氣壓對(duì)紫外檢測(cè)光子數(shù)影響的研究

摘要：為研究紫外成像檢測(cè)中的光子數(shù)隨氣壓的變化特性，設(shè)計(jì)了氣壓可調(diào)的氣候室，以棒-板間隙為研究對(duì)象，用CoroCAM504紫外成像儀在恒溫恒濕的條件下研究光子數(shù)隨氣壓的變化特性，研究表明，隨氣壓的增加，光子數(shù)逐漸減少。采用最小二乘曲線擬合法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了冪函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)光子數(shù)與氣壓之間近似滿(mǎn)足冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)在-1～2之間。在河北保定、青海西寧實(shí)驗(yàn)基地現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到了數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性較為一致。

關(guān)鍵詞：氣壓；紫外成像；光子數(shù)；擬合分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）17-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.009

0? ? 引言

隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行，傳統(tǒng)的帶電檢測(cè)方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要，而紫外成像法能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶電檢測(cè)，并且具有操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此在電力系統(tǒng)帶電檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

目前紫外成像法表征和量化放電強(qiáng)度一般是利用“光子數(shù)”參數(shù)[4-6]，該參數(shù)可直接從儀器屏幕上讀取，方便快捷。我國(guó)的地形是西高東低，海拔高度存在很大的差異，海拔越高，氣壓越低，根據(jù)氣體放電的機(jī)理可知，海拔會(huì)對(duì)放電存在影響，因而檢測(cè)到的光子數(shù)也將發(fā)生變化，進(jìn)而影響到對(duì)放電的量化分析[7-8]。目前關(guān)于氣壓對(duì)紫外成像的影響相關(guān)研究很少，因而有必要進(jìn)行更加深入的研究。

本文在環(huán)境因素可調(diào)的氣候室中以棒-板間隙模型為研究對(duì)象，用CoroCAM504紫外成像儀記錄紫外信號(hào)，以“光子數(shù)”來(lái)量化放電的強(qiáng)弱。在恒溫恒濕的條件下實(shí)驗(yàn)研究了光子數(shù)隨氣壓變化的特性，得到兩者之間的關(guān)系曲線并進(jìn)行擬合分析，得到了其變化特性。然后在河北保定、青海西寧進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果對(duì)高海拔地區(qū)紫外檢測(cè)工作的開(kāi)展有良好的指導(dǎo)意義。

1? ? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)方法

1.1? ? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

該氣候室為一氣壓、濕度、溫度單獨(dú)可調(diào)的封閉金屬罐，圖1是環(huán)境參數(shù)對(duì)紫外成像檢測(cè)結(jié)果影響研究裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

目前工程中研究放電的典型模型為棒-板間隙，因而本文采用棒-板模型為研究對(duì)象，棒電極直徑為3.2 cm，其頭部為圓錐形，頂端半徑約1.5 mm，板電極長(zhǎng)寬均為1.5 m，棒-板間隙距離分別定為20、15、10 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，CoroCAM504紫外成像儀輸出的視頻信號(hào)被存儲(chǔ)在外部視頻記錄設(shè)備中。實(shí)驗(yàn)電壓由工頻高壓發(fā)生器提供。

1.2? ? 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，CoroCAM504紫外成像儀除增益外的其他參數(shù)設(shè)置為儀器默認(rèn)值，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持不變，增益為70%，觀測(cè)位置為8 m，溫度22 ℃，相對(duì)濕度36%。

步驟一：首先設(shè)定棒-板間隙距離為20 cm，利用抽氣機(jī)將罐內(nèi)氣壓抽到40 kPa，采用逐步加壓法，步長(zhǎng)3 kV，用CoroCAM504紫外成像儀錄制放電的紫外視頻。

步驟二：將棒-板間隙分別改為15、10 cm，重復(fù)步驟一。

步驟三：分析視頻，計(jì)算光子數(shù)，研究光子數(shù)隨氣壓變化的特性。

由于電暈放電具有一定的隨機(jī)性，為了減小光子數(shù)的計(jì)算誤差，在此采用了取平均值處理，方法是從紫外視頻中截取連續(xù)的100幀大紫外圖像，分別讀取每一幀圖像中的光子數(shù)，然后取平均值。

2? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文獲得了不同棒-板間隙距離和氣壓下的紫外視頻，其中棒-板間隙為20 cm，電壓為39 kV時(shí)，不同氣壓下的紫外圖像如圖2所示。

基于上述實(shí)驗(yàn)，可得到棒-板放電模型在不同電壓和氣壓下的光子數(shù)。氣壓的范圍為40～100 kPa；電壓過(guò)低時(shí)沒(méi)有放電或放電很弱，光子數(shù)較少，此時(shí)儀器檢測(cè)到的光信號(hào)過(guò)于微弱，光子計(jì)數(shù)值存在較大的統(tǒng)計(jì)誤差，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)有擊穿的危險(xiǎn)，因此對(duì)于20 cm的間隙，實(shí)驗(yàn)電壓的范圍設(shè)置為27～45 kV。相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，表中“—”表示在該距離下已發(fā)生擊穿。

