紫外成像技术在高压电晕放电中的应用

唐 霞，张艺博

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008;2.华北水利水电学院，河南郑州 450011)

紫外成像技术在高压电晕放电中的应用

唐 霞1，张艺博2

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008;2.华北水利水电学院，河南郑州 450011)

介绍了电晕形成的机理、电晕放电的危害及电晕的检测方法，重点分析了紫外成像技术的原理，论述了利用紫外成像技术检测到输变电设备中的电晕放电现象.结果表明，紫外线技术不受太阳光的干扰，为高压输电设备的在线检测和故障诊断提供了一种方便、快捷的手段.

紫外成像技术;紫外成像仪;在线检测;电晕放电

随着现代电力工业向着高电压等级、超大容量的方向发展，电力系统对输变电线路的安全可靠运行提出了越来越高的要求.因此，输变电设备运行状态的在线检测和故障诊断，对提高输电线路的可靠性、经济性运行和降低维修成本都具有重要意义.目前，利用紫外成像技术对电气设备进行在线监测，能够检测到高压电晕放电现象，可以更灵敏、更直接地观察运行中输变电设备的放电和评价放电的严重程度，为掌握设备的健康运行和缺陷诊断提供依据.

1 电晕放电机理

电晕放电是极不均匀电场中特有的一种自持放电形式［1－2］，放电产生的电流密度大小与外加电压、电极形状、极间距离、气体性质和状态等有关.在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，出现电晕放电.发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有“咝咝”声.电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段.高压导线的周围、带电体的尖端附近经常会发生电晕放电;粗糙的高压导体表面、沾有污秽的绝缘层表面、终端绝缘处理不良的高压导体及高压套管以及有绝缘缺陷的电气设备，在高压运行时，由于电场集中更容易发生电晕放电.电晕放电危害性很大，常见危害有以下几点.

1)伴随着声音、光、电等现象造成能量损耗;

2)电晕放电产生的高频电磁波，对外界及广播、电视等通信设施等产生干扰;

3)电晕放电产生噪声干扰，特别在高压输电线路上更易产生噪声干扰.

在超高压、特高压输电线路和电力设备上，由于导线表面的电场强度很高，空气电离会产生严重的电晕放电现象.高强度的电晕放电会使空气电离，发生化学反应，从而产生O3，NO等强氧化性物质.这些强氧化物或者腐蚀剂会使线路、设备表面等发生电化学腐蚀，降低设备的寿命，长时间作用会影响输电线路和设备的安全运行.另外，异常的电晕放电等微弱的放电现象又可能是部分缺陷故障的早期表现.早期电晕检测的方法有很多［3］，传统的放电异常判别方法有听声音(包括超声波故障检测)和夜间观察放电法，该方法简单易行，靠听声音和看现象来判断电晕放电，但准确率低.泄露电流在线检测法、红外成像仪观测法等能很好地检测到电晕放电，但在实际应用中也都存在一定的缺陷.近几年来，新兴的紫外成像技术成为一种远距离检测高压输电线路、输变电设备外绝缘的新技术.

2 紫外成像的技术原理

2.1 太阳盲区

当高压电气设备发生电晕或者其他形式的电气放电时，会产生不同分量和比例的可见光及紫外线(UV).通常，可见光在放电产生的电磁波中所占的比例非常小.放电产生的紫外线的波长既有处于太阳盲区内的，也有处于太阳盲区外的［4］.太阳盲区指紫外线波段内的一段狭窄的特定光谱段(240～280 nm).紫外线的波长范围为40～400 nm，太阳光中也含有紫外线，但地球表面的臭氧层吸收了太阳光中部分波长的紫外线分量，以至于辐射到地面上的太阳紫外线波长大都在300 nm以上，如图1所示.由图1可知，在太阳盲区内的紫外线都是电晕放电产生的.紫外成像技术就是利用紫外检测仪检测太阳盲区内的紫外线，从而判断电晕放电产生的部位和强度.

图1 电晕和太阳光辐射的频谱

2.2 紫外成像的技术原理

只要能够准确检测出波长处于太阳盲区内的紫外线，就能对输电线路或者设备是否发生电晕放电做出明确判断.紫外成像仪就是利用紫外线探测器及UV滤片集中检测太阳盲区内的紫外线，并进行摄影成像的专用设备，如图2所示.

图2 紫外成像仪的技术原理

紫外成像仪的工作原理:在紫外成像仪的成像过程中，往往采用双光谱成像的方法，即采用太阳盲区滤片和紫外线探测器的成像方法，检测电晕及电气设备的放电;采用可见光图像显示被测物体的实物形状.实际应用的紫外成像仪有紫外线和可见光2个通道.UV通道用于电晕成像，可见光用于拍摄环境(绝缘体、电流器、导线等)图片.然后再用特殊的影像处理工艺将2种图片重叠在一起生成1幅图片，用于同时观察电晕和周围环境情况，可以检测电晕并清楚显示电晕源的精确位置.UV通道工作波段采用太阳盲区UV－C中的240～280 nm波段，该波段不受太阳辐射的干扰.在太阳盲区波段臭氧吸收太阳光辐射，阻止其进入地球，因此电晕信号可以在白天获取并成像.UV通道的特殊紫外滤镜具有较大的光收集区域，FOV为50×3.750.

3 紫外成像技术的应用分析

3.1 应用分析

紫外成像仪所采用的标定方法是通过测量规定区域内的紫外放电光子数目来表征电晕活动强度［5］.试验表明，不同电压等级的绝缘子放电光子数不同.

