利用光的全反射現(xiàn)象檢測(cè)閥冷卻系統(tǒng)漏水

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司 劉建國(guó) 嚴(yán)利雄 戴 迪 陳 晨

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利用光的全反射現(xiàn)象檢測(cè)閥冷卻系統(tǒng)漏水

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司 劉建國(guó) 嚴(yán)利雄 戴 迪 陳 晨

【摘要】換流站換流閥的水冷系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏會(huì)造成重大后果，通常設(shè)有閥漏水檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。研究針對(duì)目前國(guó)內(nèi)閥檢測(cè)系統(tǒng)存在靈敏度低、國(guó)產(chǎn)化低的問(wèn)題，基于光的全反射原理，通過(guò)理論分析和設(shè)計(jì)，制造了一套閥漏水檢測(cè)裝置，當(dāng)探頭上有少量液體時(shí)，光的全反射條件發(fā)生改變，裝置能通過(guò)回報(bào)光信號(hào)的衰減檢測(cè)出泄漏的發(fā)生。試驗(yàn)表明該裝置工作可靠，靈敏度高，且成本較低，能有效解決目前國(guó)內(nèi)閥漏水檢測(cè)的問(wèn)題，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】全反射；換流站；換流閥泄漏檢測(cè)

高壓晶閘管換流閥作為高壓直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若閥體溫度超過(guò)允許的最高結(jié)溫，將會(huì)導(dǎo)致閥體元器件性能惡化甚至損壞[1]，因此需要閥冷卻系統(tǒng)通過(guò)去離子水循環(huán)將閥體工作中產(chǎn)生的熱量排放到閥體以外。

閥冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行是保證換流閥及直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于閥冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)期受壓運(yùn)行，極易出現(xiàn)接頭松動(dòng)、管道老化等問(wèn)題，存在閥體漏水的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)閥冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)滲漏情況時(shí)，會(huì)影響換流閥正常運(yùn)行，甚至燒毀閥體，危及高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2007年以來(lái)，全國(guó)出現(xiàn)直流系統(tǒng)發(fā)生多起閥冷水系統(tǒng)導(dǎo)致的停運(yùn)事件[2]。

為第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)閥塔漏水現(xiàn)象，通常通過(guò)設(shè)置漏水檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)換流站使用的主流閥漏水檢測(cè)裝置的原理是使用閥塔內(nèi)部的光纖檢測(cè)閥塔底部是否有泄漏的冷卻水存在。當(dāng)閥塔底部存在積水時(shí)，光回路被水阻斷，裝置即向直流控制保護(hù)系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。另一種漏水檢測(cè)裝置的原理是通過(guò)閥塔底部的集水器將泄漏液體集中到小翻斗中，通過(guò)翻斗積水到一定量而傾倒的次數(shù)來(lái)判斷漏水的情況。

但是以上兩種漏水檢測(cè)方法都要在漏水達(dá)到一定流量后才能發(fā)出告警，靈敏度較低。另一方面，由于國(guó)內(nèi)部分換流站運(yùn)行年限較長(zhǎng)，裝置故障率較高，長(zhǎng)期存在校準(zhǔn)困難、誤報(bào)警較多的問(wèn)題。由于這兩種主流漏水檢測(cè)裝置均為國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)無(wú)法維修，因此該裝置故障后需聯(lián)系國(guó)外供應(yīng)商提供備件和維修，從而導(dǎo)致修復(fù)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。

因此，研制一套國(guó)產(chǎn)化的高靈敏度的換流閥漏水檢測(cè)裝置，能有效解決目前國(guó)內(nèi)換流站換流閥漏水檢測(cè)靈明度低和更新?lián)Q代的問(wèn)題，對(duì)直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1　測(cè)量原理簡(jiǎn)介

1.1光的全反射

光傳播到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，通常要同時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。當(dāng)光從玻璃斜射入空氣里的時(shí)候，光在分界面上有一部分被反射回玻璃中，另外有一部分則進(jìn)入空氣里發(fā)生折射。

