利用光的全反射现象检测阀冷却系统漏水

国网湖北省电力公司检修公司 刘建国 严利雄 戴 迪 陈 晨



利用光的全反射现象检测阀冷却系统漏水

国网湖北省电力公司检修公司 刘建国 严利雄 戴 迪 陈 晨

【摘要】换流站换流阀的水冷系统一旦发生泄漏会造成重大后果，通常设有阀漏水检测系统进行监视。研究针对目前国内阀检测系统存在灵敏度低、国产化低的问题，基于光的全反射原理，通过理论分析和设计，制造了一套阀漏水检测装置，当探头上有少量液体时，光的全反射条件发生改变，装置能通过回报光信号的衰减检测出泄漏的发生。试验表明该装置工作可靠，灵敏度高，且成本较低，能有效解决目前国内阀漏水检测的问题，对直流输电系统的安全稳定运行具有重要意义。

【关键词】全反射；换流站；换流阀泄漏检测

高压晶闸管换流阀作为高压直流输电系统的核心设备，在运行过程中会产生大量的热量，若阀体温度超过允许的最高结温，将会导致阀体元器件性能恶化甚至损坏[1]，因此需要阀冷却系统通过去离子水循环将阀体工作中产生的热量排放到阀体以外。

阀冷却系统的安全运行是保证换流阀及直流输电系统稳定运行的基础。由于阀冷却系统长期受压运行，极易出现接头松动、管道老化等问题，存在阀体漏水的风险。当阀冷却系统出现渗漏情况时，会影响换流阀正常运行，甚至烧毁阀体，危及高压直流输电系统稳定运行。2007年以来，全国出现直流系统发生多起阀冷水系统导致的停运事件[2]。

为第一时间发现阀塔漏水现象，通常通过设置漏水检测装置进行实时检测。目前国内换流站使用的主流阀漏水检测装置的原理是使用阀塔内部的光纤检测阀塔底部是否有泄漏的冷却水存在。当阀塔底部存在积水时，光回路被水阻断，装置即向直流控制保护系统输出报警信号。另一种漏水检测装置的原理是通过阀塔底部的集水器将泄漏液体集中到小翻斗中，通过翻斗积水到一定量而倾倒的次数来判断漏水的情况。

但是以上两种漏水检测方法都要在漏水达到一定流量后才能发出告警，灵敏度较低。另一方面，由于国内部分换流站运行年限较长，装置故障率较高，长期存在校准困难、误报警较多的问题。由于这两种主流漏水检测装置均为国外进口，国内无法维修，因此该装置故障后需联系国外供应商提供备件和维修，从而导致修复周期长、费用高。

因此，研制一套国产化的高灵敏度的换流阀漏水检测装置，能有效解决目前国内换流站换流阀漏水检测灵明度低和更新换代的问题，对直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

1　测量原理简介

1.1光的全反射

光传播到两种介质的界面上时，通常要同时发生反射和折射现象。当光从玻璃斜射入空气里的时候，光在分界面上有一部分被反射回玻璃中，另外有一部分则进入空气里发生折射。

图1　光的折反射

光由光密介质（折射率高）进入光疏介质（折射率低）时，要离开法线折射，如图1所示。这时折射角大于入射角。实验结果表明，随着入射角i的增大，折射角t也增大，同时反射光增强，折射光减弱。当入射角增大到一个临界值时，折射角会增至90°，此时折射光与介质表面平行，此时的入射角c被称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射现象，全部光线均反回光密介质，此现象称为全反射。而当光线由光疏介质射到光密介质时，因为光线靠近法线而折射，故这时不会发生全反射[3]。

1.2全反射临界角

全反射现象告诉我们，一束光由光密介质进入光疏介质，当入射角大于临界角时，折射光消失，入射光进行全反射。根据全反射定律，可用公式来计算两种介质间产生全反射时的临界角。

式中的c为临界角；n1为光疏物质折射率；n2为光密物质折射率。空气的折射系数大约为1，而水或含水液体折射系数约为1.33。玻璃的折射率是1.5-1.9。设光通过有机玻璃介质分别入射到空气和水中，分别算出有机玻璃与空气以及有机玻璃与水间的全反射时的临界角：

