氣壓對紫外檢測光子數影響的研究

摘要：為研究紫外成像檢測中的光子數隨氣壓的變化特性，設計了氣壓可調的氣候室，以棒-板間隙為研究對象，用CoroCAM504紫外成像儀在恒溫恒濕的條件下研究光子數隨氣壓的變化特性，研究表明，隨氣壓的增加，光子數逐漸減少。采用最小二乘曲線擬合法對數據進行了冪函數擬合，發(fā)現光子數與氣壓之間近似滿足冪函數關系，冪指數在-1～2之間。在河北保定、青海西寧實驗基地現場檢測得到了數據，并與實驗數據進行對比分析，發(fā)現實測結果與實驗結果的規(guī)律性較為一致。

關鍵詞：氣壓；紫外成像；光子數；擬合分析

中圖分類號：TM933? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.009

0? ? 引言

隨著特高壓電網的建設和運行，傳統(tǒng)的帶電檢測方法已經遠遠不能滿足現場檢測的需要，而紫外成像法能夠進行遠距離帶電檢測，并且具有操作簡單、重復性好、定位準確等優(yōu)點，因此在電力系統(tǒng)帶電檢測方面得到了廣泛應用[1-4]。

目前紫外成像法表征和量化放電強度一般是利用“光子數”參數[4-6]，該參數可直接從儀器屏幕上讀取，方便快捷。我國的地形是西高東低，海拔高度存在很大的差異，海拔越高，氣壓越低，根據氣體放電的機理可知，海拔會對放電存在影響，因而檢測到的光子數也將發(fā)生變化，進而影響到對放電的量化分析[7-8]。目前關于氣壓對紫外成像的影響相關研究很少，因而有必要進行更加深入的研究。

本文在環(huán)境因素可調的氣候室中以棒-板間隙模型為研究對象，用CoroCAM504紫外成像儀記錄紫外信號，以“光子數”來量化放電的強弱。在恒溫恒濕的條件下實驗研究了光子數隨氣壓變化的特性，得到兩者之間的關系曲線并進行擬合分析，得到了其變化特性。然后在河北保定、青海西寧進行了實地測試，并將檢測數據與實驗數據進行了對比分析。研究結果對高海拔地區(qū)紫外檢測工作的開展有良好的指導意義。

1? ? 實驗系統(tǒng)的構建和實驗方法

1.1? ? 實驗系統(tǒng)的構建

該氣候室為一氣壓、濕度、溫度單獨可調的封閉金屬罐，圖1是環(huán)境參數對紫外成像檢測結果影響研究裝置的結構示意圖。

目前工程中研究放電的典型模型為棒-板間隙，因而本文采用棒-板模型為研究對象，棒電極直徑為3.2 cm，其頭部為圓錐形，頂端半徑約1.5 mm，板電極長寬均為1.5 m，棒-板間隙距離分別定為20、15、10 cm。實驗時，CoroCAM504紫外成像儀輸出的視頻信號被存儲在外部視頻記錄設備中。實驗電壓由工頻高壓發(fā)生器提供。

1.2? ? 實驗方法

實驗時，CoroCAM504紫外成像儀除增益外的其他參數設置為儀器默認值，并在整個實驗過程中保持不變，增益為70%，觀測位置為8 m，溫度22 ℃，相對濕度36%。

步驟一：首先設定棒-板間隙距離為20 cm，利用抽氣機將罐內氣壓抽到40 kPa，采用逐步加壓法，步長3 kV，用CoroCAM504紫外成像儀錄制放電的紫外視頻。

步驟二：將棒-板間隙分別改為15、10 cm，重復步驟一。

步驟三：分析視頻，計算光子數，研究光子數隨氣壓變化的特性。

由于電暈放電具有一定的隨機性，為了減小光子數的計算誤差，在此采用了取平均值處理，方法是從紫外視頻中截取連續(xù)的100幀大紫外圖像，分別讀取每一幀圖像中的光子數，然后取平均值。

