（电气工程专业论文）基于紫外检测法的非接触式特高压验电器的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本论文在高压电气设备电晕放电以及放电紫外光检测技术方面做了探索性研究 工作。在高压设备放电过程中会伴随有光波和声波辐射。通过检测放电产生的紫外 光能有效地获知设备的带电情况。本文以工程应用为目标，从放电原理和紫外光检 测电路设计入手，研究了基于紫外光检测的高压设备及输电线路的验电技术，研究 了电力电子系统中电子仪器的电磁兼容性问题，完成了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的紫 外光检测系统的硬件设计。在此基础上，完成了非接触式特高压验电器的研制工作， 通过大量的现场试验和高压大厅试验验证了紫外光检测技术用于高压验电的有效 性。它能用于检验超高压及以上电压等级的电气设备、线路是否有放电发生从而判 断是否带有工频电压，具有声光报警、液晶显示、电路自检等功能。具有灵敏度高， 准确度好，功耗小，携带方便，操作安全、简单，抗干扰强等优点。 本论文在高压设备放电紫外光检测技术研究和特高压验电器研究中，主要完成 了以下工作： ( 1 ) 研究了高压设备放电原理及其检测技术； ( 2 ) 研究了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的紫外光检测系统的硬件设计； ( 3 ) 完成了基于紫外检测法的非接触式特高压验电器三代样机的研发工作。将 本课题研究的紫外光检测法应用到特高压验电器的研发中，成功研发出第三代基于 紫外脉冲检测法的非接触式特高压验电器。通过重庆2 2 0 k v 邮亭变电站、四川5 0 0 k v 自贡变电站、西宁7 5 0 k v 官亭变电站总计8 次大量的现场试验和高压大厅试验，验 证了此方法能适用于特高压输电系统的设备放电检测，能检测设备的放电程度以及 判定设备是否带电； ( 4 ) 研究了系统的电磁兼容设计和干扰抑制技术。通过测量西宁7 5 0 k v 官亭 变电站现场电磁场强度，结合电磁屏蔽技术对高压验电器进行了良好的屏蔽保护， 保证了仪器工作的正常。 关键词：特高压，电晕放电，紫外光，非接触式，验电器 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a s t t h i sp a p e rm a k e sag r o p i n gr e s e a r c h t h ec o r o n ad i s e h a r g e f r o mh i g hv o l t a g ef f l v ) e q u i p m e n t sa n d t h et e c h n o l o g yo f u l t r a v i o l e tl i g h t ( u - v - l i g h t ) d e t e c t i o n i nt h ep r o c e s so f t h ed i s c h a r g e s , i tw i l lr a d i a t et i g h tw a v ea n ds o u n dw a v i ga sw e l l 嬲o z o n e t r y - l i g h t , m i n u t eq u a n t i f i e sn i l r i ca c i de t e t h e r e f o r e ，i ti sf e a s i b l et od e t e c tt h ep i 啪o fc h a r g e b ym e a s u r i n gt h eu v - l i g h tf r o mt h ei - i ve q u i p m e n t s a c c o r d i n gt ot h ea c q u i r e m e n to f p r o j e c ta p p l i c a t i o n , w eh a v ed e s i g n e dt h eh a r d w a l eo fu v - l i g h td e t e c t i n gs y s t e m , r e s e a r c h e dt h et e e l a n o l o g i e so fv o l t a g et e s t i n gb a s e do i lu v - l i g h td e t e c t i o n , a n d r e s e a r c h e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) o f t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e md u r i n g t h eh a r d w a r ed e s i g n i n g t h et v - l i g h td e t e c t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l yb a s e d o nc 8 0 5 1 f 0 2 0 b a s e do nt h ep l a t f o r mo ft w - l i g h td e t e c t i n gs y s t e m , t h en o n c o n t a c t e l