紫外检测局部放电的光子数与放电量关系研究

董小青，邹 明，吴 军，王 浩，何剑峰，姚京松，罗日成

(1. 国家电网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050； 2.长沙理工大学 电气工程学院，湖南 长沙 410004)

紫外检测局部放电的光子数与放电量关系研究

董小青1，邹 明2，吴 军1，王 浩1，何剑峰1，姚京松1，罗日成2

(1. 国家电网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050； 2.长沙理工大学 电气工程学院，湖南 长沙 410004)

为了提高紫外成像对放电检测的准确性，通过实际公式得出光子数与放电量之间的关系，并将光子参数用于放电强度的量化分析中；以绝缘子作为研究对象，利用SIFIT全日盲紫外成像仪，研究电晕放电时光子数与放电量随仪器增益、电压强度、测量距离变化的关系。试验结果表明：光子数与放电量随着电压的增大呈非线性增加；随着紫外成像仪增益的增大，光子数与放电量之间的关系曲线大致相同；光子数与放电量呈正相关的关系，与理论公式曲线变化趋势相同。研究结果在工程应用上对紫外成像检测技术具有重要的参考价值。

局部放电；紫外成像；放电检测；实验研究

随着中国经济的发展，高压输电设备在中国电网中地位显得尤为重要[1-3]。高压设备长时间运行后，由于导体接触不良、结构缺陷、污秽等原因，造成设备场强分布不均匀、电弧、电晕等对设备有损害的放电现象[4]。电力系统中的电晕放电引起空气发生化学反应，损害设备的有机绝缘，在恶劣的天气情况下，极有可能造成绝缘事故，同时，电晕放电产生的脉冲电磁波也会对无线电通信造成严重干扰。及时发现电力设备在绝缘方面存在的缺陷或薄弱环节，并对其做有效处理，对电力系统的安全运行具有重要意义，因此，局部放电检测技术越来越受到电力运行部门、科研机构的重视[5-7]。

传统局部电晕放电检测方法包括脉冲电流法、超声检测法、红外探测法等，由于这些检测方法容易受到外界干扰、难以定位放电位置等因素，故并不能很好地适用于现场环境中电力设备故障的在线检测。

由于电力设备放电过程中伴随有紫外光信号的辐射，一种基于“日盲型”[8](日盲波段波长为240～280 nm，高波段紫外光放电信号不会受太阳光的干扰)紫外成像检测技术广泛应用于电力系统设备电晕放电的检测。“日盲型”紫外成像法具有定位精度高，抗干扰能力强，非接触等优点[9-10]。光子数为紫外成像检测技术中量化放电程度的关键参数，因此，对光子数与放电强度变化特征进行研究，并建立光子数与放电量之间的关系，可实现现场远距离、非接触的条件下对放电强度的精确评估[11]。采用“日盲型”紫外成像仪现场检测设备电晕放电强度时，因观测设备的电压等级的不同，需根据放电强度对仪器增益进行调节，由于电压等级和增益对光子数具有一定的影响，因此，有必要对光子数与电压等级、增益大小间的对应关系进行深入研究[12-15]。目前，紫外成像仪生产厂家并未对光子数给出确切的定义，因此，从理论上分析光子数的变化特征没有科学的计算方法和理论依据，存在一定的困难[16]。

笔者采用试验研究的方法[17]，以绝缘子作为研究对象，在改变施加电压的大小、观测距离的不同等多种情况下，对放电所测量的光子数的变化规律进行研究，得出不同增益下放电量与光子计数率之间的关系曲线，并对曲线的变化特性进行系统分析[18]。

1 局部放电实验系统

1.1 试验依据

全日盲紫外成像仪对电晕放电的探测，在增益为60%的观测条件下，通过紫外成像仪中的紫外线和可见光双通道融合图像获取高压带电设备电晕放电的具体位置，然后通过对电晕放电位置处的紫外光子计数目实现电晕放电进行定量分析，并对测试距离、环境湿度、电压等级等影响因素进行修正，得出优于现有标准的紫外光子数计算公式[19]：

Σ=AL-1.222。

(1)

式中Σ为在L测试距离时检测到的紫外光子数值;L为实际测试距离，m；A为常量系数。

因电晕放电释放的光能量Eligtht可用公式表示[20]，即

(2)

且可知Eligtht和视在放电量q之间的关系：

(3)

故综合式(2)、(3)可得

(4)

