（高电压与绝缘技术专业论文）基于紫外脉冲法的绝缘子放电检测的研究.pdf

分 j ， h1lj， 声明尸明 i l l l l t l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l t l l l l l l i y 17 8 5 3 7 1 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于紫外脉冲法的绝缘子放电检 测的研究，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：摘堑盘日 期：亚2 应：至，2 多 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：越盎，盍 日期：! 盟丝! 主! ! 墨 导师签名：宣塑氢丝青匍 日期：冽，3 1 主 r j i ，、_1，j， 弋 n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 依据气体放电理论和绝缘子沿面放电的特点以及电晕放电的光谱特性分析，提 出了采用紫外脉冲法用于绝缘子放电的检测，研制了基于日盲型光电倍增管的绝缘 子放电紫外脉冲检测系统，此套检测系统灵敏度高且具有较强的检测能力，能够检 测到绝缘子放电产生的微弱紫外光信号，能够切实的定量的反映放电的强弱，是一 种有效的探测放电的新方法。使用此套检测系统对污秽绝缘子的放电进行了检测研 究，利用检测到的污秽绝缘子的紫外脉冲参量，使用基于最小二乘支持向量机的预 测模型对绝缘子表面等值盐密进行了预测，取得了较好的效果，该方法为e s d d 的 在线监测提供了一种准确而有效的途径，具有一定的实际应用价值。 关键词：绝缘子，光电倍增管，最小二乘支持向量机，虚拟仪器，放电检测 a bs t r a c t a c c o r d i n gt o t h eg a sd i s c h a r g et h e o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n s u l a t o r 。s u r f a c e d i s c h a r g e a n ds p e c t r a lp r o p e r t i e so fc o r o n ad i s c h a r g e , u vp u l s em e t h o du s e dt od e t e c t i n s u l a t o rd i s c h a r g ei sp r o p o s e d ，a n dt h eu vp u l s ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do ns o l a r - b l i n d p h o t o m u l t i p l i e rw a sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a sh i g hs e n s i t i v i t ya n dc a nd e t e c tw e a ku v s i g n a lg e n e r a t e db yi n s u l a t o rd i s c h a r g e i th a sg o o dd e t e c t i n gc a p a b i l i t i e sa n dc a ne f f e c t i v e l y q u a n t i f yt h ed i s c h a r g es t r e n g t h ，a n di ti san e wm e t h o df o re f f e c t i v e l yd e t e c t i n gd i s c h a r g e e x p e r i m e n tt e s tf o rp o l l u t e di n s u l a t o rd i s c h a r g ew a sc a r r i e do u tw i t ht h eu vp u l s ed e t e c t i o n s y s t e mi nl a b o r a t o r y , a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e du vp u l s ep a r a m e t e r so fp o l l u t e di n s u l a t o r , t h ei n s u l a t o rs u r f a c ee s d dw a sp r e d i c t e dw i t hap r e d i c t i o nm o d e l sb a s e do nl e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea