（通信与信息系统专业论文）电力设备污秽物微波辐射特性的研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 本论文主要是研究电力设备污秽物的微波辐射特性及污秽检测的方法。首次提 出了利用污秽物的辐射特性在微波段的辐射差异来检测电力设备绝缘状况的方法。 建立了完整的实验模型：并给出了晴朗天空亮度温度的理论模型；重点研究了污秽 的复介电常数；完成了理论计算污秽的亮度温度：通过实验重点完成了电力设备中 绝缘子污秽物的辐射特性与等值狄密、等值盐密、空气相对湿度、盐雾电导率等量 的关系；建立了天线亮温与等值盐密的对应关系，使天线亮温与绝缘子污秽程度对 应起来。第一次引入微波辐射计应用于污秽检测，应用被动探测有效地避免输电线 路的电磁干扰以及可以实现远距离监测，使这种监测方案具有实用价值。文中阐述 了污秽物的辐射特性、污秽物的测量原理，给出了所提方法的具体实验方法及实验 结果分析，实验结果验证了本论文方法的f 确性和有效性。 关键字：微波辐射计，天线温度，亮度温度，污秽，绝缘子，等值盐密 a b s t r a c t b a s e do nt h ep e r f o r m a n c e so fm i c r o w a v er a d i a t i o n ，an e wm e t h o dt od e t e c tt h e c o n t a m i n a n t so nt h ep o w e re q u i p m e n ti sp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ee x p e r i m e n t a lm o d e l i sc o n s t r u c t e d ；t h et h e o r e t i cm o d e lo fb r i g h t n e s st e m p e r a t u r ei nt h es u n s h i n ei sg i v e n ；t h e c e n t r a lr e s e a r c hi st h ec o m p l e xd i e l e c t r i cc o n s t a n to fc o n t a m i n a n t s ；t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nf o rt h ec o n t a m i n a n t so fb r i g h t n e s st e m p e r a t u r ei sc o m p l e t e d t h er e l a t i o n b e t w e e nt h er a d i a n tc h a r a c t e r i s t i ca n dn s d d ( n os o l u b l ed e p o s i td e n s i t y ) ，e s d d ( e q u i v a l e n ts a l td e p o s i td e n s i t y ) ，r e l a t i v eh u m i d i t y ，c o n d u c t a n c er a t i oo fs a l tf o ge t ci s a c c o m p l i s h e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb r i g h t n e s st e m p e r a t u r ea n dt h el e v e lo fp o l l u t i o n i sc o n s t r u c t e d t h o u g he s t a b l i s h i n g t h e c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a t e m p e r a t u r ea n de s d d t h i sm e t h o dc a na v o i de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei np a s s i v e d e t e c t i o nt e c h n i q u e so ft h em i c r o w a v er a d i o m e t e r t h ep r i n c i p l eo ft h ep r o p e r t i e so f r a d i a t i o ni si n t r o d u c e d t h ed e t a i l e dp r o c e s s e so ft h em e t h o da n dr e s u l t sa r eg i v e nt ob e t r u ea n de f f e c t i v et h r o u g hr e s u l t s k e yw o r d s ：m i c r o w