兩種紫外成像儀放電檢測(cè)影響因素研究

王銳，王林軍，彭向陽(yáng)，賈志東，尚曉光

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；2.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳518055)

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兩種紫外成像儀放電檢測(cè)影響因素研究

王銳1，王林軍2，彭向陽(yáng)1，賈志東2，尚曉光2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；2.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳518055)

摘要：紫外成像技術(shù)能夠檢測(cè)到電力設(shè)備的放電狀況，但使用時(shí)會(huì)受到儀器參數(shù)、檢測(cè)條件等眾多因素的影響，這阻礙了紫外檢測(cè)技術(shù)的有效應(yīng)用。利用棒板電極產(chǎn)生穩(wěn)定的放電源，研究?jī)x器增益和門檻值、檢測(cè)距離和角度、風(fēng)力狀態(tài)5種因素對(duì)2種型號(hào)紫外成像儀檢測(cè)到的紫外光子數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)了儀器增益、儀器門檻值和檢測(cè)距離3種因素對(duì)紫外光子數(shù)的影響規(guī)律，檢測(cè)角度和風(fēng)力大小的影響可忽略不計(jì)。

關(guān)鍵詞：紫外成像儀；紫外光子數(shù)；儀器參數(shù)；檢測(cè)條件；影響因素

紫外成像法能夠檢測(cè)到電力設(shè)備的微弱放電并進(jìn)行準(zhǔn)確定位，且無(wú)需接觸設(shè)備本體，具有安全快速、靈敏度高等特點(diǎn)，在輸變電設(shè)備的檢測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。紫外成像法在應(yīng)用時(shí)會(huì)受到諸多因素影響，主要包括儀器增益、檢測(cè)位置和天氣狀況等，這使得不同條件因素下的紫外檢測(cè)結(jié)果無(wú)法直接進(jìn)行對(duì)比，也給檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)一評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的制定造成障礙[4-7]。國(guó)內(nèi)外許多實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]研究了檢測(cè)距離和增益對(duì)紫外光子數(shù)檢測(cè)值的影響，發(fā)現(xiàn)光子數(shù)與距離為冪函數(shù)的關(guān)系，光子數(shù)隨增益升高先增大后趨于穩(wěn)定。文章認(rèn)為氣壓和溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很有限，可忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)光子數(shù)檢測(cè)值與距離的平方呈反向關(guān)系，與增益呈非線性正向關(guān)系，同時(shí)也認(rèn)為溫度和氣壓的影響可忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)紫外光子數(shù)檢測(cè)值隨增益先增加后出現(xiàn)小幅下降，與距離基本呈反比的關(guān)系。總體看上述研究結(jié)論差距較大，且不夠全面，也沒(méi)有涉及對(duì)儀器門檻值以及風(fēng)力狀態(tài)的影響研究。本文針對(duì)DayCorSuperB和CoroCAM6D2種型號(hào)的紫外成像儀，采用棒板電極加電壓后產(chǎn)生的穩(wěn)定放電源為檢測(cè)對(duì)象，研究了儀器本身的參數(shù)包括增益和門檻值，檢測(cè)條件包括測(cè)試距離、角度和風(fēng)力大小共5種因素對(duì)紫外檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)儀器參數(shù)和檢測(cè)距離對(duì)紫外光子數(shù)的影響規(guī)律比較確定，對(duì)檢測(cè)角度和風(fēng)力大小的影響程度有限，可以忽略不計(jì)。

1試驗(yàn)裝置介紹

1.1紫外成像儀

紫外成像儀的核心原理是通過(guò)檢測(cè)放電產(chǎn)生的“日盲”波段內(nèi)的紫外光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)放電點(diǎn)的定位?！叭彰ぁ辈ǘ问侵覆ㄩL(zhǎng)在240～280nm范圍的紫外光，臭氧層會(huì)全部吸收陽(yáng)光中此波段內(nèi)的紫外光，故紫外成像法不受陽(yáng)光干擾，可在白天正常使用[8-11]。目前常用的紫外成像儀主要為2種：以色列產(chǎn)DayCorSuperB型和南非產(chǎn)CoroCAM6D型。參數(shù)對(duì)2種儀器的檢測(cè)結(jié)果具有不同的影響規(guī)律，故本文分別對(duì)2種型號(hào)儀器進(jìn)行了試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)平臺(tái)

