紫外檢測局部放電的光子數(shù)與放電量關(guān)系研究

董小青，鄒 明，吳 軍，王 浩，何劍峰，姚京松，羅日成

(1. 國家電網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050； 2.長沙理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

紫外檢測局部放電的光子數(shù)與放電量關(guān)系研究

董小青1，鄒 明2，吳 軍1，王 浩1，何劍峰1，姚京松1，羅日成2

(1. 國家電網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050； 2.長沙理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

為了提高紫外成像對(duì)放電檢測的準(zhǔn)確性，通過實(shí)際公式得出光子數(shù)與放電量之間的關(guān)系，并將光子參數(shù)用于放電強(qiáng)度的量化分析中；以絕緣子作為研究對(duì)象，利用SIFIT全日盲紫外成像儀，研究電暈放電時(shí)光子數(shù)與放電量隨儀器增益、電壓強(qiáng)度、測量距離變化的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：光子數(shù)與放電量隨著電壓的增大呈非線性增加；隨著紫外成像儀增益的增大，光子數(shù)與放電量之間的關(guān)系曲線大致相同；光子數(shù)與放電量呈正相關(guān)的關(guān)系，與理論公式曲線變化趨勢相同。研究結(jié)果在工程應(yīng)用上對(duì)紫外成像檢測技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。

局部放電；紫外成像；放電檢測；實(shí)驗(yàn)研究

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高壓輸電設(shè)備在中國電網(wǎng)中地位顯得尤為重要[1-3]。高壓設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行后，由于導(dǎo)體接觸不良、結(jié)構(gòu)缺陷、污穢等原因，造成設(shè)備場強(qiáng)分布不均勻、電弧、電暈等對(duì)設(shè)備有損害的放電現(xiàn)象[4]。電力系統(tǒng)中的電暈放電引起空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，損害設(shè)備的有機(jī)絕緣，在惡劣的天氣情況下，極有可能造成絕緣事故，同時(shí)，電暈放電產(chǎn)生的脈沖電磁波也會(huì)對(duì)無線電通信造成嚴(yán)重干擾。及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備在絕緣方面存在的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)其做有效處理，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義，因此，局部放電檢測技術(shù)越來越受到電力運(yùn)行部門、科研機(jī)構(gòu)的重視[5-7]。

傳統(tǒng)局部電暈放電檢測方法包括脈沖電流法、超聲檢測法、紅外探測法等，由于這些檢測方法容易受到外界干擾、難以定位放電位置等因素，故并不能很好地適用于現(xiàn)場環(huán)境中電力設(shè)備故障的在線檢測。

由于電力設(shè)備放電過程中伴隨有紫外光信號(hào)的輻射，一種基于“日盲型”[8](日盲波段波長為240～280 nm，高波段紫外光放電信號(hào)不會(huì)受太陽光的干擾)紫外成像檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)設(shè)備電暈放電的檢測?！叭彰ば汀弊贤獬上穹ň哂卸ㄎ痪雀?，抗干擾能力強(qiáng)，非接觸等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。光子數(shù)為紫外成像檢測技術(shù)中量化放電程度的關(guān)鍵參數(shù)，因此，對(duì)光子數(shù)與放電強(qiáng)度變化特征進(jìn)行研究，并建立光子數(shù)與放電量之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場遠(yuǎn)距離、非接觸的條件下對(duì)放電強(qiáng)度的精確評(píng)估[11]。采用“日盲型”紫外成像儀現(xiàn)場檢測設(shè)備電暈放電強(qiáng)度時(shí)，因觀測設(shè)備的電壓等級(jí)的不同，需根據(jù)放電強(qiáng)度對(duì)儀器增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于電壓等級(jí)和增益對(duì)光子數(shù)具有一定的影響，因此，有必要對(duì)光子數(shù)與電壓等級(jí)、增益大小間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行深入研究[12-15]。目前，紫外成像儀生產(chǎn)廠家并未對(duì)光子數(shù)給出確切的定義，因此，從理論上分析光子數(shù)的變化特征沒有科學(xué)的計(jì)算方法和理論依據(jù)，存在一定的困難[16]。

