一种真空开关中真空灭弧室的真空度在线监测装置及方法

摘要

本发明涉及开关电器领域，提供了一种真空开关中真空灭弧室的真空度在线监测装置和方法，旨在解决真空开关中灭弧室真空度在线监测的技术难题；本发明利用基于激光诱导击穿光谱仪发明的装置产生激光，将产生的激光作用到真空灭弧室内屏蔽罩表面，在屏蔽罩表面处产生激光诱导等离子体，通过对等离子体的光谱测量与分析，获取灭弧室内的真空度值，从而达到真空开关中灭弧室真空度在线监测的目的。

权利要求

1.一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于：装置主体包括激光器(1)，光探测器(6)，信号处理模块(7)；其中：所述激光器(1)产生高能量激光，用于激发真空灭弧室屏蔽罩产生等离子体；所述光探测器(6)用于对等离子体发射的光谱信号进行探测；

所述信号处理模块(7)主要用于对光探测器(6)接收到的光谱信号进行分析处理，获得并显示真空灭弧室的真空度值。

2.根据权利要求1所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于:还包括辅助器件,所述辅助器件包括:第一聚焦透镜(2)，第二聚焦透镜(4)，光纤(5)；其中,所述第一聚焦透镜(2)用于将所述激光器(1)产生的激光聚焦于真空灭弧室屏蔽罩表面；所述第二聚焦透镜(4)用于将激光诱导产生的等离子体发射的光汇聚到一点；所述光纤(5)用于将第二聚焦透镜(4)汇聚的光传播到光探测器(6)。

3.根据权利要求1所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于，对光探测器接收到的光信号进行分析处理包括分析谱线组成、谱线强度、等离子体温度、等离子体密度。

4.根据权利要求2所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于：通过单条谱线的强度或者多条谱线的相对强度来确定真空度。

5.根据权利要求1所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于：所述光探测器通过对等离子体发射的光谱进行多次叠加增强检测限。

6.根据权利要求1所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于：所述激光器(1)能够产生特定波长的激光，所述特定波长的激光的能量能够诱导真空开关内灭弧室屏蔽罩材料产生等离子体。

7.根据权利要求1所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于：所述光探测器(6)能够实时显示所述等离子体中Cu、N、H和O元素的光谱信息。

8.根据权利要求1所述的一种真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，其特征在于：所述真空开关的外壳为透明材料或者经过开窗处理的不透明材料，为激光和等离子体发射光提供传播通道。

9.一种利用权利要求1中真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置在线监测灭弧室真空度的方法，其特征在于：激光器(1)产生高能量激光，激发真空灭弧室屏蔽罩产生等离子体；第一聚焦透镜(2)将所述激光器(1)产生的激光聚焦于真空灭弧室屏蔽罩表面诱导屏蔽罩产生等离子体；第二聚焦透镜(4)将激光诱导产生的等离子体发射的光汇聚到一点；光纤(5)将第二聚焦透镜(4)汇聚的光传播到光探测器(6)；光探测器(6)对等离子体发射的光谱信号进行探测；信号处理模块(7)对光探测器(6)接收到的光谱信号进行分析处理，获得并显示真空灭弧室的真空度值；其中第一聚焦透镜(2)、第二聚焦透镜(4)、光纤(5)均为非必需设备。

10.根据权利要求9所述的一种在线监测灭弧室真空度的方法，其特征在于：所述方法还包括:根据铜与氧的相对谱线强度来判断真空度，当Cu/O谱线相对强度小于确定阈值时即可以判断灭弧室真空度不满足运行要求。

说明书

一种真空开关中真空灭弧室的真空度在线监测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及真空开关中灭弧室的真空度在线监测，具体涉及采用激光诱导击穿光谱技术检测真空灭弧室内部的物质成分。技术背景