n di ta c h i e v e dg o o dr e s u l t s t h em e t h o dp r o v i d e sa na c c u r a t ea n d e f f e c t i v ew a yf o re s d do n l i n em o n i t o r i n ga n dh a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e y a n gz h a o g u a n g ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g - c h e n g k e yw o r d s ：i n s u l a t o b p h o t o m u l t i p l i e rt u b e s ，l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d i s c h a r g ed e t e c t i o n ，(1 ， 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及其意义j 1 1 2 国内外绝缘子检测技术的研究现状2 1 2 1 电量检测法2 1 2 2 非电量检测法：。：3 1 2 3 绝缘子污秽的预测5 1 3 本论文的主要工作一6 第二章绝缘子表面放电理论与紫外光脉冲检测原理7 2 1 绝缘子表面气体放电理论与特性7 2 1 1 汤生电子崩理论7 2 1 2 流注理论8 2 1 3 绝缘子沿面放电分析1 0 2 2 紫外脉冲法检测绝缘子放电的原理1 1 2 2 1 绝缘子表面放电的光谱特性1 1 2 2 2 紫外光检测器件一光电倍增管1 2 2 2 2 1 光电倍增管的工作原理1 2 2 2 2 2 光电倍增管的类型1 3 2 2 2 3 光电倍增管的基本特性1 5 2 3 本章小结：1 7 第三章绝缘子紫外脉冲检测系统的设计1 8 3 1 系统构成1 8 3 2 光一电转换模块1 9 3 2 1r 2 0 7 8 日盲型光电倍增管1 9 3 2 2 高压模块和驱动电源2 0 3 2 3 分压电路2 2 3 2 3 1 电阻链的设计2 3 3 2 3 2 末极并联电容2 3 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 滤光系统2 4 3 4 放电定位模块2 5 3 4 1 紫外辐射的空间分布规律一琅伯余弦定律：2 5 3 4 2 定位装置的实现2 6 3 5 前置信号调理模块2 7 3 5 1i u 转换2 7 3 5 2 脉冲信号的放大2 7 3 6 系统抗干扰和降噪措施2 8 3 7 系统软件的设计2 9 3 7 1 虚拟仪器简介2 9 3 7 2 采集模块的设计3 0 3 7 3 数据分析及显示3 2 3 8 紫外脉冲检测系统的测试3 2 3 8 1 距离对紫外脉冲输出的影响3 2 3 8 2 驱动电压对紫外脉冲输出的影响3 3 3 8 3 放电位置空间分辨率3 4 3 8 4 紫外光脉冲和电晕脉冲电流的相关性3 4 3 8 5 不同间隙下工频电压与紫外光脉冲个数的关系，3 6 3 8 6 不同间隙下工频电压与紫外光脉冲最大幅值的关系3 7 3 8 7 结论3 7 3 9 本章小结3 8 第四章基于紫外脉冲的污秽绝缘子放电特性的研究3 9 4 1 复合绝缘子沿面放电紫外脉冲特性3 9 4 1 1 试验方法3 9 4 1 - 2 干燥条件下的沿面放电4 0 4 1 3 湿润条件下沿面放电4 1 4 2 瓷绝缘子沿面放电紫外光脉冲特性；4 3 4 2 1 试品及涂污方式：4 3 4 2 2 电压对绝缘子沿面放电紫外脉冲特性的影响4 3 4 2 3 不同盐密下绝缘子沿面放电的紫外脉冲特性一：4 6 4 2 3 1 紫外脉冲个数的变化4 6 ， 华北电力大学硕士学位论文目录 4 2 3 2 紫外脉冲幅值的变化4 6 4 3 基于最小二乘支持向量机的绝缘子等值盐密的预测4 8 4 3 1 最小二乘支持向量机函数估计算法4 9 4 3 2e s d d 预测模型的建立5 0 4 3 3 预测模型的训练5 2 4 3 4 预测结果与分析：5 2 4 4 本章小结5 3 第五章结论与展望5 4 5 1 主要结论：；5 4 5 2 工作展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 0 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 绝缘子作为电网中用量庞大、种类繁多的零部件，其性能的优劣对整个输电系 统的安全运行起着非常关键的作用。尤其是在户外运行的绝缘子，除了应具有一定 的电气绝缘性能和一定强度的机械性能之外，还应具备耐受自然环境和污染等的侵 袭以保证安全供电的条件要求。