一种MEMS光纤传感器及其构成的少油设备状态监测系统

技术领域

本发明涉及电力系统监测技术领域，具体地，涉及一种MEMS光纤传感器及其构成的少油设备状态监测系统。

背景技术

互感器、断路器、套管等少油设备是电力系统的重要组成部分，在电网正常运行的过程中起关键性作用。各种少油设备大多安装在户外，运行环境恶劣，在长期地运行过程中难免出现故障，如果运营维护人员不能及时发现故障隐患，极有可能造成电网事故，对人民财产和生命安全造成威胁。电力少油设备的工作状态故障与否通常取决于其绝缘性质的好坏，绝缘性质的好坏通过分析绝缘油的品质可以得到很好的体现。现有的针对少油设备状态监测的系统不仅种类少而且存在一定的不足。目前，对少油电力设备进行状态监测系统多采用有源传感器。有源传感器需要外接电源，而绝缘油一般存在于电力设备的内部，在电力设备内部装设的传感器进行电源的更换本身就不是一件简单的事情。此外，有源传感器易受到电磁、温度、压力等环境的影响，进而导致监测信号的不准确传输。其次，有源传感器普遍体积大，质量重，很难安装在电力设备的狭小空间。高精度的有源传感器在一次设备工作的电磁场环境下，容易出现测量失真、数据丢包等异常情况，不利于少油设备的在线监测。此外，其采用的干电池供电的方式也存在更换困难的情况。因此急需一种无源传感器针对少油设备进行状态监测。

经检索发现，专利申请号为CN201711381994.6的中国发明专利，公开了一种变电站少油设备在线监测系统，包括：三通结构、氢气传感器、压力传感器、温度传感器、带有CPU和无线模块的电路板、干电池、就地显示仪和后台计算机。三通结构的取油端与少油设备的出油口相接，去除待测油。待测油进入三通结构，被安装有温度、压力和氢气传感器的端口和测量，干电池为芯片和传感器供电，测得的数据经过CPU处理，通过无线模块传输至就地显示仪和后台计算器。所述传感器为有源传感器。提供了一种少油设备在线监测的系统和方法。上述专利中虽然也监测量氢气、压力、温度多个物理量，但采用的是有源传感器，容易出现测量失真、数据丢包等异常情况。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于MEMS光纤传感器的少油设备状态监测系统，能够实时地测量少油设备中绝缘油的气体类物理量和非气体类物理量的变化，检测过程中MEMS光纤传感器实现油气隔离，保证观测数据的准确性。

本发明的第一方面，提供一种基于MEMS光纤传感器的少油设备状态监测系统，包括：

四通阀，其中一端接口连接少油设备的出油口，一端接口代替少油设备的出油口；

MEMS光纤传感器，安装于所述四通阀的其余两端接口中，通过检测绝缘油中各物理量的光信号来监测少油设备的运行状态；

光交箱，一端连接所述MEMS光纤传感器，另一端连接光纤解调仪，实现所述MEMS光纤传感器与所述光纤解调仪相接；

光纤解调仪，用于解调所述MEMS光纤传感器采集的光信号，并将解调后的信号传输给计算机；

计算机，对所述光纤解调仪解调后的信号进行处理，完成少油设备运行状态的故障判别。

可选地，所述MEMS光纤传感器包括第一MEMS光纤传感器和第二MEMS光纤传感器，所述第一MEMS光纤传感器、所述第二MEMS光纤传感器分别位于所述四通阀的其余两端接口中的任一个，其中，所述第一MEMS光纤传感器用于测量少油设备绝缘油中溶解气体类物理量参数；所述第二MEMS光纤传感器用于测量少油设备绝缘油的非气体类物理量参数；所述第一MEMS光纤传感器、所述第二MEMS光纤传感器分测量的结果经所述光交箱后传到所述光纤解调仪。