[0002] 电力开关设备的检修是整个电力系统管理工作的重要组成部分，对整个电力系统安全、可靠运行起着重要作用。电力设备的检修方式主要有停电检测和在线监测，停电检测需要将设备退出运行，然后根据设备的使用情况进行检修，此种方式在没有冗余设备设置的情况下会给用户带来长时间的停电，而且在电力设备退出运行过程中可能给设备带来进一步的损伤。在线监测作为现阶段电力部门主要推行的检修方式，其在设备正常运行的情况下进行检测，判断设备的运行状态，不需要停电，减少了用户的经济损失，同时也避免了电力设备通断过程中带来的额外损坏。

[0003] 真空断路器作为一种环保型的电力开关设备广泛存在于整个电力系统，特别是在中低压领域。真空灭弧室作为真空断路器的核心部分，其在使用过程中，担负着开断正常负荷电流和短路电流的责任。真空断路器灭弧室在出厂时要求真空度不低于1.33×10-3Pa，在使用时压强不低于6.6×10-2Pa，但是随着使用年限的增加，内部元件工作表面的放气与吸气过程，波纹管及其他密封部分密封性、长期的扩散、晶体材料间的腐蚀、吸气剂活性的丧失等因素会导致真空泄漏，从而引起灭弧室内真空度的降低。真空灭弧室真空度的降低会给断路器的开断能力和绝缘能力带来不良影响，甚至发生开断失败的现象。国内外一些学者提出了很多针对真空度的在线监测方法，其中主要有屏蔽罩电位法、高频放电法、高频电流法、磁控放电法等等，现有的方法要么检测限太高，要么需要大幅度改变真空灭弧室的结构，都难以应用于实际。现有的真空灭弧室监测采用的带电巡检手段，主要是通过观察灭弧室屏蔽罩上的颜色变化来判断内部真空度，属于一种定性判断，具有很大的主观性和不准确性，所以真空断路器真空度在线监测一直是电力部分检修的难题之一。

[0004] 随着激光和光谱技术的发展，激光诱导击穿光谱技术在近二十年的时间内取得了巨大的进步，特别是在设备的小型化、经济化上取得了很大的突破。激光诱导击穿光谱作为一门高速发展的技术，在经济化、实用化上取得了很大的进步，激光诱导击穿光谱是一种以激光作为诱发源激发材料产生等离子体的发射光谱分析方法，是基于激光与材料相互作用的一种检测技术。通俗的说，就是通过一束高能激光在极短的时间内聚焦到物质表面，进而在材料外法线上方产生激光诱导等离子体，通过对等离子体发射出来的光谱进行分析，从而判断物质的组成和成分。激光诱导击穿光谱技术具有很多优点：对样品损伤非常小、无需样品准备、能够远距离检测等等。激光诱导击穿光谱技术大量文献资料表明激光诱导击穿光谱技术能够应用于固、液、气三态物质的成分的定量分析，而且少量的实验样品就能满足实验要求，对材料本身的损伤非常小。除此之外，其还具有快速分析物质成分、实现在线检测、多元素同时分析、系统操作简单的优点。

[0005] 基于激光诱导击穿光谱的技术特点，将其应用到真空度在线监测有技术支持，一方面其内部金属材料表面会沉积不同含量的金属氧化物，此氧化物含量会随着压强的变化而改变，另一方面，压强变化时，会对等离子体的发射谱线强度、等离子体温度、等离子体密度等产生影响，所以通过以上两种或其一能够达到真空度在线监测的目的。

[0006] 综上，激光诱导击穿光谱技术能够在不干扰真空开关的现场运行的条件下，应用到电力系统真空开关的在线监测，可以避免常规电监测方法抗电磁干扰性能不足的缺点，此项技术具有重要的理论研究和工程应用价值。

发明内容

[0007] 针对技术背景中提出的电力设备中真空灭弧室真空度在线监测这一技术难题，提出了一种利用激光诱导击穿光谱的真空灭弧室真空度的在线监测方法，此方法可以配合使用谱线相对强度进行真空度标定，采用谱线叠加技术提高检测限。并利用上述方法开发了一套真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置。本发明不仅仅限于技术背景所述的真空开关灭弧室真空度的在线监测，还可以用于其它设备真空度的在线监测。