2? ? 實驗結果與數據分析

2.1? ? 實驗結果

基于以上實驗結果，本文獲得了不同棒-板間隙距離和氣壓下的紫外視頻，其中棒-板間隙為20 cm，電壓為39 kV時，不同氣壓下的紫外圖像如圖2所示。

基于上述實驗，可得到棒-板放電模型在不同電壓和氣壓下的光子數。氣壓的范圍為40～100 kPa；電壓過低時沒有放電或放電很弱，光子數較少，此時儀器檢測到的光信號過于微弱，光子計數值存在較大的統(tǒng)計誤差，當電壓過高時有擊穿的危險，因此對于20 cm的間隙，實驗電壓的范圍設置為27～45 kV。相關數據如表1所示，表中“—”表示在該距離下已發(fā)生擊穿。

由圖3可以看出，隨著氣壓的增強，放電逐漸減弱，光子數也逐漸減少。這是因為氣壓增加，空氣密度增加，電子的自由程減小，相鄰的兩次碰撞之間電子積累的動能降低，發(fā)生碰撞電離的概率也相應降低，因而放電減弱。

2.2? ? 數據分析

基于上述實驗研究，本文對棒-板間隙距離為20 cm時光子數隨氣壓變化的數據進行了分析，并采用了最小二乘曲線擬合法對數據進行了擬合。根據數據的變化趨勢，本文選擇了冪函數進行擬合分析，具體擬合函數如式（1）所示：

式中：A為一常量系數；p為氣壓；n為冪指數。

表2給出了部分電壓下的擬合函數表達式，為進一步量化曲線的擬合精確程度，本文計算了各擬合曲線的可決系數R[9]。

由表2可知，各擬合函數的R值接近于1（R的取值范圍在0～1之間，R值越接近1，說明擬合曲線對觀測值的擬合程度越好），這說明表2與實際數據有著較高的擬合度。對其他電壓下的數據進行分析，發(fā)現光子數與氣壓之間也近似滿足冪函數變化特性，氣壓在40～100 kPa的范圍內，冪指數在-2.1～-1.4之間變化。

限于論文篇幅，本文在此僅給出棒-板間隙為15、10 cm時部分電壓下的光子數隨氣壓變化的擬合函數表達式和可決系數值。

棒-板間隙為15 cm時，在氣壓為40～100.5 kPa的范圍內，電壓從18 kV逐步施加到39 kV。表3是部分電壓下光子數與氣壓的擬合函數表達式和可決系數值R。

棒板間隙為10 cm時，在氣壓為40～100 kPa的范圍內，電壓從15 kV逐步施加到30 kV。表4是部分電壓下光子數與氣壓的擬合函數表達式和可決系數值R。

由上述分析可知，光子數隨著氣壓的增加而減小，兩者滿足冪函數變化特性，其冪指數在-2～-1之間。

3? ? 現場檢測

使用同一套棒-板放電模型，分別在河北省保定市和青海省西寧市進行了實地檢測，兩地實驗時選擇天氣條件盡量保持與實驗條件相近。兩地實驗時氣候條件如下：1）青海西寧實驗基地：氣壓79.8 kPa，溫度22 ℃，濕度36%；2）河北保定實驗基地：氣壓100 kPa，溫度23 ℃，濕度35%。

圖4分別為在氣候室、青海省西寧市、河北省保定市的紫外圖片對比，棒-板間隙為20 cm，電壓為40 kV，增益為70%，觀測距離為8 m。

分析現場實驗結果，青海西寧實驗基地在27、33、39、42 kV電壓下測得光子數分別為37、55、92、141個。根據表2中的擬合公式可以得到在以上4個電壓下的光子數分別為35、54、95、144個。兩者之間的相對誤差為4.29%。

河北保定實驗基地在27、33、39、42 kV電壓下測得光子數分別為26、40、66、94個，根據表2中的擬合公式可以得到在以上4個電壓下的光子數分別為25、39、67、92個。兩者之間的相對誤差為2.5%。

實地實驗結果表明，氣候室所得到的擬合函數能有效表示光子數隨氣壓變化的關系，研究結果對高海拔地區(qū)紫外檢測工作的開展有良好的指導意義。

4? ? 結束語

本文設計了一氣壓可調的人工氣候室，以棒-板間隙為研究對象，實驗研究了光子數隨氣壓變化的特性，即氣壓越高，放電越弱，光子數越少。擬合分析表明，兩者近似滿足冪函數關系，冪指數在-2～-1之間。通過現場檢測結果可知，所得到的擬合函數能有效滿足實際工作需要。

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收稿日期：2023-05-16

作者簡介：馮宏恩（1987—），男，河北邢臺人，碩士，工程師，研究方向：高壓設備放電的非接觸檢測和評估。