由于绝缘子对电气设备或导体既要起绝缘作用，又 要起固定悬挂作用，其质量主要取决于电气绝缘性能和力学性能，由于绝缘子长期 运行于强电场、高温日照、机械应力、湿度、污秽物等环境下，当其劣化达到一定 程度时，其绝缘性能就会降低。特别在高压输电线路上，绝缘子的劣化直接威胁着 电力系统的安全运行【l 】。如果绝缘子串存在零值绝缘子，相当于有部分绝缘被短路， 相应的也减少了绝缘子串的整体爬电距离，这样就大大增加了该串绝缘子的闪络概 率。一旦发生闪络，零值绝缘子的钢帽经常会炸裂或脱开，从而出现绝缘子串的掉 串和电力线路的导线落地等严重事故【2 】；沉积在输电线路绝缘子表面的污秽层受潮 。后会使绝缘子的外绝缘能力下降，常引起污闪事故，严重影响供电系统的可靠性。 据统计，目前由于污秽而引起的绝缘闪络事故在电力系统总事故中，仅次于雷害而 居第二位，但由污闪事故所造成的损失却是雷害事故的1 0 倍【3 】，全国六大电网几乎 都发生过大面积污闪，造成了巨大的经济损失。 随着国民经济的迅速发展，输电方式正在向更高电压等级、更远距离的方向发 展，改善劳动强度和提高检测工效将更受到人们的重视。目前5 0 0 k v 线路上每串的 绝缘子数量至少为2 5 片，在大跨越耐张串上可有3 0 3 4 片，且为双串、甚至四串并联， 一级杆塔上的绝缘子数量可多达数百片。我国目前正在开发研究的1 0 0 0 k v 电压等级 的特高电压输电，一级杆塔上的绝缘子数量将更多【4 】。因此，为保证电网中绝缘子 的安全运行，绝缘子在线检测就显得尤为重要和迫切。 可用于实施绝缘子状态检测的特征量主要有脉冲电流、绝缘子电压、电场分布、 电荷分布、声和超声波、光( 含红外线、紫外线) 等等【5 西】，其中基于紫外线的检测目 前在紫外成像仪上得到应用【_ n 。 紫外成像仪能直接检测出设备异常温升之前的放电过程，是国际上放电检测的 主要方法，紫外成像仪比起其他检测手段，具有观察直观、观测距离远等优点，但 这也是一种人工检测手段，尤其是对放电不明显的早期预报，需要依靠检测工人的 经验判断。而且，由于紫外成像仪价格昂贵，难以用来构建在线检测系统，无法做 到电力线路运行情况的全线自动检测，考虑到紫外成像检测法在放电早期预报方面 存在的问题，有必要研究基于紫外线的其他检测方式。 华北电力大学硕士学位论文 随着绝缘子在线检测技术的改进和提高，对绝缘子污秽放电的预测也变得越来 越重要，通过一种有效的预测方法得到的预测结果可以准确地、有效的反映绝缘子 各个部位和整体的污秽状况，以便对故障预测和防范、合理安排检修计划和检修重 点具有重要的指导意义。因此，利用一种有效的预测方法对绝缘子污秽放电状态进 行预测具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外绝缘子检测技术的研究现状 近年来，国内外一直在寻找有效的绝缘子在线检测法。至今绝缘子检测方法分 为电量检测法和非电量检测法两类【8 - 9 1 。电量检测法包括短路叉法和火花间隙法、电 压分布法、脉冲电流法、和泄漏电流法等；非电量检测法包括紫外成像法、超声波 检测法、红外成像法、无线电波法和激光多普勒法等。 1 2 1 电量检测法 ( 1 ) 短路叉法和火花问隙法 短路叉法( 火花叉法) 是目前最常用的检测方法。该方法根据火花叉与绝缘子接 触是否产生放电来判断绝缘子的好坏。目前常用短路叉法和火花间隙法检测，这些 方法易于检测零值绝缘子，测试方法简单，但准确性较低，对低值绝缘子，特别是 一串中存在多片低值的情况下，则很难作出正确的判断。常用的火花叉法有两个缺 点：一是需逐个测量所有绝缘子，费时、费工、效率低；二是检测时火花放电的声 音被电晕声淹没且距离远，难以准确判断。 ( 2 ) 电压分布法【1 0 _ i 通过测量绝缘子的分布电压，来检测线路零值或劣质绝缘子。当绝缘子的分布 电压值等于或接近零时，则可认为是零值或劣质绝缘予。并且目前d l t 6 2 6 2 0 0 5 劣化盘形悬式绝缘子检测规程给出了3 5 k v 5 0 0 k v 输电线路绝缘子电压分布标 准值，根据这个标准，可以采用测量绝缘子的电压分布值，该方法能较准确地判断 劣质绝缘子及其位置，但是必须登杆，具有劳动强度大、安全性差、效率低等缺点 并且需要经验判断，而且，对于5 0 0 k v 、7 5 0 k v 线路超长绝缘子串，即使某片绝缘 阻值下降，电压分布变化不大，用本方法检测较为困难。 ( 3 ) 脉冲电流法 脉冲电流法【12 1 3 】通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘状 况。其原理是：劣质绝缘子的绝缘电阻很低，使其它正常绝缘子在绝缘子串上的承 受电压明显大于正常时的承受电压，因而回路阻抗变小，绝缘子电晕现象加剧，电 晕脉冲电流必将变大。根据线路上存在劣质绝缘子时电晕脉冲个数增多、幅值增大 的现象，即可检出不良绝缘子。但是，由于脉冲信号很微弱，且其频谱很广，容易 2 华北电力大学硕士学位论文 受电力载波、广播电波及电力机车等外来噪声的影响，检测结果不够准确。 ( 4 ) 泄漏电流检测法 测量绝缘子表面污秽程度常用的方法有等值附盐密度、测量污层电导率和测量 绝缘子表面泄漏电流法【1 4 】。前两者是在停电时进行，难以反映绝缘子在运行中的真 实情况。污秽绝缘子的泄漏电流是运行电压作用下污秽受潮时测得的流过绝缘子表 面污层的电流。当绝缘子表面污秽物积累到一定程度时，在一定外界环境下可造成 绝缘子的闪络，因而可通过测量泄漏电流的大小变化来检测绝缘子的污秽程度。国 内外对此都有较深入的研究，证实了测量泄漏电流对于检测合成绝缘子污秽程度的 可行性。研究表明：随着合成绝缘子老化的加深，闪络电压降低，泄漏电流升高， 因此可通过泄漏电流的变化来检测合成绝缘子的劣化程度。泄漏电流法虽能在低压 端准确测量泄漏电流的变化，但受很多因素影响，不能准确反映劣化程度；尽管该 方法能反映较严重的绝缘故障，但在判断绝缘失效后留给操作人员处理的时间有 限，很难单独广泛应用；它要求每个绝缘子串上安装一套检测装置，成本过高，用 户难以承受，且装置的维护、检修需停电进行。 1 2 2 非电量检测法 ( 1 ) 超声波检测法【”】 。一“当存在污秽或劣化绝缘子，并已引起绝缘子表面局部放电增加时，随着电能量 的释放过程，对周围的介质产生压力，从而引起空气振动，造成声波发射现象。声 波信号的幅值与放电能量的平方根成正比。由于局部放电每次持续时间较短，声波 的频谱范围较宽。通过检测绝缘子放电时候声波的幅值，可以判定放电强弱，从而 了解绝缘子运行状态。该方法更适合判断由于污秽等原因造成的较为明显的局部放 电，对绝缘子劣化、绝缘阻值下降的早期预报有一定困难。借助超声波探测器，可 以查找到暴露在大气中的电晕放电点( 包括油杯终端的放电点) 。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。由于是检测绝缘子局部放电发出的声波，灵敏 度低于红外成像法，属于非接触式测量。另外，在现场强大的高压磁场下，区别局 部劣化放电信号，有一定难度。 ( 2 ) 红外成像法【1 6 。7 】 在绝缘子发生绝缘劣化或者表面污秽严重后，会造成运行中绝缘子串的分布电 压的改变、泄漏电流异常，出现发热或局部发凉迹象，这是红外成像法检测劣化绝 缘子的基本原理：利用红外检测技术，对绝缘子进行红外热成像处理，可以得到绝 缘子串的热场分布，对应于绝缘子串的电压分布。由于劣化绝缘子会造成裂纹处温 升、内部穿透性泄漏电流和表面爬电泄漏电流加大、发热增加等现象，表面温度较 3 华北电力大学硕士学位论文 高，根据绝缘子表面温度与相应位置正常绝缘子表面温度的对照，可判定绝缘子的 运行状态。该方法可在地面检测绝缘子的局部放电和绝缘降低，更主要是检测局部 放电。 该方法的缺点是：当劣化绝缘子的绝缘电阻在5 。l o m f 2 之间时，温度变化不明 显，难以通过红外热像加以区别，存在检测盲区。而且，该方法受环境影响较大， 太阳和背景辐射的干扰、光谱发射率的选定、对焦情况、气象条件等均会对检测 结果造成影响。因此，在实际应用中还受到一些限制。 ( 3 ) 紫外成像法 在绝缘子表面发生放电时，根据电场强度( 或高压差) 的不同，会产生电晕、闪 络或电弧，其中含有部分紫外光【搪】。近年，国外倾向于用紫外成像仪直接观察设备 放电情况。紫外成像仪能直接检测出设备异常温升之前的放电过程，是国际上放电 检测的主要方法，在美国、俄罗斯等国广泛应用【1 9 】。我国香港也积累了紫外放电检 测的大量运行经验，2 0 0 2 年以来，国内几大城市的电力高压试验室也开始进行日盲 型紫外成像仪的应用试验，取得初步效果，目前以色列生产的一种紫外成像仪避开 了阳光中的紫外线光谱，从而可在白天使用。其摄像镜头具有自动对焦等功能，且 同时利用可见光和紫外光双重成像，非常便于在地面对准绝缘子拍照。图1 1 为白天 在实验室中一只合成绝缘子表面缺陷处发生局放时用该仪器观察到的画面，局放部 位明显发亮。 图1 - 1 缺陷绝缘子放电的紫外成像图 目前逐渐推广的紫外成像仪比起其他检测手段，具有观察直观、预见性好、观 测距离远等优点，但这仍然是一种非在线的人工检测手段，无法做到对电力线路全 线放电情况的自动监测。同时j 由于紫外成像仪价格昂贵，难以构建在线监测系统。 利用紫外光传感器构成检测系统，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 2 0 - 21 】。根据日本滨松( h a m a m a t s u ) 公司 介绍，紫外光敏管也可用于电力线电晕放电的检测。但我国开展电力设备紫外在线 4 华北电力大学硕士学位论文 检测系统方面研究的报告非常少，重庆大学和清华大学在此方面做了初步得研究， 紫外检测系统可直接统计设备的放电脉冲数【2 2 1 ，较之脉冲电流法具有更快速直观、 预测性更好的特点；比泄漏电流检测法具有不接触、不受高频干扰影响、灵敏度更 高的特点，与紫外成像法相比，这种方法有低成本、高灵敏度、在线检测、可提前 预警等优点，而且不受交通条件和人为因素限制，更适用于绝缘子运行状态的实时 监测，应用前景广阔。 