匡 蕾，顧 燕

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紫外像增強器用于電力安全檢測的研究

匡 蕾1，顧 燕2

（1. 江蘇省安全生產(chǎn)科學研究院，江蘇 南京 210042；2. 北方夜視技術股份有限公司，江蘇 南京 211106）

隨著日盲紫外探測技術的快速發(fā)展，紫外電暈探測成為電力設備安全檢測的主要手段之一。測試了國產(chǎn)碲銫陰極紫外像增強器的光譜響應特性曲線，并計算了太陽輻射照射下，配備有深截止日盲紫外濾光片的紫外像增強器所產(chǎn)生的光電子數(shù)，驗證了國產(chǎn)碲銫陰極紫外像增強器在深截止日盲紫外濾光片的濾光作用下，可以滿足強烈陽光背景下電暈檢測的需求。

日盲紫外；像增強器；電暈探測；紫外濾光片

0 引言

電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電現(xiàn)象。當高壓帶電體的電壓達到可以產(chǎn)生電暈的臨界電壓，或者帶電體表面電場強度達到電暈電場強度時，帶電體周圍會因局部電場過于集中而發(fā)生電暈放電。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展，國家電力行業(yè)的規(guī)模越來越大，超高壓、特高壓電網(wǎng)越來越多。電力系統(tǒng)的設計、制造、安裝及維護缺陷，例如高壓設備的粗糙表面、終端的尖角區(qū)域、斷股的高壓導線及絕緣層表面的損壞等缺陷和安全隱患，都會在高電壓運行時產(chǎn)生電暈放電。電暈放電會產(chǎn)生高頻脈沖諧波，干擾外部電磁環(huán)境，還會產(chǎn)生巨大的能量損失，造成電力設備的損壞，引起重大的安全事故[1-2]。因此，研究能夠有效地檢測出電暈放電的設備，使電力系統(tǒng)的缺陷及時進行處理，電力系統(tǒng)可以安全可靠的運行非常重要。

電暈放電所輻射的光譜涵蓋了紅外波段、可見光波段以及紫外波段[3]。電暈檢測常見的方法有介質(zhì)損耗分析法、脈沖電流法、超高頻局部放電檢測法、色譜分析法、紅外熱像法、聲測法等[4]，這些方法存在易受外界環(huán)境影響，檢測周期長，不易定量分析等缺點，在實際檢測電暈放電的應用中存在局限性。紫外檢測技術是近幾年來應用到電力系統(tǒng)中的新技術，目前，應用最為廣泛的是南非CSIR公司生產(chǎn)的CoroCAM系列紫外成像儀和以色列與美國電力科學研究院（EPRI）共同開發(fā)的DayCor系列紫外成像儀[5]。通過檢測電力設備產(chǎn)生電暈放電時發(fā)出的紫外信號，可以實現(xiàn)遠距離檢測高壓輸電線路的電暈放電，達到評價電力設備安全狀況的目的，從而提前發(fā)現(xiàn)安全隱患。

目前對紫外輻射強度的統(tǒng)計分析主要有紫外光子計數(shù)測量和紫外光功率測量兩種方法[6]。本文簡介了基于紫外像增強器的日盲紫外電暈探測基本原理，測試了3組北方夜視集團有限公司研制的銻銫紫外像增強器的光譜響應曲線，并通過計算驗證了配備有深截止日盲紫外濾光片的高性能紫外像增強器可以滿足太陽輻射背景下電力系統(tǒng)電暈放電的檢測需求。

1 日盲紫外電暈探測原理

太陽輻射是自然界中最主要的紫外輻射來源，但是由于大氣層中的臭氧等氣體分子的強烈吸收和散射，使得波長在280nm以下的紫外光線幾乎不會到達地球表面，因此，稱280nm以下的紫外輻射為“日盲”紫外?！叭彰ぁ弊贤獾倪@一特征使得工作在“日盲”紫外波段的探測器等幾乎不會受到來自背景環(huán)境的干擾[7-8]，在軍用和民用方面得到廣泛應用[9-10]。如圖1所示的太陽輻射光譜圖[11]，虛線表示法向直接日射光譜輻射度，即在某一給定的平面接收器上，從以日面為中心的小立體角內(nèi)接收到的輻射通量與該平面面積之比，實線表示半球向日射光譜輻照度，即在某一給定平面上，從其上方天空半球（包括直接日射輻射通量）接收的太陽輻射通量與該平面面積之比。由圖1可知，波長為200～280nm的輻射光譜被強烈吸收。在這個波段內(nèi)的太陽輻射背景光功率密度小于10－13W/m2。當波長超過280nm后，太陽光譜輻照度迅速上升。