e c t r o s c o p eo fu l t r a - h i 曲v o l t a g e ( u i - i v ) h a db e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d l a r g e n u m b e r so f t e s t sw e r ec a r r i e do u ta tt h el o c a l es u b s t a t i o na n dt h ev o l t a g el a b o r a t o r y ；t h e r e s u l t sh a v ep r o v e dt h ee f f e c t i v i t yo fn o n e o n t a c tu ve l e c t r o s c o p e i ti ss u i t a b l ef o r t e s t i n gt h ep r e s e n c eo ft h ev o l t a g ei nt h et r a n s m i s s i o nl i n e sa n de q u i p m e n t so fp o w e r s y s t e m i th a st h ef u n c t i o n so f a l a r mo f s o u n d - l i g h t ；l c dd i s p l a y ；c i r c u i ts e l f - i n s p e c t i n g i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t y , e x a e d t u d e ，s t a b i l i z a t i o n , l i t t l ep o w e r c o n s u l l l l ：， c o n v e n i e n tt oc 慨m o l es a f e t ya n da n l j - j a m m i n g n e p u r p o s eo f t h i sp a p e ri st oa p p l yt h eu l t r a v i o l e td e t e c t i n gs y s t e mt ov o l t a g et e s t i n g w i t hm o l ct h a nt w oy e a r so f h a r dw o r k , t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h er e s e a r c ha r es h o w n b e l o w ： ( 1 ) r e s e a r c h e do nt h ep r i n c i p l eo f d i s c h a r g ea n dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ； ( 2 ) r e s e a r c h e do nt h eu l t r a v i o l e td e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nc 8 0 5 1 f 0 2 0 ； ( 3 ) r e s e a r c h e do nt h et e c h n o l o g yo fv o l t a g et e s t i n g , s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d n o n - c o n t a c tu h vd e e t r o s e o p eli i , m w i t ht h ec o m b i n a t i o no fv o l t a g et e s t i n ga n d t r y - l i g h td e t e c t i n gs y s t e m , t h en o n - c o n t a c tu h ve l e c t r o s c o p e h iw a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d as e r i e so f t e s t sw 啪c a r r i e do u ta tt h e2 2 伪y o u t i n gw a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , 5 0 0 k vz i g o n gt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , 7 5 0 k vg u a n t i n gt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n dt h e h v l a b o r a t o r yi nc h o n g q i n gu n i v e r s i t y , i ti si n d i c , a t et h a tt h ee l e c t r o s c o p ec o u l dt e s tt h e v o l t a g ew i t hg o o dr , e r f o m a a n