紫外像增强器用于电力安全检测的研究

匡 蕾，顾 燕



紫外像增强器用于电力安全检测的研究

匡 蕾1，顾 燕2

（1. 江苏省安全生产科学研究院，江苏 南京 210042；2. 北方夜视技术股份有限公司，江苏 南京 211106）

随着日盲紫外探测技术的快速发展，紫外电晕探测成为电力设备安全检测的主要手段之一。测试了国产碲铯阴极紫外像增强器的光谱响应特性曲线，并计算了太阳辐射照射下，配备有深截止日盲紫外滤光片的紫外像增强器所产生的光电子数，验证了国产碲铯阴极紫外像增强器在深截止日盲紫外滤光片的滤光作用下，可以满足强烈阳光背景下电晕检测的需求。

日盲紫外；像增强器；电晕探测；紫外滤光片

0 引言

电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电现象。当高压带电体的电压达到可以产生电晕的临界电压，或者带电体表面电场强度达到电晕电场强度时，带电体周围会因局部电场过于集中而发生电晕放电。随着国民经济的持续、快速发展，国家电力行业的规模越来越大，超高压、特高压电网越来越多。电力系统的设计、制造、安装及维护缺陷，例如高压设备的粗糙表面、终端的尖角区域、断股的高压导线及绝缘层表面的损坏等缺陷和安全隐患，都会在高电压运行时产生电晕放电。电晕放电会产生高频脉冲谐波，干扰外部电磁环境，还会产生巨大的能量损失，造成电力设备的损坏，引起重大的安全事故[1-2]。因此，研究能够有效地检测出电晕放电的设备，使电力系统的缺陷及时进行处理，电力系统可以安全可靠的运行非常重要。

电晕放电所辐射的光谱涵盖了红外波段、可见光波段以及紫外波段[3]。电晕检测常见的方法有介质损耗分析法、脉冲电流法、超高频局部放电检测法、色谱分析法、红外热像法、声测法等[4]，这些方法存在易受外界环境影响，检测周期长，不易定量分析等缺点，在实际检测电晕放电的应用中存在局限性。紫外检测技术是近几年来应用到电力系统中的新技术，目前，应用最为广泛的是南非CSIR公司生产的CoroCAM系列紫外成像仪和以色列与美国电力科学研究院（EPRI）共同开发的DayCor系列紫外成像仪[5]。通过检测电力设备产生电晕放电时发出的紫外信号，可以实现远距离检测高压输电线路的电晕放电，达到评价电力设备安全状况的目的，从而提前发现安全隐患。

目前对紫外辐射强度的统计分析主要有紫外光子计数测量和紫外光功率测量两种方法[6]。本文简介了基于紫外像增强器的日盲紫外电晕探测基本原理，测试了3组北方夜视集团有限公司研制的锑铯紫外像增强器的光谱响应曲线，并通过计算验证了配备有深截止日盲紫外滤光片的高性能紫外像增强器可以满足太阳辐射背景下电力系统电晕放电的检测需求。

1 日盲紫外电晕探测原理

太阳辐射是自然界中最主要的紫外辐射来源，但是由于大气层中的臭氧等气体分子的强烈吸收和散射，使得波长在280nm以下的紫外光线几乎不会到达地球表面，因此，称280nm以下的紫外辐射为“日盲”紫外。“日盲”紫外的这一特征使得工作在“日盲”紫外波段的探测器等几乎不会受到来自背景环境的干扰[7-8]，在军用和民用方面得到广泛应用[9-10]。如图1所示的太阳辐射光谱图[11]，虚线表示法向直接日射光谱辐射度，即在某一给定的平面接收器上，从以日面为中心的小立体角内接收到的辐射通量与该平面面积之比，实线表示半球向日射光谱辐照度，即在某一给定平面上，从其上方天空半球（包括直接日射辐射通量）接收的太阳辐射通量与该平面面积之比。由图1可知，波长为200～280nm的辐射光谱被强烈吸收。在这个波段内的太阳辐射背景光功率密度小于10－13W/m2。当波长超过280nm后，太阳光谱辐照度迅速上升。

电晕放电产生的紫外光谱主要在200～400nm附近波段。如图2所示的空气中典型的电晕放电光谱[12]。在300～380nm波长范围电晕放电辐射的光谱最强，但是由于此处太阳辐射比电晕放电强很多，并不适合电晕检测。在200～280nm的日盲波段，虽然电晕放电的强度要弱很多，但此处太阳辐射的光谱几乎被地球的臭氧层所吸收而近似为零。因此，发生在200～280nm日盲波段的电晕放电可以在强烈的太阳辐射背景下探测出来。

紫外像增强器结构及工作流程如图3所示，其主要由紫外光电阴极、微通道板（Microchannel plate，简称MCP）、荧光屏等部件组成，可以实现对微弱紫外辐射信号的探测及成像。

图1 太阳光谱辐照度曲线

目标发出的微弱紫外辐射图像经前端光学系统照射入紫外像增强器的输入窗口，位于输入窗口另一侧的紫外光电阴极将紫外波段的光子转化成光电子，形成微弱的电子图像，并输运到真空中；在真空环境电场的作用下，光电子向阳极方向加速运动，到达微通道板输入端，由微通道板进行电子倍增，形成增强的电子图像；在荧光屏和微通道板间正高压的作用下，电子加速轰击荧光屏，使电子图像转化为可见光图像，可被人眼或光敏传感器接收，最终实现微弱紫外辐射图像到可见光图像的转化和能量的增强。在目标紫外辐射极其微弱的情况下，可通过增加微通道板两端工作电压，或采用双微通道板甚至三微通道板结构，提高紫外像增强器辐射增益，使像增强器工作在光子计数模式，在荧光屏后耦合CCD，组成紫外光子计数系统，可以实现目标紫外信号的探测。

