一種基于傳像導(dǎo)引的飛秒全光纖拉曼電力變壓器測溫方法
【專利摘要】一種基于傳像導(dǎo)引的飛秒全光纖拉曼電力變壓器測溫方法，本發(fā)明采用的探測系統(tǒng)由光纖子系統(tǒng)及伺服子系統(tǒng)組成。光纖子系統(tǒng)由飛秒全光纖拉曼激光器、紅外光纖傳像束、CARS光纖束組成。紅外光纖傳像束負(fù)責(zé)實時采集重點監(jiān)測區(qū)域紅外圖像，根據(jù)紅外圖像分析確定重點高溫監(jiān)測點。由伺服子系統(tǒng)帶動CARS光纖束轉(zhuǎn)動到某一位置，使激光聚焦點與重點高溫監(jiān)測點重合。由CARS信號采集光纖采集重點高溫監(jiān)測點CARS光強(qiáng)信號。然后根據(jù)CARS光強(qiáng)與溫度的關(guān)系，計算得到該高溫監(jiān)測點的溫度，從而可實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度監(jiān)測。本發(fā)明采用了全光纖傳像、光譜分析與聚焦伺服掃描的綜合，可實現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測。
【專利說明】一種基于傳像導(dǎo)引的飛秒全光纖拉曼電力變壓器測溫方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)變壓器內(nèi)部的測溫方法。具體來說，屬于激光光譜溫度傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]

【背景技術(shù)】
隨著電網(wǎng)的規(guī)模增大，電力系統(tǒng)的變壓器單機(jī)容量也不斷增大。其運行情況對整個電網(wǎng)系統(tǒng)影響很大，因此需要進(jìn)行監(jiān)測以確保工作穩(wěn)定安全。在監(jiān)測變壓器工作情況時，變壓器內(nèi)部溫度，尤其是繞組熱點溫度是反映變壓器正常運行及決定其使用壽命的一個重要參數(shù)，很多故障可通過這個參數(shù)反映出來，因此對其進(jìn)行實時監(jiān)測對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義。
[0003]目前，常用的變壓器繞組測溫方法有復(fù)合式測溫、半導(dǎo)體測溫及分布式光纖測溫方法。復(fù)合式測溫采用壓力式溫度計或熱敏電阻檢測變壓器油箱不同層的不同點溫，由于油溫的變化滯后于繞組溫度的變化，因此實時性及精度都較差。半導(dǎo)體測溫采用砷化鎵等半導(dǎo)體材料作為感溫器件，其光譜吸收特性隨溫度而改變，該技術(shù)受光源波動影響很大，精度較低。分布式光纖溫度傳感成本較高，鋪設(shè)安裝調(diào)試較為復(fù)雜，受實際安裝條件所限。由于實際的變壓器內(nèi)部空間及情況各異，該技術(shù)較難大規(guī)模推廣。
[0004]為解決常用變壓器多點溫度監(jiān)測技術(shù)的問題，本發(fā)明提出一種基于全光纖傳像、光譜分析與聚焦伺服掃描綜合的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測方法，實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度實時監(jiān)測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種基于全光纖傳像、光譜分析與聚焦伺服掃描的綜合的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測方法，實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度實時監(jiān)測。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的:
一種測量變壓器溫度的激光探測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:
飛秒全光纖拉曼激光器，用于發(fā)出脈沖CARS激光，所述激光中包含時域重合且同軸的飛秒級泵浦光與斯托克斯光；
紅外光纖傳像束，用于實時采集重點監(jiān)測區(qū)域紅外圖像；
CARS光纖束，CARS光纖束包括CARS激光傳輸光纖及CARS信號采集光纖；所述CARS激光傳輸光纖用于傳輸脈沖CARS激光；所述CARS信號米集光纖用于米集重點高溫監(jiān)測點CARS光強(qiáng)信號；
