利用光的全反射現象檢測閥冷卻系統漏水

國網湖北省電力公司檢修公司 劉建國 嚴利雄 戴 迪 陳 晨

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利用光的全反射現象檢測閥冷卻系統漏水

國網湖北省電力公司檢修公司 劉建國 嚴利雄 戴 迪 陳 晨

【摘要】換流站換流閥的水冷系統一旦發生泄漏會造成重大后果，通常設有閥漏水檢測系統進行監視。研究針對目前國內閥檢測系統存在靈敏度低、國產化低的問題，基于光的全反射原理，通過理論分析和設計，制造了一套閥漏水檢測裝置，當探頭上有少量液體時，光的全反射條件發生改變，裝置能通過回報光信號的衰減檢測出泄漏的發生。試驗表明該裝置工作可靠，靈敏度高，且成本較低，能有效解決目前國內閥漏水檢測的問題，對直流輸電系統的安全穩定運行具有重要意義。

【關鍵詞】全反射；換流站；換流閥泄漏檢測

高壓晶閘管換流閥作為高壓直流輸電系統的核心設備，在運行過程中會產生大量的熱量，若閥體溫度超過允許的最高結溫，將會導致閥體元器件性能惡化甚至損壞[1]，因此需要閥冷卻系統通過去離子水循環將閥體工作中產生的熱量排放到閥體以外。

閥冷卻系統的安全運行是保證換流閥及直流輸電系統穩定運行的基礎。由于閥冷卻系統長期受壓運行，極易出現接頭松動、管道老化等問題，存在閥體漏水的風險。當閥冷卻系統出現滲漏情況時，會影響換流閥正常運行，甚至燒毀閥體，危及高壓直流輸電系統穩定運行。2007年以來，全國出現直流系統發生多起閥冷水系統導致的停運事件[2]。

為第一時間發現閥塔漏水現象，通常通過設置漏水檢測裝置進行實時檢測。目前國內換流站使用的主流閥漏水檢測裝置的原理是使用閥塔內部的光纖檢測閥塔底部是否有泄漏的冷卻水存在。當閥塔底部存在積水時，光回路被水阻斷，裝置即向直流控制保護系統輸出報警信號。另一種漏水檢測裝置的原理是通過閥塔底部的集水器將泄漏液體集中到小翻斗中，通過翻斗積水到一定量而傾倒的次數來判斷漏水的情況。

但是以上兩種漏水檢測方法都要在漏水達到一定流量后才能發出告警，靈敏度較低。另一方面，由于國內部分換流站運行年限較長，裝置故障率較高，長期存在校準困難、誤報警較多的問題。由于這兩種主流漏水檢測裝置均為國外進口，國內無法維修，因此該裝置故障后需聯系國外供應商提供備件和維修，從而導致修復周期長、費用高。

因此，研制一套國產化的高靈敏度的換流閥漏水檢測裝置，能有效解決目前國內換流站換流閥漏水檢測靈明度低和更新換代的問題，對直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

1　測量原理簡介

1.1光的全反射

光傳播到兩種介質的界面上時，通常要同時發生反射和折射現象。當光從玻璃斜射入空氣里的時候，光在分界面上有一部分被反射回玻璃中，另外有一部分則進入空氣里發生折射。

圖1　光的折反射

光由光密介質（折射率高）進入光疏介質（折射率低）時，要離開法線折射，如圖1所示。這時折射角大于入射角。實驗結果表明，隨著入射角i的增大，折射角t也增大，同時反射光增強，折射光減弱。當入射角增大到一個臨界值時，折射角會增至90°，此時折射光與介質表面平行，此時的入射角c被稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無折射現象，全部光線均反回光密介質，此現象稱為全反射。而當光線由光疏介質射到光密介質時，因為光線靠近法線而折射，故這時不會發生全反射[3]。

1.2全反射臨界角

全反射現象告訴我們，一束光由光密介質進入光疏介質，當入射角大于臨界角時，折射光消失，入射光進行全反射。根據全反射定律，可用公式來計算兩種介質間產生全反射時的臨界角。

