劉安文，湯衛(wèi)，程光強，嚴(yán)申劼，王金煒

（紹興電力局，浙江 紹興 312000）

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)負(fù)荷需求的提高，電力系統(tǒng)對輸變電設(shè)備的可靠性提出了越來越高的要求。因此，輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的在線檢測和故障診斷，對提高設(shè)備運行的可靠性、經(jīng)濟性和降低維修成本都具有重要意義。紫外成像檢測技術(shù)是在設(shè)備不停電的情況下直接觀察設(shè)備的放電情況，能夠更好地早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況，可以更加靈敏、直接反映設(shè)備運行中的放電現(xiàn)象，確保設(shè)備缺陷得到及時處理，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

1 檢測原理

紫外線的波長范圍是40～400 nm，太陽光中也含有大量的紫外線，但是由于臭氧層的吸收作用，實際輻射到地面上的太陽光中的紫外線波長大都在300 nm以上，低于300 nm的波長區(qū)間稱為太陽盲區(qū)。而高壓設(shè)備放電時，根據(jù)電場強度的不同，會產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧。電離時，空氣中的正負(fù)離子不斷獲得和釋放能量，在釋放能量的過程中，即有紫外線輻射出來，放電產(chǎn)生的紫外線的波長范圍為230~405 nm[1]。如圖1所示。紫外成像技術(shù)，就是利用特殊的儀器接收處于240~280 nm（太陽盲區(qū)）范圍內(nèi)的紫外線信號，經(jīng)處理后成像并與可見光圖像疊加，以此達到排除干擾，確定放電的位置和強度的目的，從而為進一步評估設(shè)備狀態(tài)提供依據(jù)。

圖1 電磁光譜波長示意圖Fig.1 The diagram of the electromagnetic spectrum wavelength

2 儀器工作原理

最新的紫外成像儀利用紫外線束分離器將輸入的影像分離成兩部分。它用盲光濾光器過濾掉太陽光，并將第一部分的影像傳送到一個影像放大器上，影像放大器的作用是將微弱的影像信號變成可視的影像。因沒有太陽光輻射的影響，可以得到高清晰的圖像。影像放大器將紫外光影像發(fā)送到一個裝有CCD裝置的照相機中，而同時被探測目標(biāo)的影像被發(fā)送到第二臺標(biāo)準(zhǔn)的視頻照相機內(nèi)，采用特殊的影像處理工藝將2個影像疊加起來，最后生成顯示設(shè)備可見光圖像和放電圖像二合一的雙光譜圖像[2]，如圖2所示。

圖2 紫外成像儀雙光譜成像示意圖Fig.2 Sketch map of the dual spectrum imaging of the ultraviolet imaging instrument

3 紫外成像檢測技術(shù)特點

3.1 與傳統(tǒng)預(yù)防性試驗相比較

與傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗和離線檢測相比，紫外檢測有以下技術(shù)特點:

1）由于依靠紫外光輻射來獲取設(shè)備運行技術(shù)狀態(tài)和故障信息。所以，紫外檢測時可以做到不停電、不改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而監(jiān)測到設(shè)備在運行狀態(tài)下的真實狀態(tài)信息。

2）由于紫外檢測為被動檢測，檢測過程中不需要另備輔助信號源，因此，該檢測方法具有檢測手段單一、操作方便的特點。

3）可實現(xiàn)大面積快速掃描成像。能夠以圖像的形式迅速、直觀、形象地顯示運行設(shè)備的故障位置。

4）由于紫外檢測儀的響應(yīng)不受被測設(shè)備和檢測儀器之間的相對速度的影響，因此可采用直升飛機巡測，且較可靠。此舉不僅能降低勞動強度，同時又可使檢測不受地理環(huán)境條件的限制。

5）根據(jù)紫外檢測結(jié)果建立設(shè)備狀態(tài)信息庫，有利于實現(xiàn)電力設(shè)備的狀態(tài)管理和向狀態(tài)檢修體制的過渡，并促進電網(wǎng)檢修向智能化診斷方向發(fā)展[3]。

3.2 與紅外（IR）成像檢測相比較

紫外檢測技術(shù)和紅外檢測技術(shù)是一種互補而非沖突的技術(shù)，由于電暈放電的機理，放電過程中產(chǎn)生的熱量非常小，通常紅外檢測不能發(fā)現(xiàn)，紅外檢測通常是在高電阻處產(chǎn)生熱區(qū)。紫外成像往往看到的是紅外成像不能看見的，而紅外成像可以看到的現(xiàn)象往往紫外成像看不到，因此兩種成像檢測設(shè)備在輸電線路檢測中在技術(shù)上形成互補，較好地彌補了單一設(shè)備檢測預(yù)留的空白（見表1）[4]。

表1 紫外檢測與紅外檢測的特點與功能比較Tab.1 Comparison of the characteristics and functions for the UV detection and infrared detection