可选地，所述第一MEMS光纤传感器包括：

第一传感器主体；

第一进油孔，位于所述第一传感器主体的侧面，所述第一进油孔的一端与所述第一传感器主体内部相通，另一端伸入所述四通阀内；

第一油室，位于所述第一传感器主体内部，并设置于所述第一进油孔的另一端(即伸入所述四通阀内的一端)，并与所述第一进油孔相通，绝缘油经由所述第一进油孔流入所述第一油室；

第一气室，位于所述第一传感器主体内部，并位于所述第一油室的一侧；

第一半透膜，设置于所述第一油室与所述第一气室之间，用来实现油气分离；

第一MEMS光纤传感器芯片，封装于所述第一气室内，用于测量少油设备绝缘油中溶解气体类物理量参数。

可选地，所述第二MEMS光纤传感器包括：

第二传感器主体；

第二进油孔，位于所述第二传感器主体的侧面，所述第二进油孔的一端与所述第二传感器主体内部相通，另一端伸入所述四通阀内；

第二油室，位于所述第二传感器主体的内部，并设置于所述第二进油孔的另一端(即伸入所述四通阀的一端)，所述第二油室与所述第二进油孔相通，绝缘油经由所述第二进油孔流入所述第二油室；

第二MEMS光纤传感器芯片，封装于所述第二油室内，用于测量少油设备绝缘油的非气体类物理量参数。

可选地，所述MEMS光纤传感器的尾纤与传输光缆在所述光交箱内部进行光纤熔接，将每个尾纤与单根多芯传输光缆熔接，完成MEMS光纤传感器尾纤的汇集和光通道的连通。

可选地，经过所述光交箱的传输光缆再经过一个“L”型的铝管进入地下管道，在地面设置沟槽并在所述沟槽中铺设管道，距离相近的少油设备的传输光缆合并在一个沟槽中，通过逐级合并，最后汇集接入控制室。

可选地，所述光纤解调仪安装于控制室的屏柜内；所述光纤解调仪包括解调单元和处理单元，其中，所述解调单元用于解调所述MEMS光纤传感器检测的波长光信号和强度调光信号；所述处理单元将所述MEMS光纤传感器感知的信号归纳汇总并传输至所述计算机。

本发明的第二方面，提供一种MEMS光纤传感器，包括：

传感器主体；

进油孔，位于所述传感器主体的侧面，所述进油孔的一端与所述传感器主体内部相通，另一端外露于所述传感器主体；

油室，设置于所述进油孔的另一端，并与所述进油孔相通，绝缘油经由所述进油孔流入所述油室；

气室，位于所述传感器主体内部，并设置在所述油室的一侧；

半透膜，设置于所述油室与所述气室之间，用来实现油气分离；

MEMS光纤传感器芯片，封装于所述气室内，用于测量少油设备绝缘油中溶解气体类物理量参数。

可选地，所述MEMS光纤传感器为MEMS光纤气敏传感器，用于测量少油设备的绝缘油内的氢气和/或乙炔气体含量。

本发明的第三方面，提供另一种MEMS光纤传感器，包括：

传感器主体；

油孔，位于所述传感器主体的侧面，所述油孔的一端与所述传感器主体内部相通，另一端外露于所述传感器主体；

油室，位于所述传感器主体的内部，所述油室设置于所述进油孔的另一端，并与所述进油孔相通，绝缘油经由所述进油孔流入所述油室；

MEMS光纤传感器芯片，封装于所述油室内，用于测量少油设备绝缘油的非气体类物理量参数。

可选地，所述MEMS光纤传感器为MEMS光纤温压传感器，用于测量少油设备的少油设备绝缘油的温度和/或压力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的基于MEMS光纤传感器的少油设备状态监测系统，采用MEMS光纤传感器并用光纤进行信号的传输，光纤传感器属于无源传感器，无需外加电源，不仅实现了电气隔离，而且避免了有源传感器在监测过程中受到电磁干扰、高温、高压等外部环境的影响。信号传输使用光纤光缆，光纤一般的使用寿命都在十数年，便于长期使用，节约成本。同时光纤传感器的使用不会影响原有设备的绝缘性能，其检修和维护同样不会影响电力设备的使用。