研究眾多因素的影響，需要保持放電強(qiáng)度的穩(wěn)定，使得紫外成像儀檢測(cè)到的光子數(shù)波動(dòng)幅度在一定范圍內(nèi)。本試驗(yàn)中選用自行設(shè)計(jì)的棒板電極為電暈放電試驗(yàn)平臺(tái)，加電壓后在棒電極的尖端會(huì)形成穩(wěn)定電暈源，能夠滿足試驗(yàn)檢測(cè)要求。棒板電極的結(jié)構(gòu)和棒電極的尺寸如圖1所示。加電壓試驗(yàn)裝置的線路如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，只需加電壓使棒電極的尖端產(chǎn)生明顯且穩(wěn)定的放電點(diǎn)，并保持電壓恒定即可。

2試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

2.1儀器增益的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)儀器增益得到紫外光子數(shù)與儀器增益的關(guān)系曲線，共進(jìn)行4組試驗(yàn)(略微調(diào)整各組試驗(yàn)電壓)。每組試驗(yàn)時(shí)保持棒板電極的試驗(yàn)電壓穩(wěn)定，用SuperB型紫外成像儀記錄不同增益下的紫外光子數(shù)，每個(gè)增益處以10次紫外光子檢測(cè)值(儀器顯示值，無(wú)單位)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。增益(儀器的自帶量值，無(wú)單位)調(diào)節(jié)范圍為60～180，步長(zhǎng)為10。為使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，均以140增益下的光子數(shù)為基準(zhǔn)值，折算出其他增益測(cè)量結(jié)果與基準(zhǔn)的比值，得到的4組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

由圖3曲線可得，當(dāng)增益變大時(shí)，紫外光子數(shù)先增大后減小，在增益150附近達(dá)到最大值。分析認(rèn)為，剛開(kāi)始隨著光信號(hào)放大倍數(shù)的增大，光子數(shù)逐漸變大。當(dāng)增益大于150后，出現(xiàn)了光子重疊的現(xiàn)象，故統(tǒng)計(jì)到的光子數(shù)開(kāi)始下降。在實(shí)際檢測(cè)中，儀器增益不宜大于150，特別是在放電強(qiáng)烈的情況下。

改用CoroCAM6D型紫外成像儀記錄不同增益下的紫外光子數(shù)，由于儀器類型不同，增益調(diào)節(jié)范圍變?yōu)?5～100，步長(zhǎng)為5。此儀器具備調(diào)節(jié)門檻值(儀器的自帶量值，無(wú)單位)的功能，即儀器在統(tǒng)計(jì)光子數(shù)時(shí)以門檻值的大小為參考值，只統(tǒng)計(jì)亮度超過(guò)此參考值的光子數(shù)，在設(shè)置增益時(shí)需考慮到門檻值的影響，本組試驗(yàn)中門檻值均設(shè)置為50。通過(guò)調(diào)節(jié)儀器增益得到紫外光子數(shù)與儀器增益的關(guān)系曲線，共進(jìn)行4組試驗(yàn)(略微調(diào)整各組試驗(yàn)電壓)，以增益80下的光子數(shù)為基準(zhǔn)值，同樣折算比值，得到的4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

由圖4可得，在增益小于50時(shí)，光子數(shù)與增益正相關(guān)，原因是隨著放大倍數(shù)的增大，越來(lái)越多的光子數(shù)亮度超過(guò)了門檻值而被記錄在內(nèi)，光子數(shù)在增益50處達(dá)到最大值。增益超過(guò)50后，光子數(shù)與增益呈負(fù)相關(guān)，原因可能與SuperB型紫外儀在增益超過(guò)150后光子數(shù)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象類似，即增益的變大導(dǎo)致了更多的光斑重疊現(xiàn)象，使得統(tǒng)計(jì)到的光子數(shù)變小。增益在80～100的范圍內(nèi)，光子數(shù)基本維持恒定，相差在10%之內(nèi)，故在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)將增益設(shè)置在此范圍內(nèi)。

