CN116829910A - 传感设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于高压隔离开关(20)的感测设备(10)。所述感测设备(10)包括：第一光纤(110)，配置为从光源(100)接收光并配置为引导光；光学准直器(120)，耦合到所述第一光纤(110)以接收在所述第一光纤(110)中引导的光并配置为将所述光准直成准直光束；可弯曲光学元件(130)，耦合到所述光学准直器(120)以接收所述准直光束并配置为引导所述准直光束，其中所述可弯曲光学元件(130)被配置和布置成根据所述高压隔离开关(20)的切换状态而弯曲，从而影响所述准直光束；推导单元(160)，配置为基于所述准直光束推导所述高压隔离开关(20)的切换状态信息。

Description

传感设备
技术领域
本发明总的涉及传感设备领域。更具体地，本发明涉及一种用于高压隔离开关的感测设备和具有这种感测设备的高压隔离开关。
背景技术
隔离开关在本领域中是众所周知的。这种隔离开关可以进入两个专用状态，即接通状态(on)和关断状态(off)。对于几个应用，需要检测隔离开关(有时也称为隔离器)的相应状态。
智能变电站设备正在为提高运行安全性和减少停机时间铺平道路。使用智能传感器将资产状态数字化，可实现快速错误定位和预测性维护。分合闸隔离开关(BCDS)是一种特殊类型的隔离开关，是在当今变电站中最重要的部件之中。这些部件具有移动部件。因此，自然地操作BCDS会具有以下故障模式：
-开关被机械地阻挡在既不是“断开”也不是“闭合”的位置。
-阳触点和阴触点的相对位置，其不是完全“闭合”的(低手指压力)，并且其可以导致触点的加热，从而导致较低的携带电流。
对诸如BCDS的隔离开关的在线监测存在日益增长的需求。
IEC 62271-102n.d.描述用于隔离开关的通用强制性类型测试。根据IEC，预计设备正在正确地指示隔离开关的位置。这种设备没有详细说明。之前已经指出，BCDS在变电站的电气***安全方面造成了重大事件的主要部分。主要问题是“断开或闭合”信息的丢失。这种事件限制了拓扑变化，削弱了变电站***并且需要现场干预。这些事实促进了用于监测设备状态的智能传感器的开发。通过采用这种传感器，数据记录和处理使得能够获得对BCDS健康状态的洞察，并且必要时启动预防措施。
目前，有几种技术被考虑用于BCDS的在线监测。目前正在研究不同的方法来监测切换状态。例如，S.Douillard等人在“法国电网上的隔离器可靠性以及减少其故障对电气***造成的后果的方法(Disconnectors reliability on the French grid and meansto reduce the consequences of their failures on the electrical system)”(Cigré2018)中提出了对隔离器操作扭矩的实时监测。利用其中描述的方法，可以将开关运动与最小值和最大值进行比较。据报道，操作扭矩值高度依赖于环境温度。这需要通过算法来纠正。
Bozhong等人在“智能隔离开关分合闸位置监测方法综述(Review on Breaking-closing Position Monitoring Method for Intelligent Disconnecting Switches)”(IOP Conf.系列：地球环境，科学，223，2018)中对进一步的监测技术进行了综述。正在研究的一种方法是图像识别。在这种方法中，目的是从图像区域中提取特征来推断BCDS的状态。这可以通过用于观察开关的固定或移动摄像机来完成。除了高度自动化、规模化等优点外，这种方法也具有对天气条件敏感、成本高等缺点。此外，使用相机进行成像使该方法对BCDS环境中的磁场敏感。
已经提出了基于光学的方法。例如，用激光源和反射镜来验证开关触点是否在正确的位置。在另一种方法中，三个子***被集成到单个监测单元。相对位置感测是通过采用单个LED和32个光电晶体管来进行。Mems用于在运行期间进行振动测量。作为电流源，使用太阳能电池板。监测单元的操作持续时间取决于数据通信频率。预计所提出的基于光学的方法既不能提供足够好的空间分辨率测量，也不能提供足够好的时间分辨率测量来实现预测性维护。此外，所有使用的子***都必然需要电流。在高磁场直接附近，尚不清楚如何确保电驱动子***的精确校准和稳定运行。
已经考虑了基于光纤的位移测量。先前研究了具有相同和不同数值孔径(NA)的光纤之间的功率耦合损耗。例如，已经计算了具有角度未对准的两根光纤之间的耦合效率。此外，已经提出了由于横向未对准连同角度未对准所导致的未对准损失。在这两种情况下，只考虑了没有任何其他光学元件的两个光纤端。
