紫外成像技術(shù)在高壓電暈放電中的應(yīng)用

唐 霞，張藝博

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

紫外成像技術(shù)在高壓電暈放電中的應(yīng)用

唐 霞1，張藝博2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

介紹了電暈形成的機理、電暈放電的危害及電暈的檢測方法，重點分析了紫外成像技術(shù)的原理，論述了利用紫外成像技術(shù)檢測到輸變電設(shè)備中的電暈放電現(xiàn)象.結(jié)果表明，紫外線技術(shù)不受太陽光的干擾，為高壓輸電設(shè)備的在線檢測和故障診斷提供了一種方便、快捷的手段.

紫外成像技術(shù);紫外成像儀;在線檢測;電暈放電

隨著現(xiàn)代電力工業(yè)向著高電壓等級、超大容量的方向發(fā)展，電力系統(tǒng)對輸變電線路的安全可靠運行提出了越來越高的要求.因此，輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的在線檢測和故障診斷，對提高輸電線路的可靠性、經(jīng)濟性運行和降低維修成本都具有重要意義.目前，利用紫外成像技術(shù)對電氣設(shè)備進行在線監(jiān)測，能夠檢測到高壓電暈放電現(xiàn)象，可以更靈敏、更直接地觀察運行中輸變電設(shè)備的放電和評價放電的嚴(yán)重程度，為掌握設(shè)備的健康運行和缺陷診斷提供依據(jù).

1 電暈放電機理

電暈放電是極不均勻電場中特有的一種自持放電形式［1－2］，放電產(chǎn)生的電流密度大小與外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質(zhì)和狀態(tài)等有關(guān).在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發(fā)生電離和激勵，出現(xiàn)電暈放電.發(fā)生電暈時在電極周圍可以看到光亮，并伴有“咝咝”聲.電暈放電可以是相對穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期發(fā)展階段.高壓導(dǎo)線的周圍、帶電體的尖端附近經(jīng)常會發(fā)生電暈放電;粗糙的高壓導(dǎo)體表面、沾有污穢的絕緣層表面、終端絕緣處理不良的高壓導(dǎo)體及高壓套管以及有絕緣缺陷的電氣設(shè)備，在高壓運行時，由于電場集中更容易發(fā)生電暈放電.電暈放電危害性很大，常見危害有以下幾點.

1)伴隨著聲音、光、電等現(xiàn)象造成能量損耗;

2)電暈放電產(chǎn)生的高頻電磁波，對外界及廣播、電視等通信設(shè)施等產(chǎn)生干擾;

3)電暈放電產(chǎn)生噪聲干擾，特別在高壓輸電線路上更易產(chǎn)生噪聲干擾.

在超高壓、特高壓輸電線路和電力設(shè)備上，由于導(dǎo)線表面的電場強度很高，空氣電離會產(chǎn)生嚴(yán)重的電暈放電現(xiàn)象.高強度的電暈放電會使空氣電離，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生O3，NO等強氧化性物質(zhì).這些強氧化物或者腐蝕劑會使線路、設(shè)備表面等發(fā)生電化學(xué)腐蝕，降低設(shè)備的壽命，長時間作用會影響輸電線路和設(shè)備的安全運行.另外，異常的電暈放電等微弱的放電現(xiàn)象又可能是部分缺陷故障的早期表現(xiàn).早期電暈檢測的方法有很多［3］，傳統(tǒng)的放電異常判別方法有聽聲音(包括超聲波故障檢測)和夜間觀察放電法，該方法簡單易行，靠聽聲音和看現(xiàn)象來判斷電暈放電，但準(zhǔn)確率低.泄露電流在線檢測法、紅外成像儀觀測法等能很好地檢測到電暈放電，但在實際應(yīng)用中也都存在一定的缺陷.近幾年來，新興的紫外成像技術(shù)成為一種遠距離檢測高壓輸電線路、輸變電設(shè)備外絕緣的新技術(shù).

2 紫外成像的技術(shù)原理

2.1 太陽盲區(qū)

當(dāng)高壓電氣設(shè)備發(fā)生電暈或者其他形式的電氣放電時，會產(chǎn)生不同分量和比例的可見光及紫外線(UV).通常，可見光在放電產(chǎn)生的電磁波中所占的比例非常小.放電產(chǎn)生的紫外線的波長既有處于太陽盲區(qū)內(nèi)的，也有處于太陽盲區(qū)外的［4］.太陽盲區(qū)指紫外線波段內(nèi)的一段狹窄的特定光譜段(240～280 nm).紫外線的波長范圍為40～400 nm，太陽光中也含有紫外線，但地球表面的臭氧層吸收了太陽光中部分波長的紫外線分量，以至于輻射到地面上的太陽紫外線波長大都在300 nm以上，如圖1所示.由圖1可知，在太陽盲區(qū)內(nèi)的紫外線都是電暈放電產(chǎn)生的.紫外成像技術(shù)就是利用紫外檢測儀檢測太陽盲區(qū)內(nèi)的紫外線，從而判斷電暈放電產(chǎn)生的部位和強度.