計算機(jī)，用于控制飛秒全光纖拉曼激光器發(fā)出脈沖CARS激光；分析圖像采集卡實時采集的監(jiān)測區(qū)域紅外圖像，確定重點高溫監(jiān)測點；根據(jù)CARS光強(qiáng)與溫度的關(guān)系，計算得到該高溫監(jiān)測點的溫度，實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度監(jiān)測；
伺服子系統(tǒng)，用于帶動CARS光纖束轉(zhuǎn)動到某一位置，使激光聚焦點與重點高溫監(jiān)測點重合。
[0007]所述CARS激光傳輸光纖的激光輸出頭中設(shè)有第一聚焦小透鏡，使脈沖CARS激光聚焦至變壓器繞組上；所述CARS信號采集光纖的采集探頭中設(shè)有第二聚焦小透鏡。
[0008]所述伺服子系統(tǒng)包括伺服供電及控制盒、雙軸伺服電機(jī)及供電及控制電纜；雙軸伺服電機(jī)安裝在變壓器內(nèi)；CARS光纖束裝配在電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)上；計算機(jī)通過伺服供電及控制盒發(fā)出控制指令，經(jīng)供電及控制電纜對雙軸伺服電機(jī)進(jìn)行供電及控制。
[0009]所述系統(tǒng)的所述飛秒全光纖拉曼激光器發(fā)出脈沖CARS激光，所述激光中包含時域重合且同軸的飛秒級泵浦光與斯托克斯光；所述脈沖CARS激光經(jīng)過所述CARS激光傳輸光纖傳輸，再通過所述CARS光纖束中激光輸出頭，使脈沖CARS激光聚焦至變壓器繞組上；變壓器繞組通過廣角紅外成像耦合透鏡所成的實時紅外圖像經(jīng)過紅外光纖傳像束傳送至紅外面陣圖像傳感器，經(jīng)圖像采集卡實時采集，送到計算機(jī)進(jìn)行分析；計算機(jī)通過伺服供電及控制盒發(fā)出控制指令，經(jīng)供電及控制電纜對雙軸伺服電機(jī)進(jìn)行供電及控制，使電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)帶動CARS光纖束做兩維掃描；脈沖CARS激光打到高溫監(jiān)測點激發(fā)出來的反斯托克斯拉曼信號包含有高溫監(jiān)測點的溫度信息，所述反斯托克斯拉曼信號通過采集探頭耦合至CARS信號采集光纖，并送至拉曼光譜儀得到反斯托克斯拉曼譜線。
[0010]所述廣角紅外成像耦合透鏡的成像視場能覆蓋所需監(jiān)測的變壓器繞組。
[0011]一種基于傳像導(dǎo)引的飛秒全光纖拉曼電力系統(tǒng)測溫方法，方法在變壓器內(nèi)外部安裝探測系統(tǒng)，然后進(jìn)行激光聚焦點的成像點在紅外光纖傳像束生成圖像中的初始坐標(biāo)定位，即通過掃描控制，使激光聚焦點的成像點在紅外光纖傳像束生成圖像的中心位置；紅外光纖傳像束負(fù)責(zé)實時采集重點監(jiān)測區(qū)域紅外圖像，根據(jù)紅外圖像分析確定重點高溫監(jiān)測點；由伺服子系統(tǒng)帶動CARS光纖束轉(zhuǎn)動到某一位置，使激光聚焦點與重點高溫監(jiān)測點重合；由CARS信號采集光纖采集重點高溫監(jiān)測點CARS光強(qiáng)信號；然后根據(jù)CARS光強(qiáng)與溫度的關(guān)系，計算得到該高溫監(jiān)測點的溫度，從而可實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度監(jiān)測。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是采用全光纖技術(shù)，體積小重量輕，安裝方便，采用全光纖傳像、光譜分析與聚焦伺服的結(jié)合，基于圖像處理掃描監(jiān)測高溫點，可實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時重點測溫。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為本發(fā)明的不意圖；
圖2為紅外光纖傳像束生成圖像示意圖；
在圖中，I是計算機(jī)；2是圖像采集卡；3是紅外面陣圖像傳感器；4是紅外光纖傳像束；5是孔A ；6是廣角紅外成像耦合透鏡；7是視場；8是變壓器，9是電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)；10是CARS光纖束；11是激光輸出頭；12是采集探頭；13是高溫監(jiān)測點；14是變壓器繞組；15是雙軸伺服電機(jī)；16是光纖電纜束；17是孔B ; 18是供電及控制電纜；19是CARS信號采集光纖；20是CARS激光傳輸光纖；21是伺服供電及控制盒；22是拉曼光譜儀；23是飛秒全光纖拉曼激光器；24是高溫監(jiān)測點成像點；25是激光聚焦點的成像點；26是紅外光纖傳像束生成圖像。

