电晕检测

电晕检测（精选5篇）

电晕检测 篇1

0 引言

随着环境污染越来越严重,高压电气设备在长期运行的过程中,绝缘性能势必会大幅度下降。愈加恶化的绝缘状况必将造成设备故障[1],引起功率损耗或者电力中断,造成重大电力事故。当设备绝缘性能下降,会出现电晕放电现象。为了保障电力系统的稳定运行和一些重要的电气设备,对设备的绝缘状况进行实时监测显得尤为重要。

近年来,紫外检测已经成为检测电晕放电故障的新技术[2]。利用紫外成像技术,检测电气设备局部放电过程中辐射出的紫外线。利用计算机技术对采集到的紫外图像进行图像灰度、二值化、中值滤波、锐化等相关处理,然后与可见光图像进行融合,能够实现对放电故障点的精确定位。然而,对电晕放电量化等级方面的研究甚少。

以往的研究仅仅是根据高压设备的绝缘故障情况对电力系统稳定性及破坏程度的大小,一般定性的分为三类:一般故障、严重故障、紧急故障。但是以上的绝缘故障状态评定方式缺少定量化的明确标准,且往往发生一般性缺陷的情况占大多数,难以通过定性给定准确的故障评估大小,因此对一般性的缺陷的绝缘故障状态的量化评估就显得尤为必要。本文利用Delphi软件对采集到的电晕图像进行处理后作为分级数据,采用遗传算法的投影寻踪理论,建立设备放电状态模型。应用MATLAB软件进行仿真分析。结合实例的实验结果也达到了预期的效果,能够实现对设备出现故障时电晕放电的量化分级。

1 电晕放电紫外图像采集与处理

数字图像处理是应用计算机程序对数字图像进行不同方面的处理,利用计算机程序对像素进行编程,达到处理图像的目的。Delphi软件编程语言是Pascal语言,其具有可读性好、容易编写,很适合作为开发工具,而且Delphi在图像处理方面拥有强大的功能。本文所处理的紫外图像都是在Delphi环境下进行的。紫外图像的处理过程如图1 所示,对紫外图像进行数字图像处理的最终目的是提取放电目标对象,为故障定位和故障状态模式识别提供依据。经过紫外成像系统采集到的紫外图像首先要过灰度处理,把彩色图像转换为灰度图像,统计出每一个灰度级上像素点的个数,然后将像素点数目绘制出来,取一个合适的像素点做下一步二值化过程中的阈值,这样就可以将目标与背景很清楚地分离开。经过图像二值化处理之后的图像的几何性质只与0 或1 有关,不用再去考虑像素具体的值。采集到目标图像的轮廓往往比较模糊,经过图像的锐化和中值滤波去噪处理后,图像所具有的信息易于人观察,而且其边缘和轮廓线变得比较清晰,为后续的研究提供方便。图像在采集或者传输的过程中,可能存在各种寄生效应,将会受到噪声的干扰,中值滤波是把数字图像中的一点的值用该点的一个领域的各个点的值的中值代替,中值滤波之后,有效的除去噪声干扰点,起到去噪的效果。

本文的紫外图像均是利用一种单通道日盲紫外成像系统[3,4]进行采集的,利用240 nm~280 nm这一日盲波段,借助高分辨率镜头、中心波长为254 nm的窄带日盲滤光片和外部采集盒进行图像采集。由于高压放电具有一定的不确定性,不是均匀的放电现象,所以几组图片作为诊断的依据,并不能很好的反映现实状况。因此需要根据放电状态,对同一处的故障放电状态进行长期监测,观察记录。由于一些外界因素会造成紫外成像的噪声污染,紫外图像部分信息和特征不是很突出,紫外成像信号周围也有干扰,这就需要通过图像处理来提取对象。利用Delphi开发工具实现对紫外成像图进行处理,将彩色图像转换成灰度,经过二值化处理,使得图像不再涉及像素的灰度值,去噪的作用就是处理图像的小白点的干扰,特征提取最后剩下的区域即为放电图像。如图2 所示,保存不同时期的电晕放电紫外图像。本文把采集到的不同时期的放电图像,选取45 组作为输入样本。统计出图像的平均放电面积、最小和最大放电面积和放电范围(紫外电晕图片上所展示的所有白点的范围面积)。这4 个特征向量作为输入样本的基本数据。