圖1　光的折反射

光由光密介質(zhì)（折射率高）進(jìn)入光疏介質(zhì)（折射率低）時(shí)，要離開(kāi)法線折射，如圖1所示。這時(shí)折射角大于入射角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著入射角i的增大，折射角t也增大，同時(shí)反射光增強(qiáng)，折射光減弱。當(dāng)入射角增大到一個(gè)臨界值時(shí)，折射角會(huì)增至90°，此時(shí)折射光與介質(zhì)表面平行，此時(shí)的入射角c被稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無(wú)折射現(xiàn)象，全部光線均反回光密介質(zhì)，此現(xiàn)象稱為全反射。而當(dāng)光線由光疏介質(zhì)射到光密介質(zhì)時(shí)，因?yàn)楣饩€靠近法線而折射，故這時(shí)不會(huì)發(fā)生全反射[3]。

1.2全反射臨界角

全反射現(xiàn)象告訴我們，一束光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，折射光消失，入射光進(jìn)行全反射。根據(jù)全反射定律，可用公式來(lái)計(jì)算兩種介質(zhì)間產(chǎn)生全反射時(shí)的臨界角。

式中的c為臨界角；n1為光疏物質(zhì)折射率；n2為光密物質(zhì)折射率。空氣的折射系數(shù)大約為1，而水或含水液體折射系數(shù)約為1.33。玻璃的折射率是1.5-1.9。設(shè)光通過(guò)有機(jī)玻璃介質(zhì)分別入射到空氣和水中，分別算出有機(jī)玻璃與空氣以及有機(jī)玻璃與水間的全反射時(shí)的臨界角：

有機(jī)玻璃的折射率n玻璃為1.52，相應(yīng)算得c1=41.13°，c2=61.04°。若光的入射角c在c1與c2之間時(shí)，即：

當(dāng)玻璃外部是空氣時(shí)，光線發(fā)生全反射；當(dāng)玻璃外部是水時(shí)，光線出現(xiàn)折射，反射光較弱。從這一點(diǎn)出發(fā)，可以檢測(cè)玻璃外是否有水或其他液體，能應(yīng)用于檢測(cè)換流閥漏水。

1.3全反射探頭的設(shè)計(jì)

為了利用光的全反射原理進(jìn)行漏水檢測(cè)，設(shè)計(jì)了直角三棱鏡作為測(cè)量探頭，如圖2所示。棱鏡的剖面結(jié)構(gòu)為直角三角形，光線入射角設(shè)置為45°，這樣能讓光線在棱鏡內(nèi)反射兩次后進(jìn)行回傳，并使得入射光和出射光的方向平行。設(shè)備光源產(chǎn)生一束平行光由光纖R1垂直于直角三棱鏡的斜邊射入進(jìn)入，經(jīng)過(guò)直角邊B面和A面的反射到達(dá)回報(bào)光纖R2。如果探頭直角邊表面是空氣，則光信號(hào)會(huì)出現(xiàn)全反射，如果探頭直角邊表面有水或其他液體，光便會(huì)被折射和吸收。用光敏檢測(cè)器接收反射信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。即使探頭表面僅有少量水膜，也能改變光的全反射從而反映到回報(bào)信號(hào)上，因此該設(shè)計(jì)的靈敏度極高。

圖2　全反射探頭剖面圖

為了方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及兼容，最終將測(cè)量探頭設(shè)計(jì)成有機(jī)圓柱與圓組合的有機(jī)玻璃體，如圖3所示。

圖3　全反射探頭

2　漏水檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全反射原理的閥漏水檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示，它包括激光接收器、激光發(fā)射器、單片機(jī)、光纖、報(bào)警器和設(shè)置在換流閥底部接水盤(pán)內(nèi)的全反射漏水檢測(cè)探頭，其中，光纖伸入電氣設(shè)備底部的接水盤(pán)內(nèi)部，一端與全反射漏水檢測(cè)探頭熔接。