1 2 3 绝缘子污秽的预测 对绝缘子污秽放电状况进行预测是一项十分复杂的工作，目前经常使用的预测 方法主要有以下几种：模糊逻辑方法【2 3 】、专家系统【2 4 1 、支持向量机【2 5 也们、人工神经 网络【2 7 2 8 】等方法，它们中的一种或几种集成的方法被应用于绝缘子污秽放电的预测 中，取得了较好的效果。下面对一些方法加以介绍： ( 1 ) 专家系统：专家系统是人工智能应用研究中最活跃和最广泛的课题之一， 它是一种基于知识推理的系统。它通过获取大量的领域内专家知识，并在此基础上 进行推理从而得到问题的解答。专家系统还具有解释功能，便于人们理解和掌握其 推理过程。目前，专家系统己经在电力系统的负荷预测、电力设备的在线监测与故 障诊断等领域得到了广泛的应用，但是，专家系统有知识获取的“瓶颈 问题和诊 断推理不确定性问题。 ( 2 ) 模糊逻辑方法：模糊逻辑方法具有多因素综合分析的特点，因而适合于对 受多种因素影响的具有不确定性结论的事物或现象做出总的评价。即对被评判事物 或现象，通过赋予每个影响它的因素一个评判指标，再根据所给条件计算分析得出 其总体的带一定倾向性的结论。 ( 3 ) 人工神经网络方法：人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) ，简称 “神经网络 ，它是在人类对其大脑工作原理认识的基础上，以人脑的组织结构和 活动规律为背景，反映了人脑的某些基本特征，可以说是对人脑的某种抽象、简化 和模仿【1 7 】。它是理论化人脑的数学模型，是基于模仿大脑功能而建立的一种信息处 理系统。它实际上是由大量的处理单元通过适当的方式互联构成的网络，具有高度 的非线性映射能力、自组织和自适应能力、记忆联想能力等，能够进行复杂的逻辑 操作和非线性映射。文献 1 8 ，1 9 提出了用人工神经网络预测基于泄漏电流、气象因 素的绝缘子等值附盐密度( 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 , 简称e s d d ) 。 ( 4 ) 支持向量机：支持向量机是一种研究有限样本情况下，统计和机器学习规 律的通用学习方法，建立在统计学习理论和结构风险最小化原理的基础上，通过保 持经验风险值固定并最小化置信范围来实现结构风险最小化，比传统的基于经验风 险最小化原理的方法( 神经网络) 有明显的优点。 5 华北电力大学硕士学位论文 不同的预测方法有不同的优点和缺点。专家系统方法和模糊推理方法在确认事 实和建立规则时需要大量的实践经验，不适合小样本的情况；在人工神经网络方法 中，神经元之间的关系是通过学习样本得到的，但是神经网络的结构过于复杂，需 要估计的参数相对于较少的数据样本显得太多，导致所得到的神经网络模型对数据 过学习即泛化能力不够，使预测精度不高。另外神经网络的结构难以选择也限制了 自己的应用。支持向量机通过结构风险最小化原理来提高泛化能力，较好地解决了 小样本、非线性、高维数、局部极小点等实际问题，已在模式识别、信号处理、函 数逼近等领域得到了应用【2 5 ，2 9 1 。 1 3 本论文的主要工作 ( 1 ) 从气体放电的机理和绝缘子沿面放电特性分析入手，研究了波长小于 2 8 0 r i m 的日盲区紫外线的检测方式以及绝缘子沿面放电紫外脉冲检测原理，研究了 光电倍增管的原理和使用特性以及光电倍增管在紫外辐射测量技术和微弱“日盲 区紫外光检测技术中的应用，为紫外脉冲检测装置的研制提供了理论基础； ( 2 ) 研制以日盲型光电倍增管为核心器件的非接触式紫外脉冲检测装置，并对 其硬件系统和软件系统进行研发； ( 3 ) 以棒板间隙为测试对象，对系统进行了测试，分析了在不同测试条件下系 统的性能，研究紫外光脉冲和电晕脉冲电流的相关性以及利用紫外光脉冲法对绝缘 子沿面放电进行监测的可行性； ( 4 ) 对不同污秽度的绝缘子进行了大量的实验，对紫外光脉冲信号进行分析， 提取其特征量，分析了绝缘子紫外脉冲幅值、紫外脉冲数与等值盐密( e s d d ) 和相对 湿度的关系，绘制出了染污绝缘子表面等值盐密、紫外脉冲幅值、紫外脉冲数量和 空气相对湿度的关系曲线； ( 5 ) 研究利用紫外脉冲检测绝缘子污秽程度的方法，介绍了最小二乘支持向量 机( l s s v m ) 的基础知识，利用最小二乘支持向量机模型对放电紫外脉冲数、紫 外脉冲幅值、电压、相对湿度数据进行处理，预测绝缘子盐密，并用实验数据进行 了验证。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章绝缘子表面放电理论与紫外光脉冲检测原理 绝缘子表面的气体放电过程和电子运动速度、空间电子密度有关，而电子运动 速度取决于空间电场强度，电子密度取决于绝缘子的放电程度和大气环境。