[0008] 所述方法将激光器产生的激光通过透镜汇聚到真空灭弧室内部屏蔽罩表面，产生等离子体，通过光探测器分析等离子体中光谱信息来判断等离子体的组成或者通过光谱获得等离子体温度和密度，达到真空灭弧室真空度在线监测的目的；所述真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置，装置主体包括激光器，光探测器，信号处理模块，辅助器件包括第一聚焦透镜，第二聚焦透镜，光纤；其中：所述激光器产生高能量激光，用于激发真空灭弧室屏蔽罩产生等离子体；所述第一聚焦透镜用于将所述激光器产生的激光聚焦于真空灭弧室屏蔽罩表面；所述第二聚焦透镜用于将激光诱导产生的等离子体发射的光汇聚到一点；所述光纤用于将第二聚焦透镜汇聚的光传播到光探测器；所述光探测器用于对等离子体发射的光谱信号进行探测；所述信号处理模块主要用于对光探测器接收到的光谱信号进行分析处理，获得并显示真空灭弧室的真空度值。其中，辅助器件为非必须，根据现场使用情况进行配置。

[0009] 其中，对光探测器接收到的光信号进行分析处理包括分析谱线组成、谱线强度、等离子体温度、等离子体密度。

[0010] 优选地，通过单条谱线的强度或者多条谱线的相对强度来确定真空度。

[0011] 优选地，所述信号处理模块通过对等离子体发射的光谱进行多次叠加，提高待测信号和背景噪声的信噪比，从而提高检测限。

[0012] 优选地，所述激光器能够产生特定波长的激光，所述特定波长的激光的能量能够诱导真空开关内灭弧室屏蔽罩材料产生等离子体。

[0013] 优选地，所述光探测器能够实时显示所述等离子体中Cu、N、H和O元素的光谱信息。

[0014] 优选地，所述真空开关的外壳为透明材料或者经过开窗处理的不透明材料，为激光和等离子体发射光提供传播通道。

[0015] 优选地，所述光探测器的波长范围根据预先需要检测的灭弧室内物质的特征谱线进行选取。

附图说明

[0016] 图1为真空灭弧室结构示意图，其中包括动导电杆1，波纹管2，屏蔽罩3，外壳4，静导电杆5；

[0017] 图2为本发明的原理示意图，其中包括激光器1，聚焦透镜2，真空灭弧室3，聚焦透镜4，光纤5，光探测器6，信号处理模块7；

[0018] 图3为Cu和O谱线相对强度曲线图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图1-3和实施例对本发明做进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，而非本发明的限定，另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了本发明相关的结构而非全部结构。

[0020] 就本发明而言，提出一种利用激光诱导击穿光谱的真空开关灭弧室真空度的在线监测方法，并研制一套基于激光诱导击穿光谱的便携式在线监测装置。所述方法和装置能定量分析真空灭弧室内部的物质成分与含量，从而反映真空度，为真空开关运行状态检测提供技术支持，但是本发明不仅仅限于电力系统真空开关真空度的在线监测，还可以用于其它设备真空度的在线监测。

[0021] 如图2所示，公布了根据本发明具体实施的激光诱导击穿光谱用于真空开关灭弧室真空度在线监测的示意图，此装置包括：激光器1，聚焦透镜2，真空灭弧室3，聚焦透镜4，光纤5，光探测器6，信号处理模块7；其中：

[0022] 所述激光器1产生高能量激光，用于激发真空灭弧室屏蔽罩产生等离子体，此激光能量和激光波长根据屏蔽罩铜材料的特性选择，以保证激光的能量能够诱导真空开关内灭弧室屏蔽罩材料产生等离子体；