圖4　漏水檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)控制激光發(fā)射器由第一光纖向全反射漏水檢測(cè)探頭分別發(fā)射頻率為5KHz、10KHZ和100KHz的激光，上述激光信號(hào)經(jīng)過(guò)全反射探頭的反射后由第二光纖接收，并由激光接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸給單片機(jī)。當(dāng)該電信號(hào)表征的激光信號(hào)的衰減高于預(yù)先設(shè)計(jì)的閾值時(shí)，則說(shuō)明全反射探頭的表面存在水或液體，即認(rèn)為電氣設(shè)備上出現(xiàn)漏水，單片機(jī)控制報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。由于使用了不同的激光頻率進(jìn)行檢測(cè)，因此能有效防止漏檢和誤檢的情況。通過(guò)對(duì)回報(bào)信號(hào)的檢測(cè)，裝置能實(shí)現(xiàn)光纖回路和探頭的故障自檢。

2.2檢測(cè)裝置介紹

基于單片機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)研制了T-301閥漏水檢測(cè)裝置，如圖5所示。裝置集成了激光接收器、激光發(fā)射器、單片機(jī)和報(bào)警器的功能。微處理器控制激光信號(hào)發(fā)射，并接受回報(bào)光信號(hào)進(jìn)行分析處理。若激光信號(hào)的衰減高于閾值，微處理器自動(dòng)報(bào)警。

該漏水檢測(cè)裝置具有以下特點(diǎn)：（1）基于單片機(jī)研制，信號(hào)處理能力強(qiáng)，成本較低；（2）外殼用鋁材料制成，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行安全穩(wěn)定；

（3）殼體有8個(gè)安裝孔，便于各種不同場(chǎng)合的安裝需求。外接端口用帶螺釘?shù)镍P凰端子，接線方便、穩(wěn)固。

（4）光纖收發(fā)器采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及維護(hù)。

3　模擬試驗(yàn)

裝置研制成功后，為了驗(yàn)證裝置在實(shí)際使用中漏水檢測(cè)的可靠性，在模擬環(huán)境中進(jìn)行了試驗(yàn)。

第一步，連接接上電源線及信號(hào)串口線。連接光纖及全反射探頭組件。試驗(yàn)接線如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)接線

第二步，接通電源。設(shè)備檢測(cè)到返回光信號(hào)，綠燈亮。運(yùn)行正常無(wú)報(bào)警。

第三步，取下全反射探頭組件。設(shè)備未檢測(cè)到光返回信號(hào)，紅燈亮，設(shè)備正確報(bào)警。

第四步，將連接好的全反射探頭組件放入水中，設(shè)備正確報(bào)警。如圖6所示。

圖6　模擬漏水試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明，裝置運(yùn)行可靠，當(dāng)全反射探頭出現(xiàn)異常和探頭與水接觸后均能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)出告警，靈敏度較高。

4　結(jié)論

研究基于光的全反射原理，設(shè)計(jì)并制作了一套換流站換流閥漏水檢測(cè)裝置。當(dāng)探頭上僅有少量水時(shí)，光的全反射條件發(fā)生改變，部分光信號(hào)發(fā)生折射，裝置能從回報(bào)光信號(hào)的衰減檢測(cè)出漏水。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置靈敏度較高，能有效檢測(cè)漏水，并具有自檢功能。同時(shí)，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。該裝置若能在換流站大量使用，能有效解決目前國(guó)內(nèi)換流站閥漏水裝置靈敏度低和國(guó)產(chǎn)化低的問(wèn)題，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]歐陽(yáng)震,漏水檢測(cè)在超高壓直流換流站閥冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].硅谷,2012,1.

[2]楊光亮,換流閥水冷系統(tǒng)導(dǎo)致直流停運(yùn)隱患分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,9.

[3]浦昭邦,角度測(cè)量的光學(xué)方法[J].光學(xué)技術(shù),2002,2.

劉建國(guó)（1980—），工程師，主要從事直流輸電技術(shù)檢修運(yùn)維管理工作。

作者簡(jiǎn)介：