電暈放電產(chǎn)生的紫外光譜主要在200～400nm附近波段。如圖2所示的空氣中典型的電暈放電光譜[12]。在300～380nm波長范圍電暈放電輻射的光譜最強，但是由于此處太陽輻射比電暈放電強很多，并不適合電暈檢測。在200～280nm的日盲波段，雖然電暈放電的強度要弱很多，但此處太陽輻射的光譜幾乎被地球的臭氧層所吸收而近似為零。因此，發(fā)生在200～280nm日盲波段的電暈放電可以在強烈的太陽輻射背景下探測出來。

紫外像增強器結(jié)構及工作流程如圖3所示，其主要由紫外光電陰極、微通道板（Microchannel plate，簡稱MCP）、熒光屏等部件組成，可以實現(xiàn)對微弱紫外輻射信號的探測及成像。

圖1 太陽光譜輻照度曲線

目標發(fā)出的微弱紫外輻射圖像經(jīng)前端光學系統(tǒng)照射入紫外像增強器的輸入窗口，位于輸入窗口另一側(cè)的紫外光電陰極將紫外波段的光子轉(zhuǎn)化成光電子，形成微弱的電子圖像，并輸運到真空中；在真空環(huán)境電場的作用下，光電子向陽極方向加速運動，到達微通道板輸入端，由微通道板進行電子倍增，形成增強的電子圖像；在熒光屏和微通道板間正高壓的作用下，電子加速轟擊熒光屏，使電子圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像，可被人眼或光敏傳感器接收，最終實現(xiàn)微弱紫外輻射圖像到可見光圖像的轉(zhuǎn)化和能量的增強。在目標紫外輻射極其微弱的情況下，可通過增加微通道板兩端工作電壓，或采用雙微通道板甚至三微通道板結(jié)構，提高紫外像增強器輻射增益，使像增強器工作在光子計數(shù)模式，在熒光屏后耦合CCD，組成紫外光子計數(shù)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)目標紫外信號的探測。

圖2 電暈放電紫外光譜分布

圖3 紫外像增強器結(jié)構及工作流程圖

由于紫外像增強器在超過280nm的波長范圍仍有響應，因此，強烈的太陽輻射仍然會對紫外信號的探測產(chǎn)生干擾。為了去除強烈太陽光的干擾，在電暈放電探測的實際應用中，需要在紫外像增強器的前端增加對可見光深截止的日盲紫外濾光片以去除濾除日盲紫外區(qū)以外的可見光。圖4所示為電暈檢測系統(tǒng)的原理框圖。

2 實驗與計算

電暈放電在200～280nm光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的紫外輻射及其微弱，在這種情況下，紫外像增強器須采用光子計數(shù)模式進行電暈檢測。太陽輻射背景通過濾光片和紫外像增強器后產(chǎn)生的電子數(shù)可以由下式計算：

式中：PE表示在時間間隔D內(nèi)紫外像增強器受太陽輻射的影響產(chǎn)生的光電子數(shù)，PE的值越小，對電暈檢測的干擾越??；()表示太陽的輻射功率譜；D表示計算時的波長間隔；D表示時間間隔；()表示紫外片對波長為入射光的透過率；cathode表示像增強器中光陰極輸入面的面積；()表示波長為的光子能量；QE()表示光陰極的量子效率，可根據(jù)其與光譜響應()的相互關系得到：

QE()＝1.24()/(2)

利用高精度光譜響應測試裝置測試了自主研制的Te-Cs陰極紫外像增強器的光譜響應曲線，并利用式(2)計算得到相應的量子效率曲線。紫外像增強器光譜響應曲線及量子效率曲線如圖5所示。