圖1 電暈和太陽光輻射的頻譜

2.2 紫外成像的技術(shù)原理

只要能夠準(zhǔn)確檢測出波長處于太陽盲區(qū)內(nèi)的紫外線，就能對輸電線路或者設(shè)備是否發(fā)生電暈放電做出明確判斷.紫外成像儀就是利用紫外線探測器及UV濾片集中檢測太陽盲區(qū)內(nèi)的紫外線，并進行攝影成像的專用設(shè)備，如圖2所示.

圖2 紫外成像儀的技術(shù)原理

紫外成像儀的工作原理:在紫外成像儀的成像過程中，往往采用雙光譜成像的方法，即采用太陽盲區(qū)濾片和紫外線探測器的成像方法，檢測電暈及電氣設(shè)備的放電;采用可見光圖像顯示被測物體的實物形狀.實際應(yīng)用的紫外成像儀有紫外線和可見光2個通道.UV通道用于電暈成像，可見光用于拍攝環(huán)境(絕緣體、電流器、導(dǎo)線等)圖片.然后再用特殊的影像處理工藝將2種圖片重疊在一起生成1幅圖片，用于同時觀察電暈和周圍環(huán)境情況，可以檢測電暈并清楚顯示電暈源的精確位置.UV通道工作波段采用太陽盲區(qū)UV－C中的240～280 nm波段，該波段不受太陽輻射的干擾.在太陽盲區(qū)波段臭氧吸收太陽光輻射，阻止其進入地球，因此電暈信號可以在白天獲取并成像.UV通道的特殊紫外濾鏡具有較大的光收集區(qū)域，F(xiàn)OV為50×3.750.

3 紫外成像技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用分析

紫外成像儀所采用的標(biāo)定方法是通過測量規(guī)定區(qū)域內(nèi)的紫外放電光子數(shù)目來表征電暈活動強度［5］.試驗表明，不同電壓等級的絕緣子放電光子數(shù)不同.

1)當(dāng)電壓達到10 kV時，絕緣子在不同位置出現(xiàn)了電暈放電，放電區(qū)域面積較小、放電也很微弱，光子數(shù)目很穩(wěn)定，數(shù)量級在100以下.

2)當(dāng)電壓達到20～30 kV時，絕緣子的局部出現(xiàn)了明顯的小火花，放電現(xiàn)象顯著增強，光子數(shù)目依然很穩(wěn)定，光子數(shù)目的數(shù)量級在400～800之間.

3)當(dāng)電壓達到40～50 kV時，放電形態(tài)呈間歇性爆發(fā)狀態(tài)，在安靜環(huán)境下可以聽到電暈放電聲音，光子數(shù)目也明顯增加，數(shù)量級在2 000～3 000之間.

4)當(dāng)電壓升高到63 kV時，光子分布十分密集，幾乎遮住了整個絕緣子的群閃，并且可以明顯觀察到電弧，光子數(shù)量級在4 000以上［6］.

可見，隨著電壓等級的升高，絕緣子的放電區(qū)域和光子數(shù)目逐漸增加，放電現(xiàn)象逐漸增強.在電暈光譜中，電暈放電產(chǎn)生的紫外線光子數(shù)目極少，再加上傳輸過程中設(shè)備及光學(xué)系統(tǒng)的損耗，最終到達感光元器件CCD板上的紫外光子數(shù)目大大減少.為提高紫外成像儀的靈敏度，儀器對進入光學(xué)系統(tǒng)的紫外光子數(shù)需要進行增益處理，在使用時需要調(diào)節(jié)儀器的增益到合理數(shù)值，如在500 kV變電站中一般要求將紫外成像儀的增益調(diào)制150～200.如果能夠發(fā)現(xiàn)明顯的持續(xù)性電暈放電，就要調(diào)低增益觀察電暈放電現(xiàn)象的變化，這樣既可使儀器靈敏地發(fā)現(xiàn)電暈，又能盡量降低背景干擾的影響.應(yīng)用分析如下.