1)当电压达到10 kV时，绝缘子在不同位置出现了电晕放电，放电区域面积较小、放电也很微弱，光子数目很稳定，数量级在100以下.

2)当电压达到20～30 kV时，绝缘子的局部出现了明显的小火花，放电现象显著增强，光子数目依然很稳定，光子数目的数量级在400～800之间.

3)当电压达到40～50 kV时，放电形态呈间歇性爆发状态，在安静环境下可以听到电晕放电声音，光子数目也明显增加，数量级在2 000～3 000之间.

4)当电压升高到63 kV时，光子分布十分密集，几乎遮住了整个绝缘子的群闪，并且可以明显观察到电弧，光子数量级在4 000以上［6］.

可见，随着电压等级的升高，绝缘子的放电区域和光子数目逐渐增加，放电现象逐渐增强.在电晕光谱中，电晕放电产生的紫外线光子数目极少，再加上传输过程中设备及光学系统的损耗，最终到达感光元器件CCD板上的紫外光子数目大大减少.为提高紫外成像仪的灵敏度，仪器对进入光学系统的紫外光子数需要进行增益处理，在使用时需要调节仪器的增益到合理数值，如在500 kV变电站中一般要求将紫外成像仪的增益调制150～200.如果能够发现明显的持续性电晕放电，就要调低增益观察电晕放电现象的变化，这样既可使仪器灵敏地发现电晕，又能尽量降低背景干扰的影响.应用分析如下.

1)在实际的高压变电设备中，用紫外成像仪进行检测，如果发现线路阻波器下部尖端处、均压环表面粗糙区域或者导线表面毛刺、导体表面尖端锐角区域等处电晕放电是持续的，测到的紫外放电光子数目超过2 000，如果进行现场检测时能够听到强烈的电晕噪声，往往是由于设备的制作、安装工艺不良引起的，需要购买制造良好的设备，在施工过程中不断提高安装工艺水平，但这种情况不会影响到设备的正常运行，无需停电维修.

2)在输变电设备中，根据不同输电线路的电压等级，用紫外成像仪进行检测，如果发现电气设备外绝缘紫外放电光子数目在一个允许的范围内，如在10 kV输电线路中测到的绝缘子数目在100以内，则表明电气设备外绝缘良好、没有污秽现象，运行状况良好;假设在220 kV输电线路中，对某一相导线杆塔的绝缘子进行检测，发现紫外光子数目在20 000或者及以上，则表明该处存在故障.在这种情

图3 某500 kV变电站OPGW连接处放电现象

3.2 紫外成像仪的优点

目前，商业化的紫外线电晕成像仪是针对紫外光谱进行侦测，通常用来检测被测物电晕或表面放电所产生的紫外线，以发现电晕放电问题.电晕法是一种应用侦测阳光盲带的方法，因此不受环境中的阳光辐射影响;UV侦测器有较高的灵敏度，即使微弱的UV信号也可侦测到，可在白天显示影像;其受环境干扰小，可在白天、下雨天、浓雾下进行测量;可应用于影像及紫外线双频谱摄影机.

4 结语

紫外成像技术在输变电设备多种缺陷和故障的检测中具有简单高效、直观形象且不影响设备运行、安全方便等优点，值得推广应用和深入研究.紫外检测采用的标定方法用紫外光字数计数来衡量放电程度，但现场准确检测电气设备紫外放电光子数比较困难，受环境影响较大，因此标定紫外光技术还需要大量的研究工作.利用紫外成像技术重新选择合适况下运行人员需要对输电线路采用其他方法做进一步的检测，如增加红外成像测温、加强检测维护频次等方法，找到故障的根源，进行维修处理，加强输电线路的安全性和稳定性.利用紫外成像仪器检测到的电晕放电图像如图3—4所示.的表征参数，对电晕放电强度进行量化处理，找出此参数和电晕放电各阶段的对应关系，成为紫外成像检测电晕放电的重要研究内容和发展方向.

图4 某220 kV变电站隔离开关桩头处电晕放电

［1］张建文.电气设备故障诊断技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［2］严璋，朱德恒.高电压绝缘技术［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［3］严璋.电气绝缘在线检测技术［M］.北京:水利电力出版社，1995.

［4］程正，崔金灵，万军彪，等.高压外部电晕放电及其检测［J］.江西电力，2010，34(1):7 －9.

［5］杨晓林.电气设备外绝缘放电紫外成像检测及图像处理的研究［D］.保定:华北电力大学，2008.

［6］张鸿群.紫外成像技术在变电站设备维护中的应用［J］.云南电业，2009(6):43 －44.

Application of Ultraviolet Imaging Technology to the Discharge of High-voltage Corona

TANG Xia1，ZHANG Yi-bo2
(1.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China;2.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The formation mechanism of the corona，the hazards of corona discharge and the detection method of the corona were introduced.The principle of ultraviolet imaging technology was emphasized and it was discussed the phenomenon of corona discharge was detected in the transmission equipments by the ultraviolet imaging technology.The results showed that UV technology wasn’t disturbed by the sunlight，which provided a convenient way for high-voltage transmission equipments in the online detection and fault diagnosis.

ultraviolet imaging technology;ultraviolet imaging instrument;online detection;corona discharge

1002－5634(2011)05－0080－03

2011－05－05

唐 霞(1985—)，女，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事电气设备故障诊断方面的研究.

(责任编辑:孙 垦)