在用光纤布拉格光栅(FBG)实现的基于光纤的弯曲传感器的情形下，已经考虑了基于光纤的弯曲传感器。这种部件在感兴趣点(长度约20mm)处具有局部折射率结构，其像镜子一样以预定百分比反射/透射特定波长的入射信号。如果FBG受到张应力、温度变化、湿度等环境影响，则光的反射/透射量会发生显著变化。这种传感器和读出单元可在市场上买到。
总之，本领域技术的当前状态无法满足在BCDS运行的极端环境条件下测量关键物理量的需求。
因此，需要改进用于高压隔离开关的感测设备。例如，可能需要用于高压隔离开关的感测设备提供准确的结果和/或实现对高压隔离开关的可靠监测。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种用于高压隔离开关的感测设备。所述感测设备包括第一光纤、光学准直器、可弯曲光学元件以及推导单元。所述第一光纤配置为从光源接收光并配置为引导光。所述光学准直器耦合到所述第一光纤以接收在所述第一光纤中引导的光。所述光学准直器配置为将所述光准直成准直光束。所述可弯曲光学元件耦合到所述光学准直器以接收所述准直光束。所述可弯曲光学元件配置为引导所述准直光束。所述可弯曲光学元件被配置和布置成根据所述高压隔离开关的切换状态而弯曲，从而影响准直光束。换句话说，可以通过弯曲所述可弯曲光学元件来影响所述准直光束。所述推导单元配置为基于所述准直光束推导关于所述高压隔离开关的切换状态的信息。
所述高压隔离开关可以是任何可以在高压环境下用于连接设备(在高压隔离开关的接通状态)和用于断开设备(在高压隔离开关处于断开状态)的开关装置。可以在高压隔离开关上安装或布置一个或多个不同的机构或部件，以便使高压隔离开关从接通状态进入断开状态，反之亦然，例如开关臂。光源可以是任何光源，诸如激光光源。光可以是激光。光源可以直接或间接耦合或连接到光学准直器和/或可弯曲光学元件。光学准直器可以是准直透镜和/或会聚透镜。例如，光学准直器可以是或包括第一准直透镜。
可弯曲光学元件被配置和布置成根据高压隔离开关的切换状态而弯曲。可弯曲光学元件的光学特性可基于光学元件的弯曲或弯曲程度或弯曲状态而改变。准直光束可以基于可弯曲光学元件的弯曲或弯曲程度或弯曲状态而不同地传播。可弯曲光学元件的弯曲可改变可弯曲光学元件的光学特性，并因此改变准直光束的光学特性。根据可弯曲光学元件的弯曲程度(弯曲度)，准直光束的光学特性可能会发生变化。例如，随着可弯曲光学元件弯曲程度的增加，准直光束中的光学损耗可能增加。
由于可弯曲光学元件的弯曲或弯曲程度或弯曲状态可取决于高压隔离开关的切换状态，推导单元可配置为从可弯曲光学元件的弯曲或弯曲程度或弯曲状态中推导高压隔离开关的切换状态。例如，高压隔离开关或高压隔离开关的一个或多个部件，例如高压隔离开关的开关弹簧或开关臂可以直接或间接耦接或连接到感测设备，例如，感测设备的可弯曲光学元件。开关臂可以理解为可移动元件。开关臂可以使开关，即，高压隔离开关，从关断状态进入接通状态，反之亦然。开关臂有时被认为是阳触点。开关臂可以包括金属触点。开关弹簧(例如，左弹簧和右弹簧)可以是不能移动或不能被移动的静态元件。开关弹簧有时被认为是阴触点或阴触点的一部分。换句话说，开关臂可以是可移动元件，其使开关从关断状态进入接通状态，反之亦然。在每个开关臂的末端，可以有一个接触元件，诸如铜触点。开关弹簧可以是可以添加在母铜触点上以确保紧密连接或确保连接紧密的元件。推导单元可以直接或间接耦接或连接到聚焦光学器件和/或可弯曲光学元件。
根据感测设备的第一可能实施例，光学准直器可直接或间接耦合到可弯曲光学元件的第一端，例如，可弯曲光学元件的输入端。感测设备还可以包括聚焦光学器件和第二光纤。聚焦光学器件可以直接或间接耦合到可弯曲光学元件的第二端(例如输出端)以接收在可弯曲光学元件中引导的准直光束。聚焦光学器件可以直接或间接耦合到第二光纤。聚焦光学器件可以配置为将准直光束聚焦到第二光纤中。第二光纤可以配置为引导聚焦光。推导单元可以直接或间接耦合到第二光纤以接收在第二光纤中引导的聚焦光。推导单元可以配置为基于接收的聚焦光推导关于高压隔离开关的切换状态的信息。例如，推导单元可以配置为仅从接收的聚焦光中推导关于高压隔离开关的切换状态的信息。聚焦光学器件可以是准直透镜和/或会聚透镜。例如，聚焦光学器件可以是或包括不同于光学准直器(例如，第一准直透镜)的第二准直透镜。
