紫外紅外雙光譜電力設備在線監測系統

袁輝建 陽 明 蔣 燕 李 霜

(重慶電力高等專科學校電力工程系，重慶 400053)

0 引言

目前，電力系統帶電設備的非接觸式放電檢測一般采用紅外成像、紫外成像和超聲波探測等技術，對超高頻、紫外脈沖檢測等技術的研究也在進行中。采用超聲波探測儀、紅外成像儀和紫外成像儀探測設備放電，存在成本高、操作復雜、靈敏度不足、對早期放電危險難以預報以及不能定量表示放電程度等弱點［1－2］。紫外脈沖檢測技術雖然能夠定量表示放電程度，但是單獨使用紫外脈沖檢測無法獲得可見光圖像進行定位，從而無法定位帶電設備的故障點。

本文將紫外脈沖探測掃描、紅外測溫掃描、攝像和圖像處理技術相結合，通過對被監測電力設備進行紫外脈沖和紅外測溫掃描，得到其局部放電分布數據和溫度分布數據，并將該數據通過圖像處理技術置入由攝像頭獲取到的設備圖像，與設備圖像建立對應位置關系。這不僅能定量表示放電程度，而且還能直觀地顯示出放電位置和溫度分布，從而能及時發現電力設備的故障情況。本文將紫外檢測技術與紅外檢測技術相結合，大大提高了帶電設備的全面監測能力。

1 紫外紅外檢測原理

1.1 紫外檢測原理

由電力設備的放電機理可知，在放電的不同階段，伴隨著分子的激發、電離、復合、電荷交換、電子附著和輻射的不斷發生，可以觀察到不同光譜的發光現象。電暈放電光譜中含有部分紫外光譜段的發光。因此，檢測放電發出的紫外線，可以判斷放電強弱，從而確定電力設備的運行狀態。采用高靈敏度的紫外傳感器，能對設備的絕緣下降、裂傷、污穢發展等作出早期預報，保證設備的安全運行。紫外線的波長范圍為10～400 nm。太陽光中也含有紫外線，其中280 nm以下光譜段的太陽輻射幾乎完全被大氣層吸收，因而被稱為太陽盲區。該區間內由太陽發射的紫外光量極低。日光下的紫外放電檢測即是利用太陽盲區光譜段實現對放電設備的檢測。電力設備放電產生的紫外線波長大部分位于280～400 nm區間，而280 nm以下的日盲區紫外光急劇減少，因此，對檢測裝置的靈敏度要求較高。高壓系統的早期放電十分微弱，發射的紫外光很少，其中位于日盲區的紫外光信號更是微弱。通過紫外成像儀難以捕獲這種微小放電信號的變化，且要等到出現較為明顯的局部放電才能檢測到。所以，采用紫外成像儀難以預報早期放電危險。

本文采用紫外脈沖法實現對電力設備放電紫外信號的檢測。紫外脈沖法是根據設備放電時輻射的紫外光類似于脈沖信號的原理，采用紫外光敏管或光電倍增管以及檢測電路，將放電產生的紫外光信號轉換為脈沖電壓信號，通過統計脈沖數目的密集程度來判斷設備放電強度的方法。該方法是在微弱信號測量中廣泛使用的一種方法［2］。

1.2 紅外檢測原理

電力工業中的許多設備都在高電壓、大電流狀態下運行，與熱度有著極其密切的聯系。在眾多停電事故中，因設備局部過熱引起的停電檢修時有發生［3］。因此，及時發現設備發熱缺陷，將發熱缺陷消除在初始狀態，是保證設備安全運行、減少事故發生、避免被迫停電的關鍵。

紅外檢測的基本原理就是通過探測物體的紅外輻射信號，獲得物體的熱狀態特征，并根據這種熱狀態特征及相應的判斷依據判斷出物體的狀態。由于紅外檢測技術具有遠距離、不接觸、實時、快速等特點，因而對實現電力設備的在線監測和故障診斷具有重要的意義［4］。電力設備主要采用紅外成像和紅外點溫測量兩種紅外檢測技術，本文中采用的是紅外點溫測量技術。該技術具有結構簡單、成本低廉等優點。