式中Sd为阴极灵敏度；G为增益；L为测量距离；ρ为气体密度；kξ为气体吸收系数；μ为传感器的吸收系数；q为放电量。

根据式(1)、(4)可知，光子数Σ与放电量q均与测量距离成反比的关系，光子数与放电量之间存在正相关变化关系。

1.2 实验系统与环境构建

采用局部放电检测仪实现电晕放电量的测量，目前主要采用3种基本的测量电路：测量阻抗与耦合电容器串联回路、测量阻抗与试品并联回路和平衡电路。为了研究局部放电与光子数之间的关系，搭建的实验系统采用测量阻抗与试品并联电路。相对于串联电路来说，虽然采用并联回路检测放电量的灵敏度稍低一些，但由于进行局部放电试验过程中，被试品在多高的电压下会被击穿，事前尚不能确定，一旦被试品被击穿，并联回路对检测阻抗等测量系统设备没有损坏的危险，能有效地保护系统设备和试验人员的安全。

测量电路如图1所示，其中,Zch是保护电阻、Cx是等效电容，C0为耦合电容器，Zm为检测阻抗。采用局放仪测量时，需对放电量进行标定。利用方波发生器把电荷注入试品的两端，通过局放仪观测脉冲信号的幅值，并把局放仪输出信号进行放大，再输入到示波器进行观测得到对应的电压幅值。

图1 局部放电的并联测量电路

试验环境温度为28 ℃，相对湿度约为60% ，气压为标准大气压，试品选用220 kV绝缘子串和35 kV单片绝缘子，为便于产生电晕放电，在一绝缘子的钢帽上连接一段长5 cm、直径约2 mm的铜丝，试验原理如图2所示。为防止高压引线产生电晕放电，在导线外套连直径为10 cm的软铝波纹管。试验现场如图3所示。

该试验采用以色列生产的SIFIT全日盲紫外成像仪，基本参数如表1所示，它能够过滤太阳光噪声的干扰，满足白天对放电所产生的紫外信号的高灵敏度检测，同时可以实现对测量增益的调节，可实时、准确地测量放电点所辐射的紫外光子数量，有效地反映故障处放电情况。

图3 实验现场

参数描述光谱范围/mm光灵敏度(紫外)/(watt/cm2)感光灵敏度(可见光)/Lux通讯方式聚焦距离/m视域/(°)具体数值240～2803×10-180．1RS2321．5～∞6．4×4．8

2 试验分析

2.1 光子数随观测距离变化与增益关系

试验采用7片绝缘子构成的绝缘子串，选取高压侧单片绝缘子作为研究对象，探讨光子数与放电量之间的关系。紫外成像仪的增益选取60与150，试验电压分别为0，30，40，60，80，100和110 kV下观察，观测距离为10 m。不同试验电压下绝缘子放电情况如图4所示。

试验发现，随试品两端电压的升高，放电量也随即上升，当试验电压为30 kV时，试品有微弱的放电，并产生一定数量的光子，随着试验电压的进一步升高，试品所激发的光子数明显增加，当施加电压达到110 kV时(紫外成像仪增益设置为60)，测得光子数为10 587个，放电量为3 781 pC。随后将紫外成像仪增益调置为150时，重复上述加压过程，发现光子数与放电量的变化趋势与增益为60时的情况大致相同；但随试验电压的进一步升高，紫外成像仪的增益分别为60与150时，所测得光子数相对接近，不随增益的变化而变化。紫外成像仪接收到的光子数与放电量呈正相关关系，光子数与放电量关系曲线如图5所示，曲线与放电强度、电压的特性关系有较好的一致性。在施加电压为40，60和80 kV时，所测得光子数与理论计算所得光子数有一定差别，但实验所测得放电量与光子数变化曲线与理论公式分析所得曲线变化趋势一致。

图5 光子数与放电量关系曲线

2.2 光子数随观测距离变化与放电量关系

不同观测距离测量出的光子数不同，而观测距离不影响放电量的强度，当改变观测距离时，需探讨变化规律是否仍满足理论曲线。该文选取紫外成像仪的观测距离分别设为5，6，7，8 m，分别记录各放电量时所测得光子数，试验结果如图6所示。

图6 不同观测距离下光子数与放电量关系曲线

图6表明，观测距离越大，在相同的放电量下，测量出的光子数越少，光子数与观测距离之间仍满足式(1)、(4)的变化规律。在观测距离不变的情况下，随着放电量的增大，仪器所测得的光子数与放电量之间仍保持非线性的递增关系。