根据感测设备的第二可能实施例，所述光学准直器可直接或间接耦合到所述可弯曲光学元件的第一端。所述感测设备还可以包括镜像部件和聚焦光学器件。镜像部件可以耦合到所述可弯曲光学元件的第二端，以将所述准直光束反射回所述可弯曲光学元件的第一端。所述聚焦光学器件可以耦合到所述可弯曲光学元件的第一端，以接收在所述可弯曲光学元件中引导的所述反射准直光。聚焦光学器件可以直接或间接耦合到第一光纤。所述聚焦光学器件可以配置为将所述反射的准直光束聚焦到所述第一光纤中。所述第一光纤可以配置为引导聚焦光。所述推导单元可以直接或间接耦合到所述第一光纤以接收所述聚焦光。所述推导单元可以配置为基于所述接收的聚焦光推导关于所述高压隔离开关的切换状态的信息。推导单元可以配置为仅从接收的聚焦光中推导关于高压隔离开关的切换状态的信息。聚焦光学器件可以是准直透镜和/或会聚透镜。例如，聚焦光学器件可以是或包括光学准直器，例如第一准直透镜。
光学准直器，例如第一准直透镜，可以配置为准直在光学准直器的第一端/侧接收的光并且聚焦在光学准直器的第二端/侧接收的准直光。
推导单元可以包括转换部件，其配置为将接收的光转换成至少一个电压值。例如，转换部件可以配置为将接收的聚焦光转换成至少一个电压值。推导单元还可以包括监测部件，其配置为基于所述至少一个电压值来确定所述高压隔离开关的切换状态。
所述监测部件可以配置为基于所述至少一个电压来确定所述可弯曲光学元件的弯曲量或弯曲程度。监测部件可以配置为基于所述可弯曲光学元件的弯曲量或弯曲程度来确定所述高压隔离开关的切换状态。
监测部件可以配置为连续地或重复地确定所述高压隔离开关的切换状态。以此方式，可以提供高压隔离开关的(在线)监测和/或维护。
感测设备还可以包括第一适配器。第一适配器可以布置在或安装到可弯曲光学元件的第一侧/端。例如，第一适配器可以布置在所述光学准直器和所述可弯曲光学元件之间。所述光学准直器可以安装到所述第一适配器的第一侧。所述可弯曲光学元件可以安装到所述第一适配器的第二侧。
感测设备还可以包括第二适配器。第二适配器可以布置在或安装到可弯曲光学元件的第二侧/端。例如，在上述第一实施例中，第二适配器可以布置在聚焦光学器件和可弯曲光学元件之间。可弯曲光学元件可以安装到第二适配器的第一侧。聚焦光学器件可以安装到第二适配器的第二侧。
所述可弯曲光学元件可以一端固定。所述可弯曲光学元件可以在另一端自由可弯曲。例如，可弯曲光学元件可以固定地附接到第一适配器并且可移动地附接到第二适配器。以此方式，可弯曲光学元件可以在另一端处(例如，在第二个适配器内)自由弯曲或移动。
所述可弯曲光学元件可包括或配置为导光管。或者，所述可弯曲光学元件可以是圆柱形光纤。圆柱形光纤可具有锥形截面。替代地，可弯曲光学元件可以是一对光纤端。这对光纤端可以耦接在柔性基板上。
根据本发明的第二方面，提出了一种高压隔离开关。所述高压隔离开关包括如本文所述的感测设备。
所述高压隔离开关可以包括弹簧/开关弹簧和/或开关臂，其配置为当所述高压隔离开关的切换状态改变时变形或改变其形状。例如，当高压隔离开关的切换状态从接通状态变为关断状态时，弹簧/开关弹簧或开关臂可以变形或改变其形状。所述感测设备，例如可弯曲光学元件，可以直接或间接耦接或连接到所述开关弹簧或开关臂，使得所述弹簧/开关弹簧或开关臂形状的变形或改变引起所述可弯曲光学元件的弯曲。例如，在接通状态下，开关臂元件可以彼此连接，并且在关断状态下，开关臂元件可以彼此断开连接。在从接通状态到关断状态的转变中，开关臂元件因此可以改变它们相对于彼此的位置，从而引起可弯曲光学元件根据相对位置的改变而弯曲。例如，开关臂的元件可以通过相对于彼此执行旋转运动来改变它们的相对位置。
高压隔离开关可配置为或包括分合闸隔离开关(BCDS)、中心分断隔离开关、双分断隔离开关、垂直分断隔离开关、折架式隔离开关、半折架式隔离开关或膝式隔离开关。
本文关于根据第一方面的感测设备描述的所有细节同样可以应用于根据第二方面的高压隔离开关和/或使用感测设备的感测方法。因此，即使上面描述的一些方面已经参考感测设备和/或高压隔离开关进行了描述，这些方面也可以适用于该方法，反之亦然。
本领域技术人员清楚的是，本文所阐述的陈述可以在使用硬件电路、软件装置或者它们的组合的情况下实现。软件装置可以与编程的微处理器或通用计算机、ASIC(专用集成电路)和/或DSP(数字信号处理器)相关。例如，处理单元可以至少部分地实现为计算机、逻辑电路、FPGA(现场可编程门阵列)、处理器(例如，微处理器、微控制器(μC)或阵列处理器)/核心/CPU(中央处理单元)、FPU(浮点单元)、NPU(数字处理单元)、ALU(算术逻辑单元)、协处理器(支持主处理器(CPU)的进一步微处理器)、GPGPU(图形处理单元上的通用计算)、多核处理器(用于并行计算，诸如在多个主处理器和/或图形处理器上同时执行算术运算)或DSP。例如，上述部件中的一个或多个可以在推导单元中实现，例如，在转换部件和/或监视部件中。