2 基于投影寻踪理论的模式识别等级模型

投影寻踪法具有全局搜索能力强、可规模化等优点,因此本文采用其进行投影优化,建立投影寻踪等级模型,对放电故障进行量化分级。建立电晕放电量化评级的模型主要分为6 个阶段。第一阶段选定能够反映对象特性的特征向量,并建立科学的特征向量体系。第二阶段,建立量化分级标准及分级处理。第三阶段,根据随机分布的原理,在各特征向量的等级范围内生成投影向量。第四阶段,投影目标函数的建立。第五阶段,对目标函数运用遗传算法进行优化,找出其最佳投影值。最后,根据评估等级与最佳投影值的关系建立电晕放电量化评级模型。

为消除各特征向量的量纲和统一各特征向量值的变化范围,需要进行极值归一化处理。如式(1)和式(2)所示,越大越优的特征向量:

越小越优的特征向量:

其中:xmax(j),xmin(j)分别为第j个特征向量值的最大值和最小值,x(i,j)为特征向量特征值的归一化的序列。

投影寻踪的方法就是把p维数据{x(i,j)| j=1,2,… ,p}综合成以a={a(1),a(2),a(3), …,a(p)}为投影方向的一维投影值z(i):

构造投影目标函数Q(a):

其中:Sz为投影值z(i)的标准差,Dz为投影值z(i)的局部密度,Rzy为z(i)与y(i)的相关系数。

其中:Ez为{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值,Ey为{y(i)|i=1,2,…,n}的平均值。

当各指标值得样本集给定时,投影指标函数Q(a)只随投影方向a的变化而变化。此时用格雷码加速遗传算法优化投影方向投影目标函数值随投影方向变化,通过求解投影目标函数最大值可估计出最优投影方向,即最大化目标函数:

格雷码加速遗传算法包括6 步:1) 变量取值范围的编码;2) 初始化种群;3) 解码;4) 判断是否满足终止条件,若满足则输出最优解,不满足则算法转入步5);5) 对种群进行选择、杂交、变异生成新的种群,算法转入步2)进行迭代;6) 加速循环,选择第一次、第二次和第三次这3 次迭代中的优秀个体的变量范围作为新的变量取值范围,算法转入步1),由于优秀个体的变量范围越来越小,从而起到加速的作用。

3 应用MATLAB进行故障诊断仿真及实例分析

本文采用MATLAB软件进行分析。经过多次试验最终选定遗传算法参数:初始群体规模n=60,变异概率pm=0.08,交叉概率pc=0.80,最大遗传代数T=60。经过遗传投影得到最佳投影方向a*=[1.512,-1.240,0.536,1.178],将a*带入式(3)得到一维最佳投影值z(i)=1.512x(i,1)-1.240x(x,2)+0.536(x,3)+1.178(x,4)。

图3 为高压设备发生故障时采集到的电晕放电图像[5,6],经过Delphi软件进行数字图像处理。统计出该放电电晕图像的四个特征值,经过归一化处理后得到[0.684 93,0.684 921,0.685 185,0.732 347],将其代入到最佳投影方程可得0.700 1。代入式(10)可得为3.567 级,在第3 级与第4 级之间。其他放电电晕量化评估方法根据放电严重程度只能人为的分为4 种状态等级[7]。从1 级到4 级为由轻到重的放电严重程度。1 级表示已经存在微弱放电状态,应当引起注意。2、3 级表示已经存在故障,应当采取措施,避免造成电力事故。4 级状态存在发生非常严重的电力事故的风险,应当立刻采取措施。表1 为本文与其他等级评定方法的比较,自组织神经网络法[8]基于自组织特征映射神经网络强大的聚类学习能力构建的电晕状态评估模型,评估状态为3 级,通过MATLAB平台仿真测试表明该模型具有较高预测准确度和稳定性。模糊综合法是[9]利用模糊原理与层次分析法相结合的评价法,评估状态也为3 级。本文方法不仅可以判定等级,而且能反映处于该等级的程度,分辨力更高,评估结果更客观、合理。

