白曉晨 楊永坤 荊光瑞

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048)

隨著我國電力建設(shè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)覆蓋范圍越來越廣，高壓輸電線路長度不斷增加，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，容易造成輸電線路絕緣子磨損缺失、導(dǎo)線斷股等安全隱患，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣性能下降。這些問題若不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。放電是電力設(shè)備局部區(qū)域的微小擊穿，是絕緣性能降低的初始現(xiàn)象[1]。放電產(chǎn)生電信號(hào)、電磁波、超聲波、光信號(hào)及局部過熱等現(xiàn)象和化學(xué)物質(zhì)，因此出現(xiàn)了以放電產(chǎn)生的物理量為對(duì)象的檢測(cè)技術(shù)。光信號(hào)的光譜主要分布在紫外波段（100-400nm），可以將紫外光作為探測(cè)對(duì)象，判斷是否有異常放電發(fā)生[2]。紫外檢測(cè)技術(shù)的基本原理是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過光學(xué)傳感器將檢測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，進(jìn)而定量判斷放電強(qiáng)度。

20 世紀(jì)80 年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家將紫外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，隨著研究地不斷深入，美國、南非、以色列等國家也開始了對(duì)紫外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，研制出了紫外成像儀，用于電力設(shè)備表面放電的檢測(cè)，取得了一定的成果[3]。據(jù)日本HAMAMATSU 公司介紹，紫外傳感器也可以用于電力線電暈放電的檢測(cè)[5]。20 世紀(jì)90 年代初，紫外檢測(cè)技術(shù)慢慢才開始進(jìn)入我國市場，國內(nèi)很多科研單位開始研究紫外檢測(cè)技術(shù)。2006 年，重慶大學(xué)李青文等[6]提出基于紫外脈沖的高壓輸電系統(tǒng)放電檢測(cè)法，這是一種非接觸式的檢測(cè)方法，這種方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離的特高壓輸電線路的電力設(shè)備放電的強(qiáng)弱程度進(jìn)行精確的定量檢測(cè)。2011 年，華北電力大學(xué)Dai R 等[6]研究了基于光電倍增管的紫外光信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，分析了火花放電光脈沖信號(hào)與其電脈沖信號(hào)具有相關(guān)性。2019 年，蘭州交通大學(xué)于曉英等[7]基于弧光中紫外波段日盲特性設(shè)計(jì)了一種城軌弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該燃弧檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)出燃弧現(xiàn)象并反應(yīng)電弧的強(qiáng)弱,不受光照和列車運(yùn)行方向的影響。

本文設(shè)計(jì)了基于光電倍增管（photomultiplier，PMT）的電力設(shè)備放電檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)微弱的放電進(jìn)行定量檢測(cè)，達(dá)到提前預(yù)警的效果，把絕緣缺陷導(dǎo)致的事故降到最低，保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 放電光譜分析

實(shí)驗(yàn)中常用尖-板放電來模擬不同的放電情況，通過施加不同等級(jí)的電壓實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的放電，放電光譜分析[8]如圖1 所示。

由光譜圖可以看出放電產(chǎn)生的光信號(hào)主要分布在200-400nm 紫外區(qū)域，有部分在200-300nm，由于大氣中臭氧的吸收作用，使得到達(dá)地球表面的只有波長大于280nm 波段的紫外光，因此該波段的紫外光也被稱作“日盲區(qū)”，也為在該波段的紫外信號(hào)檢測(cè)提供了幾乎零背景噪聲。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

放電檢測(cè)系統(tǒng)由放電端、大氣信道和檢測(cè)端構(gòu)成，系統(tǒng)工作流程為220V 交流電通過整流電源變?yōu)橹绷麟?，通過電源轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為放電發(fā)生器工作的正常電壓，放電發(fā)生器放電釋放出紫外光信號(hào)，光電倍增管檢測(cè)到紫外光信號(hào)，通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，再通過信號(hào)處理電路對(duì)檢測(cè)到的放電信號(hào)做進(jìn)一步處理。整體框架圖為圖2 所示。

1.3 放電裝置設(shè)計(jì)

為了更好地模擬放電現(xiàn)象，采用特斯拉線圈原理制成的高壓脈沖放電裝置作為本實(shí)驗(yàn)的放電裝置，該裝置具有體積小、放電強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，可以維持一分鐘左右的放電，線圈放電產(chǎn)生的電壓為400kV，由于兩根放電線之間距離的不同會(huì)引起放電強(qiáng)度的不同，因此將兩根線固定在距離可變的卡槽中，研究不同放電線之間距離對(duì)檢測(cè)電壓和頻率的影響。放電裝置實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 放電裝置實(shí)物圖

1.4 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

由于放電初期的紫外信號(hào)比較微弱，因此檢測(cè)裝置為光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT），PMT 具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可以將入射的光電流放大107 倍左右，在微弱信號(hào)檢測(cè)方面有廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)選用濱松R7154“日盲”型光電倍增管，光譜響應(yīng)波長范圍為160nm-320nm。

光電倍增管接收到的電流較小，精度要求較高，因此采用了精密電阻將電流轉(zhuǎn)化為電壓。LM324 為運(yùn)放芯片，可以改變輸出電壓的大小。電路圖如圖4 所示。

圖4 信號(hào)處理電路

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了更好地驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)放電紫外檢測(cè)的性能，在西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)進(jìn)行了戶外實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)天氣晴朗，溫度-6℃，風(fēng)速2m/s，實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)距離為10 米、20 米對(duì)400kV、放電線不同間隙的放電進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

放電電壓為400kV，兩根放電線之間距離為0.5cm 時(shí)，10 米檢測(cè)到的單個(gè)脈沖和連續(xù)脈沖的波形分別為圖5 所示，單個(gè)脈沖信號(hào)幅值接近15V，1s 內(nèi)放電脈沖出現(xiàn)23 次。

圖5 放電線距離0.5cm,檢測(cè)距離10m 波形圖

兩根放電線之間距離為1.5cm 時(shí)，10 米檢測(cè)到的單個(gè)脈沖和連續(xù)脈沖的波形分別為圖6 所示，單個(gè)脈沖信號(hào)幅值大約18V，1s 內(nèi)放電脈沖出現(xiàn)13 次。

圖6 放電線距離1.5cm,檢測(cè)距離10m 波形圖

兩根放電線之間距離為0.5cm 時(shí)，20 米檢測(cè)到的單個(gè)脈沖和連續(xù)脈沖的波形分別為圖7 所示, 單個(gè)脈沖信號(hào)幅值大約13V，1s 內(nèi)放電脈沖出現(xiàn)20 次。

圖7 放電線距離0.5cm,檢測(cè)距離20m 波形圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相同檢測(cè)距離，隨著放電線間距離的增加，單個(gè)脈沖幅值增加，放電強(qiáng)度增加，頻率降低；相同放電線間距離，隨著檢測(cè)距離的增加，單個(gè)脈沖幅值降低，頻率略微降低。

3 結(jié)論

本文基于電力設(shè)備放電會(huì)產(chǎn)生紫外光信號(hào)特性，研制出基于光電倍增管的紫外檢測(cè)系統(tǒng)，使用高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生放電，本系統(tǒng)對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在戶外進(jìn)行了放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，在放電線間距離為0.5cm、1.5cm，檢測(cè)距離為10 米、20 米時(shí)對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行定量描述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以用在微弱放電信號(hào)的檢測(cè)中，在電力系統(tǒng)檢測(cè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。