基于紫外成像檢測技術的不同檢測距離下光子數的修正

田迪凱 羅日成 張宇飛 肖宏峰

基于紫外成像檢測技術的不同檢測距離下光子數的修正

田迪凱 羅日成 張宇飛 肖宏峰

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114）

紫外成像檢測技術作為一種新興的檢測技術開始逐漸廣泛應用于輸變電設備巡檢中，鑒于光子數與檢測距離的特性關系，在不同檢測距離即使對同一電暈放電現象進行檢測，檢測到的光子數數值也不同。為研究光子數與檢測距離的特性關系，將不同檢測距離下檢測到的光子數修正到最佳檢測距離下光子數，以便于量化不同檢測距離下的放電程度。以尖端放電模型為實驗對象模擬輸變電設備外絕緣放電現象，利用以色列OFIL公司生產的SuperB型紫外成像檢測儀研究不同工頻電壓下，光子數隨檢測距離的變化特性。實驗結果表明：隨著檢測距離的增大，光子數數值不斷減小；檢測距離越大，光子數數值減小的速度越慢；光子數隨檢測距離變化的特性曲線大致呈冪函數趨勢，冪指數在-1.681與-1.626之間。在此基礎上，根據實驗數據建立合適的冪函數模型，擬合得到光子數檢測距離修正公式，并對修正公式進行校驗，校驗結果表明該修正公式的修正精度較高，能為實際的工程檢測提供重要的參考依據。

紫外成像；電暈放電；光子數；檢測距離；工頻電壓；修正公式

0 引言

隨著我國遠距離特高壓輸電線路的投運，長期高場強、高負荷的運行和復雜惡劣的環境都會導致輸變電設備產生電暈放電現象，長期的電暈放電會使輸變電設備發生電化學腐蝕，從而影響電力系統的穩定運行[1]。紫外成像檢測作為一種新興的技術，開始逐漸廣泛運用到高壓電力設備電暈、電弧的檢測、高壓變電站及輸電線路的維護等電力系統高壓檢測領域中，因為放電過程中伴隨著紫外線（ultraviolet）的輻射。紫外線輻射是所有波長大于10nm小于400nm的輻射，由于臭氧層的吸收作用，接近地球表面的太陽輻射的波長均大于290nm，紫外成像檢測技術探測240～280nm的波段，因此不受太陽光線的干擾和影響[2]。紫外成像檢測技術具有抗干擾強、定位精度高、檢測時不影響電力設備正常運行等優點。

紫外成像檢測儀的實際檢測距離都不是固定的數值，檢測距離對光子數的測量有著非常明顯的影響（“光子數”通常作為量化放電程度的重要參數[3]），即使對同一放電現場進行測量，檢測距離越遠，紫外成像儀測量到的光子數越小[4-6]。因此，檢測距離無法統一到標準數值，很難對不同檢測距離下的檢測結果進行對比，從而無法對不同檢測距離下測得的放電程度進行對比。基于上述實際存在的問題，將光子數修正到標準的檢測距離下具有重要的意義[7-10]。

基于上述研究現狀，首先對紫外成像檢測技術原理和檢測距離對紫外成像檢測的影響進行分析。然后搭建尖端放電模型模擬輸變電設備外絕緣放電，并采用以色列OFIL公司生產的SuperB型紫外成像檢測儀在不同檢測距離下對尖端放電模型進行測量。最后將測量得到的數據進行擬合，得到光子數檢測距離修正公式，光子數檢測距離修正公式能為實際的工程檢測提供重要的參考依據。

1 紫外成像檢測技術原理

輸變電設備的正常工作是電力系統安全可靠運行的重要保障，輸變電設備在不同的大氣環境下工作，隨著長期運行、外力破壞及自然災害等原因，會出現絕緣性能降低、設備結構損壞和表面污穢等問題。紫外成像檢測技術能快速地對輸變電設備進行巡檢并找出故障點，以便于進行維修。紫外成像作為新興的檢測技術主要應用在絕緣子放電故障檢測、架空導線放電故障檢測和均壓環放電故障檢 測中。

紫外成像檢測技術的原理圖如圖1所示，它主要由接收光學系統、紫外成像模塊、可見光攝像模塊、數據采集系統和圖像融合等模塊組成[11-13]。入射光進入接收光學系統后分成兩束，一束可見光進入可見成像通道，另一束紫外光進入紫外成像通道，可見光通道用于接收可見光信號，即拍攝環境物體圖片，可見光經電荷耦合器件（charge coupled device, CCD）探測器后進入數據采集系統；紫外成像通道用于接收放電過程中發射的紫外線輻射，紫外光經紫外日盲濾波鏡進行濾波，濾過波長240nm至280nm以外的紫外光，再通過光電陰極、增益放大通道將紫外光信號轉換為可見光信號，后經CCD探測器進入數據采集系統。兩路光信號最后經過圖像融合模塊進行融合處理，從而將紫外成像通道的圖像疊加到可見光通道的圖像上。