2.2儀器門檻值的影響

門檻值是CoroCAM6D型紫外成像儀獨(dú)有的一個(gè)參數(shù)，是儀器統(tǒng)計(jì)光子數(shù)時(shí)的一個(gè)參考值。保持棒板電極施加電壓不變，在30～90的范圍內(nèi)以5為步長(zhǎng)改變門檻值大小，在每個(gè)門檻值處用紫外成像儀記錄放電點(diǎn)產(chǎn)生的光子數(shù)。以儀器門檻值為40時(shí)的光子數(shù)為基準(zhǔn)，折算出其他門檻值下的光子數(shù)與基準(zhǔn)的比值，得到儀器在不同增益條件下的5組試驗(yàn)結(jié)果，增益分別為70、75、80、85和90，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

分析曲線可得，紫外光子數(shù)和儀器的門檻值近似呈線性的反向關(guān)系，門檻值的大小每增加10，紫外光子數(shù)下降約10%(相對(duì)門檻值為40下的紫外光子數(shù))。原因是隨著門檻值的提高，參考的亮度標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，同樣情況下滿足條件的光子數(shù)量就會(huì)逐漸下降。實(shí)際中不宜將門檻值設(shè)置得太高，這樣會(huì)造成較大的誤差，建議設(shè)置在40左右即可。

2.3檢測(cè)距離的影響

保持棒板電極試驗(yàn)電壓及儀器增益不變，在4～32m范圍內(nèi)，以2m為步長(zhǎng)，在每個(gè)距離處用SuperB型紫外成像儀記錄放電產(chǎn)生的光子數(shù)。共進(jìn)行6組試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果具有高度的一致性：紫外光子數(shù)隨距離的增大逐漸減小，且減小的速度逐漸放緩。

在相同檢測(cè)距離，6組試驗(yàn)測(cè)得光子數(shù)差別不大。求6組試驗(yàn)的平均值，對(duì)其進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖6所示，擬合關(guān)系式為指數(shù)函數(shù)形式：

y=6 405e-x/6.5+147.

式中：y為紫外光子測(cè)量值；x為檢測(cè)距離。公式的擬合優(yōu)度R=0.998 95。

保持棒板電極試驗(yàn)電壓及儀器增益不變，在2～12 m范圍內(nèi)，以2 m為步長(zhǎng)，在每個(gè)距離處用CoroCAM 6D型紫外成像儀記錄放電產(chǎn)生的光子數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的紫外光子數(shù)-距離擬合曲線，如圖7所示。圖像的變化規(guī)律與SuperB型紫外儀類似，紫外光子數(shù)隨距離的增大逐漸減小，且減小的速度逐漸放緩。

圖7曲線的擬合關(guān)系式為：

y=48 095x-2.27.

公式的擬合優(yōu)度R=0.999 86。

理論上光子數(shù)應(yīng)與距離的平方呈反比，即滿足關(guān)系式：

本試驗(yàn)得出的擬合公式與理論公式存在一定的偏差，原因是光信號(hào)在空氣中傳播時(shí)存在損耗，同時(shí)光子存在重疊現(xiàn)象致使統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)誤差。

2.4風(fēng)力大小的影響

保持電壓等其他因素不變，分別用兩臺(tái)儀器先后在起始無(wú)風(fēng)、施加風(fēng)力和撤去風(fēng)力(復(fù)測(cè)無(wú)風(fēng))3種狀態(tài)下檢測(cè)棒板電極放電產(chǎn)生的光子數(shù)。風(fēng)力由工業(yè)風(fēng)扇產(chǎn)生，放電點(diǎn)處風(fēng)速約為9 m/s，相當(dāng)于5級(jí)風(fēng)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的曲線如圖8和9所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明在有風(fēng)和無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，紫外成像儀顯示的紫外光子數(shù)無(wú)明顯變化規(guī)律，SuperB型紫外儀記錄的光子數(shù)波動(dòng)幅度在5%之內(nèi)，CoroCAM 6D型的光子數(shù)波動(dòng)幅度在10%之內(nèi)。因此在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，可忽略風(fēng)力對(duì)紫外檢測(cè)結(jié)果的影響。

