基于紫外成像检测技术的不同检测距离下光子数的修正

田迪凯 罗日成 张宇飞 肖宏峰

基于紫外成像检测技术的不同检测距离下光子数的修正

田迪凯 罗日成 张宇飞 肖宏峰

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114）

紫外成像检测技术作为一种新兴的检测技术开始逐渐广泛应用于输变电设备巡检中，鉴于光子数与检测距离的特性关系，在不同检测距离即使对同一电晕放电现象进行检测，检测到的光子数数值也不同。为研究光子数与检测距离的特性关系，将不同检测距离下检测到的光子数修正到最佳检测距离下光子数，以便于量化不同检测距离下的放电程度。以尖端放电模型为实验对象模拟输变电设备外绝缘放电现象，利用以色列OFIL公司生产的SuperB型紫外成像检测仪研究不同工频电压下，光子数随检测距离的变化特性。实验结果表明：随着检测距离的增大，光子数数值不断减小；检测距离越大，光子数数值减小的速度越慢；光子数随检测距离变化的特性曲线大致呈幂函数趋势，幂指数在-1.681与-1.626之间。在此基础上，根据实验数据建立合适的幂函数模型，拟合得到光子数检测距离修正公式，并对修正公式进行校验，校验结果表明该修正公式的修正精度较高，能为实际的工程检测提供重要的参考依据。

紫外成像；电晕放电；光子数；检测距离；工频电压；修正公式

0 引言

随着我国远距离特高压输电线路的投运，长期高场强、高负荷的运行和复杂恶劣的环境都会导致输变电设备产生电晕放电现象，长期的电晕放电会使输变电设备发生电化学腐蚀，从而影响电力系统的稳定运行[1]。紫外成像检测作为一种新兴的技术，开始逐渐广泛运用到高压电力设备电晕、电弧的检测、高压变电站及输电线路的维护等电力系统高压检测领域中，因为放电过程中伴随着紫外线（ultraviolet）的辐射。紫外线辐射是所有波长大于10nm小于400nm的辐射，由于臭氧层的吸收作用，接近地球表面的太阳辐射的波长均大于290nm，紫外成像检测技术探测240～280nm的波段，因此不受太阳光线的干扰和影响[2]。紫外成像检测技术具有抗干扰强、定位精度高、检测时不影响电力设备正常运行等优点。

紫外成像检测仪的实际检测距离都不是固定的数值，检测距离对光子数的测量有着非常明显的影响（“光子数”通常作为量化放电程度的重要参数[3]），即使对同一放电现场进行测量，检测距离越远，紫外成像仪测量到的光子数越小[4-6]。因此，检测距离无法统一到标准数值，很难对不同检测距离下的检测结果进行对比，从而无法对不同检测距离下测得的放电程度进行对比。基于上述实际存在的问题，将光子数修正到标准的检测距离下具有重要的意义[7-10]。

基于上述研究现状，首先对紫外成像检测技术原理和检测距离对紫外成像检测的影响进行分析。然后搭建尖端放电模型模拟输变电设备外绝缘放电，并采用以色列OFIL公司生产的SuperB型紫外成像检测仪在不同检测距离下对尖端放电模型进行测量。最后将测量得到的数据进行拟合，得到光子数检测距离修正公式，光子数检测距离修正公式能为实际的工程检测提供重要的参考依据。

1 紫外成像检测技术原理

输变电设备的正常工作是电力系统安全可靠运行的重要保障，输变电设备在不同的大气环境下工作，随着长期运行、外力破坏及自然灾害等原因，会出现绝缘性能降低、设备结构损坏和表面污秽等问题。紫外成像检测技术能快速地对输变电设备进行巡检并找出故障点，以便于进行维修。紫外成像作为新兴的检测技术主要应用在绝缘子放电故障检测、架空导线放电故障检测和均压环放电故障检 测中。

紫外成像检测技术的原理图如图1所示，它主要由接收光学系统、紫外成像模块、可见光摄像模块、数据采集系统和图像融合等模块组成[11-13]。入射光进入接收光学系统后分成两束，一束可见光进入可见成像通道，另一束紫外光进入紫外成像通道，可见光通道用于接收可见光信号，即拍摄环境物体图片，可见光经电荷耦合器件（charge coupled device, CCD）探测器后进入数据采集系统；紫外成像通道用于接收放电过程中发射的紫外线辐射，紫外光经紫外日盲滤波镜进行滤波，滤过波长240nm至280nm以外的紫外光，再通过光电阴极、增益放大通道将紫外光信号转换为可见光信号，后经CCD探测器进入数据采集系统。两路光信号最后经过图像融合模块进行融合处理，从而将紫外成像通道的图像叠加到可见光通道的图像上。

