紫外像增強(qiáng)器用于電力安全檢測(cè)的研究

匡 蕾，顧 燕

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紫外像增強(qiáng)器用于電力安全檢測(cè)的研究

匡 蕾1，顧 燕2

（1. 江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210042；2. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 211106）

隨著日盲紫外探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，紫外電暈探測(cè)成為電力設(shè)備安全檢測(cè)的主要手段之一。測(cè)試了國(guó)產(chǎn)碲銫陰極紫外像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)特性曲線，并計(jì)算了太陽(yáng)輻射照射下，配備有深截止日盲紫外濾光片的紫外像增強(qiáng)器所產(chǎn)生的光電子數(shù)，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)碲銫陰極紫外像增強(qiáng)器在深截止日盲紫外濾光片的濾光作用下，可以滿足強(qiáng)烈陽(yáng)光背景下電暈檢測(cè)的需求。

日盲紫外；像增強(qiáng)器；電暈探測(cè)；紫外濾光片

0 引言

電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電現(xiàn)象。當(dāng)高壓帶電體的電壓達(dá)到可以產(chǎn)生電暈的臨界電壓，或者帶電體表面電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電暈電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，帶電體周圍會(huì)因局部電場(chǎng)過(guò)于集中而發(fā)生電暈放電。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速發(fā)展，國(guó)家電力行業(yè)的規(guī)模越來(lái)越大，超高壓、特高壓電網(wǎng)越來(lái)越多。電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝及維護(hù)缺陷，例如高壓設(shè)備的粗糙表面、終端的尖角區(qū)域、斷股的高壓導(dǎo)線及絕緣層表面的損壞等缺陷和安全隱患，都會(huì)在高電壓運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電暈放電。電暈放電會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖諧波，干擾外部電磁環(huán)境，還會(huì)產(chǎn)生巨大的能量損失，造成電力設(shè)備的損壞，引起重大的安全事故[1-2]。因此，研究能夠有效地檢測(cè)出電暈放電的設(shè)備，使電力系統(tǒng)的缺陷及時(shí)進(jìn)行處理，電力系統(tǒng)可以安全可靠的運(yùn)行非常重要。

電暈放電所輻射的光譜涵蓋了紅外波段、可見(jiàn)光波段以及紫外波段[3]。電暈檢測(cè)常見(jiàn)的方法有介質(zhì)損耗分析法、脈沖電流法、超高頻局部放電檢測(cè)法、色譜分析法、紅外熱像法、聲測(cè)法等[4]，這些方法存在易受外界環(huán)境影響，檢測(cè)周期長(zhǎng)，不易定量分析等缺點(diǎn)，在實(shí)際檢測(cè)電暈放電的應(yīng)用中存在局限性。紫外檢測(cè)技術(shù)是近幾年來(lái)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中的新技術(shù)，目前，應(yīng)用最為廣泛的是南非CSIR公司生產(chǎn)的CoroCAM系列紫外成像儀和以色列與美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）共同開(kāi)發(fā)的DayCor系列紫外成像儀[5]。通過(guò)檢測(cè)電力設(shè)備產(chǎn)生電暈放電時(shí)發(fā)出的紫外信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)高壓輸電線路的電暈放電，達(dá)到評(píng)價(jià)電力設(shè)備安全狀況的目的，從而提前發(fā)現(xiàn)安全隱患。

目前對(duì)紫外輻射強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析主要有紫外光子計(jì)數(shù)測(cè)量和紫外光功率測(cè)量?jī)煞N方法[6]。本文簡(jiǎn)介了基于紫外像增強(qiáng)器的日盲紫外電暈探測(cè)基本原理，測(cè)試了3組北方夜視集團(tuán)有限公司研制的銻銫紫外像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)曲線，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了配備有深截止日盲紫外濾光片的高性能紫外像增強(qiáng)器可以滿足太陽(yáng)輻射背景下電力系統(tǒng)電暈放電的檢測(cè)需求。

1 日盲紫外電暈探測(cè)原理

太陽(yáng)輻射是自然界中最主要的紫外輻射來(lái)源，但是由于大氣層中的臭氧等氣體分子的強(qiáng)烈吸收和散射，使得波長(zhǎng)在280nm以下的紫外光線幾乎不會(huì)到達(dá)地球表面，因此，稱280nm以下的紫外輻射為“日盲”紫外?！叭彰ぁ弊贤獾倪@一特征使得工作在“日盲”紫外波段的探測(cè)器等幾乎不會(huì)受到來(lái)自背景環(huán)境的干擾[7-8]，在軍用和民用方面得到廣泛應(yīng)用[9-10]。如圖1所示的太陽(yáng)輻射光譜圖[11]，虛線表示法向直接日射光譜輻射度，即在某一給定的平面接收器上，從以日面為中心的小立體角內(nèi)接收到的輻射通量與該平面面積之比，實(shí)線表示半球向日射光譜輻照度，即在某一給定平面上，從其上方天空半球（包括直接日射輻射通量）接收的太陽(yáng)輻射通量與該平面面積之比。由圖1可知，波長(zhǎng)為200～280nm的輻射光譜被強(qiáng)烈吸收。在這個(gè)波段內(nèi)的太陽(yáng)輻射背景光功率密度小于10－13W/m2。當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)280nm后，太陽(yáng)光譜輻照度迅速上升。