a v er a d i o m e t e r , a n t e n n at e m p e r a t u r e ，b r i g h t n e s st e m p e r a t u r e , c o n t a m i n a t i o n ，i n s u l a t o r s ，e q u i v a l e n ts a l td e p o s i td e n s i 蚵 m ap e n g f e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g 1 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力设备污秽物微波辐射特 性的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：努翻刍竖 日 期：旦：望 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：圣翻刍蛋导师签名：壹! 叁 日 期：旦6 ： ：纠 日 期：f 2 盘：( ! g 华北电力人学硕+ 学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章引言 在电力系统中，电气设备因受到盐分、泥土、煤灰、s 0 ：和其他物质污秽( 见表 1 一1 ) 的影响，使得绝缘强度降低，造成停电事故是世界性的难题“。如果能够有 效地测定污秽的程度和性质，在一定程度上就能有效避免停电故事的发生，从而提 高电力安全生产水平，减少对国民经济建设的影响。因此，电气设备的在线监测及 故障分析对于提高电力系统的运行效益，降低维修成本，保证电能质量与供电可靠 性，实现电气设备从传统的计划检修向预知的状态检修转变，对保障国民经济的持 续增长和人民的正常用电等方面都有极其重要的意义。而对于作为电力系统运行的 关键环节一输电线路中的绝缘子的在线监测及故障分析更有积极的意义。大气污染 造成的输变电设备的外绝缘污c i _ = l 对电力系统造成了严重危害。我国幅员辽阔，地理 气候条件变化极大，2 3 面积属于高海拔地区，还有很多地方是雷电多发区，覆冰、 盐雾等引起绝缘子串闪络的问题也很突出。绝缘予的污闪由两个因素决定，一是大 气污染造成的绝缘子表面积污；二是能使积聚污秽物质充分受潮的气象条件。在干 燥气象条件下，表面脏污的绝缘子仍有很高的绝缘强度。但在大雾、凝露、毛毛雨 等气象条件下，污层中的电解质成分会充分溶于水中，在绝缘子表面形成导电通路， 使绝缘强度大大降低，在正常运行电压下就能导致绝缘子沿面洲络，即污l j 。凌晨 时绝缘子表面凝露容易使污层饱和受潮，造成污闪事故，评价输变电设备外绝缘的 耐污能力，除了考虑绝缘子表面的积污程度外，还须考虑该地区使绝缘予表面积污 饱和受潮的恶劣气象条件出现的几率。我国几次大范围的污闪事故都发生在连续数 天大雾等极其恶劣的气候条件下。通过调整爬电距离( 调爬) 、更换防污型绝缘子、 采用合成绝缘子以及r t v 涂料等措施，较大范围地加强了绝缘。但近年来仍有多起 大面积污闪事故发生。例如，1 9 9 6 年1 2 月2 7 3 0 同华东地区出现罕见的大雾，华 东电网2 3 条5 0 0k v 线路中就有1 1 条发生闪络，跳闸7 7 次，其中3 条线路因零值 瓷绝缘子炸裂导致导线落地；2 2 0k v 系统中2 4 条线路闪络，跳闸5 8 次，其中9 条 线路因零值瓷绝缘子炸裂导致导线落地，虽然断路器、继电保护动作j 下确，未造成 大范围停电，但仍对电网安全构成了严重的威胁；1 9 9 6 年1 2 月，安徽省3 5 条2 2 0 k v 线路有8 条发生污闪事故，跳闸3 5 次。8 条5 0 0k v 线路有2 条发生污闪事故， 跳闸6 次。其间发生1 1 次绝缘子断裂，导线落地的事故，造成长时间大面积停电， 损失巨大”1 ：1 9 9 7 年2 月2 6 2 7 同陕西电网发生大面积污闲，涉及3 3 0k v 输电线 路2 条、2 2 0k v 2 条、1 1 0k v 5 条，还包括2 座3 3 0k v 变电站、3 座1 1 0k v 变电站。 华北电力人学硕十学位论文 事故导致渭南地区东部和商洛地区全部停电，系统甩负荷4 1 01 d w ，并对输变电设备 造成严重损害。福建电网自1 9 9 0 年以来2 2 0k v 线路共发生1 5 0 次跳闸事故，仅1 9 9 6 年1 月1 4 只至2 月1 5r 一个月内，莆田、泉州、石狮等地2 2 0k v 线路发生污闪 跳闸7 0 余次。1 9 9 9 年3 月京津唐地区2 2 0 k y 和5 0 0 k v 线路发生污闪跳闸事故。2 0 0 0 年1 2 月陕西渭南地区2 2 0 k v 和秦岭电厂发生多起污闪跳闸事故。2 0 0 2 年1 月湖南 常德、湘潭地区2 2 0 k v 和5 0 0 k v 线路连续发生污闪跳闸事故。 几十年来，人们一直沿用的定期进行预防性试验的方法与制度，经过广大技术 人员的不断改进，这些方法已为我国电力设备的安全运行发挥了重要的作用。