尽管可以像诸如“第一”或“第二”等术语来描述不同的部件或特征，但是这些部件或特征不限于这些术语。对于上述术语，仅将一个部件与另一个部件区分开来。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件；第二部件也可以称为第一部件。
在目前的情况下，如果一个部件“连接到”或“耦接(合)到”另一个部件，这并不排除它直接连接到或直接耦接到另一个部件，但是，另一个部件可以在连接部件或耦接部件之间。另一方面，如果一个部件“直接连接”到另一个部件或“直接耦接”另一个部件，则应理解在连接部件或耦接部件之间不存在其他部件。
附图说明
下面，将参照附图描述本申请的优选实施例。在附图中，相同或对应的部件总是具有相同的附图标记。图中所示部件或零件的尺寸和比例不一定按比例绘制；这些尺寸和比例可能与图中的说明和实施的实施例不同。
因此，本发明的上述方面和可选的细节现在将仅通过示例的方式参考附图进一步描述，其中相同的附图标记指代相同的部分，并且其中：
图1示意性地图示了在“开(on)”和“关(off)”切换过程中高压隔离开关的弹簧应变随时间的变化；
图2a示意性地图示了用于感测高压隔离开关的切换状态的感测设备的第一实施例；
图2b示意性地图示了用于感测高压隔离开关的切换状态的感测设备的第二实施例；
图2c示意性地图示了用于感测高压隔离开关的切换状态的感测设备的第三实施例；
图3a示意性地图示了包括开关臂的高压隔离开关的可能的实现；
图3b示意性地图示了图3a的开关臂从关到开的运动，反之亦然；
图4a示意性地图示了感测设备的可弯曲管的弯曲；
图4b示意性地图示了感测设备在开关臂上的可能安装；
图5示意性地图示了用于弯曲感测设备的传递函数；
图6示意性地图示了感测设备的元件的详细实现；
图7示意性地图示了激光二极管的测量输出功率与时间的关系；
图8示意性地图示了用线性平台模拟的开关臂运动；
图9a示意性地图示了用A＝1和B＝0.5的线性平台模拟的开关臂运动；
图9b示意性地图示了用A＝3和B＝1.5的线性平台模拟的开关臂运动；
图10a示意性地图示了用A＝2和B＝1的线性平台模拟的开关臂运动；
图10b示意性地图示了用A＝4和B＝2的线性平台模拟的开关臂运动；以及
图11示意性地图示了使用线性平台模拟的开关臂运动，其中针对100mm管长(A＝2毫米和B＝1毫米)进行了1000次模拟开关循环测试。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节以提供对本申请的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践本申请。即使在下文中有时或主要关于BCDS描述了本申请，但是本申请同样可以在其他高压隔离开关中或与其他高压隔离开关一起实践。
本领域的技术人员将进一步理解，下文解释的功能可以使用单独的硬件电路、使用结合编程的微处理器或通用计算机起作用的软件、使用专用集成电路(ASIC)和/或使用一个或一个或多个数字信号处理器(DSP)来实现。还应当理解，当本申请被描述为一种方法时，它也可以体现在设备(即，下面描述的感测设备和高压隔离开关)、计算机处理器和耦接到处理器的存储器中，其中存储器被编码有一个或多个程序，一个或多个程序程序在由处理器执行时执行本文公开的方法。
对于一般的高压隔离开关、特别是BCDS设备，不存在对开关或开关臂的“开”和“关”状态的既定直接测量。图1描述了在“开”(开状态)和“关”(关状态)切换过程期间开关的弹簧应变随时间的变化。换句话说，图1示出了BCDS开关臂闩锁期间的以牛顿表示的应变。对于典型的中心分断隔离开关，弹簧应变在从“开”到“关”(第0秒到第15秒)的切换期间从350N变为0N。相反过程在第15秒和第40秒之间示出。在这种情况下，应变再次从0N变为350N。同样，从图1中可以看出，循环(cycle)与循环之间的应变有一定的公差，约为100N。考虑图1，需要与高压环境兼容的直接测量***。在没有电流的BCDS上测量施加在这种弹簧上的应变在1mm和4mm之间的范围内。该解决方案应在40秒的量级解决该过程，并使用适当数量的数据点覆盖以mm为单位确定的弯曲范围。