由于评估等级为3.567 级,表示该高压电力设备存在放电故障,而没有得到及时处理,已经成为较严重的放电了。电力检修员工应立即进行电力设备的检修,避免造成更大的电力事故。

4 结论

随着电网的不断发展,输电电压已经跨入了特高压输电时代。高压设备和输电线路的电晕放电不光对环境造成影响,而且电晕放电时所产生的某些化学反应也是促成有机绝缘老化的重要原因之一,会加速设备的绝缘老化,造成电力事故。

本文采用紫外成像系统所采集的放电电晕图像,经过Delphi软件数字图像处理后,作为量化分级数据,利用遗传投影寻踪理论,建立量化等级模型。仿真实验验证了该识别方法能够有效地对电晕放电强度进行量化分级。电网工作人员能够根据电晕放电强度的大小诊断出故障,从而采取相应的措施,避免造成重大的电力事故。

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电晕检测 篇2

1 紫外成像在检测中的应用

1.1 放电强度的依据

一般高压电器设备电晕放电主要是以一定时间内产生的光子总数作为判定分级参照。依据强度的不同划分为从低到高三级:轻度集中、中度集中、高度集中。

紫外成像检测设备以工作方式的不同划分为集中、活动两种不同模式。集中模式把一段时间内的紫外线光信号储存并按照一定的算法进行实时更新, 对设备放电的情况有一个总体的了解;活动模式是主要是进行实时情况监测, 有利于对放电现象进行分析和定量。在实际的检测过程中两种模式的效果不同, 一般情况下活动模式的光子数的变化较大, 几十到几百的变化都属于正常的变化范围, 这也看出了电晕放电的不稳定性;集中模式恰恰相反, 表现的比较稳定, 这样也便于对光子的记录及分析。所以, 采用紫外成像仪对光子的数据进行观测, 可以对放电的强度起到重要的参考作用。

1.2 检测时注意事项

(1) 选择合适的检测时机。在设备运行之前进行紫外成像检测是非常重要的, 并且要将检测的结果存档, 这样就可以及时掌握数据进行实时跟踪。紫外成像检测另外一个重要的目的就是检测设备是否完好, 这样, 当出现问题的时候可以及时维修。

(2) 背景噪声点处理。紫外成像仪虽然是比较先进的设备检测仪器, 但是仍存在很多不足。检测过程中仪器会收集到少部分的外部紫外光, 会对结果产生很大的干扰。在这种情况下, 所收集到的外部紫外光会以紫外噪声点的形式表现出来, 只有及时对噪声点进行归零化处理, 才能减少影响。

(3) 检测的位置和距离的选择。在不同位置的观测中我们发现, 在有效观测范围内, 放电电离空气激发的紫外光强度与观测距离二次方成反比。因此, 在满足安全条件下应该尽量在接近设备的位置测试设备。

(4) 检测灵敏度的调节。在实际的测量过程中, 可以注意到电晕放电强度往往容易受到设备运行电压、检测位置、环境因素的影响。在外在因素的影响下, 同一放电点的检测结果也会存在较大差距。在我们检测之前, 需要对现场的检测条件以及检测环境做充分的了解, 在调节仪器灵敏度的同时, 可以充分提高检测设备的灵敏度, 这样所检测出来的结果较具有说服力。