在大气 压下，流注理论认为，空间光游离和库仑碰撞是流注发展的主要原因，而紫外强度 可以表征空间光游离的程度，并且离子、电子的碰撞和电子运动速度、离子电子浓 度有关，因此本章从气体放电的一般理论入手，探讨利用紫外强度来表征空间的电 场强度和绝缘子放电程度的在理论上的可行性。 2 1 绝缘子表面气体放电理论与特性 绝缘子表面气体放电是一个复杂的过程，放电情况和设备承受的电压、表面形 状、污秽程度、内部绝缘情况、环境温度、湿度、天气情况等有关【3 0 。3 。其放电规 律遵循汤生放电原理和流注理论。 2 1 1 汤生电子崩理论 一澎， 一切电流通过气体的现象称为气体导电或气体放电。不同的工作条件将产生不 同的气体放电现象，并具有不同的放电性质。在研究气体放电现象时，通常把放电 分成商大类：一类是非自持放电，另一类是自持放电。非自持放电是指存在外致电 离源的条件下放电才能维持的现象。自持放电是指去掉外致电离源的条件下放电仍 能维持的现象。在外致电离源的作用下，当放电间隙两端电压增加到某一足够值， 管内电流突然增大，此时若移去电离源，放电电流仍足够大，即此刻放电的形成与 外致电离源的存在与否无关，这种状态称自持放电。放电从非自持放电转变到自持 放电的过程称为气体的击穿过程或着火过程，这种放电的现象与理论由科学家汤生 在上世纪初首先研究并建立，故称为汤生放电【3 2 1 。在分析了大量实验情况后，汤生 认为电子在均匀电场中运动，不断从电场获得能量，电子碰撞气体原子引起电离， 损失能量。在平衡态这两部分能量应该相等。新电离出来的带电粒子被电场加速， 也能引起电离。当一个初始电子从阴极跑向阳极并引起碰撞电离，顺序发生第1 ，2 ， 3 ，4 次碰撞电离，新产生的电子也向阳极运动并产生碰撞电离，相应的向阳极 运动的电子数增加到2 ，4 ，8 ，1 6 ，电子愈走愈多，像雪崩式增长，故称电子 崩。电子崩理论适用于电子在电场作用下有向运动占优势，电子无规则热运动占劣 势的放电区。 汤生电子崩理论的伏安特性曲线如图2 1 所示，可分为t o ，t l 和t 2 三部分。 在t o 区，作用在电极间的电压很低，气体中流过的电流也很小，：如图所示从零开始 上升，而后趋于饱和，这是剩余电离下的带电粒子在电场作用下作定向迁移的结果。 7 华北电力大学硕士学位论文 由于宇宙射线和地壳中放射性元素的辐射作用，任何时刻、任何地点的任何气体中 均具有一定量的电子和离子，这种现象叫做剩余电离。在没有外场的情况下，这些 带电粒子与气体分子一样在空间作杂乱无章的运动。当放电管两端加上较低的电压 时，电子和离子在场的作用下作定向运动，于是电流从零开始逐渐增加，当极间电 压足够大时，所有的带电粒子都可到达电极，这时电流达到某一最大值。剩余电离 产生的带电粒子密度一般很弱，所以t o 区域中饱和电流值仍很小( 约l o - 1 2 a 量级) 。 图2 - 1 汤生电子雪崩理论伏安特性曲线 汤生放电理论根据上述的放电基本过程，引入系数a 和p 来描述气体电离的机 理。汤生第一电离系数表示一个电子沿着阴极到阳极方向运动时，经过单位路程与 气体原子发生碰撞电离所产生的自由电子的数目，这种电离过程也称a 过程。汤生 第二电离系数( 正离子的体积电离系数) 表示一个正离子沿着阳极到阴极方向运动， 经过单位路程与气体原子发生碰撞的次数，这种过程也称p 过程。 附着系数表示一个电子沿电场方向单位长度中的附着概率。附着降低自由电子 数，在某种意义上和电离是竞争的过程。 2 1 2 流注理论 以碰撞电离过程为基础的汤生放电理论很好的解释了短间隙距离的气体击穿， 但是汤生理论并未考虑空间电荷对外施电场的畸变，也没有全面考虑二次电子崩的 初始电子的来源，它并不能解释击穿过程的形成时延和局放较大时放电通道具有分 枝以及放电过程不受阴极材料影响的现象。1 9 4 0 年w e e k 和l e o b 建立了流注理论 ( 也称流光理论) ，与汤生理论相互补充。彼得逊1 9 7 0 年建议，在实际条件下，流 注理论对不均匀电场是更加适用的。按照流注理论【3 3 】，在单一电子崩达到临界尺寸 后会出现非常快速的击穿过程。高速电子形成电子崩的球状头部，向阳极移动。相 对电子来说，正负离子移动很慢，可看作是不动的，留在它们产生的地方形成很长 的带正电荷的崩尾，在大气压下电子扩散速度较小，电子崩的电荷较集中，它明显 扰乱了原来的电场，使崩的头部电场发生变化。由于在电子崩的前方电场加强，电 8 华北电力大学硕士学位论文 子加速运动，导致进一步电离，并由许多电子碰撞形成激励态粒子返迁释放出光子 向四处照射，又容易被气体吸收产生光电离，产生二次电子，从而在空间电荷加强 的电场中迁移，碰撞电离而产生二次电子崩，并向初崩头部汇合成流注通道，进一 步发展至间隙击穿。流注理论认为放电从起始到击穿并不是碰撞电离的量变过程， 而是当初始电子崩发展到某种程度，子电子崩产生的电荷数超过某一临界值时，空 间电荷显著畸变外电场，使空间发生光电离的质变的结果。由光电离造成的二次电 子崩向主电子崩汇合形成流注，放电转入自持放电，并由空间光电离维持放电的发 展。