e e ( 4 ) r e s e a r e l a e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) o f t h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n da n t i - j a m m i n gt e e l m o l o g y w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h em e a s u r e m e n ta n d 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a n a l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to f7 5 0 k vg - u a n t i n gs u b s t a t i o ni nx i n i n ga n d e l e c m n n a g n e t i cs h i e l d i n go fs p e c i a l t ye l e c t r i cp o w e rd e v i c e s , af e a s i b l es c h o n l eo f s h i e l d i n gd e s i g na n dg r o u n d e di sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：u h vc o r o r l ad i s c h a r g e , u v q i g h t , n o n c o n t a c t , e l e c t r o s c o p e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 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谢意。 学位论文作者签名：勃1 1 铰由j签字日期：加以年吼猬才日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：勃1 缓利导师签名： 签字日期：7 年。r 月才日 签字日期：年月日 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 随着国民经济的持续、快速发展，电网规模迅猛扩大，目前我国无论是装机容 量还是年发电量都居于世界前列，变电站作为电力系统的重要组成部分，其运行状 况直接关系着电网的安全、稳定运行 目前，我国正大力发展特高压长距离输电技术，并在西北电网公司7 5 0k v 官亭 变电站和兰州东变电站、7 5 0k v 官东i 线进行了试点( 西北电网公司西宁输变电运营 工区7 5 0 k v 官亭变电站的7 5 0 k v 电压等级的绝缘水平相当于平原地区的1 0 0 0 k v 电压 等级，即平原地区的特高压) 。而架空的特高压输电线路和特高压变电设备在停电检 修时需要验明是否带电，以防意外发生。根据电业安全工作规程中的规定，在 全部停电或部分停电的电气设备上工作，必须采取停电、验电、装设接地线、悬挂 标示牌和装设遮栏的技术措施。并对验电的操作方法和步骤做出了严格的规定【l , 2 1 。 验电操作是变电站倒闸操作中最常见的操作之一，7 5 0 k v 输变电工程的投产运 行对运行人员的操作方法提出了新的要求。新的电压等级，新技术的大量应用使得 传统的操作方法已不能满足新设备的要求。西北电网公司对我国首条7 5 0 k v 线路的 安全验电提出了项目需求。 当气体间隙上电压提高至一定值后，可在间隙中突然形成一传导性很高的通 道此时称气体间隙击穿( 也可叫气体放电) 。气体间隙击穿后，可依电源功率、 电极形式、气体压力等具有不同的放电形式：在低气压、电源功率较小时，放电表 现为充满整个间隙的辉光放电形式；在高气压下，常表现为火花或电弧放电形式； 在极不均匀电场中，会在局部电场较强处先开始放电，称为电晕放电除使用纯空 气间隙作绝缘外，电力系统中还有许多处在空气中的固体绝缘。如输电线路的绝缘 子，电机定子绕组槽外部分的绝缘等。所以还会遇到气体沿固体表面放电的情况( 也 称沿面闪络) 例 由于高压输电线、金属夹具和线路接头等在高压下有持续的电晕放电，支撑绝 缘子也有肉眼难以看见的放电，所以，线路和器具是否带电，也可以利用放电与否 来判定。 利用紫外传感器构成的检测系统，在火灾报告、河流治理、地震预报、气象预 报、海洋环境检测等方面都有广泛应用 4 1 根据日本h a m a m a t s u 公司介绍，紫 外传感器也可用于电力线电晕放电的检测。但我国尚无开展电力设备紫外在线检测 方面研究的报告，只是在变电站红外在线检测方面有所研究。紫外传感器具有不接 触、不受高频干扰影响、灵敏度更高的特点，而且不受交通条件和人为因素限制， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 更适用于电力设备的各种检测，应用前景广阔1 5 司。 而随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻 的要求。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。