本发明提供的基于MEMS光纤传感器的少油设备状态监测系统，采用MEMS传感原理，MEMS技术就是将设备制作成微米、毫米级。在现有的电力设备状态监测中，由于体积、电源、环境干扰等问题，许多微小空间并不适合装设现有的传感器，采用MEMS技术制作的传感器可以应用在各种细小空间。同时MEMS封装技术不仅使得MEMS光纤传感器尺寸减小而且可以耐高温高压。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中的监测系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的四通阀的爆炸图；

图3为本发明一实施例中的第一MEMS光纤传感器的结构图；

图4为本发明一实施例中的第二MEMS光纤传感器的结构图；

其中，图中对应的附图标记为：1-四通阀，2-MEMS光纤传感器，3-光交箱，4-光纤解调仪，5-计算机，6-MEMS光纤尾纤，7-传输光缆，8-变电站专网；11-四通阀主体，12-前端取油器，13-取油口密封器，14、15-MEMS光纤传感器；31-第一MEMS光纤传感器进油孔，32-第一MEMS光纤传感器油室，33-第一MEMS光纤传感器半透膜，34-第一MEMS光纤传感器气室，35-卡槽，36-第一MEMS光纤传感器尾纤，37-第一MEMS光纤传感器芯片；41-MEMS光纤温压传感器进油孔，42-第二MEMS光纤传感器气室，43-卡槽，44-第二MEMS光纤传感器尾纤，45第二MEMS光纤传感器芯片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例中的监测系统的结构示意图。参照图1所示，本实施例中提供了一种基于MEMS光纤传感器的少油设备状态监测系统，包括四通阀1、MEMS光纤传感器2、光交箱3、光纤解调仪4、计算机5。其中：四通阀1的一端接口连接少油设备的出油口，一端接口代替少油设备的出油口，另外两端接口用于安装MEMS光纤传感器2，MEMS光纤传感器2通过检测绝缘油中各物理量的光信号来监测少油设备的运行状态；光交箱3的一端连接MEMS光纤传感器2，另一端连接光纤解调仪4，实现MEMS光纤传感器2与光纤解调仪4相接；光纤解调仪用于解调MEMS光纤传感器2采集的光信号，并将解调后的信号传输给计算5机；计算机5对光纤解调仪4解调后的信号进行处理，完成少油设备运行状态的故障判别。本实施例采用MEMS光纤传感器并用光纤进行信号的传输，无需外加电源，不仅实现了电气隔离，而且避免了有源传感器在监测过程中受到电磁干扰、高温、高压等外部环境的影响，便于长期使用，节约成本，检修和维护同样不会影响电力设备的使用。

图2为本发明一实施例中的四通阀的爆炸图。参照图2所示，在一些实施例中，四通阀包括四通阀主体11、前端取油器12、取油口密封器13，形成特有的四通阀1。其中，四通阀主体11内部设有四个通道，这四个通道的一端在连通件主体内部互相连通，四个通道的另一端延伸到四通阀主体11的外表面，在四通阀主体11的外表面不同位置分别形成对应的四个接口。具体的，本实施例中，第一个通道与少油设备的取油口相接，用于绝缘油的输送；第二个通道替代原有的取油口，方便后期少油设备的取油；另外两个通道为MEMS光纤传感安装通道14、15。进一步的，前端取油器12与四通阀主体11的一个通道对应的接口螺纹配合连接，用于与四通阀主体11的安装；四通阀主体11的另一个通道内部装有弹珠止油阀，当四通阀主体11内部压力变大的时候，止油阀内部的弹珠在压力的作用下会关闭油通道；在该通道的止油阀外部加装取油口密封器13，取油口密封器13通过螺纹和胶垫对该通道进行密封。