本文所述的解决方案是以每秒>1个数据点范围的高时间分辨率来解决在线监测BCDS的“开”和“关”切换过程的问题。所提出的解决方案是为高压隔离开关设计的，并且特别针对中心分断隔离开关进行了描述。原则上，例如，它还可以定制用于双断路、垂直断路、折架式、半折架式和膝式隔离开关等。本文所述的感测设备具有涉及光纤、透镜、安装件的具体光学和机械设计，并且适于检测移动，例如，在“开”和“关”切换过程期间闩锁开关臂。该***专为直接接触测量而设计，因此故障概率很低。由于在所提出的方法中，光学和电光元件可以在空间上分离，因此可以应对具有挑战性的环境条件(天气、电场和磁场、金属部件的高温)。通过将其与快速读数和专门匹配的智能算法相结合，所提出的解决方案代表了数字商业模式的进一步。它将帮助解决客户的问题，例如变电站的停机时间，并将实现预测性维护。
感测设备(感测单元)的三个可能的实施例在图2a至2c中示出。所有实施例的共同点是用于高压隔离开关的感测设备10。该实施例在此称为共同实施例。感测设备10包括第一光纤110、光学准直器120、可弯曲光学元件130及推导单元160。第一光纤110配置为从光源100接收光。在常见的实施例中，第一光纤110被连接(例如，直接连接)到光源100。第一光纤110配置为引导从光源100接收的光。光学准直器120耦合(例如，直接耦合)到第一光纤110以接收在第一光纤110中引导的光。光学准直器120配置为将光准直成准直光束。可弯曲光学元件130被耦合(例如直接耦合)到光学准直器120以接收准直光束。可弯曲光学元件130配置为引导准直光束。换句话说，准直光束在可弯曲光学元件130中传播。可弯曲光学元件130被配置和布置成取决于高压隔离开关的切换状态而弯曲。从而，准直光束受到影响、或者可弯曲光学元件130和/或准直光束的光学特性被改变。推导单元160配置为基于准直光束推导关于高压隔离开关的切换状态的信息。换句话说，推导部件160配置为推导准直光束或准直光束的光学特性是否改变，并由此推导关于切换状态的信息，例如，高压隔离开关是否处于开状态或关状态或是否正确地执行从开状态到关状态和/或从关状态到开状态的切换过程。
在以下实施例中，通过解释而非限制的方式，光学准直器120配置为准直透镜，因此在下文中将其称为准直透镜120。在以下实施例中，通过解释而非限制的方式，可弯曲光学元件130配置为可弯曲导光管，因此在下文中将被称为可弯曲导光管130(或有时简称为管130)。在以下实施例中，通过解释而非限制的方式，推导单元160包括光电二极管170和监测部件180。
尽管以下细节是关于配置为可弯曲导光管的可弯曲光学元件130描述的，但是其他配置是可能的。例如，可弯曲光学元件130可以配置为圆柱形光纤。圆柱形光纤可能在感兴趣的点处具有锥形部分。此外，可弯曲光学元件130可配置为一对光纤端。这对光纤端130可以在柔性基板上对接耦合，其间没有任何光学部件。
第一实施例在图2a中示出。在此实施例中，感测设备10配置为传输布置。感测设备10包括第一光纤110、第一准直透镜120、准直光束在其中被引导的可弯曲导光管(或简称为管)130、用于聚焦准直光束的第二透镜140和(来自可弯曲导光管130的)光在其中耦合的第二光纤150。第二透镜140可以是聚光透镜、聚焦透镜和/或准直透镜，以下称为第二准直透镜140。由第二透镜120聚焦后的光耦合到第二光纤150中，并被引导至包括光电二极管170和监测部件180的推导单元160。
第二实施例如图2b所示。在此实施例中，感测设备10配置为反射布置。感测设备10包括第一光纤110、第一准直透镜120、引导准直光束的可弯曲导光管(或简称为管)130、用于反射准直光束的反射镜190、以及用于聚焦准直光束的聚焦光学器件120。举例而言，聚焦光学***120配置为第一准直透镜120。第一准直透镜120配置为准直从一侧(图2b中的右侧)进入的光，并配置为聚焦从另一侧(图2b中的左侧)进入的准直光。由准直透镜120聚焦的光耦合到第一光纤110中并被引导至包括光电二极管170和监测部件180的推导单元160。
第三实施例如图2c所示。在此实施例中，感测设备10配置为具有多个感测单元或多个可弯曲导光管130的反射布置。感测设备10包括第一光纤、光纤开关195、多个第一准直透镜120、分别引导准直光束的多个可弯曲导光管(或简称为管)130、分别反射准直光束的多个反射镜190、以及分别聚焦准直光束的多个聚焦光学***120。光纤开关195配置为将从光源100接收的光分解成多个光束并且将多个光束分配到多条光纤。同样地，光纤开关195配置为接收来自多条光纤的光束并将多条光束组合成单个光束以由光纤引导至推导单元160。举例来说，聚焦光学器件120配置为第一准直透镜120。准直透镜120分别配置为准直从一侧(图2c右侧)进入的光线，并且分别配置为聚焦从另一侧(图2c左侧)进入的准直光线。由准直透镜120聚焦的光分别耦合到另一根光纤中，被引导至光纤开关195，并从光纤开关195穿过另一根光纤到达包括光电二极管170和监测部件单元180的推导单元160。
