基于日盲紫外探測器的高壓電暈在線監(jiān)測系統(tǒng)

周學(xué)坤，謝云昊，劉志勇，徐向華，李雁冰，薛 華

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東東營257091）

1 高壓電暈檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

由于環(huán)境惡化、天氣破壞、設(shè)備及安裝質(zhì)量不過關(guān)，高壓電子線路和設(shè)備局部絕緣層的破壞越來越嚴(yán)重，當(dāng)絕緣體局部電壓超過臨界電壓時會使空氣游離而產(chǎn)生電暈放電，引起大小事故造成巨大損失，是電力系統(tǒng)重大安全隱患的來源之一。圖1所示是探測到的電暈紫外光圖象。

圖1 高壓電暈現(xiàn)象［1］

絕緣事故的產(chǎn)生通常起源于局部放電形成的電暈，進(jìn)而逐步變強(qiáng)，最終導(dǎo)致事故發(fā)生，因此，高壓電暈監(jiān)測已成為必然。

傳統(tǒng)對電暈等微弱放電現(xiàn)象的檢測手段比較陳舊，主要采用超聲波法、紅外法、夜間目測等［2］。從上世紀(jì)末，美國為首的一些國家的科學(xué)技術(shù)人員開始研究紫外光探測技術(shù)，并取得了突破性的進(jìn)展，相繼有紫外電暈檢測儀和紫外成像儀等儀器出現(xiàn)。

實踐證明，可用于診斷放電過程的各種方法中，光學(xué)方法的靈敏度、分辨率和抗干擾能力最好。即采用高靈敏度的紫外線輻射接收器，記錄電暈和表面放電過程中輻射的紫外線，再加以處理分析，以達(dá)到評價設(shè)備狀況的目的。紫外成像儀是目前具有代表意義的比較先進(jìn)的電暈探測儀器，它是基于電暈放電會產(chǎn)生大量的紫外線，尤其是位于日盲區(qū)波段的紫外線進(jìn)行成像，從而得到監(jiān)測。

2 基于氮化鎵紫外（日盲波段）探測器的檢測原理

氮化鎵（GaN）材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點。氮化鎵（GaN）材料是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、很好的化學(xué)穩(wěn)定性（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻射能力。GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN極其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍［3］。

圖2所示為氮化鎵光導(dǎo)材料典型的響應(yīng)曲線。另外，利用歸一化標(biāo)準(zhǔn)光源所測的光電流與波長的關(guān)系如圖3所示。

由兩圖可以看出，小于波長約370nm處的紫外波段相應(yīng)度急劇增加，這為制造紫外光電管提供了理論依據(jù)［4］。

圖2 氮化鎵光導(dǎo)材料典型的響應(yīng)曲線

圖3 典型的光導(dǎo)（光電流）光譜

選用一款工作于日盲區(qū)紫外波段（200nm－280nm）范圍的紫外氮化鎵探測器，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

探測器響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 氮化鎵（GaN）紫外探測器光譜響應(yīng)

電暈放電的紫外光譜主要是約200nm－400nm的波段。在空氣中，電暈放電的峰值波長在300nm－360nm左右。但在300nm－360nm波段，在地表太陽輻射比電暈強(qiáng)很多。在“日盲”紫外波段（240nm－280nm）電暈放電的強(qiáng)度要弱得多，但此時太陽在地表的背景輻射為零。因此，選擇在日盲波段進(jìn)行電暈放電的檢測，可得到理想的探測效果。

眾所周知，位于日盲區(qū)的紫外輻射幾乎被大氣臭氧完全吸收，而電暈所發(fā)出的紫外輻射卻含蓋了日盲區(qū)［5］，如圖 5 所示。

圖5 電暈光譜分布

由上圖可以看出，利用日盲區(qū)波段下紫外探測器作為檢測設(shè)備，既可檢測到高壓電暈放電，又可避免太陽光紫外線的干擾，是一種行之有效的檢測方法。

3 在線實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線

根據(jù)紫外探測器探測原理及電力系統(tǒng)（例如高壓線路檢測）要求，實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。

對于探測距離在5m－6m范圍，而探測目標(biāo)范圍寬在3m以上時，可采用日盲紫外探測器直接對準(zhǔn)被測目標(biāo)方式，以滿足近距離廣角探測的要求，如圖6所示。

圖6 近距離探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

而需要探測較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時（例如8m－10m以上），就需要通過光學(xué)聚焦獲得弱光信號，必須采用紫外鏡頭，通過光纖來傳輸，如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)距離探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮距離及入射紫外光能量雙重因素。

被測目標(biāo)發(fā)出的紫外光透過紫外透鏡及濾光片后的光通量由下式計算：

其中，D是紫外物方孔徑；L是目標(biāo)至紫外透鏡第一平面的距離；k是相應(yīng)檢測角系數(shù)；τfilter和τlens分別是濾波片和紫外物鏡透射系數(shù)；τ（λ）L／1000是大氣衰減系數(shù)［6］。