本优选实施例中使用新型的四通阀，该四通阀可以拆分成前端取油口、取油口密封器等不同的零部件，使得在线监测系统变得更加灵活便捷，不仅可以方便快捷地完成四通阀的排气工作而且解决了少油设备取油口空间狭小、环境复杂，大型的四通阀极易出现结构干涉的情况的问题。同时，四通阀通过前端取油器、四通阀主体等多零件协同可以将四通阀的主体后移，避免结构干涉的困扰。其次，前端取油器两端可调节，可以根据实际需求选择四通阀的安装方向。当四通阀安装时首先将出油口竖直向下，当出油口流出绝缘油即出油口完全排除少油设备的气体后通过前端取油器两端可调节的特性将出油调整为竖直向上，并将四通阀固定在少油设备的出油口处。另外，实际工程中变电站使用的少油设备可能来自不同的厂家，不同厂家少油设备的取油口不尽相同，只需更换前端取油器即可满足市面上绝大多数少油设备的需求。

在部分实施例中，MEMS光纤传感器包括第一MEMS光纤传感器和第二MEMS光纤传感器，第一MEMS光纤传感器、第二MEMS光纤传感器分别位于四通阀的其余两端接口中的任一个，其中，第一MEMS光纤传感器用于测量少油设备绝缘油中溶解气体类物理量参数；第二MEMS光纤传感器用于测量少油设备绝缘油的非气体类物理量参数；第一MEMS光纤传感器、第二MEMS光纤传感器分测量的结果经光交箱3后传到光纤解调仪4。

图3为本发明一实施例中的第一MEMS光纤传感器的透视图。参照图3所示，本实施例中，第一MEMS光纤传感器为MEMS光纤气敏传感器，第一MEMS光纤传感器用于测量少油设备绝缘油中溶解气体类物理量参数。具体的，MEMS光纤气敏传感器包括：MEMS光纤气敏传感器进油孔31、MEMS光纤气敏传感器油室32、MEMS光纤气敏传感器半透膜33、MEMS光纤气敏传感器气室34、MEMS光纤气敏传感器芯37，这些部件均设置在传感器主体上，其中：MEMS光纤气敏传感器进油孔31位于传感器主体的一侧，一端外露于四通阀1，另一端伸入传感器主体内；MEMS光纤气敏传感器油室32位于传感器主体内部，且设置于MEMS光纤气敏传感器进油孔31的伸入传感器主体内的一端，并与MEMS光纤气敏传感器进油孔31相通，绝缘油经由MEMS光纤气敏传感器进油孔31流入MEMS光纤气敏传感器油室32；MEMS光纤气敏传感器气室34设置在传感器主体内部，MEMS光纤传感器芯片37封装于MEMS光纤气敏传感器气室34内，用于测量少油设备绝缘油中溶解气体类物理量参数；MEMS光纤气敏传感器半透膜33设置于MEMS光纤气敏传感器油室32与MEMS光纤气敏传感器气室34之间，绝缘油经过MEMS光纤气敏传感器半透膜33完成绝缘油的油气分离。进一步的，第一MEMS光纤传感器还包括卡槽35，卡槽35处安装密封圈，加强MEMS光纤气敏传感器与四通阀1连接处的密封。

图4为本发明一实施例中的第二MEMS光纤传感器的透视图。参照图4所示，第二MEMS光纤传感器用于测量少油设备绝缘油的非气体类物理量参数，可以采用MEMS光纤温压传感器。MEMS光纤温压传感器包括：MEMS光纤温压传感器进油孔41、MEMS光纤温压传感器油室42、MEMS光纤温压传感器芯片45，这些部件均设置在传感器主体上，其中，MEMS光纤温压传感器进油孔41位于传感器主体的侧面，与传感器主体内部MEMS光纤温压传感器油室42相通，另一端伸入传感器主体内部；MEMS光纤传感器芯片45封装于MEMS光纤温压传感器油室42内，用于测量少油设备的非气体类物理量参数。进一步的，第二MEMS光纤传感器还包括卡槽43，卡槽43处安装密封圈，加强第二MEMS光纤传感器与四通阀1连接处的密封。

本实施例中，采用MEMS光纤传感器，可以应用在各种细小空间。本实施例中的MEMS光纤传感器使用微机电加工技术将应用于不同环境、不同工作原理的光纤传感器集成为气敏和/或温压集合传感器。同时MEMS封装技术不仅使得MEMS光纤传感器尺寸减小而且可以耐高温高压。