图1 紫外成像检测技术原理图

2 检测距离对紫外成像检测的影响

紫外成像检测到的光子数数值主要受仪器本身与外界环境两大因素的影响。影响光子数测量的外界环境因素主要有仪器增益、检测距离、环境湿度、环境温度和风速等。文献[14]中的研究结果表明光子数与检测距离之间大致呈幂函数关系。

紫外成像检测仪在对输变电设备外绝缘进行放电检测时，考虑到设备的放电区域与检测距离相比非常小，所以将被检测设备放电源视为点光源[14]。点光源在空气介质中传播时，能量沿传播路径不断损耗，通过的路径越长，损耗的能量越大，如式（1）所示。

dr()=-r()(,)d（1）

式中：d为微分距离；r()为到达d所在平面处的通量密度，是关于频率的函数；(,)为衰减系数，是关于距离和光频率之间的函数。假设空气介质是均匀的，则有

r()=r0()e-g(v,r)L（2）

透射比系数通常用于工程中对光信号衰减的度量，表示透过介质的光通量与入射通量之比，由式（2）有

通常情况下，大气紫外透射比在0.1～0.3之间，由式（3）可计算出衰减系数(,)在1.2～2.3之间。因此，在对输变电设备外绝缘进行放电检测时，为了提高检测结果的准确性，在实际的工程检测中紫外成像检测仪应尽可能靠近被测设备的放电点，一般情况下检测距离不大于50m，在这个检测距离下，紫外成像检测仪接收到的紫外光信号的透射比在0.89～0.94之间[15]。本文认为10m为最佳检测距离。

设为点光源，是辐射的光强度，是紫外成像仪到点光源的最短光学距离（即检测距离），是紫外成像仪镜头的球面区域，如图2所示。

图2 点光源传播路径图

再设通过球面的光通量密度为，通过球面的光强度为，由图2有

由式（5）可知，紫外成像仪检测到的光信号与检测距离的平方成反比。查阅相关文献数据，幂指数在1.222～1.840之间[16-17]，主要原因是电晕放电光源的发生具有一定的分散性，即使保持检测距离不变，不同时间检测到的光子数也具有一定分散性[18]。

国内外大部分学者针对光子数与检测距离之间关系的研究较多，但将不同检测距离下的光子数统一修正到最佳检测距离的研究较少。因此，本文利用实验对不同检测距离下光子数的修正进行研究。

3 实验方案及实验数据分析

为研究光子数与检测距离之间的关系特性，将一段长度约为10cm、直径约为3mm的铁丝缠绕在套管顶端作为尖端放电模型，用于模拟输变电设备外绝缘发生放电现象。以尖端放电模型为实验对象，使用紫外成像检测仪对尖端放电模型进行检测，记录不同检测距离下实验数据。实验平台原理图如图3所示。实验接线如图4所示。

图3 实验平台原理图

图4 实验接线图

3.1 实验方案

将实验中的检测距离点分别设定为4m、8m、10m、12m、14m、16m、18m和20m，在每个检测距离下对尖端放电模型分别施加40kV、50kV、60kV、70kV和80kV的工频电压。将紫外成像检测仪的增益设置为160，仪器的其他参数为默认值，最后调整紫外成像检测仪将其镜头对准尖端放电模型的尖端部位进行测量，实验场景如图5所示。图6（a）和图6（b）分别为检测距离为10m和20m时紫外成像检测仪现场拍摄到的紫外图像，图6（a）中光子数计数率显示为1 350；图6（b）中光子数计数率显示为440。由上述两幅紫外图像的光子数计数率可知：在同一工频电压下，随着检测距离的增加，可以清晰地看出检测到的光子数数值呈减小的趋势。将多次测量得到的数据取平均值填入表1中，并将数据绘制成曲线图，如图7所示，横坐标为检测距离，纵坐标为光子数。