以下一般适用于上述所有实施例，即公共实施例、第一实施例、第二实施例和第三实施例。关键思想之一是将高压隔离开关的开关弹簧或开关臂的弯曲幅度转换为可弯曲导光管130的光学特性的变化。开关弹簧或开关臂的弯曲幅度可以在1.5mm和4.5mm之间。光学特性的变化可以是将准直(自由)光束在其中传播的管130弯曲所引起的光学损失。
高压隔离开关20的示例与开关弹簧或开关臂200一起示出在图3a中。开关弹簧或开关臂200的弯曲如图3b所示。开关弹簧或开关臂200的弯曲是通过将开关弹簧或开关臂200的状态从图3b最上部所示的关状态(OFF)改变为图3b最下部所示的开状态(ON)、或通过将开关弹簧或开关臂200的状态从图3b最下部所示的开状态(ON)改变为图3b最上部所示的关状态(OFF)而引起。
开关弹簧或开关臂200直接或间接耦接或连接到/与管130直接或间接耦接或连接。因此，开关弹簧或开关臂200的弯曲引起管130的弯曲。松弛和弯曲的管130在图4a中示意性地示出，其中图4a的上部示出松弛的(未弯曲的)管130，并且图4a的下部示出弯曲的管130。标有A和B的箭头表示管端部样本运动的矢量，该端部例如管130的右端。矢量A和B可以具有以下值：A＝0…4mm和B＝0…4mm。举例而言，管130在一端(左端)固定，而另一端(右端)可自由弯曲。因此，图4a示出了管130在一端(右)弯曲，而第二端固定(左)。
感测设备10可以以各种方式安装到高压隔离开关，更具体地，安装到开关弹簧或开关臂200，例如，BCDS弹簧或BCDS臂。将传感器安装在BCDS弹簧或臂200上的一种方式如图4b所示。如图4b中可见，可弯曲管130与弹簧或臂200接触，使得当弹簧或臂200弯曲或从闭合(off)状态变为断开状态(on)时，可弯曲管130弯曲。
如果使用图2a至2c中的任何一个设置，则可以实现测量原理。此外，感测设备10的使用部件可具有在下表1中给出的范围内的特性。图2a至2c中任一项所示的实施例已通过表1中的特性在实验中成功实现。
表1：包括在传感器中的使用材料的性质
图5示出了将传感器(感测设备)10在0与3mm之间弯曲的传递函数。传递函数示出了以mm为单位的长度的线性移动如何导致传感器10的弯曲，更具体地是管130，其将这种弯曲转换为在光电二极管170上测量的以μV为单位的光损耗。在图5中示出了长度为10mm和15mm的两个管130的测量结果。x轴示出连续测量数据点的数量，y轴示出用光电二极管170测量的以μV为单位的电压。该运动包括60次50μm线性平移步骤，导致弯曲高达3mm。在0与3mm之间的弯曲会导致测量电压从11430μV到21μV的明显下降。可以看出，可以通过改变管的几何尺寸来调整以μV/mm为单位的精确斜率。此外，从图5可以看出，传感器10能够分辨50μm的弯曲。因此，实现了(管130的)弯曲过程的高分辨率以及(高压隔离开关10的)切换过程。
图6示出了光学设置，更具体地示出了感测设备10的感测换能器的可能的详细实现。图6的具体实现适于在图2a的示意性设置中使用，但也适于在图2b和2c的设置中使用(注意：图6是相对于图2a的镜像，即左右两边互换)。在图6中，对于光纤110、150，示例性的200μm的纤芯直径和0.37的NA被用于第一光纤110和第二光纤150。举例来说，每个光纤端都按照SubMiniature A版(SMA)格式设置了连接器。焦距为6.25mm且NA为0.37的准直器/准直透镜120、140用于准直来自第一光纤110的光束以在管130中传输，并将其再次聚焦到第二光纤的端面140。适配器125、135布置在管130和准直器120、140之间。这些适配器125、135通过在一侧将准直器120、140拧入适配器125、135，并且在另一侧将管130拧到适配器125、135来实现固定安装。即使当管130的两端都被固定时，管130的其他部分仍然可以弯曲或被弯曲。传感器10的光学传输效率在实验上是48％。
图7示出了光源稳定性，更具体地说，示出了激光光源(例如，激光二极管)的输出功率对时间的曲线，其可用于图2a至2c的光源100。所采用的光源100是波长为640nm、输出功率为16.2mW的激光二极管。为了能够解决模拟机械开关循环之间的重复精度，测量了发射功率对时间的曲线。结果如图7所示。根据测量数据，计算出标准偏差为0.028mW。这等于0.17％的百分比。使用此光源，模拟开关循环之间的最佳预期重复精度值为0.17％。因此，实现了稳定性。