图2 电晕放电紫外光谱分布

图3 紫外像增强器结构及工作流程图

由于紫外像增强器在超过280nm的波长范围仍有响应，因此，强烈的太阳辐射仍然会对紫外信号的探测产生干扰。为了去除强烈太阳光的干扰，在电晕放电探测的实际应用中，需要在紫外像增强器的前端增加对可见光深截止的日盲紫外滤光片以去除滤除日盲紫外区以外的可见光。图4所示为电晕检测系统的原理框图。

2 实验与计算

电晕放电在200～280nm光谱范围内产生的紫外辐射及其微弱，在这种情况下，紫外像增强器须采用光子计数模式进行电晕检测。太阳辐射背景通过滤光片和紫外像增强器后产生的电子数可以由下式计算：

式中：PE表示在时间间隔D内紫外像增强器受太阳辐射的影响产生的光电子数，PE的值越小，对电晕检测的干扰越小；()表示太阳的辐射功率谱；D表示计算时的波长间隔；D表示时间间隔；()表示紫外片对波长为入射光的透过率；cathode表示像增强器中光阴极输入面的面积；()表示波长为的光子能量；QE()表示光阴极的量子效率，可根据其与光谱响应()的相互关系得到：

QE()＝1.24()/(2)

利用高精度光谱响应测试装置测试了自主研制的Te-Cs阴极紫外像增强器的光谱响应曲线，并利用式(2)计算得到相应的量子效率曲线。紫外像增强器光谱响应曲线及量子效率曲线如图5所示。

3组紫外像增强器在200～280nm之间均有较高的量子效率，其中紫外像增强器-I的量子效率最高，当波长超过280nm，像增强器的量子效率开始下降，紫外像增强器-I的量子效率下降最快。由图5可知，采用Te-Cs阴极的紫外像增强器，其在280～400nm间都是有一定响应的，不能直接实现电晕放电检测。本文选用1片专用于日盲探测的深截止日盲紫外滤光片，其透过率曲线如图6所示，该滤光片的透过率在超过280nm以后迅速降低，当波长超过400nm时，透过率近似为零。

为研究国产紫外像增强器光电阴极的光谱响应与日盲紫外滤光片组合使用后的光谱响应度，本文计算了280～400nm波段范围内的太阳光谱辐射背景下，紫外像增强器产生的光电子数，以分析太阳光谱辐射背景对用于检测电力系统电晕放电现象的紫外像增强器的影响。紫外像增强器阴极面为18mm的圆型区域，计算时，每5nm取一个计算点，D为1s，采用深截止日盲紫外滤光片的紫外像增强器在时间D内由太阳光谱辐射产生的光电子数如表1所示。

图4 电晕检测系统的原理框图

Fig.4 Principle block diagram of corona detection system

图5 紫外像增强器的光谱特性曲线

Fig.5 Spectral characteristic curves of ultraviolet image intensifier

图6 滤光片的透过率曲线

计算结果表明，紫外像增强器的光谱响应特性对紫外电晕检测系统的性能有重要影响，像增强器在超过280nm波长的光谱响应下降越快，其在太阳辐射下产生的光电子数越少。表1中的几种组合都可以适用于成像应用的紫外探测，但紫外日盲探测很多情况下应用于光子计数模式，紫外像增强器-I在滤光片的滤光作用下，受太阳辐射影响产生的光电子数较少，能够满足光子计数探测模式的要求，而紫外像增强器-II和紫外像增强器-III由于在超过280nm波长处仍有较高的响应，通过滤光片的滤光作用，仍会产生较多的光电子，干扰目标辐射的探测结果。由表1数据可知，为了实现及时有效地电晕检测，一方面需要改进紫外像增强器的光谱特性，使紫外像增强器在日盲波段的响应较高，同时超过280nm的响应可以迅速下降；另一方面，由于滤光片在消除太阳辐射引起的背景干扰中也起着关键作用，增加截止深度可以提高滤光片在日盲检测中的性能。

3 结论

1）利用深截止紫外日盲滤光片滤光，北方夜视技术股份有限公司研制的Te-Cs阴极紫外日盲型像增强器可满足日间电力安全电晕检测的需求；

2）应用于太阳辐射背景下的电晕检测系统，对紫外像增强器光谱截止特性和紫外滤光片的截止深度有很高的性能要求，提升紫外像增强器在日盲波段的响应，以及紫外日盲滤光片的截止深度利于实现灵敏度更高的电力安全电晕检测。

表1 紫外像增强器在太阳辐射下产生的光电子数的计算结果

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Research on the Application of UV Image Intensifier in Security Detection of Power Equipment

KUANG Lei1，GU Yan2

(1.,210042,; 2.,211106,)

With the rapid development of solar-blind ultraviolet（UV） detection technology, UV corona detection becomes an efficient method for safety tests of power equipment. This paper tests the spectral characteristics of domestic-made UV image intensifier with CsTe cathode, calculates the number of photoelectrons generated by UV image intensifier with deep cut-off filter under solar irradiances, and verifies that domestic-made UV image intensifier with CsTe cathode can meet requirements of the corona detection under the strong sunlight by the deep cut-off UV filter.

solar blind UV，image intensifier，corona detection，UV filter

TN23

A

1001-8891(2015)11-0986-05

2015-09-02；

2015-11-10.

匡蕾（1970-），女，研究员级高级工程师，硕士，主要从事化工等高危行业安全生产技术研究、安全生产技术咨询与服务。E-mail：13815879679@163.com。