但是 这些方法本身有它们的缺陷，譬如：试验时需要停电，仅能提供某个区域内的平均 绝缘状况，不能反映每个绝缘子的实际绝缘状况，无法避免个别绝缘予发生闪络事 故，更重要的是，对于由暂时的大风沙天气等条件下污秽急剧堆积造成的测络事故 无能为力。为防止污闪现在多采用定期进行清扫，这项措_ 旖包括带电或停电清扫， 带电或停电水冲沈。但是无论人工清扫或水冲洗都存在一个共同性的问题需要解 决，即如何确定最恰当的清扫或冲沈周期。这不仅涉及费用，而且更重要的是保证 电网安全运行的问题。污秽绝缘子的等值盐密太大，不仅积污太深而不易冲净，而 且污垢遇水溶解，当污水自上向下滴时，很容易引起污闪。目前，本论文利用微波 辐射计对绝缘子污秽进行探测。并且随着现代微波技术的不断成熟与完善，由丁二微 波与成像技术能够以远距离、非接触、实时获取被测对象的运行状态信息，又有分 辨率高、形象直观、安全可靠和效益投资比高等优点，又可以在不停电、不取样、 不解体的状况下进行故障的诊断分析，所以说应用微波技术对电气设备在线监测及 故障分析是一项行之有效的技术手段。 污秽物成分 碳粉、飞灰、碳酸钙、氧化锌、二氧 粉尘微粒 化铝等 二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氢 硫化物 等 一氧化氮、二氧化氮、硝酸、氨等 氮化污 臭氧、过氧化物、一氧化碳等 氧化物 氯、氟、氯化氢、氟化氢等 卤化物 2 华j t 电力大学硕十学位论文 1 2 国内外研究现状概述 表l 1 几种主要的污秽物 自1 9 0 7 年第一次发生污闪事故以来，相继有众多的研究者从污闪机理、特性 及防污肛j 对策等不同角度进行了大量艰苦的试验研究。由于影响污测的因素众多， 虽然经过人们几十年曝持不懈豹努力，已经取得了一定的进展，但至今对污秽放电 的物理过程还不十分清楚，因而也就难于找到有效而完善的防污闪对策。对于如何 有效地测量绝缘子的污秽程度，多年来，世界各国的研究者们一直在寻找着有效的 测量手段去解决这一难题。目前国内外提出了很多绝缘子的在线监测方法，主要有： 泄漏电流在线监测”1 、红外测温”3 、放电观测”1 、电场测量“3 、声发射检测”1 、无线 电干扰测量等。研究表明，绝缘予表面的泄漏电流与其表面状况有直接的关系，而 且各种泄漏电流的在线监测技术在电力系统中得到了广泛应用，因此，通过监测运 行中绝缘子泄漏电流来了解其绝缘状况已成为国内外研究的热点。至今已有以超声 波检测法、激光多普勒振动法以及红外热像仪”3 为代表的非电最测量法和以电压分 布检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表的电量测量法，这些方法尝试着用于解 决绝缘子在线检测问题。它们各有其特点，也存在各自的不足。现将检测方法概括 如下： a 自爬式不良绝缘子检测器 自爬式不良绝缘子检测器的测量系统主要由自爬驱动机构和绝缘电阻测量装 置组成。它在测量时用电容器对被测绝缘子的交流电压分量旁路，并在带电状态下 测量绝缘子的绝缘电阻，根据直流绝缘电阻的大小判断绝缘予是否良好。当绝缘子 的绝缘电阻值低于规定的电阻值时，即可通过监听扩音器确定出不良绝缘子。 b 电晕脉冲式检测器 在输电线路运行中，绝缘子串的连接金具处会产生电晕，并形成电晕脉冲电流 通过铁塔流入地中。电晕电流与各相电压相对应，只发生在一定的相位范围内。若 把正负极性的电流分开，则同极性各相的脉冲电流相位范围的宽度比各相电压问的 相位差还小，采用适当的相位选择方法便可以分别观测各相脉冲电流。 c 电子光学探测器 电子光学探测器是应用电子和离子在电磁场中的运动与光在光学介质中传播 的相似性的原理制造而成。由于架空输电线路绝缘子串中每片绝缘子的电压分前i 是 不均匀的离导线最近的几片绝缘予上电压降最大。当出现零值绝缘子时，沿绝缘子 串的电压将重新分布，离导线最近的几片绝缘予上的电压将急剧升高，会引起表面 华北电力人学硕十学位论文 局部放电或者增加表面局部放电的强度。而根据表面局部放电时产生光辐射的强 度，就可知道绝缘子串的绝缘性能。但是电子光学探测器仅能判断出绝缘子串中是 否存在零值绝缘子，不能确定到底有几片零值绝缘子以及它们的位置。 d 红外热成像检测法 不良绝缘子与良好绝缘予的表面温度存在差异，尽管这种差异很小，但应用红 外热像仪可以将绝缘子表面的温度分稚以直观、形象的热像图显示出来。f 常运行 中，不良绝缘子由于电压低于正常绝缘子，导致该不良绝缘子的表面温度低于f 常 绝缘子，利用红外热像仪可以测量出这种温度的差异。对于涂有半导体釉的防污绝 缘子的遥测相当顺利，因为表面电流较大、温度升高，一出现零值绝缘子，该片的 温度将比其他正常绝缘子低上几摄氏度，易于用红外热像仪识别：而对于玻璃绝缘 子或普通釉的瓷绝缘予，f 常时温升就很小，当出现不良绝缘予，其温度比其他f 常者只低约lo c 左右，可通过红外热像图中绝缘予表面温度分布，来判断不良绝缘子 的位置。 e 激光振动检测法 今年来国外已开始将激光技术用于对已开裂绝缘子的遥测，如英国c e r i 研究过 用激光多普勒振动仪的方法来测量绝缘子表面的微小振动。f 本研制出种用超声 源引起绝缘予的振动，然后再用激光来测量的方法。原理如下：从振动的频谱来看， 已开裂的绝缘子的中心频率与f 常时不同。