在一些实施例中，封装好的MEMS光纤传感器被加工成螺栓状，并配有加大的六角螺头，不仅方便安装，而且与四通阀保证密封性。MEMS光纤传感器的前端(即的伸入四通阀的一端)留有四个进油孔，使得四通阀里的待测绝缘油可以进入MEMS光纤传感器2并被感知。

在一较优实施例中，MEMS光纤传感器2至少包括两种，即MEMS光纤气敏传感器和MEMS光纤温压传感器，具体结构如上述图3、4所记载，其中MEMS光纤气敏传感器用于测量少油设备的绝缘油内的氢气、乙炔气体含量；MEMS光纤温压传感器用于测量少油设备的少油设备绝缘油的温度、压力；MEMS光纤气敏传感器、MEMS光纤温压传感器分别设置于四通阀1的另外两端接口中，它们测量的参数通过传输光缆7传输到光纤解调仪4，并进一步解调后发送到计算机5。

在一些实施例中，光交箱3是将MEMS传感器2的尾纤6与传输光缆7熔接、固定和保护的地方。MEMS光纤传感器2的尾纤6通过少油设备支架上的电缆沟槽后经过固定的铝制管道进入光交箱3。铝管与光交箱3被固定在少油设备的支柱上。

在一些实施例中，光纤解调仪4一端通过光纤接口与光交箱3引出的传输光缆7连接，另一端通过网线连接在计算机5。连接光交箱3和光纤解调仪4的铝管呈“L”状，竖直方向的铝管与上一段铝管保持在同一竖直方向，水平方向的铝管被埋在地下，方便传输光缆的布线，起到保护光缆的作用。经过光交箱3的传输光缆7经过一个“L”型的铝管进入地下管道，在地面挖出沟槽并铺设管道，距离相近的少油设备的传输光缆合并在一个沟槽中，通过逐级合并，最后汇集接入控制室。

在一些实施例中，光纤解调仪4置于控制室的屏柜中，传输光缆7接入光纤解调仪4，光纤解调仪将传输光缆传来的信息进行分析，得到少油设备绝缘油的温度、压力、氢气和乙炔物理量对应的光信号。将光纤解调仪4分析的结果数据传输到计算机5，计算机5中设有少油设备在线监测系统模块，该模块对光纤解调仪4传来的少油设备绝缘油的温度、压力、氢气、乙炔物理量对应光信息进行判断，判别是否出现故障。

在一些实施例中，MEMS光纤传感器2的尾纤6与传输光缆7熔接并固定在光交箱3中。MEMS光纤传感器的尾部6的光纤通过少油设备支架的电缆沟槽进入管道，该管道与光交箱3相接，一同固定在少油设备支架的支柱上。传输光缆7接入光纤解调仪4，另一端通过变电站专网8接入计算机5，将所得数据进行保存并通过程序进行故障判别。

本发明实施例四通阀作为中间连接件，将少油设备和MEMS光纤传感器装配在一起；MEMS光纤传感器的尾纤与光缆熔接后安装在光交箱内部；光纤解调仪连接在光缆的另一端，用来接收和解调光信号，并将解调后的数据通过变电站专网输送至计算机，计算机上安装有少油设备在线监测系统模块，该模块通过实时采集到的数据对少油设备的健康运行状态进行评估。

综上所述，本发明的少油设备状态监测系统，能够通过MEMS光纤温压传感器和MEMS光纤气敏传感器方便快速地对少油设备中绝缘油的温度、压力和氢气、乙炔多个物理量进行测量。MEMS光纤传感器属于无源传感器，采用光纤进行信号的传输，相比于有源传感器，实现了电磁隔离，温度、电磁场对光纤的绝缘水平基本不产生影响，测得的数据更加准确；光纤传输到达光纤解调仪可以直接得到绝缘油温度、压力和氢气、乙炔物理量的光信号，计算机上装载以光信号为参考量的少油设备状态故障状监测系统模块，该模块可以直接通过温度、压力和氢气、乙炔含量对应的光信号进行故障判别。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。