圖1 紫外成像檢測技術原理圖

2 檢測距離對紫外成像檢測的影響

紫外成像檢測到的光子數數值主要受儀器本身與外界環境兩大因素的影響。影響光子數測量的外界環境因素主要有儀器增益、檢測距離、環境濕度、環境溫度和風速等。文獻[14]中的研究結果表明光子數與檢測距離之間大致呈冪函數關系。

紫外成像檢測儀在對輸變電設備外絕緣進行放電檢測時，考慮到設備的放電區域與檢測距離相比非常小，所以將被檢測設備放電源視為點光源[14]。點光源在空氣介質中傳播時，能量沿傳播路徑不斷損耗，通過的路徑越長，損耗的能量越大，如式（1）所示。

dr()=-r()(,)d（1）

式中：d為微分距離；r()為到達d所在平面處的通量密度，是關于頻率的函數；(,)為衰減系數，是關于距離和光頻率之間的函數。假設空氣介質是均勻的，則有

r()=r0()e-g(v,r)L（2）

透射比系數通常用于工程中對光信號衰減的度量，表示透過介質的光通量與入射通量之比，由式（2）有

通常情況下，大氣紫外透射比在0.1～0.3之間，由式（3）可計算出衰減系數(,)在1.2～2.3之間。因此，在對輸變電設備外絕緣進行放電檢測時，為了提高檢測結果的準確性，在實際的工程檢測中紫外成像檢測儀應盡可能靠近被測設備的放電點，一般情況下檢測距離不大于50m，在這個檢測距離下，紫外成像檢測儀接收到的紫外光信號的透射比在0.89～0.94之間[15]。本文認為10m為最佳檢測距離。

設為點光源，是輻射的光強度，是紫外成像儀到點光源的最短光學距離（即檢測距離），是紫外成像儀鏡頭的球面區域，如圖2所示。

圖2 點光源傳播路徑圖

再設通過球面的光通量密度為，通過球面的光強度為，由圖2有

由式（5）可知，紫外成像儀檢測到的光信號與檢測距離的平方成反比。查閱相關文獻數據，冪指數在1.222～1.840之間[16-17]，主要原因是電暈放電光源的發生具有一定的分散性，即使保持檢測距離不變，不同時間檢測到的光子數也具有一定分散性[18]。

國內外大部分學者針對光子數與檢測距離之間關系的研究較多，但將不同檢測距離下的光子數統一修正到最佳檢測距離的研究較少。因此，本文利用實驗對不同檢測距離下光子數的修正進行研究。

3 實驗方案及實驗數據分析

為研究光子數與檢測距離之間的關系特性，將一段長度約為10cm、直徑約為3mm的鐵絲纏繞在套管頂端作為尖端放電模型，用于模擬輸變電設備外絕緣發生放電現象。以尖端放電模型為實驗對象，使用紫外成像檢測儀對尖端放電模型進行檢測，記錄不同檢測距離下實驗數據。實驗平臺原理圖如圖3所示。實驗接線如圖4所示。

圖3 實驗平臺原理圖

圖4 實驗接線圖

3.1 實驗方案

將實驗中的檢測距離點分別設定為4m、8m、10m、12m、14m、16m、18m和20m，在每個檢測距離下對尖端放電模型分別施加40kV、50kV、60kV、70kV和80kV的工頻電壓。將紫外成像檢測儀的增益設置為160，儀器的其他參數為默認值，最后調整紫外成像檢測儀將其鏡頭對準尖端放電模型的尖端部位進行測量，實驗場景如圖5所示。圖6（a）和圖6（b）分別為檢測距離為10m和20m時紫外成像檢測儀現場拍攝到的紫外圖像，圖6（a）中光子數計數率顯示為1 350；圖6（b）中光子數計數率顯示為440。由上述兩幅紫外圖像的光子數計數率可知：在同一工頻電壓下，隨著檢測距離的增加，可以清晰地看出檢測到的光子數數值呈減小的趨勢。將多次測量得到的數據取平均值填入表1中，并將數據繪制成曲線圖，如圖7所示，橫坐標為檢測距離，縱坐標為光子數。

圖5 實驗場景圖

圖6 不同檢測距離下的紫外圖像

表1 不同檢測距離、不同工頻電壓下光子數數值表

圖7 光子數隨檢測距離變化曲線圖

3.2 實驗數據分析

由第3.1節中圖表和結論可知，隨著檢測距離的增大，光子數數值不斷減小；檢測距離越大，光子數數值減小的速度越慢；光子數隨檢測距離變化特性曲線大致呈冪函數趨勢。理論上在電暈放電量相同的情況下，如式（5）所示，紫外成像儀檢測到的光信號應與檢測距離的平方即2成反比，但由于電暈放電光源的發生具有一定的分散性，所以實際的檢測數據并不符合這一規律。為進一步研究光子數與檢測距離的特性關系式，設光子數隨檢測距離變化特性冪函數模型如下