如将超生波发生器所产生的超生波用抛 物型反射镜对准被测绝缘子激起绝缘子的微小振动，然后将激光对准被测绝缘子， 根据反射回来的信号的频谱分析，即可判定该绝缘子是否已丌裂。 新测量方法的探索及测量装置的设计制造对于解决实际生产中遇到的问题至 关重要。笔者介绍了利用绝缘子污秽物在微波段的辐射特性差异实现对绝缘子绝缘 状况进行检测的测量原理，并设计了实验去验证它的正确性。由于微波辐射计是无 源被动接收物体的辐射功率，所以可以有效的避免输电线路的电磁干扰，又由于足 非接触式可以远距离带电测量。 微波辐射特性的研究是本论文的基础。微波波段目标( 背景) 辐射、散射特性 的研究，相对来说远不如可见光和红外波段的广泛和深入。工作主要集中在目标、 背景的辐射特性和散射特性两个方面。由于它的测量频率多沿用已有雷达或其它微 波仪器设备的工作效率，具有很大的局限性。正因为目标、背景的微波特性及成像 机理等基础研究较差，在不同程度上影响了微波遥感的发展和应用。无论从微波遥 感应用的角度看，还是从选择最佳工作波段、设计新型微波遥感器的角度看，丌展 宽频率域目标、背景连续微波波谱特性的研究，是一个十分必要和艰巨的任务。苏 联和美国从六七十年代开始在卫星上装载微波辐射计进行大气、海洋、陆地的观测， 这进一步推动了微波辐射特性的研究。由于目标的亮度温度取决于目标的几何特 性、介电常数和物理温度，因此目标的复介电常数的研究是辐射特性研究的重要内 4 华北电力人学硕士学位论文 容。目前大量辐射特性研究工作主要集中在遥感领域。大气不仅辐射电磁波，而且 是电磁波的传输通道，因此大量学者对大气进行了详细的研究，主要有大气的吸收 系数和散射系数的模型建立、云的衰减系数、经验公式等。同时对大量自然物的复 介电常数的研究也取得了长足的进展，建立了纯水、熊水、海冰、雪、湿土、干沙、 岩石等自然物的复相对介电常数的模型或经验公式。同时，研究人员通过测量建立 了大型的辐射数据库，为辐射特性的研究提供了基础。 1 3 本论文的研究方法及主要工作 1 3 1 研究方法 目前研究目标的辐射特性主要有两种途径”1 。一种途径( 理论方法) 是将目标看 作多层媒质，按照各层媒质的几何特性、介电特性和物理温度分布，计算目标的反 射率、发射率( 或等效发射率) ，然后根据辐射传递理论求得目标表面下的亮度温度 或视在温度，乘上发射率( 或等效发射率) 得到目标的亮度温度或视在温度。这种方 法很大程度上依赖于目标复介电常数的研究。由于目标的介电常数通常只有经典公 式，因此亮度温度的理论模型亦称为半经典公式。 另一种途径( 实验方法) 是用微波辐射计对目标进行测量，根据测得的不同目标 的天线温度，反演出被测目标的温度。出于测得的天线温度不仅与被测目标的性质 有关，还和气象、环境等因数有联系，具有一定的随机性，再加上目标的辐射和辐 射计内部的噪声本来就是随机信号，因此测得的天线温度具有一定的不确定性，必 须对目标进行大量的测量，从中找出不同条件下天线温度的统计变化规律，然后进 行反演计算，求得目标的亮度温度。或者将测得的大量的天线温度反演为亮度温度， 再寻找亮度温度的统计规律。实验研究的结果亦为理论研究提供了验证。 1 3 2 主要工作 本论文主要研究工作为基于微波辐射特性的绝缘子污秽枪测，并且根据微波辐 射计的输出天线温度，对应上绝缘子表面的等值盐密，进而得到绝缘子的污秽程度。 本文从理论研究角度出发通过实验完成了天线亮温与等值盐密的对应关系，使天线 亮温与绝缘子污秽程度对应起来，各章的具体内容如下： 第一章阐述了论文的研究背景及意义，介绍了国内外的研究现状并给出了主要 的研究方法： 第二章简要介绍了微波辐射的基本术语和从被动探测原理、污秽的检测原理、 污秽的辐射特性原理上介绍了污秽检测的方法，提出了使用微波辐射计检测污秽的 新方法； 华北电力大学硕十学位论文 第三章分析了传统的污秽绝缘子运行状态特征量的优缺点，并且分析了动态情 况下测量盐密研究的可行性，依据上一章介绍的原理构建了实验模型，给出了晴朗 天空的计算模型；完成了理论计算污秽的亮度温度； 第四章重点介绍了微波辐射计的原理；利用微波辐射计测量出目标的天线温 度；介绍了相似缩比原理与填充因子，为远距离测量污秽提供了可能性： 第五章对本论文的研究工作做了全面的总结，阐明作者的主要研究成果，并指 出了需要进一步研究的问题。 6 华北电力大学硕1 ：学位论文 第二章微波辐射测量的基本原理 2 1 微波辐射测量学的简单介绍 “辐射测量学”( r a d i o m e t r y ) 是指非相干辐射电磁能量的测量。因此，微波 辐射测量学是关于微波频段内非相干辐射电磁能量测量的门科学和技术。从亦质 上讲，电磁辐射足由于电场或磁场的大小或方向随时问的变化而产生的，根据这一 观点，自然界的任何物体均可在一定的条件下产生电磁辐射。例如，金属导体在 馈送交流电源的条件下，就会产生与交流电源频率相同的电磁辐射，而且这就是制 造各种微波天线的基础：各种气体、液体、固体、等离子体，在受到热、光、电等 激发时，由于其微观结构中基本带巾l 粒子的振动、转动情况发生变化或电子能线跃 迁的作用，办会产生各种性质不同的电磁辐射。 