图8示出了模拟的开关臂200运动，更具体地说，用线性平台模拟的开关运动，例如开关臂运动。图9a和9b示出了具有管长为100mm的A＝1和B＝0.5(图9a)以及A＝3和B＝1.5(图9b)的示例。图10a和10b示出了使用线性平台模拟的开关运动，其中管长为150mm的A＝2和B＝1(图10a)以及A＝4和B＝2(图10b)。
通过采用线性平台，可以周期性地实现图4a中的矢量A和B。必须提到的是，对于BCDS，矢量A和B的长度可验证地位于1mm和4mm之间。因此，A和B的值，对于100mm的管长，选为s(A＝1；B＝0.5)和(A＝3；B＝1.5)；对于150mm的管长，选为(A＝2；B＝1)和(A＝4；B＝2)。这样做是为了考虑到开关循环与循环之间的弯曲变化以及独立开关设备之间的公差。管长100mm的结果如图9a和9b所示，管长150mm的结果如图10a和10b所示。
切换过程期间由光损耗引起的电压变化具有性能良好的BCDS的典型特征。该特征在图9、10a、10b、11a和11b中记录和描绘。可以使用连接到数据存储(基于本地或云)的微控制器来记录电压对时间的变化。微控制器和/或数据存储器可以在监测部件180中实现。替代地，微控制器可以在监测部件180中实现，并且数据存储可以至少部分地位于与监测部件180无线和/或有线通信的部件中。可以针对单个性能良好的开关20测量信号从循环到循环的特征(图9)的特性参数的可变性(例如深度、持续时间等)。此外，如果开关20处于断开或闭合位置，例如开关弹簧或开关臂200处于断开或闭合位置，则数据可用于分类。特性特征参数的变化与实际开关循环的放大的数量可以在加速寿命测试中相关联。这将能够基于用感测***或感测设备10测量的数据来预测开关设备的健康状况。
目前，只能对BCDS设备执行反应性和可能的预防性维护。使用提出的概念和解决方案，可以执行预测性维护。尤其是持续时间仅为几秒的BCDS弹簧或臂200的闩锁，可以高精度解决。这是唯一报道的弹簧或臂运动的直接测量方法。因此，使用这些数据将能够检测可能对设备寿命产生影响的闩锁过程的干扰。数据可以输入到像寿命模型、概率故障和扩大定律等模型中。也就是说，感测设备10不仅能够根据开关20的开(闭合)或关(断开)状态来确定切换状态。相反，感测设备10还能够以高分辨率监测切换或闩锁过程，并由此检测切换或闩锁过程的干扰。
从图9a和9b可以看出，如果使用100mm的管长度，所提出的解决方案能够测量至少在A＝1mm和A＝3mm之间的管130的弯曲。从图10a和10b还可以看出，可以通过采用150mm的管长度来测量至少A＝2mm和A＝4mm的管130的弯曲。“开”位置和“关”位置的信噪比值分别为33.6dB和30.4dB。因此，可以清楚地将信号与光电二极管170和光源100(例如，激光源100)的背景噪声区分开来。为了证明可重复性，对管长度为100mm且A＝2mm和B＝1mm的管进行了1000(即文字表达，千)次模拟开关循环测试。结果如图11所示。也就是说，图11示出了针对100mm管长(A＝2mm和B＝1mm)进行1000次模拟开关循环的测试。1000次循环测试的结果是测量设置在5小时内保持环境稳定。此外，“关”位置(矢量A的开始)的电压具有非常准确的值11430μV+/-25μV，而“开”位置(矢量B的末端)的电压为5943μV+/-85μV。将这些结果扩展到0…4mm之间的A和B矢量是可能的。在0…4mm的范围内施加弯曲所需的力，是在100mm的0到X N和150mm管130的0到x N的范围内。
通过本方案，提供了一种用于高压隔离开关的改进的感测设备。例如，提供了一种用于高压隔离开关的感测设备，其允许准确的结果和/或实现对高压隔离开关的可靠监测。更进一步，使用所呈现的解决方案甚至可以实现预测性维护。
在能源***中，有必要实现电网稳定性以应对未来的挑战，如尽管可再生能源的生产模式无法规划但仍将它们纳入电网，以及由于电动汽车与电网的耦合而支持即将到来的能源消耗高峰。因此，通过智能传感器对变电站进行数字化是不可避免的。这些传感器需要与变电站中的高电场和磁场兼容。如本文所披露的感测设备10中所使用的光纤技术，可以使这种传感器基于光学原理运行，同时避免环境的电场和磁场之间的干扰。用光纤实现传感本身带来的优势是，测量信号可以直接在光纤网络中传输到读出单元，读出单元可以放置在距离感兴趣点几公里之外。

Claims (13)

1.一种用于高压隔离开关(20)的感测设备(10)，所述感测设备(10)包括：
第一光纤(110)，配置为从光源(100)接收光并配置为引导光；
