1、 电晕放电探测用紫外检测设备的研究王凯,张宁,陈权(广东电网有限责任公司中山供电局,广东 中山 )摘要:检测电晕放电是发现高压电气设备有无绝缘故障或潜在绝缘故障最直接、最有效的方法.传统的紫外成像仪在电晕放电检测中不但价格昂贵且需专业人员操作,无法在电力系统中大规模推广使用.针对该现象,分析了电晕放电的原理以及紫外光子数与电晕强度的联系,提出了基于UV传感器的紫外检测设备的研究课题,其主要功能模块有主控模块、紫外线的采集与转换电路(光电转换电路)、成像模块、G P S定位模块、数据存储与通信模块以及显示模块等,重点对光电转换电路、成像模块和定位模块进行了设计.通过在高压实验室测试,所设计的紫外
2、检测设备可以有效表征电晕放电强度,并能够准确定位放电位置.关键词:绝缘故障;紫外光子数;电晕放电;紫外传感器;G P S定位中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s R e s e a r c ho nt h eU VD e t e c t i o nE q u i p m e n t f o r t h eD e t e c t i o no fC o r o n aD i s c h a r g eWAN GK a i,Z HAN GN i n g,CHE NQ u a n(Z h o n g s h a nP o w e rS u p p l yB u r e
3、a uo fG u a n g d o n gP o w e rG r i dC o r p o r a t i o n,Z h o n g s h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:C o r o n ad i s c h a r g ed e t e c t i o n i s t h em o s t d i r e c t a n de f f e c t i v em e t h o d t o f i n do u tw h e t h e r t h e r e i s i n s u l a t i o n f a u l t o rp o t e
4、n t i a l i n s u l a t i o nf a u l t i nh i g h v o l t a g ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t T h e t r a d i t i o n a l u l t r a v i o l e t i m a g e r i nc o r o n ad i s c h a r g ed e t e c t i o n i sn o to n l ye x p e n s i v eb u t a l s on e e d sp r o f e s s i o n a l o p e r a
5、t i o n,s o i tc a n n o tb ew i d e l yu s e d i np o w e rs y s t e m I nv i e wo ft h ea b o v ep h e n o m e n a,t h ep r i n c i p l e o f c o r o n ad i s c h a r g e a n d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h en u m b e r o f u l t r a v i o l e t p h o t o n s a n dc o r o n a i n
6、t e n s i t yw e r ea n a l y z e d,a n dt h er e s e a r c ht o p i co fu l t r a v i o l e td e t e c t i o ne q u i p m e n tb a s e do nUVs e n s o rw a sp r o p o s e d I t sm a i nf u n c t i o n a lm o d u l e s i n c l u d em a i nc o n t r o lm o d u l e,u l t r a v i o l e t a c q u i s i
7、t i o na n dc o n v e r s i o nc i r c u i t(p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nc i r c u i t),i m a g i n gm o d u l e,G P Sp o s i t i o n i n gm o d u l e,d a t as t o r a g ea n dc o mm u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l e T h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s
8、 i o nc i r c u i t,i m a g i n gm o d u l ea n dp o s i t i o n i n gm o d u l ew e r ed e s i g n e d T h r o u g hh i g h v o l t a g e l a b o r a t o r y t e s t i n g,t h ed e s i g n e dUVd e t e c t i o ne q u i p m e n t c a ne f f e c t i v e l yc h a r a c t e r i z e t h e c o r o n ad i