2 2 辐射术语 2 21 极化和立体角q 偏振和极化是两个等价的中文名词，它们对应于同一个英文单诃 p 0 1 a r iz a t i o n 。它涉及电磁波的电场矢量方向的描述：极化状态是根执 电场矢量方 向与参考平面方向的关系柬定义的。如果位于某一点电磁波的电场矢量都在。个平 面内，则称为线性极化的或线性偏振的。线性极化可以根据辐射的参考平而进一步 分为水平极化和垂直极化两种。设一个参考平面i = 两条直线确定，一条是入射地面 的电磁波波束或地面发射的电磁波波束所在的直线，另一条是地表面( 或者地面小 面积元的表面) 的垂线。对于线性极化的辐射，水甲极化( h o r i z o n t a l l yp o l a r i z e d ) 的电场与参考平面垂直，垂直极化( v e r t i c a l l yp o l a r iz e d ) 的电场与参考平面 平行。任何电磁波都可以分解成水平极化和垂直极化两个部分。 微波辐射计( m i c r o w a v or a d i o m e t e r ) 探测到的不足来自太阳的自然光，而是来 自地球表面( 陆地、海洋或者大气) 的自发辐射。在微波范围，粗糙表面的发射率 与屯磁波的极化状态关系非常大，所以在微波辐射计里，一个波段可能对应着两个 通道；这时，通道( c h a n n e l ) 和波段( b a n d ) 的概念不能通用。对于微波辐射计， 仪器的频率( 单位g h z ) 和极化状念( 用v 表示垂直极化，用h 表示水半极化) 是 一个通道的两个要素。例如，( 3 7 v ) 和( 3 7 h ) 分别代表对应垂直极化和水平极化 状奄的两个通道，而它们的波段中心频率都是3 7 g h z 。 如图2 1 所示，立体角微分元对应的小面积元是 如图2 - i 所示，立体角微分元对应的小面积兀是 华北电力大学硕士学位论文 第二章微波辐射测量的基本原理 2 1 微波辐射测量学的简单介绍 “辐射测量学”( r a d i o m e t r y ) 是指非相干辐射电磁能量的测量。因此，微波 辐射测量学是关于微波频段内非相干辐射电磁能量测量的一门科学和技术。从本质 上讲，电磁辐射是由于电场或磁场的大小或方向随时间的变化而产生的，根据这一 观点，自然界的任何物体，均可在一定的条件下产生电磁辐射。例如，金属导体在 馈送交流电源的条件下，就会产生与交流电源频率相同的电磁辐射，而且这就是制 造各种微波天线的基础；各种气体、液体、固体、等离子体，在受到热、光、电等 激发时，由于其微观结构中基本带电粒子的振动、转动情况发生变化或电子能级跃 迁的作用，亦会产生各种性质不同的电磁辐射。 2 2 辐射术语 2 2 1 极化和立体角。 偏振和极化是两个等价的中文名词，它们对应于同一个英文单词 p o l a r i z a t i o n 。它涉及电磁波的电场矢量方向的描述：极化状态是根据电场矢量方 向与参考平面方向的关系柬定义的。如果位于某一点电磁波的电场矢量都在。个平 面内，则称为线性极化的或线性偏振的。线性极化可以根据辐射的参考平丽进一步 分为水平极化和垂直极化两种。设一个参考平面由两条直线确定，一条是入射地面 的电磁波波束或地面发射的电磁波波束所在的直线，另一条是地表面( 或者地面小 面积元的表面) 的垂线。对于线性极化的辐射，水平极化( h o r i z o n t a l l yp o l a r i z e d ) 的电场与参考平面垂直，垂直极化( v e r t i c a l l yp oj a f iz e d ) 的电场与参考平面 平行。任何电磁波都可以分解成水平极化和垂直极化两个部分。 微波辐射计( m i c r o w a v er a d i o m e t e r ) 探测到的不是来自太阳的自然光，而是来 自地球表面( 陆地、海洋或者大气) 的自发辐射。在微波范围，粗糙表面的发射率 与电磁波的极化状态关系非常大，所以在微波辐射计里，一个波段可能对应着两个 通道；这时，通道( c h a n n e l ) 和波段( b a n d ) 的概念不能通用。对于微波辐射计， 仪器的频率( 单位g h z ) 和极化状念( 用v 表示垂直极化，用h 表示水平极化) 是 一个通道的两个要素。例如，( 3 7 v ) 和( 3 7 h ) 分别代表对应垂直极化和水平极化 状态的两个通道，而它们的波段中心频率都是3 7 g h z 。 如图2 1 所示，立体角微分元对应的小面积元是 华北电力人学硕十学位论文 d s = 丽一b c = ( 劢) ( 一o b d o ) = ( 一o b s i n o d f k ) ( 一o b d o ) = r 2s i n o d & # ( 2 - 1 ) 蚓2 - 1 ：立体角的定义 立体角的微分被表达为 艘= 簧= s i n o d o d 妒 ( 2 2 ) 式中立体角采用立体弧度 s f = s t e r a d i a n 作为它的啦位。一个球面的立体角是 q = 肛= i d 庐f s i n o d 0 ( 2 3 ) 2 2 2 表观光学量 辐射能q ( r a d i a n te n e r g y ) 表示辐射的能量多少，单位是焦耳 1 = j o u l e s ， 用q 表示。 