電暈放電產(chǎn)生的紫外光譜主要在200～400nm附近波段。如圖2所示的空氣中典型的電暈放電光譜[12]。在300～380nm波長(zhǎng)范圍電暈放電輻射的光譜最強(qiáng)，但是由于此處太陽(yáng)輻射比電暈放電強(qiáng)很多，并不適合電暈檢測(cè)。在200～280nm的日盲波段，雖然電暈放電的強(qiáng)度要弱很多，但此處太陽(yáng)輻射的光譜幾乎被地球的臭氧層所吸收而近似為零。因此，發(fā)生在200～280nm日盲波段的電暈放電可以在強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射背景下探測(cè)出來(lái)。

紫外像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)及工作流程如圖3所示，其主要由紫外光電陰極、微通道板（Microchannel plate，簡(jiǎn)稱MCP）、熒光屏等部件組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱紫外輻射信號(hào)的探測(cè)及成像。

圖1 太陽(yáng)光譜輻照度曲線

目標(biāo)發(fā)出的微弱紫外輻射圖像經(jīng)前端光學(xué)系統(tǒng)照射入紫外像增強(qiáng)器的輸入窗口，位于輸入窗口另一側(cè)的紫外光電陰極將紫外波段的光子轉(zhuǎn)化成光電子，形成微弱的電子圖像，并輸運(yùn)到真空中；在真空環(huán)境電場(chǎng)的作用下，光電子向陽(yáng)極方向加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)微通道板輸入端，由微通道板進(jìn)行電子倍增，形成增強(qiáng)的電子圖像；在熒光屏和微通道板間正高壓的作用下，電子加速轟擊熒光屏，使電子圖像轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光圖像，可被人眼或光敏傳感器接收，最終實(shí)現(xiàn)微弱紫外輻射圖像到可見(jiàn)光圖像的轉(zhuǎn)化和能量的增強(qiáng)。在目標(biāo)紫外輻射極其微弱的情況下，可通過(guò)增加微通道板兩端工作電壓，或采用雙微通道板甚至三微通道板結(jié)構(gòu)，提高紫外像增強(qiáng)器輻射增益，使像增強(qiáng)器工作在光子計(jì)數(shù)模式，在熒光屏后耦合CCD，組成紫外光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紫外信號(hào)的探測(cè)。

圖2 電暈放電紫外光譜分布

圖3 紫外像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)及工作流程圖

由于紫外像增強(qiáng)器在超過(guò)280nm的波長(zhǎng)范圍仍有響應(yīng)，因此，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射仍然會(huì)對(duì)紫外信號(hào)的探測(cè)產(chǎn)生干擾。為了去除強(qiáng)烈太陽(yáng)光的干擾，在電暈放電探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，需要在紫外像增強(qiáng)器的前端增加對(duì)可見(jiàn)光深截止的日盲紫外濾光片以去除濾除日盲紫外區(qū)以外的可見(jiàn)光。圖4所示為電暈檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖。

2 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算

電暈放電在200～280nm光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的紫外輻射及其微弱，在這種情況下，紫外像增強(qiáng)器須采用光子計(jì)數(shù)模式進(jìn)行電暈檢測(cè)。太陽(yáng)輻射背景通過(guò)濾光片和紫外像增強(qiáng)器后產(chǎn)生的電子數(shù)可以由下式計(jì)算：

式中：PE表示在時(shí)間間隔D內(nèi)紫外像增強(qiáng)器受太陽(yáng)輻射的影響產(chǎn)生的光電子數(shù)，PE的值越小，對(duì)電暈檢測(cè)的干擾越小；()表示太陽(yáng)的輻射功率譜；D表示計(jì)算時(shí)的波長(zhǎng)間隔；D表示時(shí)間間隔；()表示紫外片對(duì)波長(zhǎng)為入射光的透過(guò)率；cathode表示像增強(qiáng)器中光陰極輸入面的面積；()表示波長(zhǎng)為的光子能量；QE()表示光陰極的量子效率，可根據(jù)其與光譜響應(yīng)()的相互關(guān)系得到：

QE()＝1.24()/(2)

利用高精度光譜響應(yīng)測(cè)試裝置測(cè)試了自主研制的Te-Cs陰極紫外像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)曲線，并利用式(2)計(jì)算得到相應(yīng)的量子效率曲線。紫外像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)曲線及量子效率曲線如圖5所示。