流注理论的空间光电离过程可以很好的解释汤生理论无法解释的放电时延、放 电形貌以及电极材料的影响等物理过程。 根据电晕层中放电过程的特点，电晕可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。 当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放 电采取汤生放电形式，即出现电子崩时的电晕。随着电压的升高，电晕层不断扩大， 个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲形式，开始转入流注形式的电晕放电。若电 极曲率半径加大则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升 高，个别流注强烈发展，出现刷状放电的情况，放电的脉冲现象更加激烈，最后可 贯通间隙，导致间隙完全击穿。 一般认为电子崩形式适用于均匀电场，流注理论更适用于不均匀电场。对不均 匀电场，场强是间隙中位置x 的函数，同样口( 功= 厂( 功从阴极至距离x 的增长将是 工，广1 e x pk ( 力出。按照汤生理论，由7 譬ie x p c a d ) 一l | _ l ，有 若 口l j r 一 1 7i 唧i i 口( 功出陋= 1 ( 2 - 1 ) 5 l 5 j 如果气体并不形成稳定的负离子，则 和c p = - ( 2 - 2 ) 删吣弦们小d 卜叫蛳这里 x | r 心= 1 0 5 - - 1 0 8 ，或他一叩皿= l i l 盯= k ，这里k = 1 2 1 8 ，式中，是引起击穿的 0 临界电子崩长度。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 绝缘子沿面放电分析 对于清洁绝缘子，若绝缘良好，其放电早期主要表现为绝缘子表面气体固体交 界面处的微弱空气碰撞电离。由于绝缘子大曲率半径处集中大量电荷，同时制造过 程的工艺限制使绝缘子表面电荷、电场强度分布不均匀，在电荷集中处的一层极薄 的空气，容易发生空气击穿。此时的绝缘子放电，虽然是在大气压下进行的，由于 气隙击穿现象集中在强电荷区域，电极很短，而在绝缘子其他部分则未发生放电， 气隙气压的乘积较小，故可理解为汤生放电，按照尖板放电模型解释。绝缘子表面 发生光游离或电子游离，引起电子崩，在初期只要外界游离因素消失，放电随之消 失，是非自持放电。在一定气压下，放电程度取决于局部电荷分布，即该区域电场 强度。随着电压升高，由于强烈的游离，产生很多正离子，正离子到达阴极时使阴 极表面游离出新的电子，则放电只依靠电场就可以维持下去，绝缘子放电转换为自 持放电，在大曲率半径处开始出现电晕，并伴随有声、光、热等现象。当电子崩发 展到一定程度，电场不均匀程度加大，强电荷区域增加，间隙距离相应增加，电子 崩发展为流注。随着强场区的气体游离，不断发生游离、复合，激励、反激励，发 出大量光子，在起晕电极附近形成电晕层，电晕层附近空气的电场发生强烈扭曲， 使流注放电持续进行 绝缘子放电时，在绝缘子表面产生微弱的泄漏电流，在绝缘子内部由于微小孔 洞、裂纹的存在，也有微弱的泄漏电流通道。随着绝缘子运行时间加长，其内部晶 体孔洞、裂纹处容易吸收水分子，加强电离，同时，由于机械承重、绝缘子自身发 热、材料不均匀等原因，机械应力和发热不均使绝缘子的裂纹、内部孔洞增大，绝 缘逐渐劣化，则绝缘电阻下降，绝缘子承担的电压降低，内部泄漏电流加大若绝缘 子出现破损、裂纹等伤害，则破损、裂纹处集中的电荷会引起该处空气电离增加， 放电增强，并伴随发热、噪声等现象，沿面放电加剧。 当绝缘子表面积累了污秽，在湿度r h 7 0 的情况下，污秽对绝缘子的放电没 有明显影响，其放电过程和清洁绝缘子一致，表现为电子崩和流注形式。当湿度上 升，在绝缘子表面形成导电层，则绝缘子放电由空气电离放电发展为局部电弧在绝 缘子表面的延伸或者熄灭，沿面放电加剧，此时在绝缘予表面可看到紫色、桔黄色 的电弧，极端情况下绝缘击穿，发生污闪绝缘子的放电过程，可以归纳为电子崩、 流注、主放电三个阶段。在气隙较长的情况下，流注通道较长，粒子摩擦产生高温， 会发生热游离，产生先导放电，使得放电沿着热游离通道延伸，这时绝缘子的放电 过程包括电子崩、流注、先导、主放电这四个阶段【3 0 , 3 4 】。 l o 华北电力大学硕士学位论文 2 2 紫外脉冲法检测绝缘子放电的原理 2 2 1 绝缘子表面放电的光谱特性 高压电气设备电晕放电时( 当电晕放电发展成闪络或者电弧时，紫外辐射同样 是增强的，两者的发展方向是一致的，因此在此就以电晕放电为研究对象) 放电光 谱和外加电压的关系，用文献 3 5 1 【3 7 】的研究可以说明。电压分布和电场分布的畸 变有相似的规律，电场极不均匀的地方也是电压分布极不均匀的地方( 主要发生在 导线端绝缘子的大曲率半径处) 。由于尖板放电可以表示极不均匀电场，发展到一 定阶段的绝缘子表面局部放电，可以用尖板放电模型来模拟。图2 2 是空气中不同 外加电压下尖板放电的电晕光谱。 