局部放电， 是绝缘介质中的一种电气放电，这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间 的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近0 0 , 1 1 电力设备绝 缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问 题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质( 特别是有 机电介质) 的局部损坏若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至 击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发 现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。 为了保障电网的线路稳定运行和停电检修时的安全，急需对高压设备的放电进 行深入研究。可以利用放电的特征并结合紫外光检测技术来有效地进行高压设备的 放电检测和高压验电。本论文的立足点和研究方向正是基于上述原因而设立的。 因此，总结本课题研究的主要意义有如下几点： ( 1 ) 通过本课题的研究，开辟了紫外光检测技术应用的新领域；( 2 ) 把对非电 量的检测应用到高压设备的验电技术中，为高压验电器的研制提供新的思路；( 3 ) 开发研制新的验电装置，为特高压的验电技术提供全新的技术支持。 1 2 本课题的发展概况 1 2 1 局部放电检测技术的研究现状 随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力变压器绝缘劣 化的重要原因，因而局部放电的检测和评价也就成为绝缘状况监测的重要手段。因 此，无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都愈来愈关心放电检测 技术的发展。 随着科技发展和人们认识水平的提高，发现局部放电的产生是由放电部位的电 场强度所决定的，尤其是绝缘结构中电场分布不均匀，在局部区域电场过于集中【1 2 j 。 局部放电的检测都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物 理来表征放电的状态【1 3 - 瑚。在电力设备的放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超 声波、光以及生成一些新的生成物，并引起局部过热。因此，相应的出现了电脉冲 检测法、超声波检测法，光测法、化学检测法、红外检测法等多种检测方法 1 1 , 1 5 - 1 s q 对于常见的检测方法，本文作了如下的介绍，并讨论了它们各自的优缺点。 ( 1 ) 超声检测法 用固定在变压器油箱壁上的超声传感器可以接收到变压器内部局部放电产生的 超声波，由此来检测局部放电的大小及位置。通常采用的超声传感器是压电传感器， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 选用的频率范围为7 0 1 5 0 k h z ，目的是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动 噪声。由于超声检测法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，人们对 超声法的研究较深入。但变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对 声速的影响都不一样；目前使用的局部放电检测超声波传感器抗电磁干扰能力较差， 灵敏度也不很高，这就增加了超声检测的难度。 超声检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利 用超声信号对局放源进行物理定位在电力变压器的离线和在线检测中，它是主要 的辅助测量手段。随着对局放超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度 及绝缘劣化程度。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展， 超声检测的灵敏度有了较大的提高，因而该方法的发展应用还是非常有希望的。 ( 2 ) 光测法伫蚴】 近年来采用光测法在局部放电特征及介质老化机理等方面的研究做了大量工 作。但是，由于传感器必须侵入设备，且设备透光性能不好或者根本不能透光，光 测法只能测试表面放电和电晕放电，故在现场中光测法基本上没有直接应用。 ( 3 ) 化学检测 当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物， 通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局放的状态。在g i s 中，局部放电会使s f 6 气体分解，主要生成s o f 2 和s 0 2 f 2 。用气体传感器检测这两种气体的含量即可检测 是否有局部放电产生例。 d g a 法是通过检测变压器油分解出的各种气体的组成和浓度来确定故障( 局 放、过热等) 状态的。目前，该方法已广泛应用于变压器的在线故障诊断中，故障类 型不同、故障程度不同，气体的组成和浓度也不相同，由此建立起来的模式识别系 统可实现故障的自动识别。但直到今天，仍没有形成统一的判断标准。