筆者采用試驗(yàn)研究的方法[17]，以絕緣子作為研究對(duì)象，在改變施加電壓的大小、觀測距離的不同等多種情況下，對(duì)放電所測量的光子數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出不同增益下放電量與光子計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系曲線，并對(duì)曲線的變化特性進(jìn)行系統(tǒng)分析[18]。

1 局部放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)依據(jù)

全日盲紫外成像儀對(duì)電暈放電的探測，在增益為60%的觀測條件下，通過紫外成像儀中的紫外線和可見光雙通道融合圖像獲取高壓帶電設(shè)備電暈放電的具體位置，然后通過對(duì)電暈放電位置處的紫外光子計(jì)數(shù)目實(shí)現(xiàn)電暈放電進(jìn)行定量分析，并對(duì)測試距離、環(huán)境濕度、電壓等級(jí)等影響因素進(jìn)行修正，得出優(yōu)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的紫外光子數(shù)計(jì)算公式[19]：

Σ=AL-1.222。

(1)

式中Σ為在L測試距離時(shí)檢測到的紫外光子數(shù)值;L為實(shí)際測試距離，m；A為常量系數(shù)。

因電暈放電釋放的光能量Eligtht可用公式表示[20]，即

(2)

且可知Eligtht和視在放電量q之間的關(guān)系：

(3)

故綜合式(2)、(3)可得

(4)

式中Sd為陰極靈敏度；G為增益；L為測量距離；ρ為氣體密度；kξ為氣體吸收系數(shù)；μ為傳感器的吸收系數(shù)；q為放電量。

根據(jù)式(1)、(4)可知，光子數(shù)Σ與放電量q均與測量距離成反比的關(guān)系，光子數(shù)與放電量之間存在正相關(guān)變化關(guān)系。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與環(huán)境構(gòu)建

采用局部放電檢測儀實(shí)現(xiàn)電暈放電量的測量，目前主要采用3種基本的測量電路：測量阻抗與耦合電容器串聯(lián)回路、測量阻抗與試品并聯(lián)回路和平衡電路。為了研究局部放電與光子數(shù)之間的關(guān)系，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用測量阻抗與試品并聯(lián)電路。相對(duì)于串聯(lián)電路來說，雖然采用并聯(lián)回路檢測放電量的靈敏度稍低一些，但由于進(jìn)行局部放電試驗(yàn)過程中，被試品在多高的電壓下會(huì)被擊穿，事前尚不能確定，一旦被試品被擊穿，并聯(lián)回路對(duì)檢測阻抗等測量系統(tǒng)設(shè)備沒有損壞的危險(xiǎn)，能有效地保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和試驗(yàn)人員的安全。

測量電路如圖1所示，其中,Zch是保護(hù)電阻、Cx是等效電容，C0為耦合電容器，Zm為檢測阻抗。采用局放儀測量時(shí)，需對(duì)放電量進(jìn)行標(biāo)定。利用方波發(fā)生器把電荷注入試品的兩端，通過局放儀觀測脈沖信號(hào)的幅值，并把局放儀輸出信號(hào)進(jìn)行放大，再輸入到示波器進(jìn)行觀測得到對(duì)應(yīng)的電壓幅值。

圖1 局部放電的并聯(lián)測量電路

試驗(yàn)環(huán)境溫度為28 ℃，相對(duì)濕度約為60% ，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，試品選用220 kV絕緣子串和35 kV單片絕緣子，為便于產(chǎn)生電暈放電，在一絕緣子的鋼帽上連接一段長5 cm、直徑約2 mm的銅絲，試驗(yàn)原理如圖2所示。為防止高壓引線產(chǎn)生電暈放電，在導(dǎo)線外套連直徑為10 cm的軟鋁波紋管。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。

該試驗(yàn)采用以色列生產(chǎn)的SIFIT全日盲紫外成像儀，基本參數(shù)如表1所示，它能夠過濾太陽光噪聲的干擾，滿足白天對(duì)放電所產(chǎn)生的紫外信號(hào)的高靈敏度檢測，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測量增益的調(diào)節(jié)，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測量放電點(diǎn)所輻射的紫外光子數(shù)量，有效地反映故障處放電情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

參數(shù)描述光譜范圍/mm光靈敏度(紫外)/(watt/cm2)感光靈敏度(可見光)/Lux通訊方式聚焦距離/m視域/(°)具體數(shù)值240～2803×10-180．1RS2321．5～∞6．4×4．8

