一种用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置及方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置及方法。

背景技术

高电压绝缘材料的真空绝缘沿面闪络现象制约着高电压脉冲功率装置的耐压能力，是系统优化设计需面对的技术问题，是实现装置小型化的关键环节。

如图1所示，由多个绝缘环01和均压环02构成的绝缘堆栈是大型脉冲功率装置常用的关键部件。由于真空绝缘沿面闪络现象的随机性，无法准确预计绝缘环真空沿面闪络发生的位置，因此采用常用的图像诊断技术，或难以准确捕捉完整的真空沿面闪络图像，或捕捉到的整体真空沿面闪络图像的分辨率不能满足研究需要。另外，绝缘堆栈是一个封闭的环状结构。真空沿面闪络产生的光无法直接到达外部空间，若采用光学透镜等器件来传输，则面临系统庞杂、安装繁复、光线传输效率低等技术问题。

目前，现有的光学成像系统和实验方法包括下述文献[1]-[6]：

β射线光纤成像系统[J]，核技术，1997,20(10)：583-586；

公开号为CN1588433A，专利名称为光纤成像触摸屏的中国专利；

公开号为CN103223244A，专利名称为利用单根光纤成像的内窥镜装置的中国专利；

多芯结构光纤对准与定位方法和实验研究[C]，哈尔滨工程大学，2007；

公开号为CN103149512A，专利名称为一种基于紫外成像特征的绝缘子绝缘状态评估方法的中国专利；

脉冲条件下绝缘介质气体沿面闪络发光特征，强激光与粒子束，2018,30(10)：105002；

文献[1-4]均描述了利用光纤传输成像技术而研制的系统。文献[1]是利用148根光纤组成一个闪烁光纤块，以获得较高的空间分辨率，用于单个标的物的光学测量。文献[2]是利用光纤束将目标光源汇聚到成像元件形成图像，并利用图像变化通过控制器进行触摸的定位检测。文献[3]是利用光纤体积小、柔软以及成像特性，结合智能控制技术信号处理技术，采用单根光纤作为内窥镜装置的管线，实现显微内窥镜的功能，获得高分辨的图像。文献[4]则是以三芯光纤为例，对特种光纤对准和定位进行研究，证明图像处理技术可以减小噪声对定芯的影响，提高纤芯的定位精度。文献[5-6]描述采用其他图像诊断技术对绝缘材料沿面闪络图像获取的实验方法。文献[5-6]的诊断目标都是单一的，且文献[5]采用的紫外成像技术对闪络图像进行评估，而文献[6]则是采用分幅相机技术进行图像诊断。

文献[1]和[2]利用多根光纤的目的针对单一目标，获得较高的分辨率和较多的光线。文献[3]则是利用光线柔软等物性，以获得狭小、弯曲空间的图像信息。文献[4]则是利用多根光纤成像原理用于较高精度地定位纤芯，而与成像关系度不大。文献[5]强调的是对图像结果的评估方法。文献[6]着重于分幅相机图诊断技术对单一目标进行诊断的方法。

综上所述，现有光学成像技术均着重于单一目标或者有限方向角内目标的图像信号采集和应用，但是难以运用到对绝缘堆栈的环形目标空间内脉冲放电图像诊断(真空沿面闪络成像诊断)。

发明内容

为了解决现有光学成像技术着重于单一目标或有限方向角内目标的图像信号采集及应用，难以运用到绝缘堆栈环形目标空间内脉冲放电图像诊断的技术问题，本发明提供了一种用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置，其特殊之处在于：包括光学支架、法兰筒、光学探头、相机、控制显示单元、光电探测器以及示波器；

所述光学支架为一端开口的筒状结构，其外侧壁沿径向开设圆周均布的N个图像诊断孔和圆周均布的Q个光脉冲测量孔，且图像诊断孔和光脉冲测量孔沿光学支架轴向相邻设置，其中，2≤N≤48，2≤Q≤4；

所述法兰筒与光学支架开口一端同轴固连，法兰筒外圆面设有环状支撑架；

所述光学探头为M个，M＝N+Q，M个光学探头分别穿设在N个图像诊断孔和Q个光脉冲光测量孔内，每个光学探头的外表面为光学玻璃窗；

所述相机设置在法兰筒内，N个图像诊断孔上的N个光学探头与相机连接，相机与位于法兰筒外的控制显示单元相连；Q个光脉冲测量孔上的Q个光学探头与位于法兰筒外的光电探测器连接，光电探测器与示波器相连。