2.5檢測(cè)角度的影響

以SuperB型紫外成像儀為檢測(cè)儀器，研究了檢測(cè)角度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。在距放電點(diǎn)為4 m的圓周上選取4點(diǎn)，分別以0°、30°、60°和90°表示，記錄每個(gè)位置處的光子數(shù)。調(diào)整試驗(yàn)電壓，在不同放電強(qiáng)度下(紫外光子數(shù)隨之改變)，分別進(jìn)行2組試驗(yàn)，得到的光子數(shù)-角度關(guān)系曲線，如圖10所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明不同角度處記錄到的光子數(shù)值無(wú)明顯差異，說(shuō)明電暈放電紫外光是向四周均勻輻射的。

3結(jié)論

a)儀器增益的影響規(guī)律。2種型號(hào)儀器的增益對(duì)紫外光子數(shù)檢測(cè)值的影響規(guī)律有較大差距，SuperB型紫外成像儀檢測(cè)到的光子數(shù)隨增益的上升而增大，在增益150附近達(dá)到最大值，之后開(kāi)始下降，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)將增益設(shè)置在100～150的范圍內(nèi)，不同增益下的檢測(cè)結(jié)果可根據(jù)試驗(yàn)獲得的比值進(jìn)行折算，再進(jìn)行比較。CoroCAM 6D型紫外成像儀檢測(cè)到的光子數(shù)隨增益變大先增大后緩慢下降，增益超過(guò)80后趨于穩(wěn)定，實(shí)際中應(yīng)將增益設(shè)置在80～100的范圍內(nèi)。

b)儀器門檻值的影響規(guī)律。CoroCAM 6D型紫外成像儀檢測(cè)到的光子數(shù)與儀器門檻值呈線性的反向關(guān)系，門檻值每提高10個(gè)數(shù)值，光子數(shù)下降約10%，實(shí)際中將門檻值設(shè)置在40左右比較合適。

c)檢測(cè)距離的影響規(guī)律。檢測(cè)距離對(duì)2種儀器檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律相似，紫外光子數(shù)隨距離的增大逐漸減小，且減小的速度逐漸減慢。實(shí)際情況中應(yīng)在保證安全的情況下，盡可能在近距離對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，不同距離下的檢測(cè)結(jié)果應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折算，方可進(jìn)行比較。

d)檢測(cè)角度和風(fēng)力的影響規(guī)律。檢測(cè)角度和風(fēng)力對(duì)結(jié)果的影響很有限，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可忽略角度和一定風(fēng)力的影響，但在角度選取上應(yīng)盡量避開(kāi)其他放電點(diǎn)的干擾。

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王銳(1988)，男，湖北潛江人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事輸電線路及高電壓試驗(yàn)研究工作。

王林軍(1991)，男，河南鶴壁人。在讀碩士研究生，主要從事紫外檢測(cè)技術(shù)相關(guān)研究工作。

彭向陽(yáng)(1971)，男，湖北黃岡人。教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，長(zhǎng)期從事輸電線路及高電壓技術(shù)工作。

(編輯霍鵬)

ResearchonInfluencingFactorsonDischargeDetectionbyTwoKindsofUltravioletImagers

WANGRui1,WANGLinjun2,PENGXiangyang1JIAZhidong2,SHANGXiaoguang2

(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China; 2.GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen,Guangdong518055,China)

Abstract：Ultraviolet(UV)imagingtechnologyisabletousedfordetectingdischargeconditionsofpowerequipments,butitmaybeaffectedbymanyfactorssuchasinstrumentparameters,detectionconditions,andsoonwhichmayimpedeeffectiveapplicationofUVdetectiontechnology.Steadydischargesourceproducedbyrod-plateelectrodeisusedforstudyingfivefactorsinfluencingUVphotonnumbersdetectedbytwotypesofUVimagersincludinginstrumentgainvalue,thresholdvalue,detectiondistance,detectionangleandwindpowerstate.Itisdiscoveredinfluencinglawsofthreefactorsincludinginstrumentgainvalue,thresholdvalueanddetectiondistancewhileinfluenceofdetectionangleandwindpowercanbeneglected.Keywords：ultravioletimager;ultravioletphotonnumber;instrumentparameter;detectioncondition;influencingfactor

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.020

收稿日期：2015-11-04修回日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目(K-GD2014-0622)

中圖分類號(hào)：TM930.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-290X(2016)04-0110-05

作者簡(jiǎn)介：