4 紫外成像檢測技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用

紫外成像檢測技術(shù)作為一項最近被引入電網(wǎng)的技術(shù)，近幾年，國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)已經(jīng)開始了該技術(shù)在電網(wǎng)中應(yīng)用的研究及推廣工作。筆者采用該技術(shù)在近幾年檢測過程中，主要發(fā)現(xiàn)以下幾種問題。

4.1 電氣設(shè)備絕緣故障的診斷

由于電氣設(shè)備絕緣故障時，會有多方面的特征體現(xiàn)出來。筆者在某變電站進行巡檢時，發(fā)現(xiàn)某110 kV開關(guān)中間法蘭存在放電，如圖3所示。后經(jīng)紅外測溫判斷，該處溫升達到3℃，存在嚴(yán)重缺陷。此類缺陷的紫外特征是放電時的紫外光字?jǐn)?shù)非常小，但缺陷多數(shù)較為嚴(yán)重。

4.2 導(dǎo)線外傷檢測

導(dǎo)線架線時拖傷、運行過程中外部損傷、斷股、散股等可用紫外成像儀檢測。如圖4所示。導(dǎo)線表面或內(nèi)部變形都可能導(dǎo)致其附近電場強度變強，在滿足條件時會產(chǎn)生電暈。這種電暈肉眼很難判斷，但用紫外成像儀檢測則非常直觀，對于日常巡查和檢驗工程質(zhì)量很有意義。

圖3 110 kV開關(guān)中間法蘭放電檢測Fig.3 The discharge test of the middle flange for the 110 kV breaker

圖4 導(dǎo)線損傷Fig.4 The damages on the conductors

4.3 高壓設(shè)備均壓環(huán)故障

高壓設(shè)備均壓環(huán)起著增大設(shè)備曲率半徑，均勻電場的作用。如果該設(shè)備破損或安裝位置不正確，則不僅起不到均勻電場的作用，反而會導(dǎo)致場強梯度變大，加速設(shè)備絕緣損壞。如圖5所示。若均壓環(huán)安裝位置不對，也會引起放電，如圖6所示。

圖5 均壓環(huán)破損Fig.5 The damages on grading rings

圖6 均壓環(huán)安裝位置錯誤Fig.6 Misplacement of grading rings

4.4 高壓設(shè)備污染程度檢測

污染物通常表面粗糙，在一定電壓條件下會產(chǎn)生放電，如絕緣子表面因污染會產(chǎn)生電暈。導(dǎo)線的污染程度、絕緣子上污染物的分布情況等，都可以利用紫外檢測技術(shù)進行有效分析。如圖7所示。

4.5 電氣設(shè)備安裝質(zhì)量檢測

高壓電力設(shè)備由于電壓等級較高，電場強度較大，通常超過空氣的耐電強度而產(chǎn)生電暈。因此要采取許多降低電場強度（采用均壓環(huán)）、增強設(shè)備絕緣能力（采用新的耐電能力強的絕緣介質(zhì)）的技術(shù)手段。而這些技術(shù)手段是否執(zhí)行到位，可以采用紫外成像儀進行檢測。如圖7所示。我們在實際檢測中發(fā)現(xiàn)某新投產(chǎn)110 kV線路絕緣子串均壓環(huán)安裝位置錯誤，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重放電的現(xiàn)象。

圖7 管母端部表面臟污Fig.7 The surface smudge on the bus line end

5 紫外成像檢測的影響因素

紫外光子數(shù)受儀器操作本身和環(huán)境影響，主要的影響因素有所選增益、檢測距離、氣壓、溫度、濕度和風(fēng)力等。

5.1 檢測距離的影響

在電暈放電量相同的情況下，把放電點視為球心，發(fā)射的光子以此點為球心向四周擴散，理論上紫外光子數(shù)應(yīng)與距離平方成反比。然而，在實際檢測中發(fā)現(xiàn)并不符合該規(guī)律，同一距離下，測得紫外光子數(shù)是時變的。究其原因，一方面，鏡頭所處球面的球心與電暈源并不重合；另一方面，電暈的發(fā)生有一定的分散性，即使保持檢測距離不變，不同時間的紫外光子數(shù)也具有一定的分散性。