2 試驗(yàn)分析

2.1 光子數(shù)隨觀測距離變化與增益關(guān)系

試驗(yàn)采用7片絕緣子構(gòu)成的絕緣子串，選取高壓側(cè)單片絕緣子作為研究對(duì)象，探討光子數(shù)與放電量之間的關(guān)系。紫外成像儀的增益選取60與150，試驗(yàn)電壓分別為0，30，40，60，80，100和110 kV下觀察，觀測距離為10 m。不同試驗(yàn)電壓下絕緣子放電情況如圖4所示。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨試品兩端電壓的升高，放電量也隨即上升，當(dāng)試驗(yàn)電壓為30 kV時(shí)，試品有微弱的放電，并產(chǎn)生一定數(shù)量的光子，隨著試驗(yàn)電壓的進(jìn)一步升高，試品所激發(fā)的光子數(shù)明顯增加，當(dāng)施加電壓達(dá)到110 kV時(shí)(紫外成像儀增益設(shè)置為60)，測得光子數(shù)為10 587個(gè)，放電量為3 781 pC。隨后將紫外成像儀增益調(diào)置為150時(shí)，重復(fù)上述加壓過程，發(fā)現(xiàn)光子數(shù)與放電量的變化趨勢與增益為60時(shí)的情況大致相同；但隨試驗(yàn)電壓的進(jìn)一步升高，紫外成像儀的增益分別為60與150時(shí)，所測得光子數(shù)相對(duì)接近，不隨增益的變化而變化。紫外成像儀接收到的光子數(shù)與放電量呈正相關(guān)關(guān)系，光子數(shù)與放電量關(guān)系曲線如圖5所示，曲線與放電強(qiáng)度、電壓的特性關(guān)系有較好的一致性。在施加電壓為40，60和80 kV時(shí)，所測得光子數(shù)與理論計(jì)算所得光子數(shù)有一定差別，但實(shí)驗(yàn)所測得放電量與光子數(shù)變化曲線與理論公式分析所得曲線變化趨勢一致。

圖5 光子數(shù)與放電量關(guān)系曲線

2.2 光子數(shù)隨觀測距離變化與放電量關(guān)系

不同觀測距離測量出的光子數(shù)不同，而觀測距離不影響放電量的強(qiáng)度，當(dāng)改變觀測距離時(shí)，需探討變化規(guī)律是否仍滿足理論曲線。該文選取紫外成像儀的觀測距離分別設(shè)為5，6，7，8 m，分別記錄各放電量時(shí)所測得光子數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同觀測距離下光子數(shù)與放電量關(guān)系曲線

圖6表明，觀測距離越大，在相同的放電量下，測量出的光子數(shù)越少，光子數(shù)與觀測距離之間仍滿足式(1)、(4)的變化規(guī)律。在觀測距離不變的情況下，隨著放電量的增大，儀器所測得的光子數(shù)與放電量之間仍保持非線性的遞增關(guān)系。

2.3 恒定放電量時(shí)光子數(shù)的變化規(guī)律

一般而言，在實(shí)驗(yàn)室條件下，當(dāng)試驗(yàn)條件不變，試品施加電壓相同時(shí)，試品的放電量保持不變；但在工作現(xiàn)場，不同工作人員，觀測同一設(shè)備放電時(shí)會(huì)因?yàn)榄h(huán)境等因素造成觀測距離不一致，由于紫外攝像儀觀測圖像大小隨距離的增加而逐漸減小，紫外圖像中的光子數(shù)也將相應(yīng)的減小。文章試驗(yàn)分析了在紫外攝像儀增益為60的情況下，放電強(qiáng)度分別為3 781，2 013和935 pC時(shí)，光子數(shù)隨觀測距離的變化曲線如圖7所示，可知隨著距離的增加，光子數(shù)逐漸減小，對(duì)于935 pC在20 m位置光子數(shù)為0，而2 013，3 781 pC在25 m處光子數(shù)趨于0，整體曲線類似于冪函數(shù)，與理論式(1)曲線也相同。