有机玻璃的折射率n玻璃为1.52，相应算得c1=41.13°，c2=61.04°。若光的入射角c在c1与c2之间时，即：

当玻璃外部是空气时，光线发生全反射；当玻璃外部是水时，光线出现折射，反射光较弱。从这一点出发，可以检测玻璃外是否有水或其他液体，能应用于检测换流阀漏水。

1.3全反射探头的设计

为了利用光的全反射原理进行漏水检测，设计了直角三棱镜作为测量探头，如图2所示。棱镜的剖面结构为直角三角形，光线入射角设置为45°，这样能让光线在棱镜内反射两次后进行回传，并使得入射光和出射光的方向平行。设备光源产生一束平行光由光纤R1垂直于直角三棱镜的斜边射入进入，经过直角边B面和A面的反射到达回报光纤R2。如果探头直角边表面是空气，则光信号会出现全反射，如果探头直角边表面有水或其他液体，光便会被折射和吸收。用光敏检测器接收反射信号，就可以实现检测。即使探头表面仅有少量水膜，也能改变光的全反射从而反映到回报信号上，因此该设计的灵敏度极高。

图2　全反射探头剖面图

为了方便现场应用及兼容，最终将测量探头设计成有机圆柱与圆组合的有机玻璃体，如图3所示。

图3　全反射探头

2　漏水检测装置结构

2.1系统结构设计

全反射原理的阀漏水检测装置的结构原理图如图4所示，它包括激光接收器、激光发射器、单片机、光纤、报警器和设置在换流阀底部接水盘内的全反射漏水检测探头，其中，光纤伸入电气设备底部的接水盘内部，一端与全反射漏水检测探头熔接。

图4　漏水检测装置结构图

单片机控制激光发射器由第一光纤向全反射漏水检测探头分别发射频率为5KHz、10KHZ和100KHz的激光，上述激光信号经过全反射探头的反射后由第二光纤接收，并由激光接收器转换成电信号并传输给单片机。当该电信号表征的激光信号的衰减高于预先设计的阈值时，则说明全反射探头的表面存在水或液体，即认为电气设备上出现漏水，单片机控制报警器进行报警。由于使用了不同的激光频率进行检测，因此能有效防止漏检和误检的情况。通过对回报信号的检测，装置能实现光纤回路和探头的故障自检。

2.2检测装置介绍

基于单片机平台设计研制了T-301阀漏水检测装置，如图5所示。装置集成了激光接收器、激光发射器、单片机和报警器的功能。微处理器控制激光信号发射，并接受回报光信号进行分析处理。若激光信号的衰减高于阈值，微处理器自动报警。

该漏水检测装置具有以下特点：（1）基于单片机研制，信号处理能力强，成本较低；（2）外壳用铝材料制成，抗干扰能力强，运行安全稳定；

（3）壳体有8个安装孔，便于各种不同场合的安装需求。外接端口用带螺钉的凤凰端子，接线方便、稳固。

（4）光纤收发器采用开放式设计，便于现场安装调试及维护。

3　模拟试验

装置研制成功后，为了验证装置在实际使用中漏水检测的可靠性，在模拟环境中进行了试验。

第一步，连接接上电源线及信号串口线。连接光纤及全反射探头组件。试验接线如图5所示。

图5　试验接线

第二步，接通电源。设备检测到返回光信号，绿灯亮。运行正常无报警。

第三步，取下全反射探头组件。设备未检测到光返回信号，红灯亮，设备正确报警。

第四步，将连接好的全反射探头组件放入水中，设备正确报警。如图6所示。

图6　模拟漏水试验

模拟试验的结果表明，装置运行可靠，当全反射探头出现异常和探头与水接触后均能准确及时地发出告警，灵敏度较高。

4　结论

研究基于光的全反射原理，设计并制作了一套换流站换流阀漏水检测装置。当探头上仅有少量水时，光的全反射条件发生改变，部分光信号发生折射，装置能从回报光信号的衰减检测出漏水。试验结果表明，该装置灵敏度较高，能有效检测漏水，并具有自检功能。同时，该装置结构简单，成本较低。该装置若能在换流站大量使用，能有效解决目前国内换流站阀漏水装置灵敏度低和国产化低的问题，对直流输电系统的安全稳定运行具有重要意义，具有很好的推广应用价值。

参考文献

[1]欧阳震,漏水检测在超高压直流换流站阀冷却系统中的应用[J].硅谷,2012,1.

[2]杨光亮,换流阀水冷系统导致直流停运隐患分析[J].电力系统保护与控制,2010,9.

[3]浦昭邦,角度测量的光学方法[J].光学技术,2002,2.

刘建国（1980—），工程师，主要从事直流输电技术检修运维管理工作。

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