1)在實際的高壓變電設(shè)備中，用紫外成像儀進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)線路阻波器下部尖端處、均壓環(huán)表面粗糙區(qū)域或者導(dǎo)線表面毛刺、導(dǎo)體表面尖端銳角區(qū)域等處電暈放電是持續(xù)的，測到的紫外放電光子數(shù)目超過2 000，如果進行現(xiàn)場檢測時能夠聽到強烈的電暈噪聲，往往是由于設(shè)備的制作、安裝工藝不良引起的，需要購買制造良好的設(shè)備，在施工過程中不斷提高安裝工藝水平，但這種情況不會影響到設(shè)備的正常運行，無需停電維修.

2)在輸變電設(shè)備中，根據(jù)不同輸電線路的電壓等級，用紫外成像儀進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備外絕緣紫外放電光子數(shù)目在一個允許的范圍內(nèi)，如在10 kV輸電線路中測到的絕緣子數(shù)目在100以內(nèi)，則表明電氣設(shè)備外絕緣良好、沒有污穢現(xiàn)象，運行狀況良好;假設(shè)在220 kV輸電線路中，對某一相導(dǎo)線桿塔的絕緣子進行檢測，發(fā)現(xiàn)紫外光子數(shù)目在20 000或者及以上，則表明該處存在故障.在這種情

圖3 某500 kV變電站OPGW連接處放電現(xiàn)象

3.2 紫外成像儀的優(yōu)點

目前，商業(yè)化的紫外線電暈成像儀是針對紫外光譜進行偵測，通常用來檢測被測物電暈或表面放電所產(chǎn)生的紫外線，以發(fā)現(xiàn)電暈放電問題.電暈法是一種應(yīng)用偵測陽光盲帶的方法，因此不受環(huán)境中的陽光輻射影響;UV偵測器有較高的靈敏度，即使微弱的UV信號也可偵測到，可在白天顯示影像;其受環(huán)境干擾小，可在白天、下雨天、濃霧下進行測量;可應(yīng)用于影像及紫外線雙頻譜攝影機.

4 結(jié)語

紫外成像技術(shù)在輸變電設(shè)備多種缺陷和故障的檢測中具有簡單高效、直觀形象且不影響設(shè)備運行、安全方便等優(yōu)點，值得推廣應(yīng)用和深入研究.紫外檢測采用的標(biāo)定方法用紫外光字?jǐn)?shù)計數(shù)來衡量放電程度，但現(xiàn)場準(zhǔn)確檢測電氣設(shè)備紫外放電光子數(shù)比較困難，受環(huán)境影響較大，因此標(biāo)定紫外光技術(shù)還需要大量的研究工作.利用紫外成像技術(shù)重新選擇合適況下運行人員需要對輸電線路采用其他方法做進一步的檢測，如增加紅外成像測溫、加強檢測維護頻次等方法，找到故障的根源，進行維修處理，加強輸電線路的安全性和穩(wěn)定性.利用紫外成像儀器檢測到的電暈放電圖像如圖3—4所示.的表征參數(shù)，對電暈放電強度進行量化處理，找出此參數(shù)和電暈放電各階段的對應(yīng)關(guān)系，成為紫外成像檢測電暈放電的重要研究內(nèi)容和發(fā)展方向.

圖4 某220 kV變電站隔離開關(guān)樁頭處電暈放電

［1］張建文.電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2002.

［3］嚴(yán)璋.電氣絕緣在線檢測技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1995.

［4］程正，崔金靈，萬軍彪，等.高壓外部電暈放電及其檢測［J］.江西電力，2010，34(1):7 －9.

［5］楊曉林.電氣設(shè)備外絕緣放電紫外成像檢測及圖像處理的研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2008.

［6］張鴻群.紫外成像技術(shù)在變電站設(shè)備維護中的應(yīng)用［J］.云南電業(yè)，2009(6):43 －44.

Application of Ultraviolet Imaging Technology to the Discharge of High-voltage Corona

TANG Xia1，ZHANG Yi-bo2
(1.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China;2.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The formation mechanism of the corona，the hazards of corona discharge and the detection method of the corona were introduced.The principle of ultraviolet imaging technology was emphasized and it was discussed the phenomenon of corona discharge was detected in the transmission equipments by the ultraviolet imaging technology.The results showed that UV technology wasn’t disturbed by the sunlight，which provided a convenient way for high-voltage transmission equipments in the online detection and fault diagnosis.

ultraviolet imaging technology;ultraviolet imaging instrument;online detection;corona discharge

1002－5634(2011)05－0080－03

2011－05－05

唐 霞(1985—)，女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)備故障診斷方面的研究.

(責(zé)任編輯:孫 墾)