圖7 光子數(shù)與觀測距離關(guān)系曲線

3 應(yīng)用前景

高壓電氣設(shè)備的電暈放電的檢測問題是當(dāng)今電力設(shè)備維護(hù)和檢修的難題，利用紫外成像儀在設(shè)定的增益下，工作人員可手持紫外成像儀實(shí)現(xiàn)輸電線路、變電站和發(fā)電廠電氣設(shè)備的絕緣帶電檢測，也可配合無人機(jī)實(shí)現(xiàn)線路的巡檢，可有效地降低勞動(dòng)強(qiáng)度與檢測時(shí)間。記錄各種環(huán)境下(如不同季節(jié)、溫度和濕度等)不同增益和觀測距離下所測得放電量與光子數(shù)，總結(jié)變化規(guī)律，可以有效地預(yù)測電氣設(shè)備的絕緣情況。國家電網(wǎng)湖北省檢修公司成功將紫外裝置及模塊融合到無人機(jī)硬件設(shè)備和飛控系統(tǒng)中。通過對(duì)無人機(jī)飛控指揮，實(shí)現(xiàn)對(duì)500 kV魚興Ⅱ回超高壓輸電線路的紫外檢測，同時(shí)，將無人機(jī)拍攝的紫外電暈檢測數(shù)據(jù)及圖像同步實(shí)時(shí)、清晰準(zhǔn)確傳輸?shù)降孛嬲炯霸诰€監(jiān)測終端，真正做到無人機(jī)與紫外成像檢測技術(shù)的集成一體化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用小型無人機(jī)融合紫外成像檢測技術(shù)對(duì)超高壓線路全方位、多角度、近距離巡檢的目標(biāo)，如圖8所示。

圖8 機(jī)載紫外線路巡檢

4 結(jié)語

為了提高紫外成像技術(shù)對(duì)電暈放電檢測的準(zhǔn)確性，筆者研究了紫外成像儀所測光子數(shù)隨觀測距離、增益大小及放電程度之間的關(guān)系，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了放電量與光子數(shù)隨不同變量之間的變化曲線，結(jié)論如下：

1)隨著試驗(yàn)電壓的增加，放電量也不斷增加，在增益60和增益150時(shí)，光子數(shù)的數(shù)量也隨著試驗(yàn)電壓的上升而呈非線性曲線遞增，與放電量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

2)改變測量距離，放電量與光子數(shù)依舊滿足非線性遞增函數(shù)的關(guān)系，仍能采用光子數(shù)目來描述放電程度。

3)當(dāng)放電量分別為3 781，2 013和935 pC時(shí)，與理論式(1)的變化趨勢一致，當(dāng)距離達(dá)到一定值時(shí)，在某一放電強(qiáng)度下，光子數(shù)將為0。

4)放電量與光子數(shù)存在的非線性曲線關(guān)系，對(duì)紫外成像檢測技術(shù)在工程應(yīng)用上具有重要的參考價(jià)值。

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Study on photon count and discharge capacity in partial discharge with ultraviolet detection

DONG Xiao-qing1, ZOU Ming2, WU Jun1,WANG Hao1, HE Jian-feng1, YAO Jing-song1, LUO Ri-cheng2

(1.State Grid Hubei Corporation Maintenance Company,Wuhan 430050, China; 2.School of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004, China)

In order to improve the detection accuracy and explore the possibility of quantifying the intensity discharge, the relationship between photon count and discharge capacity was derived through the experimental formula, and then the photon parameters was used for quantitative analysis of the discharge capacity. The insulator was selected as the research object, and SIFIT diurnal blind ultraviolet imager was used to research the characteristics of photon and discharge capacity varied with instrument gain, voltage and measuring distance. Experimental results show that the photon count and discharge capacity are nonlinear increased with the increasing of voltage. With the increase of imager gain, the variation curves of photon and discharge capacity are roughly the same. Photon is positive proportional with discharge capacity, which has similar variation trend with theoretical analysis. The results have important practical reference value for ultraviolet imaging detection technology.

partial discharge; ultraviolet imaging; discharge detection; experimental analysis

2016-08-18

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15C0031)

羅日成(1969—)，男，副教授，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)維修和絕緣監(jiān)測、電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、電力系統(tǒng)過電壓分析的研究；E-mail:Luorich@126.com

TM851

A

1673-9140(2016)04-0155-06