辐射通量中( r a d i a n tf l u x ) 是单位时阳j 里通过一个面积的能量，单位是瓦特 w = j s 1 ，用中表示。 辐射强度i ( r a d i a n ti n t e n s i t y ) 它代表一个点光源在特定方向上单位立体角的辐 射通量单位是 w s r “ ， i = d o d q 【w s r l 】 ( 2 4 ) 辐射亮度l ( r a d i a n c e ) 表示沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量， 它的定义是 l ( 0 ，= d 2 m ( d a d q c o s 0 ) ( 2 5 ) 华北电力人学硕十学位论文 式中d _ 4 c o s o 是与波束方向垂直的面积元。辐射亮度l 的单位是【w m s r 。 。 辐射亮度在中文文献中也经常被翻译为辐射度，为了统一名称，现在规范为辐射亮 度。在大多数文献中，人们使用辐射亮度代表沿辐射方向单位面积和单位立体角的 辐射通量，无论是出射还是入射。 亮度b ( b r i g h t n e s s ) 也表示沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量， 它的定义与辐射亮度相同。在传统定义上二者也有一些差别，亮度表示对入射辐射 的量度，辐射亮度表示对出射辐射的量度。目前在最新文献中人们很少使用，亮度 描述电磁波的辐射，而使用辐射亮度去描述之，无论是出射辐射还是入射辐射。亮 度仅仅被用来描述“亮温”或“亮度温度”。 “单色”辐射亮度l ( s p e c t r a lr a d i a n c e ) 表示辐射亮度相对于频率或波长的 能量分布，它的定义是 三( 旯，日，庐) = d l ( o ，) ( 况 l ( f ，日，痧) = d e ( 8 ，庐) d f ( 2 - 6 ) “单色”辐射亮度代表在单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐 射通量。“单色”辐射亮度中的形容词“单色的”可以省略，无论在中文还是在英 文中。辐射亮度l ( 九，o ，巾) 的实用单位是 w m “m s r 。1 ，幽际单位足 w m 。3 。 因为立体角弧度 s r 在国际单位制中不列为单位：所以它不出现在辐射亮度的国际 单位制表达式中。为了与辐射照度的单位区分，建议在研究中使用实用单位制表达 辐射亮度的单位 w m 7 “m 一s r 。1 。 辐射照度e ( i r r a d i a n c e ) 表示通过单位面积的辐射通量，它的定义是 e = d o d a 【w m 。】 ( 2 - 7 ) 根据定义，辐射照度e 与辐射亮度l 的关系是e = l 三c o s o d o 。 根据普朗克量子理论，电磁波的能量是不连续的，而只能是“能量子”一即 单个光子的能量的倍数。根据波、粒二像性，单个光子的能量e 与频率f 成征比， 即e = h f ：式中普朗克常数h = 6 6 3 1 0 0 4 f j s 】。在生物光学中，特别是在光合作 用中，太阳辐射所包含能量还可以使用光子的能量【h f 表示。因为光子的能量太 小，人们改用阿佛加德罗常数6 0 2 1 0 2 3 与 h f 的乘积表示能量。为了回避阿佛加 德罗常数6 0 2 x1 0 2 3 与【h f 乘积的烦琐表达，生物光学研究人员使用摩尔 m 0 1 作 为非标准能量单位，1m o l 代表6 0 2 1 0 ”个光子的能量，使用m 0 1 m 1 1i t i “】 表达e ( 九) 的单位，使用【m 0 1 m h z 1 】表达e ( f ) 的单位。单位时间通过的 这种非标准能量单位的速率也可以用来代替辐射亮度单位中包含的功率单位瓦特 ( w ) 。 对于非常微弱的光，光学研究人员有时不用摩尔【m o l 】，而直接采用光子个数 华北电力人学硕士学位论文 作为能量单位，使用【光子个数m u m 。 表达e ( 九) 的单位，代表单位面积 单位波长范围内辐射的光子数目。单位时自j 通过的这种非标准能量单位的速率也可 以用来代替辐射亮度单位中包含的功率单位瓦特。 发射度m ( e m i t t a n c eo l e x i t a n c e ) 特指辐射源的自发辐射。如果与立体角有关， 它可以用辐亮度l ( ，0 ，巾) 描述，这时m = l ( 入，0 ，中) ，代表沿辐射方向的单位 波段单位面积单位立体角上的辐射源自发辐射通量。如果与立体角无关，发射度m 可以用辐照度e ( ) 描述，这时m = e ( 九) ，代表通过单位波段单位面积的辐射源自 发辐射通量。 2 2 3 固有光学量 反射率r ( a ) ( r e f l e c t a n c e ) 、吸收率a ( a ) ( a b s o r p t i v i t y ) 和透射率t ( 丑) ( t r a n s m i t t a n c e ) 根据能量守恒定律，对于入射的“光谱”辐射照度，我们有 e ( 五) = e ，( ) + e 。