图5 实验场景图

图6 不同检测距离下的紫外图像

表1 不同检测距离、不同工频电压下光子数数值表

图7 光子数随检测距离变化曲线图

3.2 实验数据分析

由第3.1节中图表和结论可知，随着检测距离的增大，光子数数值不断减小；检测距离越大，光子数数值减小的速度越慢；光子数随检测距离变化特性曲线大致呈幂函数趋势。理论上在电晕放电量相同的情况下，如式（5）所示，紫外成像仪检测到的光信号应与检测距离的平方即2成反比，但由于电晕放电光源的发生具有一定的分散性，所以实际的检测数据并不符合这一规律。为进一步研究光子数与检测距离的特性关系式，设光子数随检测距离变化特性幂函数模型如下

=-（6）

式中：为光子数数值；为检测距离；和均为参数。

对式（6）进行拟合得到各工频电压下光子数随检测距离的变化曲线关系式。

当工频电压为40kV时：

=27189-1.660（2=0.9989） （7）

当工频电压为50kV时：

=59036-1.685（2=0.9980） （8）

当工频电压为60kV时：

=98515-1.681（2=0.9996） （9）

当工频电压为70kV时：

=141353-1.626（2=0.9998） （10）

当工频电压为80kV时：

=182783-1.638（2=0.9998） （11）

式中，2为可决系数，2越接近于1，则表示拟合程度越好。在式（7）—式（11）中，2均大于0.99，因此，上述式子的拟合程度都较好。

4 光子数检测距离修正公式及修正效果检验

4.1 光子数检测距离修正公式

本文将10m定义为实际工程检测的最佳检测距离，故将不同检测距离下检测得到的光子数修正到最佳检测距离下检测到的光子数，从而使各个检测距离检测到的光子数具有可对比性。

设0为修正到最佳检测距离下的光子数，为实际检测距离下检测到的光子数，0为最佳检测距离，为实际检测距离。因为式（7）—式（11）中的参数都非常接近，所以式中参数取上述各式幂指数的平均值1.658。

光子数与检测距离之间的拟合函数为

=-1.658（12）

光子数与最佳检测距离0之间的拟合函数为

0=0-1.658（13）

由式（12）与式（13）有不同检测距离下的光子数修正到最佳检测距离下的公式为

4.2 修正效果检验

为了检验光子数检测距离修正式（14）的修正效果，将表1中的数据分别代入式（14）中，得到各个检测距离下修正到检测距离为10m处的光子数数值见表2。

表2 修正到10m处的光子数数值表

由表2中数据可以看出，各个工频电压和检测距离下修正到10m处的光子数数值与10m处实测到的光子数数值十分接近，40kV工频电压下，各检测距离修正值的最大相对误差为-5.33%；50kV工频电压下，各检测距离修正值的最大相对误差为-8.68%；60kV工频电压下，各检测距离修正值的最大相对误差为+5.81%；70kV工频电压下，各检测距离修正值的最大相对误差为-4.50%；80kV工频电压下，各检测距离修正值的最大相对误差为+2.85%。上述数据表明，光子数检测距离修正式（14）的修正效果很好，各个工频电压和检测距离下的最大相对误差为-8.68%，进一步验证了光子数检测距离修正公式的有效性。

5 结论

通过实验可知，在同一工频电压下，随着检测距离的增大，紫外成像检测仪检测到的光子数不断减小。将实验数据进行拟合，分别得到不同工频电压下光子数随检测距离的拟合公式，结果表明光子数与检测距离近似呈幂函数关系。对光子数随检测距离的拟合公式进行推导得到光子数检测距离修正公式，并对其验证，结果表明修正精度高，最大相对误差约为-8.68%，因此本修正公式能将不同检测距离下输变电设备外绝缘放电程度进行精准地对比。

[1] 李玉齐, 朱琦文, 张健. 发电厂带电设备红外检测与故障诊断应用研究[J]. 电气技术, 2020, 21(1): 78-82, 85.

[2] 朱亚平. 输变电设备带电检测技术研究[J]. 电气技术, 2017, 18(11): 109-113.

[3] 陈海. 基于云模型的输变电设备状态预测研究[J]. 电气技术, 2016, 17(8): 38-40, 49.

[4] 马立新, 张骏, 浦荣杰. 紫外放电检测量化表征及预测方法研究[J]. 电测与仪表, 2015, 52(1): 106-110.