光学准直器(120)，耦合到所述第一光纤(110)以接收在所述第一光纤(110)中引导的光并配置为将所述光准直成准直光束；
可弯曲光学元件(130)，耦合到所述光学准直器(120)以接收所述准直光束并配置为引导所述准直光束，其中所述可弯曲光学元件(130)被配置和布置成根据所述高压隔离开关(20)的切换状态而弯曲，从而影响所述准直光束；以及
推导单元(160)，配置为基于所述准直光束推导所述高压隔离开关(20)的切换状态信息。
2.如权利要求1所述的感测设备(10)，其中，所述可弯曲光学元件(130)的弯曲改变所述准直光束的光学特性。
3.如权利要求1或2所述的感测设备(10)，其中，所述光学准直器(120)耦合到所述可弯曲光学元件(130)的第一端，并且所述感测设备(10)还包括聚焦光学器件(140)和第二光纤(150)，其中，所述聚焦光学器件(140)耦合到可所述弯曲光学元件(130)的第二端以接收在所述可弯曲光学元件(130)中引导的所述准直光束并且耦合到所述第二光纤(150)，其中
所述聚焦光学器件(140)配置为将所述准直光束聚焦到所述第二光纤(150)中，
所述第二光纤(150)配置为引导聚焦光，
所述推导单元(160)耦合到所述第二光纤(150)以接收所述聚焦光，以及
所述推导单元(160)配置为基于所述接收的聚焦光来推导关于所述高压隔离开关(20)的切换状态的信息。
4.如权利要求1或2所述的感测设备(10)，其中，所述光学准直器(120)耦合到所述可弯曲光学元件(130)的第一端，并且所述感测设备(10)还包括镜像部件(190)和聚焦光学器件(120)，其中所述镜像部件(190)耦合到所述可弯曲光学元件(130)的第二端以将所述准直光束反射回所述可弯曲光学元件(130)的第一端，以及所述聚焦光学器件(120)耦合到所述可弯曲光学元件(130)的第一端以接收在所述可弯曲光学元件(130)中引导的所述反射准直光并耦合到所述第一光纤(110)，其中
所述聚焦光学器件(120)配置为将所述反射的准直光束聚焦到所述第一光纤(110)中，
所述第一光纤(110)配置为引导聚焦光，
所述推导单元(160)耦合到所述第一光纤(110)以接收所述聚焦光，以及
所述推导单元(160)配置为基于所述接收的聚焦光来推导所述高压隔离开关(20)的切换状态信息。
5.如权利要求1至4中任一项所述的感测设备(10)，其中，所述推导单元(160)包括：转换部件(170)，其配置为将接收的光转换为至少一个电压值；以及监测部件(180)，其配置为基于所述至少一个电压值来确定所述高压隔离开关(20)的切换状态。
6.如权利要求5所述的感测设备(10)，其中，所述监测部件(180)配置为基于所述至少一个电压来确定所述可弯曲光学元件(130)的弯曲程度，并且基于所述可弯曲光学元件(130)的弯曲程度来确定所述高压隔离开关(20)的切换状态。
7.如权利要求5或6所述的感测设备(10)，其中，所述监测部件(180)配置为连续地或重复地确定所述高压隔离开关(10)的切换状态。
8.如权利要求1至7中任一项所述的感测设备(10)，其中，所述感测设备(10)还包括布置在所述光学准直器(120)与所述可弯曲光学元件(130)之间的第一适配器(125)，其中，所述光学元件准直器(120)被安装到所述第一适配器(125)的第一侧，并且所述可弯曲光学元件(130)被安装到所述第一适配器(125)的第二侧。
9.如权利要求1至8中任一项所述的感测设备(10)，其中，所述可弯曲光学元件(130)一端固定，另一端可自由弯曲。
10.如权利要求1至9中任一项所述的感测设备(10)，其中，所述可弯曲光学元件(130)包括或配置为光学管、具有锥形截面的圆柱形光纤、或耦接在柔性基板上的一对光纤端。
11.一种高压隔离开关(20)，包括权利要求1至10中任一项所述的感测设备(10)。
12.如权利要求11所述的高压隔离开关(20)，其中，所述高压隔离开关(20)包括：开关臂(200)，其配置为在所述高压隔离开关(20)的切换状态改变时变形，其中所述感测设备(10)耦接到开关臂(200)，使得所述开关臂(200)的变形引起所述可弯曲光学元件(130)的弯曲。
13.如权利要求11或12所述的高压隔离开关(20)，其中，所述高压隔离开关(20)包括或配置为分合闸隔离开关、BCDS、中心分断隔离开关、双分断隔离开关、垂直分断隔离开关、折架式隔离开关、半折架式隔离开关或膝式隔离开关。
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