( ) + e ，( 丑) ( 2 - 8 ) 式中i 表示入射，r 表示反射，a 表示吸收，t 表示透射。吸收率a ( a ) 定义如 下 a ( a ) = e 。e ( 2 - 9 ) 反射率r ( 丑) 定义如下 r ( 五) = e ，e ( 2 1 0 ) 透射率定义如下 f = e ，e ， ( 2 - 1 1 ) 在介质内部，吸收率、反射率和透射率之问存在一个守恒关系式 a ( 九) + r ( x ) + t ( l ) = 1 ( 2 一l2 ) 发射率s ( ) ( e m i s s i v i t y ) 的定义是 s ( 兄) = 瓦m = = i e ( 2 - 1 3 ) 式中m ( a ) 是与立体角无关的发射度，e ( z ) 是辐射源发射的辐射照度，m b l a c k ( 五) 是与辐射源具有相同温度的黑体的发射度，e ( 丑) 是与辐射源具有相同温度的黑 体发射的辐照度。黑体的发射率等于1 ，所有非黑体的发射率都小于1 ，故发射率 也被称为一个物体的灰度，以鉴别它距离黑体的靠近程度。 发射率、吸收率、反射率和透射率不但可以像上述介绍那样使用辐射照度之比 来定义，而且在更细致的研究中可以使用辐射亮度之比来定义。例如，发射率可以 华托电力人学硕七学位论文 被定义为物体发射的辐射亮度三以，0 ，毋j 与具有相同温度的黑体发射的辐射亮 度之比 哪a 舻聒m = 蔬 ( 2 一1 4 ) 式中m ( 九，0 ，巾) 是与立体角有关的发射度，n ，0 ，毋) 是与辐射源具 有相同温度的黑体发射的辐射亮度。发射率的这一定义是基尔霍夫( k i r c h o f f ) 在 1 9 世纪总结出的，被称为基尔霍夫定律。 发射率、反射率、吸收率和透射率属于固有光学量，它们的值与外界光强无 关，只与介质的固有光学性质( i o p ：i n h e r e n to p t i c a lp r o p e r t i e s ) 密切相关。 根据基尔霍夫定律，在局部热力学平衡条件下，介质吸收的能量全部被发射，发射 率等于吸收率。因此，用发射率取代在( 2 - 1 2 ) 中的吸收率，获得了一个派生关系 s ( 五) 4 - r ( a ) + f ( 兄) = 1 ( 2 1 5 ) 图2 2 显示了关于玻璃板、镜子和黑体的三个典型例子。例如，对于透明玻璃 板，入射光被全部透射过去，故t = 1 ，r = 0 ，a = 0 ，s = o ：对于镜子，入射光 被全部反射回去，故r = 1 ，t = 0 ，a = 0 ，f = 0 ；对于黑体，入射光被全部吸 收，然后又全部被发射，故，a = 1 ，s = 1 ，t = 0 ，r = 0 。 在大多数情况下t ( 九) 一o ，因此有 口( 丑) = l r ( x ) ( 2 一t 6 ) 在辐射理论研究中，这是一个很有用的公式。 图2 - 2 ：透射率、反射率和吸收率的意义 2 3 被动探测原理 自然界中的物体，只要不是接近绝对零度，任何物体都是一个辐射源，即物体 在一定温度条件下辐射电磁波，同时被其他物体所发射的电磁波所照射。物体所辐 l l 华北电力人学硕十学位论文 射的射线能量依赖于物体本身的特性，不同的物质有不同的辐射频谱，从而具有不 同的辐射特性。因此，在相同天气条件下，不同物体所辐射的电磁波在相同的频率 范围内不同。而物体所辐射的电磁波可以通过普朗克定律来测量。下面介绍普朗克 定律，对黑体( 在物体辐射频段内，都能够吸收它上面的全部辐射而无反射的理想 物体而言有： b = 等( 可b ) ， 其中 c 一为真空中的光度( 3 1 0 8m s ) h 一为普朗克常量( 6 6 2 5 6 1 0 。1 j ) k 一为波尔兹曼常数( 1 3 8 0 5 4 1 0 。3 j k ) 九一为辐射线的波长 t 一一为黑体的绝对温度 在整个无线电频段范围内，一般有h f k t l ，所以指数项级数展丌取近似值 并整理后得 驴丁2 f 2 k t = 等 设接收系统天线归一化功率增益方向图占( 0 ，妒) 其中( 0 ，曲) 分别为入 射角和方位角，并考虑天线单极化接收，只检测入射功率的一半，则在带宽af 内 接收的总功率为 肚参。弘庐) 艘眇棚矽( 2 - 1 9 ) 式中，积分是在4n 立体角内进行的，黑体亮度l ( o ，庐) = b 一f = 2 k taf ? ， 通常有f f ，并设天线的辐射电阻r 与其终端相匹配，则可得： 尸= 等胁艄 z 。) 根据天线理论，有 i g ( 口，庐) d c a = 4 a ( 2 - 2 1 ) 则有 p = k t a f ( 2 - 2 2 ) 由此可见，功率与温度是一一对应的关系。可采用温度来度量物体的辐射强度。 实际上，自然界的物体都不是理想的黑体，一般可认为是灰体( 既能吸收其他 物体能量，又能辐射出能量) 。通过探测可得到狄体的辐射功率。它可用一个黑体 华北电力人学硕十学位论文 所辐射的功率来等效，而该等效黑体的辐射功率又可表示为辐射温度。 7 ：上( 2 - 2 3 ) k a f 其中p 为探测得到的灰体辐射功率。 依靠3 5g h z 、9 5 g h z 、1 4 0 g h z 、2 2 0 g h z 毫米波频段的大气传播窗口，利用辐射 计接收地面物体及背景的热辐射能量，根据物体辐射特性的差异来进行目标探测， 这就是被动毫米波探测的原理。