进一步地，所述N为48，Q为4。

进一步地，48个图像诊断孔为沿光学支架轴向分布的2圈，且两圈沿圆周方向错位设置。

进一步地，所述光学探头包括密封组件、光纤固定组件、光学镜头、传像光纤以及所述光学玻璃窗；

所述图像诊断孔和光脉冲测量孔均为台阶状，包括沿光学支架径向由内向外且直径依次增加的第一安装孔和第二安装孔；

所述密封组件安装在第二安装孔内，密封组件为套管结构；

所述光学玻璃窗安装在密封组件内腔的外端部；

所述光纤固定组件的一端安装在第一安装孔内，另一端位于密封组件的空腔内，且另一端端部沿光学支架径向开设凹槽；

所述光学镜头安装在凹槽内，且光学镜头底面与凹槽槽底之间存在距离；

所述传像光纤穿设在光纤固定组件内，其一端延伸至所述凹槽内，且与光学镜头之间存在距离，另一端与相机或光电探测器连接。

进一步地，所述光学探头还包括密封圈和压圈；

所述密封圈安装在第二安装孔台阶面和密封组件之间；

所述第一安装孔靠近光学支架中心的一端内壁设有第一环形凸起，以及远离光学支架中心的一端开设环形凹槽；

位于第一安装孔内的光纤固定组件中部设有第二环形凸起，且第二环形凸起抵靠在第一环形凸起上；

所述压圈套装在光纤固定组件上，且位于环形凹槽内，用于光纤固定组件的紧固和限位。

进一步地，所述密封组件的外端部内表面设有第三环形凸起，用于光学玻璃窗的限位。

进一步地，所述相机通过依次设置的电光转换器和光电转换器与控制显示单元相连，且电光转换器位于法兰筒内。

进一步地，所述光学支架和法兰筒通过转接筒实现连接。

进一步地，所述光电转换器的输出口为USB端口；

所述相机为CCD相机；

所述环状支撑架采用铝合金材质。

进一步地，所述光脉冲测量孔上光学探头的光学镜头为广角光学镜头；

所述法兰筒远离光学支架的一端外侧面设有环状盖板。

同时，本发明提供了一种用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断方法，其特殊之处在于，采用上述用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置，所述图像诊断方法包括以下步骤：

1)将光学支架、法兰筒伸入待测件内，且环状支撑架与待测件内壁配合实现定位，所有图像诊断孔上光学探头形成的环面与待测件的环形绝缘堆栈同轴正对，并将法兰筒与待测件固连，保证待测件内腔的密封性；

2)开启相机、控制显示单元、光电探测器以及示波器；

3)观察控制显示单元和示波器，若控制显示单元观察到闪络积分图像，同时，示波器检测到闪络发光的电脉冲信号，则绝缘堆栈有闪络现象；

4)根据步骤3)获得的闪络积分图像以及相应电脉冲信号，获得绝缘堆栈沿面闪络发生的位置和相对时刻。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明图像诊断装置及方法利用光学探头结构紧凑的特点，将多个光学探头360°均匀排布在光学支架上，采用多束光纤360°均匀排布同时采集图像，可同时采集360°环面随机图像，实现绝缘堆栈真空沿面360°环面随机图像诊断的目的，并根据获得的闪络积分图像以及相应电脉冲信号，获得绝缘堆栈沿面闪络发生的时刻。

2、本发明图像诊断装置及方法可应用于环形绝缘材料或其他随机放电实验，避免了脉冲放电的随机性和不一致性带来的沿面闪络问题。

3、本发明图像诊断装置中图像诊断孔上多个均匀排布的光学探头可在一次实验中，同时监测到整个放电沿面的闪络发光图像，从而有助于获得较为完备的实验数据，实现准确的监测。