9、 s c h a r g e i n t e n s i t ya n da c c u r a t e l y l o c a t e t h ed i s c h a r g e l o c a t i o n K e yw o r d s:i n s u l a t i o nf a u l t;n u m b e ro fu l t r a v i o l e tp h o t o n s;c o r o n ad i s c h a r g e;UVs e n s o r;G P Sp o s i t i o n i n g基金项目:广东电网有限责任公司科技项目(编号 KK )收稿日
10、期:作者简介:王凯(),高级工程师,电气试验高级技师,从事电气试验、电力设备故障诊断等工作.引言随着我国电网规模的不断扩大,电压等级越来越高,电力系统 中 使 用 的 高 压 设 备 的 故 障、损 坏 率 也 不 断 增加.高压设备长时间运行后,由于导体接触不良、结构缺陷、污秽等原因,会出现设备场强分布不均匀、电弧、电晕等对设备有损害的放电现象.放电现象会引起空气发生化学反应,加快设备绝缘老化或损坏,严重时会发生绝缘子闪络而严重危及电网安全运行,同时电晕放电产生的脉冲电磁波也会对无线电通信造成严重干扰.为此,探测电晕放电,找出电力设备的缺陷并进行修复,对高压电力系统的安全运行有着重要意义.传
11、统局部电晕放电检测方法包括脉冲电流法、超声检测法、红外探测法等.由于这些检测方法存在容易受到外界干扰、难以定位放电位置等缺陷,因此并不能很好地适用于现场环境中电力设备故障的在线检测.日盲型紫外成像法是近年来非接触式放电检测的研究热点 ,成像仪采用双光路成像技术,其中一路探测可见光信号对设备本体进行成像,而另一路则探测 n m波段的紫外光信号,对放电发光区域进行成像,将放电发光区域图像叠加到可见光通道图像上即得到了紫外图像.相对于传统局部电晕检测方法,紫外成像法具有良好的放电定位能力,其检测结果不受日光的影响,能直接观测到肉眼不可见的放电图像,十分形象直观.世纪 年代末,电力行业开始采用紫外检测
12、技术进行相关局部放电检测.为了便于在白天对电力设备进行紫外检测,俄罗斯、以色列、南非、美国等国的工程师电工技术电力设备先后研制出了适应于白天开展电力设备局部放电检测的日盲型紫外成像仪.其中,以色列与美国联合研制的D y a c o rI系列和南非研制的C o r o C AM系列是目前应用最多的紫外成像仪 .在此基础上,总结了一套行之有效的电力系统绝缘子缺点的检测方式.其他一些国家的紫外线成像技术大多从俄罗斯引进,如今美国和南非等国的一些公司已能将紫外成像仪成功运用在输电绝缘子和电力设备绝缘的局部放电现象检测中.美国电力研究院针对电力系统中紫外检测技术的大量实践应用成果,总结了紫外检测技术应用
13、的相关指导意见,并制定了权威性较高的 架空输电线路电晕和电弧检测导则与 变电站电晕和电弧检测指南.由于国内对紫外成像仪的研制起步较晚以及国外公司对紫外成像仪核心技术的封锁,我国从国外公司采购紫外成像仪的价格极其高昂,且需要专人培训才能熟练操作,并且国内配备这种紫外成像设备的变电站并不多,不适合日常巡检.本文首先介绍了紫外成像的技术原理,推导了紫外光子数与电晕放电强度的关系,然后基于此设计了一款稳定、实用、操作简单的紫外成像仪,完成了硬件部分核心器件的选型和电路原理图的设计,并设计了紫外检测设备软件系统.本文设计的紫外检测设备可大幅度降低设备成本,使电晕放电检测日常化.紫外检测电晕放电原理 电晕
14、放电原理电晕放电是一种自持放电,高压设备大部分绝缘介质为气体,气体放电从开始到产生电晕放电主要分为个阶段,如图所示.图产生电晕放电的个阶段局部电场强度达到一定值时,会引起种光电离,即阴极表面的和气体空间中的,随之也会有若干数量的带电粒子存在于空气中.当有电压施加在气隙两端电极上时,就会检测到A级的微小电流,具体过程如下.()电压在U范围时,I与U为线性递增关系,电场形成一定的场强,正负带电粒子会朝着相对于它们的正场强方向移动.()电压在UU范围时,电流不随外部电压变化,处于饱和阶段;当电压达到U时电流增加,电子发生电离.()电压在UU范围时,电子会频繁地碰撞和电离,电子数增加得非常快,这种增长
15、方式的电子会形成电子流,就叫做电子崩.()当电压大于U时,间隙放电变得强烈而产生大量的正离子,与上一歩中初始电子的运动刚好相反,正离子会向阴极运动,但由于运动距离短,动能累积小,因此不会在运动过程中发生气体分子的碰撞游离.正离子到达阴极后,阴极表面又会产生新的电子,新的电子就会向阳极靠近,整个过程就会反复发生,类似于初始电子的正离子电子崩.()在电压达到很大时,又会产生电子崩,这是因为正离子向阴极运动,导致新产生的电子等于或大于n(外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出的初始电子数),放电不会因外界因子被去除而停止,最终会形成自持放电.自持放电起始电压为U,在极不均匀电场中就会出现电晕放电.根据电
16、极极性的不同,电晕放电又可分为正极电晕和负极电晕.图为负极电晕放电时微观粒子的运动示意图,主要是正离子的碰撞游离.图负极电晕放电粒子运动示意图图为正极电晕放电时微观粒子运动示意图,主要是负离子的碰撞电离.图正极电晕放电粒子运动示意图从以上理论出发,气体放电过程主要是电子的碰撞电离(过程即电子崩)和正离子撞击阴极造成的表面电离(过程).表示一个正离子撞击阴极表面时产生的二次自由电子.阴极表面在单位时间内发射的电子数为nc,nc包括了部分电子数:一部分是外界电离因素产生的电子电力设备电工技术 数n;另一部分是在正离子的作用下发生二次电子发射所产生的电子数 nc(e d),当达到起晕电压时就会开始产生自持放电.自持放电条件可以从以上分析中推出:nc(e d)()式()包含的物理意义为:正离子随着电子崩而产生,电子从阴极移动到阳极,数量为e d;二次自由电子也会因正离子在阴极上而产生,其数应为(e d),若该值等于,就说明在初始电子后面会继续产生电子,从而会产生自持放电.紫外光子数与放电强度的关系电晕放电释放出紫外光子,紫外光子数随紫外辐射源的不同而不同.对于破损的绝缘子,假设其与输电线路和棒