2.3 恒定放电量时光子数的变化规律

一般而言，在实验室条件下，当试验条件不变，试品施加电压相同时，试品的放电量保持不变；但在工作现场，不同工作人员，观测同一设备放电时会因为环境等因素造成观测距离不一致，由于紫外摄像仪观测图像大小随距离的增加而逐渐减小，紫外图像中的光子数也将相应的减小。文章试验分析了在紫外摄像仪增益为60的情况下，放电强度分别为3 781，2 013和935 pC时，光子数随观测距离的变化曲线如图7所示，可知随着距离的增加，光子数逐渐减小，对于935 pC在20 m位置光子数为0，而2 013，3 781 pC在25 m处光子数趋于0，整体曲线类似于幂函数，与理论式(1)曲线也相同。

图7 光子数与观测距离关系曲线

3 应用前景

高压电气设备的电晕放电的检测问题是当今电力设备维护和检修的难题，利用紫外成像仪在设定的增益下，工作人员可手持紫外成像仪实现输电线路、变电站和发电厂电气设备的绝缘带电检测，也可配合无人机实现线路的巡检，可有效地降低劳动强度与检测时间。记录各种环境下(如不同季节、温度和湿度等)不同增益和观测距离下所测得放电量与光子数，总结变化规律，可以有效地预测电气设备的绝缘情况。国家电网湖北省检修公司成功将紫外装置及模块融合到无人机硬件设备和飞控系统中。通过对无人机飞控指挥，实现对500 kV鱼兴Ⅱ回超高压输电线路的紫外检测，同时，将无人机拍摄的紫外电晕检测数据及图像同步实时、清晰准确传输到地面站及在线监测终端，真正做到无人机与紫外成像检测技术的集成一体化，实现运用小型无人机融合紫外成像检测技术对超高压线路全方位、多角度、近距离巡检的目标，如图8所示。

图8 机载紫外线路巡检

4 结语

为了提高紫外成像技术对电晕放电检测的准确性，笔者研究了紫外成像仪所测光子数随观测距离、增益大小及放电程度之间的关系，并结合试验数据，得出了放电量与光子数随不同变量之间的变化曲线，结论如下：

1)随着试验电压的增加，放电量也不断增加，在增益60和增益150时，光子数的数量也随着试验电压的上升而呈非线性曲线递增，与放电量呈现正相关关系。

2)改变测量距离，放电量与光子数依旧满足非线性递增函数的关系，仍能采用光子数目来描述放电程度。

3)当放电量分别为3 781，2 013和935 pC时，与理论式(1)的变化趋势一致，当距离达到一定值时，在某一放电强度下，光子数将为0。

4)放电量与光子数存在的非线性曲线关系，对紫外成像检测技术在工程应用上具有重要的参考价值。

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Study on photon count and discharge capacity in partial discharge with ultraviolet detection

DONG Xiao-qing1, ZOU Ming2, WU Jun1,WANG Hao1, HE Jian-feng1, YAO Jing-song1, LUO Ri-cheng2

(1.State Grid Hubei Corporation Maintenance Company,Wuhan 430050, China; 2.School of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004, China)

In order to improve the detection accuracy and explore the possibility of quantifying the intensity discharge, the relationship between photon count and discharge capacity was derived through the experimental formula, and then the photon parameters was used for quantitative analysis of the discharge capacity. The insulator was selected as the research object, and SIFIT diurnal blind ultraviolet imager was used to research the characteristics of photon and discharge capacity varied with instrument gain, voltage and measuring distance. Experimental results show that the photon count and discharge capacity are nonlinear increased with the increasing of voltage. With the increase of imager gain, the variation curves of photon and discharge capacity are roughly the same. Photon is positive proportional with discharge capacity, which has similar variation trend with theoretical analysis. The results have important practical reference value for ultraviolet imaging detection technology.

partial discharge; ultraviolet imaging; discharge detection; experimental analysis

2016-08-18

湖南省教育厅科学研究项目(15C0031)

罗日成(1969—)，男，副教授，主要从事电力设备状态维修和绝缘监测、电力设备状态评价和风险评估、电力系统过电压分析的研究；E-mail:Luorich@126.com

TM851

A

1673-9140(2016)04-0155-06