4、本发明相机采用CCD相机，在同一CCD的不同区域，同时记录多幅图像，充分发挥CCD的性能，性价比高。

5、本发明将48个图像诊断孔设置为沿光学支架轴向分布的2圈，增加了光学探头的安装空间，进而提高了光学探头的安装效率。

附图说明

图1为绝缘堆栈的结构示意图；

图2为本发明用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置结构示意图；

图3为图2的光学探头局部放大示意图；

图4为本发明用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置的诊断实验安装示意图；

其中，附图标记如下：

01-绝缘环，02-均压环；

1-光学支架，2-光脉冲测量孔，3-转接筒，4-环状支撑架，5-法兰筒，6-密封组件，7-光学玻璃窗，8-光学镜头，9-传像光纤，10-密封圈，11-压圈，12-光纤固定组件，13-图像诊断孔，14-螺钉，15-第一安装孔，16-第二安装孔，17-凹槽，18-第一环形凸起，19-环形凹槽，20-第二环形凸起，21-环状盖板，22-待测件，23-高压电极，24-地电极，25-环形绝缘堆栈，26-光学探头，27-第三环形凸起。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明一种用于绝缘堆栈真空沿面闪络的图像诊断装置，可360°同时诊断绝缘环真空沿面闪络图像，如图2所示，该诊断装置包括光学支架1、转接筒3、法兰筒5、光学探头26、相机、控制显示单元、光电探测器以及示波器。

光学支架1、转接筒3、法兰筒5同轴依次固连，转接筒3的两端为法兰结构，相应的，光学支架1与转接筒3一端连接的端面、法兰筒5与转接筒3另一端连接的端面均设有螺纹孔以及密封圈，通过螺钉实现转接筒3与光学支架1、法兰筒5的固定和密封，进而实现光学支架1与法兰筒5的同轴固定；法兰筒5外圆面设有环状支撑架4，本实施例环状支撑架4采用铝合金材质。

光学支架1采用壁部带孔的空心尼龙圆柱结构，且与转接筒3连接的一端设有开口，光学支架1的孔作为光学探头26的安装孔，包括沿光学支架1径向且圆周均布的N个图像诊断孔13和沿光学支架1径向且圆周均布的Q个光脉冲测量孔2，其中，2≤N≤48，2≤Q≤4。本实施例光学支架1外侧壁沿径向开设圆周均布的48个图像诊断孔13和圆周均布的4个光脉冲测量孔2，且图像诊断孔13和光脉冲测量孔2沿光学支架1轴向相邻设置；则相应地，光学探头26为52个，其中48个光学探头26分别穿设在48个图像诊断孔13中，剩余4个光学探头26分别穿设在4个光脉冲测量孔2内；为了便于在图像诊断孔13上安装光学探头26，本实施例将48个图像诊断孔13设置为沿光学支架1轴向分布的2圈，2圈的48个图像诊断孔13沿同一圆周方向均匀设置，即2圈的图像诊断孔13沿光学支架1圆周方向为错位布置，增加了光学探头26的安装空间，进而提高了光学探头26的安装效率。

图像诊断孔13和光脉冲测量孔2均为台阶状，包括沿光学支架1径向由内向外且直径依次增加的第一安装孔15和第二安装孔16。

如图3所示，光学探头26包括密封组件6、光学玻璃窗7、光学镜头8、传像光纤9、密封圈10、压圈11、光纤固定组件12；密封组件6安装在第二安装孔16内，密封组件6为套管结构；光学玻璃窗7安装在密封组件6内腔的外端，且密封组件6外端部内表面设有第三环形凸起27，用于光学玻璃窗7的限位；光纤固定组件12的一端安装在第一安装孔15内，另一端位于密封组件6的空腔内，且另一端端部沿光学支架1径向开设凹槽17；光学镜头8安装在凹槽17内，且光学镜头8底面与凹槽17槽底之间、光学镜头8的顶面与光学玻璃窗7之间均存在距离；传像光纤9穿设在光纤固定组件12内，其一端延伸至凹槽17内，且与光学镜头8之间存在距离。密封圈10安装在第二安装孔16和密封组件6之间；第一安装孔15靠近光学支架1中心的一端内壁设有第一环形凸起18，以及远离光学支架1中心的一端开设环形凹槽19；位于第一安装孔15内的光纤固定组件12中部设有第二环形凸起20，且第二环形凸起20抵靠在第一环形凸起18上；压圈11套装在光纤固定组件12上，且位于环形凹槽19内，用于光纤固定组件12的紧固和限位。