由于气体传 感器对所检测的各种气体均敏感，导致检测准确度不高；油气分析是一个长期的监 测过程，因而对发现早期潜伏性故障较灵敏，但不能反映突发的故障。 ( 4 ) 射频检测法 利用罗哥夫斯基线圈从变压器的中性点处测取信号，测量的信号频率可达到 3 0 m h z ，大大提高了局部放电的测量频率，同时测试系统安装方便，检测设备不改 变电力系统的运行方式。对于三相电力变压器，得到的信号是三相局放信号的总和， 无法进行分辨，且信号易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展，射频检测法在局 放在线检测中得到了较广泛的应用。 ( 5 ) 脉冲电流法 它是通过检测阻抗、检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以 及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一种检测方法，i e c 对此制定了专门的标准。检测变压器局放脉冲的电流传感器通 常用罗哥夫斯基线圈制成。电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器 频宽一般在1 0 k h z 左右，中心频率在2 0 3 0 k 之间或更高，具有灵敏度高、抗干扰 能力强等优点，但输出波形严重畸变：宽带传感器带宽为1 0 0 k h z 左右或更宽，中 心频率在2 0 0 4 0 0 k h z 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。该方法的主要 缺点是：( a ) 由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范 围等都有影响，因此当试样的电容量比较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测 量灵敏度也受到了一定的限制；测试频率低，一般小于i m h z ，因而包含的信息 量少；( c ) 在离线状态其灵敏度较高，而现场中易受外界干扰噪声的影响，抗干扰 能力差。 ( 6 ) 红外热像法 它是利用变压器内部局放产生的电热能量转换来检测局部区域的温度变化。红 外熟像仪用于定性测量有其一定意义，但该方法目前用于定量研究还存在困难。 ( 7 ) 数字化局部放电测量瞄】 近年来，随着电子技术的飞速发展和电子计算机的广泛应用，计算机辅助测试 系统在变压器局部放电中的应用越来越广泛。人们将计算机辅助测试系统与传统的 测试方法相结合，将测得的局放信号经放大、滤波后进行a p d 转换，将模拟量转 换成数字量后送入计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图和统计量，由此来分 析变压器的局部放电情况。 ( 8 ) 超高频( u h f ) 局部放电检测 2 6 - 2 9 针对传统检测方法的不足，近几年出现了一种新的检测方法超高频( u h f ) 检 测法。超高频局放检测通过传感变压器内部局部放电所产生的超高频( 3 0 0 3 0 0 0 m i - i z ) 电信号，实现局部放电的检测和定位，并实现抗干扰。 对高压设备可靠性要求的不断增长将需要更高级的局部放电诊断工具。局部放 电诊断工具的可靠性和经济方面的问题已得到重视。在实际测量中，特别是在多种 非工频环境( 如高压直流、高压连续脉冲) 下，还有更多的工作有待开展。 1 2 2 电晕放电检测技术的研究现状 目前电晕放电检测技术主要有红外热成像技术、超声电晕探测器、基于紫外光 谱的电晕放电探测技术、紫外成像法和目视观察法等 3 0 - 3 2 。由于电晕放电的目标小、 强度弱，目视很难观察到；而太阳光中含有很强的红外线，用红外线望远镜观察误 检率较高另外红外线检查仪的响应速度慢，不适于航拍。有人曾试图用沿线设置 无线电探测器的方法进行电晕的测量，其唯一的优点是可连续检测，但费用高，准 确度低，安全性差是致命的弱点，难以实现。 ( 1 ) 红外热成像技术 重庆大学硕士学位论文1 绪论 红外热成像技术是一种波长转换技术，即把红外辐射图像转换为可视图像的技 术。它是利用目标内有较大的温度梯度或背景与目标有较大热对比度的特点，使得 低可视目标很容易在红外图像中看到对于电晕放电，如果看到红外图像此时，电气 设备放电已经很严重。 ( 2 ) 超声电晕探测器 超声波探测器可用来帮助查找暴露在大气中的电晕放电点( 包括油杯终端的放 电点) 这是带有抛物面反射镜的超声波探测器，经放大、转换到耳机监听和表记 指示。在发现最强的接收指示时，其正前方就是超声波源。接收器也可安装在绝缘 棒上，直接搁到变压器，电容器箱壳上检测以确定放电部位。 ( 3 ) 基于紫外光谱的电晕放电探测技术 本文委托教育部科技查新工作站进行了国际、国内文献查新( 查新日期2 0 0 6 年1 2 月1 日，报告编号2 0 0 6 0 7 7 9 ) ，在电晕放电检测技术中，国内文献报道了暨南 大学通过分析高压电晕放电的光谱特征，提出应用紫外光+ 可见光的双光谱实时视 频图像处理系统来探测高压电晕放电的研究f 3 2 】本查新项目与文献【3 2 】比较，两者 都是针对电晕放电产生的紫外辐射进行检测，而文献【3 2 】是采用图像处理技术对电 晕放电进行成像的方法，本查新项目则是直接通过日盲型紫外光电管作为检测系统 的探头，以紫外脉冲数目的形式进行表征电晕强度，实现了非接触式高压设备验电。 ( 4 ) 紫外成像法 目前，对紫外光的检测一般在火灾报告、河流治理、地震预报、气象预报、海 洋环境检测等方面应用较多。但是在电力设备的紫外光的检测应用上，目前市场上 普遍使用的是紫外成像仪。虽然本课题提出的紫外脉冲法和紫外成像仪之间有着类 似之处，但两者却存在根本区别。它们的区别具体表现在以下几个方面嘲： 1 ) 检测的主要目的不同 紫外成像仪更适用于达到一定强度后的放电图像拍摄，用作离线的、直观的放 电观察。紫外检测系统是一个便携的状态监测系统，主要是通过连续监测线路或电 力设备放电的脉冲，甄别出线路的放电状态；而紫外成像仪主要是离线检测较为明 显的局部放电、电晕、电弧，优点是图像直观，缺点是由于特高压系统的绝缘要求 高，一般对地距离较远；尤其是特高压输电线路，塔架高、跨距大、检测地点有时 受到地理位置限制，不易实现。而紫外验电器便于携带，工作方便，适合予高压放 电检测。 2 ) 检测原理不同 紫外脉冲检测系统的前端核心器件是紫外传感器，紫外传感器是光子技术器件 中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广 泛应用于光子计数、极微弱光探测等领域。紫外传感器的脉冲工作方式适用于短时 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 间或一次性测量弱光事件。紫外成像仪可分为基于光谱转换技术、基于微光像增强 器、基于a i g a n 光电探测器等几种。工作原理为：紫外信号源被背景光( 包括可 见光、紫外光和红外光等) 照射，从信号源传输到成像镜头的有信号源自身辐射的 紫外光，也有信号源反射的背景光成像光束经过紫外成像镜头后，有一部分背景 光被滤除，有一部分背景光仍然存在。其后光束再通过日盲型滤光片，照到紫外像 增强器的光电阴极上，经过紫外增强器后，信号被放大并被转化为可见光信号输出， 然后，成像光束经摄像机i c c d ，最后，经信号处理后输出到观察记录设备( 如图 1 1 所示) 。 广 r 厂 广 广 i 紫外光信号 = 爿紫外镜头 = 爿日盲型滤光 = 爿紫外摄像机 = 爿处理和显示i i一ij i _ j i一ij 图1 1 紫外成像仪的工作原理 f i g1 1t h ep r i n c i p l eo f t h eu l l r a v i o l e ti m a g i n ge q u i p m e n t 要得到信号源自身辐射的紫外光图像，必须滤除背景光。用宽带紫外光滤光片 可滤除背景光中的可见光和红外光。背景光中的紫外光主要来自太阳的辐射，在紫 外的2 4 0 n m 2 8 0 b i n 波段，太阳辐射完全被大气层中的臭氧吸收了，即在这个波 段，大气层中的背景辐射为零，亦称“日盲”。所以，滤除背景光中的紫外光而又不 影响信号源的紫外光图像，必须选用“日盲”紫外窄带滤光片在紫外成像检测系统 中，由于紫外辐射一般比较微弱，若直接用对u v 灵敏的i c c d 探测较弱的紫外 信号，由于其强度太小，而探测不到。为解决这个问题，先对紫外信号进行增强放 大，然后再探测。为了实现紫外光信号的增强放大，使用紫外像增强器比较合适。 在紫外成像检测系统中，由于紫外光的特点，要研制成紫外光像增强器有两条途径。 c a ) 研制合适的紫外光电阴极，直接研制紫外像增强；( b ) 通过光谱转换技术， 利用微光像增强器实现。 3 ) 灵敏度不同 由于检测原理上的不同，紫外传感器在脉冲工作方式下能对极弱光脉冲反应， 输出相应的光电流：而紫外成像仪则是对一定强度下、一定面积下的紫外光投射， 经过过滤和人工增强之后形成相应的光电图像。所以，紫外传感器对入射紫外光照 度的要求更低。在极微弱紫外光条件下，紫外传感器能更好地工作。而紫外成像仪 主要是用于紫外光强度足够时，构建直观的紫外图像。二者的用途不同。紫外检测 系统对放电的检测灵敏度更高。 电力设备的放电，虽然有一定的紫外光产生，但主要光能带远离日盲区。为了 实现日光下的紫外放电检测，检测装置只对日盲区紫外光敏感，而对其他光谱段不 反应。图1 2 表明，电气设备放电时候，2 8 0 n m 以下的日盲区紫外光急剧减少【1 1 】。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 这样，可供检测的紫外光信号非常低。 爨 魁 稿 复 霉 f 础，兹一 图1 2 典型的电力设备放电光谱 f i g1 2t y p i c a ls p e c t r o g r a mo f c o r o n ad i s c h m g e 高压系统的早期放电十分微弱，发射的紫外光很少，其中位于日盲区的紫外光 脉冲更是微弱。通过紫外成像仪难以捕获这种微小放电信号的变化，要等出现较为 明显的局部放电才能检测到。 4 ) 成本不同 常见的紫外成像仪成本昂贵，一般都在8 0 万甚至1 0 0 万人民币以上。 1 2 3 高压验电器的研究现状 在高压输电线路和高压变电设备停电检修工作中，需要事先验明其是否带电， 以防意外发生。目前在高压及超高压电压等级上，国内外采用的方式多为长杆上套 装电容型验电器进行验电。本文委托教育部科技查新工作站进行了国际、国内文献 查新( 查新日期2 0 0 6 年1 2 月1 日，报告编号2 0 0 6 0 7 7 9 ) ，主要结论有：( 1 ) 在高 压输变电线路的验电方面，国内文献主要报道了5 0 0 k v 的超高压验电，其原理主 要为电磁感应或超高频；( 2 ) 在非接触式的高压验电方面，国内文献主要报道了利 用电磁感应或超高频原理进行验电，其主要原理为超高频或电磁感应。