任何高于絕對零度的物體都會向外輻射能量，這一能量主要與物體的溫度和紅外波長相關。對于灰體物質而言，也就是發射率小于1且與波長無關的物體(一般工程材料可用灰體來近似表示)，在單位面積上發射的所有波長的總輻射功率M與溫度T之間滿足斯蒂芬-波爾茲曼定律［5］，即:

式中:ε為被測物體的表面發射率;σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數;T為物體的絕對溫度。

一個絕對溫度為T的灰體，單位表面積在波長λ附近單位波長間隔內發射的輻射功率Mλ，與波長λ、溫度T滿足普朗克輻射定律，即:

式中:C1為第一輻射常數;C2為第二輻射常數。

由式(1)、式(2)可以看出，紅外測溫與被測物體的溫度和表面發射率相關。在實際測量中，由于被測物體溫度不同，所測量的波長范圍也就不同，因而需采用不同的測量方法和測溫探頭。

1.3 雙光譜在線監測原理

雙光譜電力設備在線監測的實現原理如圖1所示。雙光譜在線監測主要通過紫外脈沖探測模塊、紅外測溫模塊、二維旋轉云臺和攝像頭的協同工作完成。

圖1 雙光譜在線監測原理圖Fig.1 Principle of dual spectrum on-line monitoring

圖1中，紫外脈沖探測模塊的紫外探頭和紅外測溫模塊的紅外探頭固定安裝在二維旋轉云臺上，系統通過二維旋轉云臺的運動實現對電力設備的掃描，并獲取電力設備各點的紫外脈沖數據和溫度數據。攝像頭實現對電力設備圖像的獲取，然后通過圖像處理，將電力設備各點紫外脈沖數據和溫度數據與電力設備圖像對應結合。這樣不但能定量表示放電程度，而且以圖像方式直觀地顯示出放電位置和溫度分布。用戶可以通過圖像分析不同時間設備各部位的紫外脈沖數據和溫度數據，得到設備的放電發展狀況和溫度分布變化，從而及時發現故障情況。

2 系統結構

紫外紅外雙光譜電力設備在線監測系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 Structure of the system

系統主要由基于PXA270的嵌入式系統模塊、紫外紅外雙光譜探測模塊、溫度濕度測量模塊和廣域無線通信模塊組成，其中，紫外紅外雙光譜探測模塊又包含紫外脈沖探測模塊、紅外測溫模塊、二維旋轉云臺和攝像頭四部分。

紫外脈沖探測模塊主要由探頭罩及光學系統、紫外光敏管、高壓電源和檢測電路組成，實現對視場區域內紫外脈沖信號的探測，并將其轉換為0～5 V的電壓脈沖信號，傳送給嵌入式系統模塊。紅外測溫模塊主要由透射式光學系統、熱電堆型紅外傳感器和檢測電路組成，紅外測溫模塊將－20～220℃的溫度信號轉換為0～5 V的模擬電壓信號，提供給嵌入式系統模塊。二維旋轉云臺用于承載紫外脈沖探測模塊和紅外測溫模塊的探頭，可通過對旋轉云臺兩個直流伺服電機的控制，實現對被監測電力設備局部放電和溫度分布的二維掃描。攝像頭用于對被監測電力設備的圖像采集，并通過USB接口將采集的圖像信息傳送給嵌入式系統模塊。

溫度濕度測量模塊用于對環境溫度和濕度的檢測。電力設備放電是一個復雜的過程，利用紫外脈沖法通過檢測電力設備的放電情況來確定其狀態，必須考慮空氣濕度的影響因素［6］。另外，環境溫度對紅外測溫的精度有非常大的影響，必須通過環境溫度來修正被測物體的溫度。

廣域無線通信模塊用于實現遠距離無線通信。監控中心可以通過廣域無線通信接收在線監測系統發送的測量數據和報警信息，以及處理后包含放電分布數據和溫度分布數據的設備圖像信息，并可發送控制命令，實現對在線監測系統工作模式的控制。

嵌入式系統模塊是在線監測系統的核心，它用來實現對電力設備紫外紅外雙光譜掃描的控制、紫外脈沖數據的統計分析、環境溫度和濕度的測量分析以及電力設備局部放電的分析判斷。同時，通過圖像處理得到結合放電分布和溫度分布的設備圖像信息，實現設備異常的分析、判斷和報警。

