两种紫外成像仪放电检测影响因素研究

王锐，王林军，彭向阳，贾志东，尚晓光

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080；2.清华大学 深圳研究生院，广东 深圳518055)



两种紫外成像仪放电检测影响因素研究

王锐1，王林军2，彭向阳1，贾志东2，尚晓光2

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080；2.清华大学 深圳研究生院，广东 深圳518055)

摘要：紫外成像技术能够检测到电力设备的放电状况，但使用时会受到仪器参数、检测条件等众多因素的影响，这阻碍了紫外检测技术的有效应用。利用棒板电极产生稳定的放电源，研究仪器增益和门槛值、检测距离和角度、风力状态5种因素对2种型号紫外成像仪检测到的紫外光子数的影响，发现了仪器增益、仪器门槛值和检测距离3种因素对紫外光子数的影响规律，检测角度和风力大小的影响可忽略不计。

关键词：紫外成像仪；紫外光子数；仪器参数；检测条件；影响因素

紫外成像法能够检测到电力设备的微弱放电并进行准确定位，且无需接触设备本体，具有安全快速、灵敏度高等特点，在输变电设备的检测中得到越来越广泛的应用[1-3]。紫外成像法在应用时会受到诸多因素影响，主要包括仪器增益、检测位置和天气状况等，这使得不同条件因素下的紫外检测结果无法直接进行对比，也给检测结果统一评估标准的制定造成障碍[4-7]。国内外许多实验室和现场工作人员对此进行了研究。文献[8]研究了检测距离和增益对紫外光子数检测值的影响，发现光子数与距离为幂函数的关系，光子数随增益升高先增大后趋于稳定。文章认为气压和温度对检测结果的影响很有限，可忽略不计。文献[4]研究发现光子数检测值与距离的平方呈反向关系，与增益呈非线性正向关系，同时也认为温度和气压的影响可忽略不计。文献[5]发现紫外光子数检测值随增益先增加后出现小幅下降，与距离基本呈反比的关系。总体看上述研究结论差距较大，且不够全面，也没有涉及对仪器门槛值以及风力状态的影响研究。本文针对DayCorSuperB和CoroCAM6D2种型号的紫外成像仪，采用棒板电极加电压后产生的稳定放电源为检测对象，研究了仪器本身的参数包括增益和门槛值，检测条件包括测试距离、角度和风力大小共5种因素对紫外检测结果的影响规律，研究发现仪器参数和检测距离对紫外光子数的影响规律比较确定，对检测角度和风力大小的影响程度有限，可以忽略不计。

1试验装置介绍

1.1紫外成像仪

紫外成像仪的核心原理是通过检测放电产生的“日盲”波段内的紫外光信号，实现对放电点的定位。“日盲”波段是指波长在240～280nm范围的紫外光，臭氧层会全部吸收阳光中此波段内的紫外光，故紫外成像法不受阳光干扰，可在白天正常使用[8-11]。目前常用的紫外成像仪主要为2种：以色列产DayCorSuperB型和南非产CoroCAM6D型。参数对2种仪器的检测结果具有不同的影响规律，故本文分别对2种型号仪器进行了试验。

1.2试验平台

研究众多因素的影响，需要保持放电强度的稳定，使得紫外成像仪检测到的光子数波动幅度在一定范围内。本试验中选用自行设计的棒板电极为电晕放电试验平台，加电压后在棒电极的尖端会形成稳定电晕源，能够满足试验检测要求。棒板电极的结构和棒电极的尺寸如图1所示。加电压试验装置的线路如图2所示。试验过程中，只需加电压使棒电极的尖端产生明显且稳定的放电点，并保持电压恒定即可。

2试验过程与数据分析

2.1仪器增益的影响

通过调节仪器增益得到紫外光子数与仪器增益的关系曲线，共进行4组试验(略微调整各组试验电压)。每组试验时保持棒板电极的试验电压稳定，用SuperB型紫外成像仪记录不同增益下的紫外光子数，每个增益处以10次紫外光子检测值(仪器显示值，无单位)的平均值作为试验结果。增益(仪器的自带量值，无单位)调节范围为60～180，步长为10。为使试验结果具有可比性，均以140增益下的光子数为基准值，折算出其他增益测量结果与基准的比值，得到的4组试验的数据曲线如图3所示。