( 3 ) 在特高 压的验电器研制方面，市场上还没出现相关报道和相关产品。 电容型验电器的工作原理是，通过检测流过验电器对地杂散电容中的电流来指 示电压是否存在，并通过验电器指示部分的声、光显示，给予操作人员清晰可辨的 听觉，视觉信号。然而在这些现有的高压验电器的应用中存在某些弊端，归纳起来 主要有【惦1 2 1 ： ( 1 ) 要求验电距离小 电容型验电器是通过检测流过验电器对地电容中的电流而工作的，要求起动电 压高，严格执行“起动电压值不高于额定电压的4 0 0 $ ，不低于额定电压的1 5 ”的 试验标准。这就要求它与被测目标要近距离的接触。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 2 ) 不宜携带 整个验电器需要绝缘长杆协助工作，用于高空验电时，工作人员在上下塔以及 使用过程中容易磕碰造成工具损坏。 ( 3 ) 使用不方便 随着电压等级的升高，安全距离要求越大，长杆越长，在塔上或者大风环境下 难以操作，容易出现安全事故。 ( 4 ) 灵敏度不够好 电容型验电器是通过检测流过验电器对地电容中的电流而工作的，由于设备导 电体面积大或因导体周围湿度大等原因，导体表面及其周围的电场近似于均匀电 场。验电器处在这个近似于等电位的电场中，其轴向电位梯度小，流过对地电容的 电流也小，因而工作回路不能起动。 1 3 本课题主要研究内容 在已对劣化绝缘子和污秽绝缘子紫外脉冲法及紫外在线检测系统的研究基础 上，根据以往对紫外脉冲法在电气检测领域的研究经验，提出了基于紫外检测法的 非接触式特高压设备及输变电系统的验电技术。课题的主要研究内容有： ( 1 ) 设计紫外传感器及其驱动电路，研究紫外光检测电路，完成硬件设计和 软件设计： ( 2 ) 设计研制基于紫外检测法的非接触式特高压验电器； ( 3 ) 研究电力电子系统的仪器电磁兼容性问题，针对仪器的特殊应用场合采 取合理有效的干扰抑制技术，保证仪器的正常工作； ( 4 ) 完成仪器试验工作。在西北电网公司7 5 0 k v 官亭变电站、四川5 0 0 k v 自贡洪沟变电站、大足2 2 0 k v 邮亭变电站以及重庆大学高电压及电工理 论新技术教育部重点实验室高压大厅等多个实地进行实测检验，分析试 验结果，验证了本方法对特高压输电系统的放电检测能力，达到了较好 的效果。 ( 5 ) 针对具体的应用场所，根据试验的结果，提出验电检验标准的建议。 3 重庆大学硕士学位论文2 高压设备放电与紫外光检测技术 2 高压设备放电与紫外光检测技术 2 1 电晕放电原理 3 0 - 3 5 】 并不是所有的气体放电都表现为电晕放电形式。只有在极不均匀电场中的气体， 当场强足够大时，才会形成电晕。也就是说只有当极间距离对起晕电极表面最小曲 率半径的比值大于一定值时，电晕才有可能发生；若比值小于此值，气隙将发生火 花击穿。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征 之一。电力系统中所遇到的绝缘结构大多是不均匀的。不均匀电场的形式很多，绝 大多数是不对称电场。在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电 极附近很小范围内的电场足以使空气发生游离，而间隙中大部分区域的电场仍然很 小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电( 即外界游离因素不存 在，间隙中的放电仅靠电场作用继续进行下去) 的条件放电仅局限在大曲率电极 周围很小的范围内，而整个间隙尚未击穿。在导体壳的曲率半径小的地方，特别是 尖端，其电荷密度很大。在紧邻带电表面处，电场e 与电荷密度仃成正比，故在导 体的尖端处场强很强( 即e 和盯都极大) 。所以在空气周围的导体电势升高时，这 些尖端之处能产生电晕放电。这是由于大曲率周围的强电场区的气体游离造成的。 伴随强电场区中的游离、复合，激励和反激励，发出大量光子，使起晕电极周围有 薄薄的紫色光层，称为电晕层，电晕层以外的电场很弱，不再发生游离。 通常均将空气视为非导体，但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子，带 正电的导体会吸引周围空气中的负离子而自行徐徐中和。若带电导体有尖端，该处 附近空气中的电场强度它与其他形式的放电有本质的区别，电晕放电时的电流强度 并不取决于电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导。这就取决于外加电压、 电极形状、极间距离、气体的性质和密度( 天气湿度以及空气的流动速度) 等。 另外在线路接头、绝缘子铁脚和铁帽处( 以铁脚处为主) ，属于开放性气隙放 电，因此有极性效应当电场刚刚超过临界场强时，出现强烈的放电，随着时间的 推移，放电点周围的空间电荷越聚越多，放电表面的绝缘特性也发生变化，致使放 电点周围场强减小，从而放电强度下降，频度和幅值都有所减小。因此，放电脉冲 集中出现在电压的上升沿和下降沿，相位范围较窄小且由于放电的极性效应对放电 点附近电场强度的影响，工频负半周的脉冲数目略多于正半周，但正、半周各有1 个脉冲集中区。单相线路负极性电晕脉冲集中分布在外加电压2 1 0 0 2 7 0 0 相位范围 内，正极性电晕脉冲主要分布在外加电压3 0 0 9 0 0 相位范围内。在工频过零后o - 3 m s 内发生电晕放电的概率最高。因此，同一紫外探头在一个工频周期内接收到的三相 9 重庆大学硕士学位论文2 高压设备放电与紫外光检测技术 电晕放电脉冲有3 个集中区域。 