[5] 王胜辉, 冯宏恩, 律方成. 基于日盲紫外成像检测的复合绝缘子电晕放电光子数变化特性[J]. 高电压技术, 2014, 40(8): 2360-2366.

[6] 王少华, 梅冰笑, 叶自强, 等. 紫外成像检测技术及其在电气设备电晕放电检测中的应用[J]. 高压电器, 2011, 47(11): 92-97.

[7] 肖猛, 文曹. 一种新型绝缘子带电检测方法-紫外成像法[J]. 高电压技术, 2006, 32(6): 42-44.

[8] 王锐, 王林军, 彭向阳, 等. 两种紫外成像仪放电检测影响因素研究[J]. 广东电力, 2016, 29(4): 110-114.

[9] 蔡新景, 王凯奇, 王新新, 等. 电晕放电紫外成像检测光子数的距离修正[J]. 高电压技术, 2015, 41(1): 7-8.

[10] 文华, 周文俊, 唐泽洋, 等. 基于紫外成像技术的110kV输电线路复合绝缘子融冰闪络预警方法及判据[J]. 高电压技术, 2012, 38(10): 2589-2595.

[11] 隋晓杰, 宋守信. 高压输电线路电晕放电分析[J]. 电力建设, 2006, 27(3): 37-38.

[12] 董小青, 邹明, 吴军, 等. 紫外检测局部放电的光子数与放电量关系研究[J]. 电力科学与技术学报, 2016, 31(4): 155-160.

[13] 史俊, 刘兴涛, 刘乐, 等. 基于红外、紫外和可见光融合检测输变电设备缺陷技术[J]. 工业安全与环保, 2019, 45(7): 28-30, 48.

[14] 王胜辉, 郭晶, 刘宏亮, 等. 基于紫外成像放电检测光斑面积与观测距离关系研究[J]. 陕西电力, 2013, 41(8): 5-9.

[15] 李懿儒, 罗日成, 谭逢焘, 等. 轨道交通供电系统中变压器直流偏磁分析[J]. 上海电机学院学报, 2019, 22(1): 56-62.

[16] 王胜辉, 冯宏恩, 律方成. 电晕放电紫外成像检测光子数的距离修正[J]. 高电压技术, 2015, 41(1): 194-201.

[17] 王胜辉, 冯宏恩, 律方成. 电晕放电紫外图像参数变化特性及距离修正[J]. 仪器仪表学报, 2014, 35(8): 1823-1830.

[18] ESAKKI MUTHU K, SIVANANTHA RAJA A, SHANMUGAPRIYA G. Frequency 16-tupled optical millimeter wave generation usin g dual cascaded MZMs and 2.5Gbps RoF transmission[J]. Optik, 2017, 140: 338-346.

Correction of photon number at different detection distances based on ultraviolet imaging detection technology

TIANDikai LUORicheng ZHANGYufei XIAOHongfeng

（School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410114）

As an emerging detection technology, ultraviolet imaging detection technology has gradually been widely used in the inspection of transmission and transformation equipment. In view of the characteristic relationship between the number of photons and the detection distance, even the same corona discharge phenomenon is detected at different detection distances and detected the number of photons is also different. To study the characteristic relationship between the number of photons and the detection distance and correct the number of photons detected at different detection distances to the number of photons at the optimal detection distance, in order to quantify the degree of discharge at different detection distances. Using the advanced discharge model as the experimental object to simulate the external insulation discharge phenomenon of power transmission and transformation equipment, the Super B type ultraviolet imaging detector produced by the Israeli OFIL company was used to study the change characteristics of the photon number with the detection distance under different power frequency voltages. The experimental results show that: as the detection distance increases, the number of photons continues to decrease; the larger the detection distance, the slower the rate of decrease in the number of photons; the characteristic curve of the photon number changing with the detection distance generally shows a power function trend, power exponent between-1.681 and-1.626. On this basis, an appropriate power function model is established according to the experimental data, the correction formula for the photon number detection distance is fitted, and the correction formula is verified. The verification result shows that the correction precision of the correction formula is high and can be practical engineering inspection provides an important reference basis.

ultraviolet imaging; corona discharge; photon number; detection distance; power frequency voltage; correction formula

湖南省教育厅科学研究项目（15C0031）

2020-07-20

2020-08-05

田迪凯（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力设备绝缘在线监测。