由圖3可以看出，隨著氣壓的增強(qiáng)，放電逐漸減弱，光子數(shù)也逐漸減少。這是因?yàn)闅鈮涸黾?，空氣密度增加，電子的自由程減小，相鄰的兩次碰撞之間電子積累的動(dòng)能降低，發(fā)生碰撞電離的概率也相應(yīng)降低，因而放電減弱。

2.2? ? 數(shù)據(jù)分析

基于上述實(shí)驗(yàn)研究，本文對(duì)棒-板間隙距離為20 cm時(shí)光子數(shù)隨氣壓變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并采用了最小二乘曲線擬合法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，本文選擇了冪函數(shù)進(jìn)行擬合分析，具體擬合函數(shù)如式（1）所示：

式中：A為一常量系數(shù)；p為氣壓；n為冪指數(shù)。

表2給出了部分電壓下的擬合函數(shù)表達(dá)式，為進(jìn)一步量化曲線的擬合精確程度，本文計(jì)算了各擬合曲線的可決系數(shù)R[9]。

由表2可知，各擬合函數(shù)的R值接近于1（R的取值范圍在0～1之間，R值越接近1，說(shuō)明擬合曲線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好），這說(shuō)明表2與實(shí)際數(shù)據(jù)有著較高的擬合度。對(duì)其他電壓下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光子數(shù)與氣壓之間也近似滿(mǎn)足冪函數(shù)變化特性，氣壓在40～100 kPa的范圍內(nèi)，冪指數(shù)在-2.1～-1.4之間變化。

限于論文篇幅，本文在此僅給出棒-板間隙為15、10 cm時(shí)部分電壓下的光子數(shù)隨氣壓變化的擬合函數(shù)表達(dá)式和可決系數(shù)值。

棒-板間隙為15 cm時(shí)，在氣壓為40～100.5 kPa的范圍內(nèi)，電壓從18 kV逐步施加到39 kV。表3是部分電壓下光子數(shù)與氣壓的擬合函數(shù)表達(dá)式和可決系數(shù)值R。

棒板間隙為10 cm時(shí)，在氣壓為40～100 kPa的范圍內(nèi)，電壓從15 kV逐步施加到30 kV。表4是部分電壓下光子數(shù)與氣壓的擬合函數(shù)表達(dá)式和可決系數(shù)值R。

由上述分析可知，光子數(shù)隨著氣壓的增加而減小，兩者滿(mǎn)足冪函數(shù)變化特性，其冪指數(shù)在-2～-1之間。

3? ? 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

使用同一套棒-板放電模型，分別在河北省保定市和青海省西寧市進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)，兩地實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇天氣條件盡量保持與實(shí)驗(yàn)條件相近。兩地實(shí)驗(yàn)時(shí)氣候條件如下：1）青海西寧實(shí)驗(yàn)基地：氣壓79.8 kPa，溫度22 ℃，濕度36%；2）河北保定實(shí)驗(yàn)基地：氣壓100 kPa，溫度23 ℃，濕度35%。

圖4分別為在氣候室、青海省西寧市、河北省保定市的紫外圖片對(duì)比，棒-板間隙為20 cm，電壓為40 kV，增益為70%，觀測(cè)距離為8 m。

分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，青海西寧實(shí)驗(yàn)基地在27、33、39、42 kV電壓下測(cè)得光子數(shù)分別為37、55、92、141個(gè)。根據(jù)表2中的擬合公式可以得到在以上4個(gè)電壓下的光子數(shù)分別為35、54、95、144個(gè)。兩者之間的相對(duì)誤差為4.29%。

河北保定實(shí)驗(yàn)基地在27、33、39、42 kV電壓下測(cè)得光子數(shù)分別為26、40、66、94個(gè)，根據(jù)表2中的擬合公式可以得到在以上4個(gè)電壓下的光子數(shù)分別為25、39、67、92個(gè)。兩者之間的相對(duì)誤差為2.5%。

實(shí)地實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣候室所得到的擬合函數(shù)能有效表示光子數(shù)隨氣壓變化的關(guān)系，研究結(jié)果對(duì)高海拔地區(qū)紫外檢測(cè)工作的開(kāi)展有良好的指導(dǎo)意義。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一氣壓可調(diào)的人工氣候室，以棒-板間隙為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了光子數(shù)隨氣壓變化的特性，即氣壓越高，放電越弱，光子數(shù)越少。擬合分析表明，兩者近似滿(mǎn)足冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)在-2～-1之間。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可知，所得到的擬合函數(shù)能有效滿(mǎn)足實(shí)際工作需要。

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收稿日期：2023-05-16

作者簡(jiǎn)介：馮宏恩（1987—），男，河北邢臺(tái)人，碩士，工程師，研究方向：高壓設(shè)備放電的非接觸檢測(cè)和評(píng)估。