2 2 紫外光检测原理 2 2 1 电晕放电的光谱分析 高压设备的放电检测以放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物 理量来表征放电的状态。在高压设备电离放电时，由于电场强度( 或电位梯度) 存在，会产生电晕、闪络或电弧。电离过程中，空气中的电子不断获得和释放能量。 当电子释放能量( 即放电) 时，会辐射出光波和声波，还有臭氧、紫外线、微量的 硝酸等。通过光谱分析发现，其中含有微量日盲区紫外光 3 6 - 4 1 1 。 2 2 2 检测光谱范围的选择 紫外线的波长范围是4 0 m 4 0 0 姗，太阳光中也含紫外线，由于波长小于3 0 0 姗的信息被大气中的臭氧所吸收，可以通过大气传输的只有3 0 0 - - 4 0 0 m n 的紫外信 息，低于3 0 0 h m 的波长区间称为太阳盲区。高压设备放电产生的紫外线大部分波长 在2 8 0 n m 4 0 0 n m 的区域内，也有小部分波长小于2 8 0 h m 。由于探测系统避开了最强 大的自然光源太阳造成的复杂背景，“日盲光谱区”的紫外检测就为电晕放电告警 提供了一种极其有效的手段。因此紫外光检测系统的信号光路选择在日盲紫外波段 对电晕放电进行探测，可得到理想的探测效果。 放电紫外光与可见光源的分布对照如图2 1 所示。大气外界与地面的辐射通量如 图2 2 所示。 相 荚 镬 斑 f 薰蚪馒 。 7 盟麓馘 l 飞 f 钉觅 捌 ，| i ， b i蠹， i ， ，辩1t l乳驰 了 l 蕾长和- 畸 = 兰兰= 丁= 兰兰= c 些 图2 1 放电紫外光与可见光源的分布对照 f i g2 1c o m p a i - i s o b 出叩们m o f c , o r o n aa l i s c h a , g eu l u a v i o l e ta n dv i s i b l el i g h t 1 0 重庆大学硕士学位论文2 高压设备放电与紫外光检测技术 毫 f 拿 每 囊 图2 2 大气外界与地面的辐射通量 f i g 2 2r a d i a n tf l u xo f e x t r aa t m o s p h e r ea n d 霉砌 采用特定的紫外线传感器，可利用这一段太阳盲区，使仪器工作在紫外波长 1 8 5 n m 2 6 0a m 之间，而对其他频谱不敏感，从而去除可见光源的干扰。 通常以开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，它低于击穿电压。电场越不 均匀，两者的差值越大。对高压输电线路设备，起晕起始场强历为： e = 3 0 3 8 , n y ( 1 + o 圆8 4 r ) k v ( 幅值) e r a ( 2 1 ) 式中：占一空气相对密度 以空气密度指数 ，导线半径 m 表面粗糙系数，总是小于l 设备放电时的紫外线辐射强度与电场强度直接相关。紫外检测系统可对单位时 间内计量到的电晕脉冲数进行统计，从而确定放电强度，进而判断带电情况。 大气压下高压电气设备的放电光谱包括近紫外、可见光、红外3 个谱段，随着 外加电压的增加，电晕放电光谱的紫外区辐射也增加；当气隙变长时，则紫外辐射 减弱。红外光谱则相反，外加电压低、气隙较长时红外光谱更强；可见光区域对外 加电压和气隙长度较不敏感可见，对于特高压设备表面的气体放电检测，紫外 光作为检测信号比可见光和红外线更加灵敏。所以，本文提出的紫外脉冲法通过测 量单位时间内的紫外辐射强度，能够为电气设备的带电状况提供数值依据。 2 3 紫外脉冲检测的实现 由于检测紫外脉冲的实质是检测线路电晕放电，首先要考察电晕特性。在不同 电压下，高压设备的起晕概率为嗍： ，( u ) = ( i 压_ o ) p 一( “也p 7 一 ( 2 2 ) 重庆大学硕士学位论文 2 高压设备放电与紫外光检测技术 式中，u 为外加电压，uc 为5 0 起晕电压，反映多次施加电压时，线路设 备有5 0 的周期产生电晕放电的电压值，o 为方差，即5 0 起晕电压的离散程度 故高压设备的电晕发生概率可表示为： p ( u ) = f t f ( u ) d u ( 2 3 ) 电压等级越高，电晕概率增加，在超过6 4 k v 时，线路上的电晕已经出现，如 果空气中湿度升高，高压设备起晕电压会更低。所以，通过分析电晕产生的放电 脉冲的变化和有无，即检测放电产生的紫外光的变化和有无可以准确地判定高压 设备是否带电、放电。 由于紫外探头本身并不能区分紫外光的发生源，在紫外探头有效反应角的范围 内，相邻的线路和高压设备放电紫外光都会被探测到，本系统采用遮光漏斗控制紫 外探头的感光角度，去除其他光源。 重庆大学硕士学位论3 基于紫外检测法的非接触式特高压验电器的研制 3 基于紫外检测法的非接触式特高压验电器的研制 3 1 特高压验电器的研制背景 随着电力工业的发展和电网负荷需求的提高，我国正在大力发展特高压长距离 输电技术。并在西北电网公司7 5 0l 【v 官亭变电站和兰州东变电站、7 5 0k v 官东i 线进行了试点西北7 5 0 k v 输变电示范工程已于2 0 0 5 年9 月2 6 日正式投入运行， 这标志着我国输变电技术发展到了一个新的阶段，它的建成投运，必将为我国“西 电东送、南北互供、全国联网”战略的实施及资源优化配置、水火互济、潮流交换 发挥积极的作用，同时对国民经济的发展起到强有力的推动作用，对西部大开发和 促进经济可持续发展具有重要的历史意义。