3組紫外像增強(qiáng)器在200～280nm之間均有較高的量子效率，其中紫外像增強(qiáng)器-I的量子效率最高，當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)280nm，像增強(qiáng)器的量子效率開(kāi)始下降，紫外像增強(qiáng)器-I的量子效率下降最快。由圖5可知，采用Te-Cs陰極的紫外像增強(qiáng)器，其在280～400nm間都是有一定響應(yīng)的，不能直接實(shí)現(xiàn)電暈放電檢測(cè)。本文選用1片專用于日盲探測(cè)的深截止日盲紫外濾光片，其透過(guò)率曲線如圖6所示，該濾光片的透過(guò)率在超過(guò)280nm以后迅速降低，當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)400nm時(shí)，透過(guò)率近似為零。

為研究國(guó)產(chǎn)紫外像增強(qiáng)器光電陰極的光譜響應(yīng)與日盲紫外濾光片組合使用后的光譜響應(yīng)度，本文計(jì)算了280～400nm波段范圍內(nèi)的太陽(yáng)光譜輻射背景下，紫外像增強(qiáng)器產(chǎn)生的光電子數(shù)，以分析太陽(yáng)光譜輻射背景對(duì)用于檢測(cè)電力系統(tǒng)電暈放電現(xiàn)象的紫外像增強(qiáng)器的影響。紫外像增強(qiáng)器陰極面為18mm的圓型區(qū)域，計(jì)算時(shí)，每5nm取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，D為1s，采用深截止日盲紫外濾光片的紫外像增強(qiáng)器在時(shí)間D內(nèi)由太陽(yáng)光譜輻射產(chǎn)生的光電子數(shù)如表1所示。

圖4 電暈檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖

Fig.4 Principle block diagram of corona detection system

圖5 紫外像增強(qiáng)器的光譜特性曲線

Fig.5 Spectral characteristic curves of ultraviolet image intensifier

圖6 濾光片的透過(guò)率曲線

計(jì)算結(jié)果表明，紫外像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)特性對(duì)紫外電暈檢測(cè)系統(tǒng)的性能有重要影響，像增強(qiáng)器在超過(guò)280nm波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)下降越快，其在太陽(yáng)輻射下產(chǎn)生的光電子數(shù)越少。表1中的幾種組合都可以適用于成像應(yīng)用的紫外探測(cè)，但紫外日盲探測(cè)很多情況下應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)模式，紫外像增強(qiáng)器-I在濾光片的濾光作用下，受太陽(yáng)輻射影響產(chǎn)生的光電子數(shù)較少，能夠滿足光子計(jì)數(shù)探測(cè)模式的要求，而紫外像增強(qiáng)器-II和紫外像增強(qiáng)器-III由于在超過(guò)280nm波長(zhǎng)處仍有較高的響應(yīng)，通過(guò)濾光片的濾光作用，仍會(huì)產(chǎn)生較多的光電子，干擾目標(biāo)輻射的探測(cè)結(jié)果。由表1數(shù)據(jù)可知，為了實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效地電暈檢測(cè)，一方面需要改進(jìn)紫外像增強(qiáng)器的光譜特性，使紫外像增強(qiáng)器在日盲波段的響應(yīng)較高，同時(shí)超過(guò)280nm的響應(yīng)可以迅速下降；另一方面，由于濾光片在消除太陽(yáng)輻射引起的背景干擾中也起著關(guān)鍵作用，增加截止深度可以提高濾光片在日盲檢測(cè)中的性能。

3 結(jié)論

1）利用深截止紫外日盲濾光片濾光，北方夜視技術(shù)股份有限公司研制的Te-Cs陰極紫外日盲型像增強(qiáng)器可滿足日間電力安全電暈檢測(cè)的需求；

2）應(yīng)用于太陽(yáng)輻射背景下的電暈檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)紫外像增強(qiáng)器光譜截止特性和紫外濾光片的截止深度有很高的性能要求，提升紫外像增強(qiáng)器在日盲波段的響應(yīng)，以及紫外日盲濾光片的截止深度利于實(shí)現(xiàn)靈敏度更高的電力安全電暈檢測(cè)。

表1 紫外像增強(qiáng)器在太陽(yáng)輻射下產(chǎn)生的光電子數(shù)的計(jì)算結(jié)果

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Research on the Application of UV Image Intensifier in Security Detection of Power Equipment

KUANG Lei1，GU Yan2

(1.,210042,; 2.,211106,)

With the rapid development of solar-blind ultraviolet（UV） detection technology, UV corona detection becomes an efficient method for safety tests of power equipment. This paper tests the spectral characteristics of domestic-made UV image intensifier with CsTe cathode, calculates the number of photoelectrons generated by UV image intensifier with deep cut-off filter under solar irradiances, and verifies that domestic-made UV image intensifier with CsTe cathode can meet requirements of the corona detection under the strong sunlight by the deep cut-off UV filter.

solar blind UV，image intensifier，corona detection，UV filter

TN23

A

1001-8891(2015)11-0986-05

2015-09-02；

2015-11-10.

匡蕾（1970-），女，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事化工等高危行業(yè)安全生產(chǎn)技術(shù)研究、安全生產(chǎn)技術(shù)咨詢與服務(wù)。E-mail：13815879679@163.com。