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

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

當玻璃外部是空氣時，光線發生全反射；當玻璃外部是水時，光線出現折射，反射光較弱。從這一點出發，可以檢測玻璃外是否有水或其他液體，能應用于檢測換流閥漏水。

1.3全反射探頭的設計

為了利用光的全反射原理進行漏水檢測，設計了直角三棱鏡作為測量探頭，如圖2所示。棱鏡的剖面結構為直角三角形，光線入射角設置為45°，這樣能讓光線在棱鏡內反射兩次后進行回傳，并使得入射光和出射光的方向平行。設備光源產生一束平行光由光纖R1垂直于直角三棱鏡的斜邊射入進入，經過直角邊B面和A面的反射到達回報光纖R2。如果探頭直角邊表面是空氣，則光信號會出現全反射，如果探頭直角邊表面有水或其他液體，光便會被折射和吸收。用光敏檢測器接收反射信號，就可以實現檢測。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信號上，因此該設計的靈敏度極高。

圖2　全反射探頭剖面圖

為了方便現場應用及兼容，最終將測量探頭設計成有機圓柱與圓組合的有機玻璃體，如圖3所示。

圖3　全反射探頭

2　漏水檢測裝置結構

2.1系統結構設計

全反射原理的閥漏水檢測裝置的結構原理圖如圖4所示，它包括激光接收器、激光發射器、單片機、光纖、報警器和設置在換流閥底部接水盤內的全反射漏水檢測探頭，其中，光纖伸入電氣設備底部的接水盤內部，一端與全反射漏水檢測探頭熔接。

圖4　漏水檢測裝置結構圖

單片機控制激光發射器由第一光纖向全反射漏水檢測探頭分別發射頻率為5KHz、10KHZ和100KHz的激光，上述激光信號經過全反射探頭的反射后由第二光纖接收，并由激光接收器轉換成電信號并傳輸給單片機。當該電信號表征的激光信號的衰減高于預先設計的閾值時，則說明全反射探頭的表面存在水或液體，即認為電氣設備上出現漏水，單片機控制報警器進行報警。由于使用了不同的激光頻率進行檢測，因此能有效防止漏檢和誤檢的情況。通過對回報信號的檢測，裝置能實現光纖回路和探頭的故障自檢。

2.2檢測裝置介紹

基于單片機平臺設計研制了T-301閥漏水檢測裝置，如圖5所示。裝置集成了激光接收器、激光發射器、單片機和報警器的功能。微處理器控制激光信號發射，并接受回報光信號進行分析處理。若激光信號的衰減高于閾值，微處理器自動報警。

該漏水檢測裝置具有以下特點：（1）基于單片機研制，信號處理能力強，成本較低；（2）外殼用鋁材料制成，抗干擾能力強，運行安全穩定；

（3）殼體有8個安裝孔，便于各種不同場合的安裝需求。外接端口用帶螺釘的鳳凰端子，接線方便、穩固。

（4）光纖收發器采用開放式設計，便于現場安裝調試及維護。

3　模擬試驗

裝置研制成功后，為了驗證裝置在實際使用中漏水檢測的可靠性，在模擬環境中進行了試驗。

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

圖5　試驗接線

第二步，接通電源。設備檢測到返回光信號，綠燈亮。運行正常無報警。

第三步，取下全反射探頭組件。設備未檢測到光返回信號，紅燈亮，設備正確報警。

第四步，將連接好的全反射探頭組件放入水中，設備正確報警。如圖6所示。

圖6　模擬漏水試驗

模擬試驗的結果表明，裝置運行可靠，當全反射探頭出現異常和探頭與水接觸后均能準確及時地發出告警，靈敏度較高。

4　結論

研究基于光的全反射原理，設計并制作了一套換流站換流閥漏水檢測裝置。當探頭上僅有少量水時，光的全反射條件發生改變，部分光信號發生折射，裝置能從回報光信號的衰減檢測出漏水。試驗結果表明，該裝置靈敏度較高，能有效檢測漏水，并具有自檢功能。同時，該裝置結構簡單，成本較低。該裝置若能在換流站大量使用，能有效解決目前國內換流站閥漏水裝置靈敏度低和國產化低的問題，對直流輸電系統的安全穩定運行具有重要意義，具有很好的推廣應用價值。

參考文獻

[1]歐陽震,漏水檢測在超高壓直流換流站閥冷卻系統中的應用[J].硅谷,2012,1.

[2]楊光亮,換流閥水冷系統導致直流停運隱患分析[J].電力系統保護與控制,2010,9.

[3]浦昭邦,角度測量的光學方法[J].光學技術,2002,2.

劉建國（1980—），工程師，主要從事直流輸電技術檢修運維管理工作。

作者簡介：