利用这一原理应用于导弹制导、天文探测、卜地盐 碱化监测等领域。 2 4 污秽物的检测原理 微波辐射计是一种测量物体热电磁辐射的高灵敏度的噪声功率接收机，它有高 灵敏度，可以利用目标在微波的毫米波段的辐射特性差异柬探测目标。自然界各种 物质辐射特性各不相同，相对介电常数较高或导电率较高的物质，发射率较小，反 射系数较高。在相同物理温度下，高导电材料比低导电材料的辐射温度低，即较冷。 当辐射计天线扫描绝缘子目标时，天线温度为 l ( 臼，p ) = 7 o + s ( 臼，妒) ( 2 - 2 4 ) 其中曰一一一为入射角 口一一一为方位角 c ( 0 ，矿) 一一为目标在( 口，妒) 方向的发射率 l 一一是实际温度 l ( p ，妒) 一一天线温度 因此当绝缘子上有污秽物时，发射率s 就会随着污秽量和污秽性质发生变化， 不同污秽物的辐射特性不同，最终导致辐射计的输出发生变化。根掘以上原理，在 实验室中根据国家标准选取等值盐密来对应上发射率，通过在实验室中得到的一定 量的污秽对应着特定的辐射亮温，进而在现场测量时，通过测量绝缘子的辐射亮温 以判断绝缘子的运行状况。微波辐射计体积小、空间分辨率高可以利用人工巡检， 精确定位绝缘子的故障点。 下面以瓷绝缘子为例，来阐述检测过程。洁净的瓷绝缘子在干燥的环境中因为 是非导电体发射率较高，在微波的毫米波段发射率近似为定值0 9 0 ( 由于绝缘子形 状复杂实际测量中以测量值为准) ，根据上述公式计算得到洁净的瓷绝缘子的辐射 亮温为2 6 3 7 k ( 取室温2 9 3 k ) 。瓷绝缘子上附着污秽物后，由于污秽成分不同，发 射率的变化很难用一定值表述，但污秽绝缘子一旦遇到潮湿环境，在污秽绝缘子表 面形成导电薄膜，使绝缘子绝缘性降低进而导致发射率下降最终导致辐射亮温急剧 下降。 华北电力大学硕士学位论文 2 5 污秽物的辐射特。陛 物质的辐射特性只与它的几何形状、复介电常数、表面温度有关。它本身是否 带电与不带电不会改变上述三个参量，所以带不带电都不会影响它的辐射特性。今 后为简化实验步骤先对不带电的污秽物进行测量，在得到大量的实验数据后再对带 电绝缘子测量完成标定。几何形状与表面温度在一定的天气状态下对特定型号的绝 缘子是一定值，所以今后我们重点研究的是物质的复介电常数。 令媒质的复相对介电常数为e ，自由空问的介电常数为岛，在微波波段包括水 在内的大部分媒质的复相对介电常数分成它的实部e 和虚部占”则有 占，：三一卫：s ：一麒 ( 2 - 2 5 ) to(deo 式中e 为媒质的介电常数，o 为媒质的电导率；c o 是电磁波的角频率。绝缘子表面 是光滑表面，而且污秽是均质等温媒质，绝缘子表面上方是空气，我们可以从下式 中推导出绝缘予附着污秽后的亮温 瓦( 鼠，p ) = 【1 一f ( o 。，p ) t o ( 2 - 2 6 ) 式中v ( o ，p ) 是反射率，瓦是热力学温。其中反射率由下式给出： 啷扩旷器筹簪搿 。， r ( o i , p = h ，= 筹舞嚣( 2 - 2 8 ) 其中( 2 - 2 7 ) 式是垂直极化下、( 2 - 2 8 ) 式是水平极化下的，01 是观察角既观 测方向与天底方向的夹角。 p = 妻 ( ( s ：一s i n 2 b ) 2 + s ：2 ) j + ( 占：一s i n2 臼1 ) 】 j (229)i 1l q = 去 ( ( 彰一s i n2 目i ) 2 + s ：2 ) 2 一( 占：一s i n2 目i ) 】) 2 ( 2 - 3 0 ) z 地球表面上大部分无水分的物质( 如干燥的土壤) 的介电常数一般介于1 7 - 6 之间； 水的介电常数一般认为8 1 1 2 i ，所以介电常数对含水量有很敏感的变化规律。污秽物中 含水量影响复相对介电常数的实部，污秽物中含赫量的变化影响导电性，即：复相对介 电常数的虚部。复介电常数的改变直接影响到它的发射率，这为微波辐射计探测绝缘子 污秽物中的含水、含盐量提供了可能性。 1 4 华北电力入学硕士学位论文 2 6 小结 本章介绍了辐射基本术语以及从原理上对污秽物的辐射特性作了进一步的阐 述，在理论上验证了用微波辐射计探测污秽物的可行性。从介绍的被动探测原理、 污秽物的辐射特性、污秽物的探测原理可知采用被动探测原理可以实现远距离、非 接触的在线测量污秽物的辐射特性。由于应用被动探测，可以有效的避免电磁于扰。 华北电力人学硕十学位论文 第三章污秽辐射特性的理论分析 3 1 传统的污秽绝缘子运行状态特征量的优缺点 随着运行经验的积累和科学测试手段的同益进步，衡量绝缘予污秽程度主要有 等值附盐密度、表面污层电导率、泄漏电流、污闪电压与污闪梯度等方法。现对以 上方法的优缺点作简单介绍： a 等值附盐密度( e s d d ) 是以绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽中导 电物质的含量所相当的n a c l ，简称等值盐密。由于它只与绝缘子的污秽量、成分和 性质有关，所以称为污秽的静态参数。测量方法是用一定量的蒸馏水，将一定面积 瓷表面上的污