翮嘲嘲晴柏曩嘲im融 一一 ( a ) u = 6 0 0 0 v , d = 2 5 m m ( b ) u = 8 0 0 0 v , d = 2 5 m m( c ) u = 8 0 0 0 v , d = 4 o m m 图2 - 2 空气中不同外加电压和距离下尖板放电的电晕放电光谱 可见电晕放电的光谱包括近紫外、可见光、红外3 个谱段，既有连续谱，也有 谱带和分离谱线，这表示电晕放电的光谱由分子光谱、原子和离子的发射光谱组成。 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。说明了能用紫外辐射表征电压大小和放电强弱，因 此，紫外光作为检测信号可用于高压设备的放电检测。 在绝缘子沿面空气发生电离放电时，由于电场强度( 或高压差) 的不同，会产生电 晕、闪络或电弧，一般情况下，电离的主要形式还是电晕，只有当情况恶化时，才 会发生闪络或者电弧，此时可以将其看作更为严重的放电，性质是相同的，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，其中也包括微量日盲区紫外光，图 2 3 是典型的电力设备放电光谱，可以看出典型的电晕放电的紫外光谱段主要在 3 0 0 4 0 0 n m 的紫外线区域，也有小部分波长在2 3 0 2 8 0 n m 。 鼻 x 鬟 珏 惦 膳 勰 _li，o蠢簟量望孽，薯耋l量量l蜃 锋 鼻 奢 t m 埔 盼 塘 置于l矿羞芏各tl譬萱-专童 华北电力大学硕士学位论文 紫外线的波长在4 0 n m - 4 0 0 n m 范围内，而典型的电晕放电的光谱段主要在 3 0 0 - 4 0 0 n m 的紫外线区域，其中也有小部分波长在2 3 0 2 8 0 n m 。太阳光中也含紫外 线，但由于波长小于2 8 0 h m 的部分被大气中的臭氧所吸收，所以能通过大气传输的 只有2 8 0 n m 一4 0 0 n m 的紫外信号，低于2 8 0 h m 的波长区间称为太阳盲区，亦称“日盲一。 如果探测系统避开最强大的自然光源一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，可以得到比较理想的探测效果。 2 3 4 0 0s o o w a v e l e n g t h ( n m ) ： 图2 - 3 典型的电力设备电晕放电光谱分布图 2 2 2 紫外光检测器件一光电倍增管 2 2 2 1 光电倍增管的工作原理 光电倍增管( p h o t om u l t i p l i e rt u b e ，简称p m t ) 是灵敏度极高，响应速度极快的 光探测器。目前光电倍增管已被广泛应用于极低能量射线探测、照度计、极微弱光 探测、热释光量仪、化学发光、分光光度计、旋光仪、色度计、尘埃计、生化分析 仪、浊度计、光密度计、生物发光研究、辐射量热计、扫描电镜、光子计数等仪器 设备中【3 8 3 9 1 。 图2 - 4 两种典型的光电倍增管的结构示意图，光电倍增管是由光电发射阴极( 光 阴极) 和聚焦电极、电子倍增极及阳极( 电子收集极) 等结构组成的。典型的光电 倍增管可按入射光接收方式分为端窗式和侧窗式两种类型。它的主要工作过程如 下：当入射光照射到光阴极时，光阴极接受外部光子信号向真空中激发出光电子。 这些光电子被电场加速撞击按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射 得到倍增放大。然后把放大后的电子被阳极收集作为信号以电流或电压形式输出。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 橱极删鞭 囊生屯最 ( a ) 非聚焦型的盒一网电子倍增系统( b ) 聚焦型的瓦片电子倍增系统 图2 - 4 两种典型的光电倍增管的结构示意图 因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区 的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管 还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 2 2 2 2 光电倍增管的类型 ( 1 ) 按接收入射光方式分类 光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分为端窗型( h e a d o n ) 和侧窗型 ( s i d e o n ) 两大类。 侧窗型光电倍增管( r 系列) 是从玻璃壳的侧面接收入射光，两端窗型光电倍 增管( c r 系列) 则从玻璃壳的顶部接收射光。图2 5 分别是侧窗式光电倍增管和端 窗式光电倍增管的外形图。 图2 - 5 侧窗型光电倍增管( 左) 与端窗型光电倍增管( 右) 一般来说，侧窗型光电倍增管( r 系列) 的单价会便宜些( 大概数百元只) ， 在旋光仪、分光光度计