[0023] 所述聚焦透镜2用于将所述激光器产生的激光聚焦于屏蔽罩表面；

[0024] 所述聚焦透镜4用于将激光诱导产生的等离子体发射的光汇聚到一点；

[0025] 所述光纤5用于将聚焦透镜4汇聚的光传播到光探测器；

[0026] 所述光探测器6用于对等离子体发射的光谱信号进行探测；

[0027] 所述信号处理模块7主要用于谱线组成、谱线强度、等离子体温度、等离子体密度的分析，并给出真空度信息。

[0028] 利用上述真空开关中灭弧室真空度的在线监测装置在线监测灭弧室真空度的方法，具体为：激光器产生高能量激光，激发真空灭弧室屏蔽罩产生等离子体；第一聚焦透镜将所述激光器产生的激光聚焦于真空灭弧室屏蔽罩表面诱导屏蔽罩产生等离子体；第二聚焦透镜将激光诱导产生的等离子体发射的光汇聚到一点；光纤将第二聚焦透镜汇聚的光传播到光探测器；光探测器对等离子体发射的光谱信号进行探测；信号处理模块对光探测器接收到的光谱信号进行分析处理，获得并显示真空灭弧室的真空度值。

[0029] 如图3所示，为根据本发明具体实施的基于谱线相对强度的真空度标定方法的实施例。此实施例根据铜与氧的相对谱线强度来判断真空度，当Cu/O谱线相对强度小于1时即可以判断灭弧室真空度不满足运行要求，避免采用绝对强度定标中精度不足的问题。此Cu和O谱线的相对强度仅为本发明一个实施例，也可采取其他谱线相对强度进行真空度标定。

[0030] 至此，本发明的一种真空开关中真空灭弧室的真空度在线监测装置及方法，首先解决了真空开关灭弧室真空度难于实现在线监测的问题，其次本发明利用此方法研制的装置具有较高的精度，利用不同的激光射入位置和等离子体发射光检测位置，避免了激光入射路径上的光谱干扰，另外，在检测部分用光纤作为光的传输路径减小了光损失。

[0031] 优选地，所述激光器脉冲持续时间在纳秒量级，避免激光引起真空灭弧室击穿，更加优选地，采用双脉冲激光诱导方式增强等离子体发射谱线的强度。

[0032] 优选地，所述聚焦透镜2焦距根据透镜与真空灭弧室的距离选择，所述聚焦透镜4焦距根据透镜与光纤的距离选择，保证透镜光吸收系数和光反射系数尽量小，以使激光能量损失尽可能小。

[0033] 优选地，所述光探测器可以为高分辨率的光谱仪、ICCD，其光谱范围根据产生等离子体特征谱线进行选择。更加优选地，采用多路光电倍增管测量多路等离子体特征谱线。

[0034] 优选地，所述光纤具有小的衰耗，需要保证等离子体发射光的能量在光纤内衰减尽量小，另外，光纤传播的截止波长根据被测材料进行选择。

[0035] 综上所述，本发明具有如下优点与特点：

[0036] (1)本发明提出了一种新的真空开关内灭弧室真空度在线监测的方法，只要真空开关真空灭弧室内部气压发生改变，就能够通过此种方法检测，能够实现在线检测。

[0037] (2)电磁兼容能力强。本发明全部结构均为光学结构，检测通道也为光路系统，具备非常强的抗电磁干扰能力；另一方面，本发明产生的等离子体时空尺度很小，不会引起真空灭弧室内部击穿，也基本不干扰灭弧室内部的放电特性。

[0038] (3)通过对本发明提供的方法和开发的装置，易于扩展到其余开关设备的在线监测，包括绝缘材料老化、放电气体沉积、真空泄漏、微水测量、介质表面吸附、沉积物深度分析等，对于带电巡检电力设备的运行状态，预测其剩余寿命，具有重要的应用价值。

[0039] (4)操作方便，使用简单，体积小，便于携带。

[0040] 总之，本发明所述的测量方法和装置能够对真空灭弧室真空度进行精确的在线检测，检测精度高，检测范围广，抗电磁干扰能力强，容易实现，适用于工程实际。

[0041] 以上内容是根据具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本专业所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都当视为属于本发明所提交的权利要求确定保护范围。