3 系統的實現

3.1 嵌入式系統模塊

嵌入式系統模塊結構圖如圖3所示。

圖3 嵌入式系統模塊結構圖Fig.3 Structure diagram of the embedded system module

嵌入式系統模塊主要由Xscale處理器PXA270、E2PROM、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash、A/D 轉換器、SD/MMC卡接口、USB接口、RS-232接口和I/O接口等組成［7－8］。

PXA270嵌入式處理器基于ARMv5E的Xscale核心，是一個資源豐富、高度集成的片上系統微處理器，最高工作頻率可達624 MHz，適用于各種高性能、低功耗的設備［9］。PXA270通過外部總線接口擴展了2片16 MB的NOR Flash和2片32 MB的SDRAM存儲器，用于程序運行，其中NOR Flash用于啟動引導程序運行。NOR Flash和 SDRAM分別采用 Intel公司的TE28F128J3和 Hynix公司的 HY57V561620。NAND Flash采用256 MB K9F2G08U0A存儲器，用于程序和數據的存儲。

復位電路與E2PROM存儲器采用Catalyst公司的CAT1025，用于嵌入式系統模塊的復位，以及紫外紅外雙光譜探測模塊的工作模式和判斷閾值等配置參數的保存。CAT1025包含1個精確的工作電源監測電路和2個開漏復位輸出，內帶256 B的E2PROM。

SD/MMC卡接口主要用于系統配置文件和設備圖像信息的保存。A/D轉換器采用TLV1543，用于測量紅外測溫模塊輸出的電壓信號，獲得相應的溫度數據。USB接口分為2路:一路為HOST接口，另一路為Device接口。HOST接口主要實現與攝像頭的連接，而Device接口可用于嵌入式系統模塊的軟件調試。RS-232接口分為2路，分別采用了PXA270的全功能UART接口(FFUART)和藍牙UART接口(BTUART)。FFUART用于實現嵌入式系統模塊與廣域無線通信模塊的連接，BTUART可實現與其他設備的連接。I/O接口采用光電隔離，用于實現對紫外脈沖探測模塊輸出脈沖信號的采集。

3.2 雙光譜探測模塊

紫外紅外雙光譜探測模塊的攝像頭采用分辨率為640×480的可調焦攝像頭。紫外脈沖探測模塊實現對設備放電產生的紫外光脈沖信號的檢測。

本設計選擇紫外光敏管UV-R2868作為檢測傳感器，其靈敏度可以達到5000 count/min，僅響應185～265 nm波段的紫外信號，UV-R2868光譜響應特性與各種光源中的陰影區域如圖4所示［10］。由于檢測紫外光信號的傳感器本身不能區分紫外光的發生源，在紫外探頭有效反應角的范圍內，電力設備、導線等的放電紫外光都會被探測到，因此，為了實現紫外探測的方向性，去除其他光源的影響，需要用探頭罩控制紫外探頭的感光角度，提高檢測的準確性。

圖4 UV-R2868光譜響應特性與各種光源Fig.4 UV-R2868 spectral response characteristics and various light sources

紅外測溫分為全輻射法、亮度測溫法和雙波長測溫法三種。這三種測溫方法中，以全輻射法受物體發射率的影響最大，亮度測溫法次之，雙波長測溫法最小。雙波長測溫法是通過測量給定波長λ1和λ2的輻射功率之比，用比色測溫法來確定物體的溫度。雙波長測溫方法可以大幅降低物體發射率和環境輻射的影響，提高測量的精度。另外，根據GB 763的規定，電力設備的最高允許溫度均在408 K以內，而8.0～14.0 μm波段適合探測常溫到幾百攝氏度的輻射體。因此，本設計采用雙波長測溫法和8.0～14.0 μm波段的紅外測溫探頭。二維旋轉云臺用來承載紅外測溫探頭和紫外脈沖探頭。旋轉云臺通過兩個直流伺服電機帶動探頭做二維運動，探頭在二維運動時會與被測區域形成一定的夾角，且該夾角隨探頭的移動而改變，紅外測溫和紫外脈沖探測受這個夾角的影響。漫反射體的輻射強度分布遵從朗伯余弦定律，余弦輻射體如圖5所示［11］。