由图3曲线可得，当增益变大时，紫外光子数先增大后减小，在增益150附近达到最大值。分析认为，刚开始随着光信号放大倍数的增大，光子数逐渐变大。当增益大于150后，出现了光子重叠的现象，故统计到的光子数开始下降。在实际检测中，仪器增益不宜大于150，特别是在放电强烈的情况下。

改用CoroCAM6D型紫外成像仪记录不同增益下的紫外光子数，由于仪器类型不同，增益调节范围变为35～100，步长为5。此仪器具备调节门槛值(仪器的自带量值，无单位)的功能，即仪器在统计光子数时以门槛值的大小为参考值，只统计亮度超过此参考值的光子数，在设置增益时需考虑到门槛值的影响，本组试验中门槛值均设置为50。通过调节仪器增益得到紫外光子数与仪器增益的关系曲线，共进行4组试验(略微调整各组试验电压)，以增益80下的光子数为基准值，同样折算比值，得到的4组试验数据曲线如图4所示。

由图4可得，在增益小于50时，光子数与增益正相关，原因是随着放大倍数的增大，越来越多的光子数亮度超过了门槛值而被记录在内，光子数在增益50处达到最大值。增益超过50后，光子数与增益呈负相关，原因可能与SuperB型紫外仪在增益超过150后光子数出现下降的现象类似，即增益的变大导致了更多的光斑重叠现象，使得统计到的光子数变小。增益在80～100的范围内，光子数基本维持恒定，相差在10%之内，故在实际现场应用时，应将增益设置在此范围内。

2.2仪器门槛值的影响

门槛值是CoroCAM6D型紫外成像仪独有的一个参数，是仪器统计光子数时的一个参考值。保持棒板电极施加电压不变，在30～90的范围内以5为步长改变门槛值大小，在每个门槛值处用紫外成像仪记录放电点产生的光子数。以仪器门槛值为40时的光子数为基准，折算出其他门槛值下的光子数与基准的比值，得到仪器在不同增益条件下的5组试验结果，增益分别为70、75、80、85和90，试验得到的数据曲线如图5所示。

分析曲线可得，紫外光子数和仪器的门槛值近似呈线性的反向关系，门槛值的大小每增加10，紫外光子数下降约10%(相对门槛值为40下的紫外光子数)。原因是随着门槛值的提高，参考的亮度标准越来越高，同样情况下满足条件的光子数量就会逐渐下降。实际中不宜将门槛值设置得太高，这样会造成较大的误差，建议设置在40左右即可。

2.3检测距离的影响

保持棒板电极试验电压及仪器增益不变，在4～32m范围内，以2m为步长，在每个距离处用SuperB型紫外成像仪记录放电产生的光子数。共进行6组试验，试验的结果具有高度的一致性：紫外光子数随距离的增大逐渐减小，且减小的速度逐渐放缓。

在相同检测距离，6组试验测得光子数差别不大。求6组试验的平均值，对其进行曲线拟合，拟合结果如图6所示，拟合关系式为指数函数形式：

y=6 405e-x/6.5+147.

式中：y为紫外光子测量值；x为检测距离。公式的拟合优度R=0.998 95。

保持棒板电极试验电压及仪器增益不变，在2～12 m范围内，以2 m为步长，在每个距离处用CoroCAM 6D型紫外成像仪记录放电产生的光子数。根据试验数据画出的紫外光子数-距离拟合曲线，如图7所示。图像的变化规律与SuperB型紫外仪类似，紫外光子数随距离的增大逐渐减小，且减小的速度逐渐放缓。

图7曲线的拟合关系式为：

y=48 095x-2.27.