本实施例既能保证48个图像诊断孔13上48个光学探头26的固定，也能保证真空密封，48个图像诊断孔13上的48个光学探头26圆周方向均匀分布，确保每个光学探头26的光学镜头8能检测7.5°范围内的图像，48个图像诊断孔13上的48个光学探头26与相机之间采用光纤连接，即光纤的一端与传像光纤9相连，另一端与相机相连；并将相机设置在法兰筒5内部，且相机与控制显示单元相连。本实施例相机采用CCD相机，定义图像诊断孔13上安装的光学探头26为第一光学探头，为了提高成像系统成像效率，充分发掘CCD相机的功能，与48个第一光学探头分别连接的48个光纤按第一光学探头的周向设置顺序依次在CCD相机上成像，该方式充分发挥了CCD相机性能，可明确沿面闪络发生的位置且费用较低。CCD相机将获取的光信号转化为电信号，为了保证传输效率和质量，在CCD相机和控制显示单元之间的信号传输采用电光转换器和光电转换器二次转换传输方式，且电光转换器位于法兰筒5内。

定义光脉冲测量孔2上的光学探头26为第二光学探头，第二光学探头的光学镜头8采用广角光学镜头，4个广角光学镜头与位于法兰筒5外部的光电探测器连接，光电探测器与示波器相连，广角光学镜头与光电探测器通过光纤连接，且该光纤穿设于转接筒3和法兰筒5的内腔中。圆周均布的4个广角光学镜头采集4个方向的沿面闪络发光信号，经光电转换器变为示波器可采集的电脉冲信号，如图2所示，该设计可用于监测沿面放电时刻和主电压之间的相对时间。

本发明利用光学探头26结构紧凑的特点，将多个光学探头360°均匀排布在光学支架1上，采用多束光纤360°均匀排布同时采集图像的思路，实现绝缘堆栈真空沿面360°环面随机图像诊断的目的。本实施例装置可同时采集360°环面随机图像，能运用到对环形目标360°空间内脉冲放电图像诊断。

本实施例图像诊断装置的装配过程：

1)将带有光纤的52个光学探头26分别安装在光学支架1上的48个图像诊断孔13和4个光脉冲测量孔2；

2)48个图像诊断孔13上的48个光学探头26(第一光学探头)安装完毕后，理顺光纤并用绑扎带捆好，将光纤穿过转接筒3，并用螺钉连接好光学支架1和转接筒3。采取相同的方法，固定好法兰筒5和转接筒3，并在法兰筒5外圆面设有环状支撑架4；

3)将CCD相机安装在法兰筒5内并与光纤依序相接，再将电光转换器安装在法兰筒5内并与CCD相机相接，经电光转换器后的信号经光纤连接到测量间的光电转换器，光电转换器的输出端口为USB端口，方便直接连接控制显示单元，将电信号传输至控制显示单元。控制显示单元可为笔记本电脑。

同时4个光脉冲诊断孔2上的4个光学探头26(第二光学探头)与法兰筒5外的光电探测器通过光纤连接，且该光纤穿过光学支架1、转接筒3、法兰筒5，利用光纤传输光脉冲信号至光电探测器，最后利用同轴电缆传输电信号至示波器。

本实施例图像诊断装置的工作过程：

1)如图4所示，将光学支架1、法兰筒5从待测件(真空二极管)的地电极24水平放置在真空二极管中，且光学支架1伸向真空二极管的高压电极23，并确保光脉冲测量孔上的光学探头26瞄准绝缘堆栈，环状支撑架4与真空二极管地电极24的环面壁接触，实现定位，且光学支架1与真空二极管同轴，法兰筒5依靠固定螺钉14与环状盖板21进行固定，且环状盖板21抵靠于真空二极管地电极24的圆端面。安装过程真空二极管内腔的密封性。同轴电缆阻抗为50Ω，末端需匹配50Ω电阻；

2)开启相机、控制显示单元、光电探测器、示波器、控制系统，并检查检测系统；

3)正式工作时，操作人员会提供“零前”5秒报时。当听到“零前”1秒的信号时，启动控制系统的开始工作按钮；

4)实验完毕，如果绝缘堆栈有闪络现象，控制显示单元可获取绝缘堆栈的闪络积分图像；同时示波器可获取闪络发光与脉冲装置输出电压的电脉冲信号；

5)根据步骤4)获得的数据，最终可获得绝缘堆栈沿面闪络积分图像和闪络位置，以及相对脉冲装置输出电压信号，绝缘堆栈沿面闪络发生的位置和相对时刻。

本实施例图像诊断方法能同时采集360°环面随机图像的光纤成像系统，并可应用于工程实践。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。