上式表明，透射的紫外光能量跟透鏡孔徑尺寸以及材料的透過率成正比，與探測距離成反比，因此，透鏡需要經(jīng)過增透膜處理，濾波片也需要選取透過率更高的，然后在所要求的測量范圍內(nèi)，還需要通過調(diào)整位置、觀察接收信號來確定光學(xué)聚焦位置。

各紫外探頭設(shè)計，包含濾波、聚焦、耐溫、安裝支架以及可能內(nèi)嵌的光電變送模塊等，探頭要對準(zhǔn)易發(fā)故障處。

安裝在監(jiān)測現(xiàn)場的GaN基紫外探測器采取模塊一體化設(shè)計，集成了微光信號接收采集、高效放大、光電轉(zhuǎn)換以及觸發(fā)控制信號輸出的極高靈敏度光探測模塊。該模塊的輸出為數(shù)字化采集信號。通過內(nèi)置自學(xué)習(xí)自適應(yīng)軟件系統(tǒng)，可自動學(xué)習(xí)和適應(yīng)不同應(yīng)用場所的環(huán)境光，自動設(shè)置觸發(fā)閾值，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，從而滿足不同用戶對于各種現(xiàn)場的測量和控制要求。

紫外探測傳感器電路構(gòu)成如圖8所示。

圖8 紫外傳感器電路框圖

紫外傳感器在接收紫外光照射時，產(chǎn)生微弱電壓信號，再經(jīng)過低噪聲放大。濾波電路負(fù)責(zé)濾除干擾信號和有效寬帶外的噪聲，讓有效信號進(jìn)入后級電路，ADC實現(xiàn)信號的數(shù)字化，并由微控制器通過軟件算法，分析提取有效的信號特征，最后通過驅(qū)動電路提供報警信號。

另外，根據(jù)環(huán)境背景光的干擾水平，可手動或自動調(diào)節(jié)靈敏度。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

4.1 太陽光下的光學(xué)濾波

雖然探測器工作在日盲區(qū)（200nm－280nm）內(nèi)，但強(qiáng)太陽光還是會給微弱的紫外信號造成相當(dāng)?shù)母蓴_，尤其是被實踐證明在260nm以上會有比較明顯的干擾。

因此紫外透光片是有必要的，選取效果比較好的進(jìn)口的濾波片。

4.2 靈敏度的提高

因為電暈是早期的放電行為，信號十分微弱，尤其是在強(qiáng)太陽光背景下，要有效地采集到微弱日盲紫外電暈，是一個挑戰(zhàn)。

在選取好濾波片以后，需要調(diào)整好光學(xué)透鏡的聚焦，同時需要增加探測器的放大效果，還要防止各種噪聲干擾，做好信號屏蔽等。

4.3 強(qiáng)電磁環(huán)境下的抗干擾

由于是工作在高壓線路環(huán)境下，雖然用光纖傳輸可以很好地消除電磁波在光信號上的傳輸干擾，但系統(tǒng)不可避免地要采集光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換處理等。

因此必須做好屏蔽，在需要由電信號傳輸?shù)牡胤綉?yīng)采用電流傳輸，還應(yīng)做好防雷電等惡劣環(huán)境下的保護(hù)工作。

5 系統(tǒng)的特征優(yōu)勢

本系統(tǒng)所應(yīng)用的日盲區(qū)氮化鎵紫外探測器具有如下特征：

（1）體積小，TO92封裝；

（2）工業(yè)級的溫度范圍，即 －40℃至＋85℃；

（3）工作在日盲區(qū)波段范圍：200nm－280nm；

（4）可連續(xù)不間斷地工作，特別適用于在線實時監(jiān)測；

（5）與一般半導(dǎo)體探測器相比，靈敏度高；

（6）成本低，適合于規(guī)?；茝V。

與目前用的比較多的紫外成像儀相比較，系統(tǒng)具有體積小、成本低、壽命長，可24小時監(jiān)測等優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

氮化鎵半導(dǎo)體材料，由于其特有的良好的光譜響應(yīng)特征，尤其是在UVC日盲區(qū)上的應(yīng)用，使得氮化鎵探測器成為室外在線實時紫外監(jiān)測的良好選擇，因此由該探測器組成的在線監(jiān)測系統(tǒng)也特別適應(yīng)室外電暈的在線監(jiān)測，可作為固定設(shè)備，對一定距離范圍內(nèi)的被測對象實施長期監(jiān)控。

實驗結(jié)果證明，對于近距離（例如高壓桿塔）上安裝氮化鎵紫外探測系統(tǒng)，可獲得良好效果。與紫外成像儀相比，由于氮化鎵紫外電暈探測器系統(tǒng)成本低、重量輕、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，不懼太陽光及電磁感染，可24小時長期監(jiān)控，因此適合一定范圍的推廣。在探測高壓電暈放電應(yīng)用中，可與紫外成像儀可相互補(bǔ)充。