公式的拟合优度R=0.999 86。

理论上光子数应与距离的平方呈反比，即满足关系式：

本试验得出的拟合公式与理论公式存在一定的偏差，原因是光信号在空气中传播时存在损耗，同时光子存在重叠现象致使统计出现误差。

2.4风力大小的影响

保持电压等其他因素不变，分别用两台仪器先后在起始无风、施加风力和撤去风力(复测无风)3种状态下检测棒板电极放电产生的光子数。风力由工业风扇产生，放电点处风速约为9 m/s，相当于5级风。根据试验数据得到的曲线如图8和9所示。

试验结果表明在有风和无风状态下，紫外成像仪显示的紫外光子数无明显变化规律，SuperB型紫外仪记录的光子数波动幅度在5%之内，CoroCAM 6D型的光子数波动幅度在10%之内。因此在一定风速范围内，可忽略风力对紫外检测结果的影响。

2.5检测角度的影响

以SuperB型紫外成像仪为检测仪器，研究了检测角度对检测结果的影响。在距放电点为4 m的圆周上选取4点，分别以0°、30°、60°和90°表示，记录每个位置处的光子数。调整试验电压，在不同放电强度下(紫外光子数随之改变)，分别进行2组试验，得到的光子数-角度关系曲线，如图10所示。

试验结果表明不同角度处记录到的光子数值无明显差异，说明电晕放电紫外光是向四周均匀辐射的。

3结论

a)仪器增益的影响规律。2种型号仪器的增益对紫外光子数检测值的影响规律有较大差距，SuperB型紫外成像仪检测到的光子数随增益的上升而增大，在增益150附近达到最大值，之后开始下降，实际检测过程中应将增益设置在100～150的范围内，不同增益下的检测结果可根据试验获得的比值进行折算，再进行比较。CoroCAM 6D型紫外成像仪检测到的光子数随增益变大先增大后缓慢下降，增益超过80后趋于稳定，实际中应将增益设置在80～100的范围内。

b)仪器门槛值的影响规律。CoroCAM 6D型紫外成像仪检测到的光子数与仪器门槛值呈线性的反向关系，门槛值每提高10个数值，光子数下降约10%，实际中将门槛值设置在40左右比较合适。

c)检测距离的影响规律。检测距离对2种仪器检测结果的影响规律相似，紫外光子数随距离的增大逐渐减小，且减小的速度逐渐减慢。实际情况中应在保证安全的情况下，尽可能在近距离对放电点进行检测，不同距离下的检测结果应根据试验结果进行折算，方可进行比较。

d)检测角度和风力的影响规律。检测角度和风力对结果的影响很有限，在实际检测过程中可忽略角度和一定风力的影响，但在角度选取上应尽量避开其他放电点的干扰。

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王锐(1988)，男，湖北潜江人。工程师，工学硕士，主要从事输电线路及高电压试验研究工作。

王林军(1991)，男，河南鹤壁人。在读硕士研究生，主要从事紫外检测技术相关研究工作。

彭向阳(1971)，男，湖北黄冈人。教授级高级工程师，工学硕士，长期从事输电线路及高电压技术工作。

(编辑霍鹏)

ResearchonInfluencingFactorsonDischargeDetectionbyTwoKindsofUltravioletImagers

WANGRui1,WANGLinjun2,PENGXiangyang1JIAZhidong2,SHANGXiaoguang2

(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China; 2.GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen,Guangdong518055,China)

Abstract：Ultraviolet(UV)imagingtechnologyisabletousedfordetectingdischargeconditionsofpowerequipments,butitmaybeaffectedbymanyfactorssuchasinstrumentparameters,detectionconditions,andsoonwhichmayimpedeeffectiveapplicationofUVdetectiontechnology.Steadydischargesourceproducedbyrod-plateelectrodeisusedforstudyingfivefactorsinfluencingUVphotonnumbersdetectedbytwotypesofUVimagersincludinginstrumentgainvalue,thresholdvalue,detectiondistance,detectionangleandwindpowerstate.Itisdiscoveredinfluencinglawsofthreefactorsincludinginstrumentgainvalue,thresholdvalueanddetectiondistancewhileinfluenceofdetectionangleandwindpowercanbeneglected.Keywords：ultravioletimager;ultravioletphotonnumber;instrumentparameter;detectioncondition;influencingfactor

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.020

收稿日期：2015-11-04修回日期：2015-12-22

基金项目：广东电网有限责任公司科研项目(K-GD2014-0622)

中图分类号：TM930.12

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)04-0110-05

作者简介：