3組紫外像增強器在200～280nm之間均有較高的量子效率，其中紫外像增強器-I的量子效率最高，當波長超過280nm，像增強器的量子效率開始下降，紫外像增強器-I的量子效率下降最快。由圖5可知，采用Te-Cs陰極的紫外像增強器，其在280～400nm間都是有一定響應的，不能直接實現(xiàn)電暈放電檢測。本文選用1片專用于日盲探測的深截止日盲紫外濾光片，其透過率曲線如圖6所示，該濾光片的透過率在超過280nm以后迅速降低，當波長超過400nm時，透過率近似為零。

為研究國產(chǎn)紫外像增強器光電陰極的光譜響應與日盲紫外濾光片組合使用后的光譜響應度，本文計算了280～400nm波段范圍內(nèi)的太陽光譜輻射背景下，紫外像增強器產(chǎn)生的光電子數(shù)，以分析太陽光譜輻射背景對用于檢測電力系統(tǒng)電暈放電現(xiàn)象的紫外像增強器的影響。紫外像增強器陰極面為18mm的圓型區(qū)域，計算時，每5nm取一個計算點，D為1s，采用深截止日盲紫外濾光片的紫外像增強器在時間D內(nèi)由太陽光譜輻射產(chǎn)生的光電子數(shù)如表1所示。

圖4 電暈檢測系統(tǒng)的原理框圖

Fig.4 Principle block diagram of corona detection system

圖5 紫外像增強器的光譜特性曲線

Fig.5 Spectral characteristic curves of ultraviolet image intensifier

圖6 濾光片的透過率曲線

計算結(jié)果表明，紫外像增強器的光譜響應特性對紫外電暈檢測系統(tǒng)的性能有重要影響，像增強器在超過280nm波長的光譜響應下降越快，其在太陽輻射下產(chǎn)生的光電子數(shù)越少。表1中的幾種組合都可以適用于成像應用的紫外探測，但紫外日盲探測很多情況下應用于光子計數(shù)模式，紫外像增強器-I在濾光片的濾光作用下，受太陽輻射影響產(chǎn)生的光電子數(shù)較少，能夠滿足光子計數(shù)探測模式的要求，而紫外像增強器-II和紫外像增強器-III由于在超過280nm波長處仍有較高的響應，通過濾光片的濾光作用，仍會產(chǎn)生較多的光電子，干擾目標輻射的探測結(jié)果。由表1數(shù)據(jù)可知，為了實現(xiàn)及時有效地電暈檢測，一方面需要改進紫外像增強器的光譜特性，使紫外像增強器在日盲波段的響應較高，同時超過280nm的響應可以迅速下降；另一方面，由于濾光片在消除太陽輻射引起的背景干擾中也起著關鍵作用，增加截止深度可以提高濾光片在日盲檢測中的性能。

3 結(jié)論

1）利用深截止紫外日盲濾光片濾光，北方夜視技術股份有限公司研制的Te-Cs陰極紫外日盲型像增強器可滿足日間電力安全電暈檢測的需求；

2）應用于太陽輻射背景下的電暈檢測系統(tǒng)，對紫外像增強器光譜截止特性和紫外濾光片的截止深度有很高的性能要求，提升紫外像增強器在日盲波段的響應，以及紫外日盲濾光片的截止深度利于實現(xiàn)靈敏度更高的電力安全電暈檢測。

表1 紫外像增強器在太陽輻射下產(chǎn)生的光電子數(shù)的計算結(jié)果

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Research on the Application of UV Image Intensifier in Security Detection of Power Equipment

KUANG Lei1，GU Yan2

(1.,210042,; 2.,211106,)

With the rapid development of solar-blind ultraviolet（UV） detection technology, UV corona detection becomes an efficient method for safety tests of power equipment. This paper tests the spectral characteristics of domestic-made UV image intensifier with CsTe cathode, calculates the number of photoelectrons generated by UV image intensifier with deep cut-off filter under solar irradiances, and verifies that domestic-made UV image intensifier with CsTe cathode can meet requirements of the corona detection under the strong sunlight by the deep cut-off UV filter.

solar blind UV，image intensifier，corona detection，UV filter

TN23

A

1001-8891(2015)11-0986-05

2015-09-02；

2015-11-10.

匡蕾（1970-），女，研究員級高級工程師，碩士，主要從事化工等高危行業(yè)安全生產(chǎn)技術研究、安全生產(chǎn)技術咨詢與服務。E-mail：13815879679@163.com。