，在光电二极管8与二向色镜2之间设置滤光片，将等离子体光信号强度衰减至光电二极管8的工作光强范围之内，同时滤掉可能存在的纳秒脉冲激光，起到保护光电二极管8的作用；直流电源9的电压设置为5V，采样电阻10的阻值为50Ω，误差为0.01％，将直流电源9的正极与光电二极管8的输出负极相连，光电二极管8的输出正极与采样电阻10的一端相连，采样电阻10另一端与直流电源9的负极相连，构成采样电路；当光电二极管8收集到等离子体光信号时，产生微弱的电流信号，采样电路将光电二极管8的微弱电流信号转换成采样电阻10的电压信号；采用带宽为3.5GHz，采样率为40G/s的示波器作为高速信号采集板 11，采集采样电阻10的电压信号；采集到的电压信号输出至上述 STM32控制器12，控制器12根据电压信号根据采集到的电压信号确定电压信号的信号峰值，选取图2中所示的电压信号峰值时刻作为电压信号的起点；参照高斯脉冲激光确定边界的原则，选取图2中所示的电压信号强度值为峰值1/e²倍的时刻作为电压信号的终点，计算电压信号在起点和终点时刻之间的电压信号积分，以此信号积分作为电压信号特征参量。参见图3，将各气压下获得的电压信号特征参量与气压进行曲线拟合，获得的关系曲线为：y＝34119.43287*x^-0.20531，其中，y表示电压信号特征参量，x表示气压；在此实施例中，对真空度为1Pa，0.1Pa，0.01Pa，0.001Pa的真空泡进行真空度测试，结果如下：0.9355Pa，0.0858Pa，0.0131Pa，0.0006217Pa，误差分别为：-6.45％，-14.2％，31.15％，37.83％。

另一个实施例中，本公开还提供一种用于真空开关真空度检测的装置，包括：

纳秒脉冲激光器1、二向色镜2和平凸透镜3，所述纳秒脉冲激光器1、二向色镜2和平凸透镜3位于同一光路；

光电二极管8，所述光电二极管8和二向色镜2之间设置有率光片7；

直流电源9，所述直流电源9的正极与光电二极管8的输出负极相连，光电二极管8的输出正极与采样电阻10的一端相连，采样电阻10另一端与直流电源9的负极相连，组成采样电路；

高速信号采集板11，所述高速信号采集板11的输入端连接采样电路的输出端，所述高速信号采集板11的输出端连接控制器12的输入端，所述控制器12的输出端连接所述纳秒脉冲激光器1的输入端。

本实施例中，控制器12控制纳秒脉冲激光器1输出纳秒脉冲激光对准真空开关屏蔽罩5，同时触发高速信号采集板11开始采集信号；在纳秒脉冲激光器1与真空开关6的石英玻璃窗口4之间设置平凸透镜3，使得纳秒脉冲激光在真空开关屏蔽罩5上聚焦光斑最小，诱导出激光等离子体；在纳秒脉冲激光器1与平凸透镜3之间设置二向色镜2，将激光等离子体光信号从纳秒脉冲激光光路中分离出来；滤光片7将等离子体光信号衰减至光电二极管8的工作光强范围内，光电二极管8收集等离子体光信号，将光信号转换成电流信号；采样电路将电流信号转换成采样电阻10的电压信号；高速信号采集板11 采集采样电阻10的电压信号，并输出至控制器12；控制器12根据采集到的电压信号确定电压信号的峰值，选取电压信号峰值时刻作为电压信号的起点，选取电压信号强度值为峰值强度0.1353倍的时刻作为电压信号的终点，求电压信号在起点与终点时刻之间的电压信号积分，此电压信号积分即为电压信号特征参量；根据预先得到的电压信号特征量与真空度的关系得出待测真空开关真空度。

Claims (8)

1.一种用于真空开关真空度检测的装置，包括：

等离子体激发模块，用于对待测真空开关进行激发，以产生等离子体信号；

第一信号转换模块，用于将所述等离子体信号转换为电流信号；

第二信号转换模块，用于将所述电流信号转换为电压信号；

检测模块，用于提取所述电压信号的特征参量，并根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，优选的，所述第一信号转换模块包括信号衰减单元和第一信号转换单元，所述信号衰减单元用于将所述等离子体信号衰减至所述第一信号转换单元的工作强度范围。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二信号转换模块包括电源和第二信号转换单元，且所述第二信号转换单元与所述信号衰减单元及第一信号转换单元构成回路。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测模块包括：

提取单元，用于提取所述电压信号的特征参量；

检测单元，用于根据所述电压信号的特征参量获得待测真空开关的真空度。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述检测单元通过将所述电压信号的特征参量代入真空度检测模型获得待测真空开关的真空度。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述真空度检测模型由真空开关在不同真空度下获得的电压信号的特征参量与真空度拟合而成。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述等离子体激发模块包括位于同一光路的纳秒脉冲激光器、二向色镜和平凸透镜。

8.一种检测真空开关真空度的方法，包括如下步骤：

S100：激发待测真空开关产生等离子体信号；

S200：采集等离子体信号并转换为电流信号；

S300：将电流信号转换为电压信号；

S400：提取电压信号的特征参量并根据真空度检测模型获得待测真空开关的真空度。

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