【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，探測系統(tǒng)由光纖子系統(tǒng)及伺服子系統(tǒng)組成。光纖子系統(tǒng)主要由飛秒全光纖拉曼激光器23、紅外光纖傳像束4、CARS光纖束10組成；其中CARS光纖束10包括CARS激光傳輸光纖20及CARS信號采集光纖19。伺服子系統(tǒng)包括伺服供電及控制盒21、雙軸伺服電機(jī)15及供電及控制電纜18組成。
[0015]首先在變壓器8內(nèi)部固定安裝廣角紅外成像耦合透鏡6，使其成像視場7能覆蓋所需監(jiān)測的變壓器繞組14。變壓器繞組14通過廣角紅外成像耦合透鏡6所成的實時紅外圖像經(jīng)過紅外光纖傳像束4傳送至紅外面陣圖像傳感器3，經(jīng)圖像采集卡2實時采集，送到計算機(jī)I進(jìn)行分析。變壓器8外殼開孔A5，以便紅外光纖傳像束4從內(nèi)部穿出至外部。同時，在變壓器8內(nèi)部合適位置固定安裝雙軸伺服電機(jī)15，CARS光纖束10裝配在電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)9上。計算機(jī)I通過伺服供電及控制盒21發(fā)出控制指令，經(jīng)供電及控制電纜18對雙軸伺服電機(jī)15進(jìn)行供電及控制，使電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)9帶動CARS光纖束10做兩維掃描。
[0016]由計算機(jī)I控制飛秒全光纖拉曼激光器23發(fā)出脈沖CARS激光，該激光中包含時域重合且同軸的飛秒級泵浦光與斯托克斯光，脈沖CARS激光經(jīng)過CARS激光傳輸光纖20傳輸，再通過CARS光纖束10中激光輸出頭11，激光輸出頭11中有第一聚焦小透鏡，使脈沖CARS激光聚焦至變壓器繞組14上。激光聚焦點的成像點25在紅外光纖傳像束生成圖像26中的坐標(biāo)位置可隨掃描而移動。
[0017]然后進(jìn)行激光聚焦點的成像點25在紅外光纖傳像束生成圖像26中的初始坐標(biāo)定位，即通過掃描控制，使激光聚焦點的成像點25在紅外光纖傳像束生成圖像26的中心位置。
[0018]對變壓器繞組14進(jìn)行溫度監(jiān)測時，計算機(jī)I通過紅外光纖傳像束4實時采集變壓器繞組14重點監(jiān)測區(qū)域紅外圖像?？筛鶕?jù)紅外圖像灰度分析確定高溫監(jiān)測點13，即紅外灰度最大值的位置坐標(biāo)即為高溫監(jiān)測點成像點24。根據(jù)高溫監(jiān)測點成像點24與激光聚焦點的成像點25的坐標(biāo)差值，確定雙軸伺服電機(jī)15所需控制量，計算機(jī)I通過伺服供電及控制盒21發(fā)出對應(yīng)該控制量的控制指令，使雙軸伺服電機(jī)15通過電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)9帶動CARS光纖束10掃描移動，讓激光輸出頭11的激光聚焦點的成像點25與監(jiān)測高溫點成像點24重合。此時的脈沖CARS激光聚焦點即為變壓器繞組14的高溫監(jiān)測點13。由脈沖CARS激光打到高溫監(jiān)測點13激發(fā)出來的反斯托克斯拉曼信號當(dāng)時包含有高溫監(jiān)測點13的溫度信息，CARS光纖束10中的采集探頭12中含有第二聚焦小透鏡，該反斯托克斯拉曼信號可通過采集探頭12耦合至CARS信號采集光纖19，并送至拉曼光譜儀22得到反斯托克斯拉曼譜線，通過計算機(jī)I進(jìn)行分析，由反斯托克斯拉曼光譜波長及強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，計算得到高溫監(jiān)測點13的溫度，從而可實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度監(jiān)測。
[0019]為了布線簡潔，在變壓器8內(nèi)部，供電及控制電纜18、CARS信號采集光纖與CARS激光傳輸光纖集合成一光纖電纜束16,并通過開孔B17穿出變壓器8。
【權(quán)利要求】