5.2 所選增益的影響

紫外成像光譜在電暈發(fā)出的光譜中所占比例較小，且經(jīng)光學(xué)傳輸損耗，最終到達CCD（charge coupled device）板的光子數(shù)很少。因此，為提高儀器靈敏度，儀器內(nèi)部對進入光學(xué)系統(tǒng)的紫外光子進行增益處理，即在檢測過程中調(diào)節(jié)UV通道的增益以適應(yīng)不同的紫外線強度。紫外線較弱的場合設(shè)定高的增益，紫外線較強的場合設(shè)定較低的增益。成像儀的增益在0~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，隨著增益的增高，圖像依次呈點狀、輻射星狀和云狀，3個階段沒有明顯的界限：1）點狀發(fā)生在增益很小時，光子數(shù)跳躍性很大，因此，一般不用于紫外檢測，而是定位放電的位置。2）輻射星狀發(fā)生在增益與紫外放射源相匹配時，在實際檢測中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紫外光子為輻射星狀時，光子數(shù)基本在一個較小的范圍上下浮動，光子數(shù)較穩(wěn)定。3）云狀發(fā)生在增益較大時，高的增益可能會檢測到放電時空氣中大分子反射輻射出的多余光子，因此這種情況下的檢測會有很高的背景噪聲[5]。試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增益在40%~80%時，紫外光子數(shù)相對比較穩(wěn)定，此時放電區(qū)域為輻射星狀。

5.3 氣壓、溫度的影響

氣壓和溫度的變化會改變空氣密度，影響電離過程，進而影響到紫外光子數(shù)的大小。一般而言，在其他條件相同的情況下，低氣壓、高溫度條件下的紫外光子數(shù)要比高氣壓、溫度低條件下的紫外光子數(shù)多。究其原因，隨著溫度的升高，氣壓降低，空氣密度降低，增加了氣體分子電離時自由電子的平均自由行程，自由電子在電場中更容易積累能量，促進了電離的發(fā)展，使得起暈電場場強降低，電暈數(shù)量增加，從而紫外光子數(shù)也隨之增加。

5.4 濕度的影響

濕度對紫外光子數(shù)的影響比較復(fù)雜。有些情況下，濕度的增加可降低電暈強度，如絕緣子串濕潤后表面電導(dǎo)增加，相對而言，電壓分布變得更為均勻，絕緣子電暈強度有可能降低。而多數(shù)情況下則相反。因為濕度增加后，絕緣子表面污穢物中的可溶物質(zhì)會更多地溶于水中，泄漏電流增加，更容易在絕緣子表面形成局部干區(qū)和發(fā)生沿面放電[6]。

5.5 風(fēng)的影響

對于戶外運行的電氣設(shè)備，發(fā)生電暈放電時，在大風(fēng)條件下，放電產(chǎn)生的帶電粒子會被風(fēng)力加速散發(fā)，使紫外成像的模式有所變化。因此，在室外應(yīng)用紫外成像儀進行設(shè)備檢測時，應(yīng)在無風(fēng)或風(fēng)力很小的條件下進行。

6 紫外成像檢測應(yīng)用存在的問題

紫外成像檢測技術(shù)在中國電力系統(tǒng)中應(yīng)用的時間較短，目前仍處于技術(shù)引進的初級階段，影響測量結(jié)果的主要因素有所選增益、檢測距離、氣壓、溫度、濕度和風(fēng)力等。在實際應(yīng)用中尚存在以下問題有待改進。

6.1 紫外光子標(biāo)定問題

紫外成像檢測采用的標(biāo)定方法為紫外光子計數(shù)來衡量放電程度。但現(xiàn)場準(zhǔn)確檢測電氣設(shè)備紫外光子數(shù)比較困難。

6.2 放電強度的量化問題

目前，利用紫外成像儀在現(xiàn)場進行電暈放電檢測時，通常是根據(jù)儀器所顯示的單位時間（1 min）內(nèi)紫外光子數(shù)對電暈放電強度進行量化。然而，這種方法并不能有效判斷電氣設(shè)備電暈放電處在什么階段，是否存在即將發(fā)生閃絡(luò)的危險，也不能有效判斷電暈損失是否在正常的范圍之內(nèi)。

6.3 放電后果的評估問題

不同設(shè)備或同一設(shè)備不同部位的電暈放電所導(dǎo)致的后果不同。同時，在檢測過程中，環(huán)境因素的作用反映在電暈檢測中表現(xiàn)為，不同環(huán)境下，通過紫外成像儀觀察到的電暈放電有一定變化。因此，如何正確評估電暈放電后果，是紫外成像檢測技術(shù)在系統(tǒng)中應(yīng)用亟需解決的問題。

7 結(jié)語

紫外成像技術(shù)在輸變電設(shè)備多種缺陷和故障的檢測中具有簡單高效、直觀形象且不影響設(shè)備運行、安全方便等優(yōu)點，值得推廣應(yīng)用和深入研究。紫外檢測采用的標(biāo)定方法用紫外光字?jǐn)?shù)計數(shù)來衡量放電程度，但現(xiàn)場準(zhǔn)確檢測電氣設(shè)備紫外放電光子數(shù)比較困難，受環(huán)境影響較大，因此標(biāo)定紫外光技術(shù)還需要大量的研究工作。利用紫外成像技術(shù)重新選擇合適的表征參數(shù)，對電暈放電強度進行量化處理，找出此參數(shù)和電暈放電各階段的對應(yīng)關(guān)系，成為紫外成像檢測電暈放電的重要研究內(nèi)容和發(fā)展方向。

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