圖5 余弦輻射體Fig.5 Cosine radiator

圖5中，dA為被測區域，P1、P2分別為測量點，P1對應dA的法線方向，θ為P2點方向與dA法線的夾角。設M1和M2分別為P1和P2點測得的輻射功率，則M1與M2應近似滿足:M2=M1cosθ。

綜上所述，在進行紅外測溫和紫外脈沖探測時，需根據探頭的角度對測量數據進行修正。旋轉平臺所用直流伺服電機的位置等級有1024個，有效角度范圍為150°。控制的角度分辨率可達到0.15°。如在距離探頭5 m的位置對2 m×2 m電力設備進行檢測，則探頭可動作角度約為22.6°。在紅外測溫探頭和紫外脈沖探頭的距離系數大于500∶1時，局部放電分布和溫度分布的成像分辨率約為150×150。

3.3 溫度濕度測量模塊

溫濕度傳感器采用SENSIRION公司生產的數字式溫濕度傳感器SHT75，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，默認提供12位濕度數據和14位溫度數據。SHT75集成了1個電容式聚合物測濕元件、1個能隙式測溫元件、1個14位的A/D轉換器和1個串行接口電路。該傳感器的溫度測量范圍為－40～123.8℃，測溫分辨率可達到±0.3 K，濕度測量范圍為0～100%RH，測量分辨率可達到±1.8%RH。SHT75具有響應速度快、抗干擾能力強等優點，可通過I2C串行總線實現與嵌入式系統模塊接口。

3.4 廣域無線通信模塊

考慮到覆蓋廣、成本低等多方面的顯著優勢，本設計中采用SIMCOM公司的SIM300C GPRS模塊。該模塊尺寸小、功耗低，內嵌強大的TCP/IP協議，提供通用的AT控制命令。SIM300C內部集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，提供2個串口、1個SIM卡接口和通用I/O接口等。SIM300C的優良性能使其廣泛應用于如WLL、M2M、手持設備、遠程數據采集等方面。嵌入式系統模塊可通過RS-232接口實現對GPRS模塊的操作。

4 結束語

本文介紹了一種結合紫外脈沖探測掃描、紅外測溫掃描、攝像和圖像處理技術的新型電力設備在線監測系統。該系統解決了紅外成像儀和紫外成像儀探測設備放電存在靈敏度不足、對早期放電危險難以預報和不能定量表示放電程度等弱點，以及現有紫外脈沖檢測技術無法準確定位設備放電故障點的不足。本文提出的紫外紅外雙光譜檢測方法，雖然紫外、紅外的成像分辨率和成像速度較紫外成像儀、紅外成像儀低，但已能滿足電力系統絕大多數應用的需要，并且成本低廉，能夠對設備的早期放電進行檢測。

［1］文軍，何為，李春輝，等.高壓電力設備放電在線監測系統［J］.電力自動化設備，2010，30(6):135 －139.

［2］張繼軍.高壓放電紫外檢測技術與應用［M］.北京:中國電力出版社，2009:5－13.

［3］陳化剛，張開賢，程玉蘭.電力設備異常運行及事故處理［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:396－410.

［4］陳衡，侯善敬.電力紅外診斷技術作業與管理［M］.北京:中國電力出版社，2006:26－37.

［5］葛紹巖，那鴻悅.熱輻射性質及其測量［M］.北京:科學出版社，1989:89－95.

［6］何為，陳濤，劉曉明，等.基于紫外脈沖法的非接觸式低值(零值)絕緣子在線監測系統［J］.電力系統自動化，2006，30(10):69 －74.

［7］楊武，王小華，榮命哲，等.基于紅外測溫技術的高壓電力設備溫度在線監測傳感器的研究［J］.中國電機工程學報，2002，22(9):113－117.

［8］張占龍，王科，唐炬，等.變壓器電暈放電紫外脈沖檢測法［J］.電力系統自動化，2010，34(2):84 －88.

［9］張忠會，章璟，歐峻彰.基于GPRS的一種新型電力系統在線檢測系統的設計［J］.電力系統保護與控制，2010，38(9):105 －108.

［10］徐寶成，王磊.基于嵌入式終端的信息交互平臺的設計與實現［J］.計算機應用，2007，27(5):1271 －1273.

［11］扈鵬，王忠，杜傳利，等.PXA255處理器最小系統的硬件設計［J］.微計算機信息，2007，23(5):273 －274，250.