=-（6）

式中：為光子數數值；為檢測距離；和均為參數。

對式（6）進行擬合得到各工頻電壓下光子數隨檢測距離的變化曲線關系式。

當工頻電壓為40kV時：

=27189-1.660（2=0.9989） （7）

當工頻電壓為50kV時：

=59036-1.685（2=0.9980） （8）

當工頻電壓為60kV時：

=98515-1.681（2=0.9996） （9）

當工頻電壓為70kV時：

=141353-1.626（2=0.9998） （10）

當工頻電壓為80kV時：

=182783-1.638（2=0.9998） （11）

式中，2為可決系數，2越接近于1，則表示擬合程度越好。在式（7）—式（11）中，2均大于0.99，因此，上述式子的擬合程度都較好。

4 光子數檢測距離修正公式及修正效果檢驗

4.1 光子數檢測距離修正公式

本文將10m定義為實際工程檢測的最佳檢測距離，故將不同檢測距離下檢測得到的光子數修正到最佳檢測距離下檢測到的光子數，從而使各個檢測距離檢測到的光子數具有可對比性。

設0為修正到最佳檢測距離下的光子數，為實際檢測距離下檢測到的光子數，0為最佳檢測距離，為實際檢測距離。因為式（7）—式（11）中的參數都非常接近，所以式中參數取上述各式冪指數的平均值1.658。

光子數與檢測距離之間的擬合函數為

=-1.658（12）

光子數與最佳檢測距離0之間的擬合函數為

0=0-1.658（13）

由式（12）與式（13）有不同檢測距離下的光子數修正到最佳檢測距離下的公式為

4.2 修正效果檢驗

為了檢驗光子數檢測距離修正式（14）的修正效果，將表1中的數據分別代入式（14）中，得到各個檢測距離下修正到檢測距離為10m處的光子數數值見表2。

表2 修正到10m處的光子數數值表

由表2中數據可以看出，各個工頻電壓和檢測距離下修正到10m處的光子數數值與10m處實測到的光子數數值十分接近，40kV工頻電壓下，各檢測距離修正值的最大相對誤差為-5.33%；50kV工頻電壓下，各檢測距離修正值的最大相對誤差為-8.68%；60kV工頻電壓下，各檢測距離修正值的最大相對誤差為+5.81%；70kV工頻電壓下，各檢測距離修正值的最大相對誤差為-4.50%；80kV工頻電壓下，各檢測距離修正值的最大相對誤差為+2.85%。上述數據表明，光子數檢測距離修正式（14）的修正效果很好，各個工頻電壓和檢測距離下的最大相對誤差為-8.68%，進一步驗證了光子數檢測距離修正公式的有效性。

5 結論

通過實驗可知，在同一工頻電壓下，隨著檢測距離的增大，紫外成像檢測儀檢測到的光子數不斷減小。將實驗數據進行擬合，分別得到不同工頻電壓下光子數隨檢測距離的擬合公式，結果表明光子數與檢測距離近似呈冪函數關系。對光子數隨檢測距離的擬合公式進行推導得到光子數檢測距離修正公式，并對其驗證，結果表明修正精度高，最大相對誤差約為-8.68%，因此本修正公式能將不同檢測距離下輸變電設備外絕緣放電程度進行精準地對比。

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Correction of photon number at different detection distances based on ultraviolet imaging detection technology

TIANDikai LUORicheng ZHANGYufei XIAOHongfeng

（School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410114）

As an emerging detection technology, ultraviolet imaging detection technology has gradually been widely used in the inspection of transmission and transformation equipment. In view of the characteristic relationship between the number of photons and the detection distance, even the same corona discharge phenomenon is detected at different detection distances and detected the number of photons is also different. To study the characteristic relationship between the number of photons and the detection distance and correct the number of photons detected at different detection distances to the number of photons at the optimal detection distance, in order to quantify the degree of discharge at different detection distances. Using the advanced discharge model as the experimental object to simulate the external insulation discharge phenomenon of power transmission and transformation equipment, the Super B type ultraviolet imaging detector produced by the Israeli OFIL company was used to study the change characteristics of the photon number with the detection distance under different power frequency voltages. The experimental results show that: as the detection distance increases, the number of photons continues to decrease; the larger the detection distance, the slower the rate of decrease in the number of photons; the characteristic curve of the photon number changing with the detection distance generally shows a power function trend, power exponent between-1.681 and-1.626. On this basis, an appropriate power function model is established according to the experimental data, the correction formula for the photon number detection distance is fitted, and the correction formula is verified. The verification result shows that the correction precision of the correction formula is high and can be practical engineering inspection provides an important reference basis.

ultraviolet imaging; corona discharge; photon number; detection distance; power frequency voltage; correction formula

湖南省教育廳科學研究項目（15C0031）

2020-07-20

2020-08-05

田迪凱（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力設備絕緣在線監測。