1.一種測量變壓器溫度的激光探測系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)包括: 飛秒全光纖拉曼激光器，用于發(fā)出脈沖CARS激光，所述激光中包含時域重合且同軸的飛秒級泵浦光與斯托克斯光； 紅外光纖傳像束，用于實時采集重點監(jiān)測區(qū)域紅外圖像； CARS光纖束，CARS光纖束包括CARS激光傳輸光纖及CARS信號采集光纖；所述CARS激光傳輸光纖用于傳輸脈沖CARS激光；所述CARS信號米集光纖用于米集重點高溫監(jiān)測點CARS光強(qiáng)信號； 計算機(jī)，用于控制飛秒全光纖拉曼激光器發(fā)出脈沖CARS激光；分析圖像采集卡實時采集的監(jiān)測區(qū)域紅外圖像，確定重點高溫監(jiān)測點；根據(jù)CARS光強(qiáng)與溫度的關(guān)系，計算得到該高溫監(jiān)測點的溫度，實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度監(jiān)測； 伺服子系統(tǒng)，用于帶動CARS光纖束轉(zhuǎn)動到某一位置，使激光聚焦點與重點高溫監(jiān)測點重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測量變壓器溫度的激光探測系統(tǒng)，其特征在于，所述CARS激光傳輸光纖的激光輸出頭中設(shè)有第一聚焦小透鏡，使脈沖CARS激光聚焦至變壓器繞組上；所述CARS信號采集光纖的采集探頭中設(shè)有第二聚焦小透鏡，反斯托克斯拉曼信號可通過采集探頭耦合至CARS信號采集光纖，并送至拉曼光譜儀得到反斯托克斯拉曼譜線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測量變壓器溫度的激光探測系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服子系統(tǒng)包括伺服供電及控制盒、雙軸伺服電機(jī)及供電及控制電纜；雙軸伺服電機(jī)安裝在變壓器內(nèi)；CARS光纖束裝配在電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)上；計算機(jī)通過伺服供電及控制盒發(fā)出控制指令，經(jīng)供電及控制電纜對雙軸伺服電機(jī)進(jìn)行供電及控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測量變壓器溫度的激光探測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)的所述飛秒全光纖拉曼激光器發(fā)出脈沖CARS激光，所述激光中包含時域重合且同軸的飛秒級泵浦光與斯托克斯光；所述脈沖CARS激光經(jīng)過所述CARS激光傳輸光纖傳輸，再通過所述CARS光纖束中激光輸出頭，使脈沖CARS激光聚焦至變壓器繞組上；變壓器繞組通過廣角紅外成像耦合透鏡所成的實時紅外圖像經(jīng)過紅外光纖傳像束傳送至紅外面陣圖像傳感器，經(jīng)圖像采集卡實時采集，送到計算機(jī)進(jìn)行分析；計算機(jī)通過伺服供電及控制盒發(fā)出控制指令，經(jīng)供電及控制電纜對雙軸伺服電機(jī)進(jìn)行供電及控制，使電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)帶動CARS光纖束做兩維掃描；脈沖CARS激光打到高溫監(jiān)測點激發(fā)出來的反斯托克斯拉曼信號包含有高溫監(jiān)測點的溫度信息，所述反斯托克斯拉曼信號通過采集探頭耦合至CARS信號采集光纖，并送至拉曼光譜儀得到反斯托克斯拉曼譜線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種測量變壓器溫度的激光探測系統(tǒng)，其特征在于，所述廣角紅外成像耦合透鏡的成像視場能覆蓋所需監(jiān)測的變壓器繞組。
6.一種基于傳像導(dǎo)引的飛秒全光纖拉曼電力系統(tǒng)測溫方法，其特征在于，所述方法在變壓器內(nèi)外部安裝探測系統(tǒng)，然后進(jìn)行激光聚焦點的成像點在紅外光纖傳像束生成圖像中的初始坐標(biāo)定位，即通過掃描控制，使激光聚焦點的成像點在紅外光纖傳像束生成圖像的中心位置；紅外光纖傳像束負(fù)責(zé)實時采集重點監(jiān)測區(qū)域紅外圖像，根據(jù)紅外圖像分析確定重點高溫監(jiān)測點；由伺服子系統(tǒng)帶動CARS光纖束轉(zhuǎn)動到某一位置，使激光聚焦點與重點高溫監(jiān)測點重合；由CARS信號采集光纖采集重點高溫監(jiān)測點CARS光強(qiáng)信號；然后根據(jù)CARS光強(qiáng)與溫度的關(guān)系，計算得到該高溫監(jiān)測點的溫度，從而可實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部重點區(qū)域的溫度監(jiān)測。
【文檔編號】G01K11/32GK104165707SQ201410410604
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】萬雄 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院