2 电晕放电检测效果分析

高压变电站进行带电调试, 也就是在高压运行状况下进行检测, 下面是实际检测结果的分析, 从中可以检验紫外检测仪的实际效果。

(1) 如图1, 不同类型变压器的放电强弱是不同的, 在端部被屏蔽中, 才会达到很明显的效果, 对于均压环的设计比较合理。

(2) 避雷器可以采用多种结构, 下图为均匀环管结构。该结构环形的直径较小, 金属表面的尖端在电场感应下电势较高, 会产生尖端放电。从电晕放电的检测结果分析, 在1000k V下, 不同结构之间的放电效应存在很大差距。总的来看, 可采纳三环体系的避雷器, 该体系的运行状态较好。

(3) 导线电晕放电的检测情况如图3。金具、导线、绝缘层表面具有较好的电晕放电状态。

(4) 如图4是1000k V支柱型绝缘的检测情况。绝缘支柱与顶部电晕放电效应之间感应比较强烈。主要是由于均压环之间的环口径较小, 且单环端部上的连线比较突出, 这样就会存在着很大的设计缺陷。

(5) 图5和图6是支柱型绝缘异常情况下的检测情况。1000k V设备在所有设备运行过程中具有很较大强度的电晕放电现象, 电晕形态所呈现的是不间断爆发性比安装在其他位置上的支柱绝缘所发生的现象更加严重。在这样的情况下, 应该深度说明电场在支柱绝缘末端最高, 因为均压环比较小, 所以结构设计的不是很合理。

从图中两个时间的检测结果可以看出, 与刚开始运行时相比, 后面时间由于设备的尖端变得平滑, 电晕放电的情况得到很大改善。

3 运行状态结果评价

(1) 应用紫外线成像技术对指定型号的电气设备进行放电情况分析, 能够直接体现会出现电晕放电的放电形态和部位, 可以对电气设备各方面工作进行综合性的评价。

(2) 从检测结果可见, 在设计和制造1000k V类型的高压设备时, 需要着重考虑到电场分布状况、设备构造的合理性和适当处理使设备表面尽量光滑等等, 这样就可以在一定程度上减少电晕放电现象。

4 结束语

综上所述, 紫外成像仪是目前在高压电器设备检测中最先进的仪器, 紫外成像技术也在这一领域有广泛的应用, 实践证明这是值得研究和推广的技术。

摘要：电晕放电是一种在高压电器设备中常见的现象, 紫外光电晕检测技术是一种当前最成熟的电晕放电评价技术, 检测结果影响到设备的从设计到维护的各个环节, 对电力设备的安全及有效运行具有重大意义。因此, 文章对高压电气设备就电晕放电问题的检测和设备运行状态的评价进行简单的讨论。

关键词：高压电晕放电,设备检测,状态诊断

参考文献

[1]尤少华, 刘云鹏, 万启发, 等.特高压电晕笼的多分裂导线电晕损失测量系统[J].高电压技术, 2010 (1) .

电晕检测 篇3

随着变电站电气设备电压等级和智能程度不断提高,电晕现象的发生越来越频繁,对整个变电站的安全运行构成威胁。而要有效抑制高压设备电晕放电对电力系统的危害和对周围环境的污染,除了合理设计设备结构,提高设备制造水平外,对电气设备电晕的检测和诊断也是非常必要的[1,2]。

国内外对检测电气设备电晕放电的方法进行了大量研究,其中光学检测法和超声波检测法因为其具有检测可靠、能对电晕进行定位的优势从而得到广泛的研究和应用[3]。但由于光和超声波在空气和媒介中传播衰减严重,因此检测设备难以检测到较远距离外设备的电晕情况,在现场应用中存在一定局限[4,5]。

电磁波在空气中传播,10GHz以下频段大气吸收造成的信号损耗很小,因此相比起光信号和超声波信号,电磁波信号在空气中传播衰减很小。另外,由于电晕大多发生在位于尖端的非均匀场中,因此辐射出的电磁波信号能量远大于周围的电磁背景噪声,具有良好的信噪比[6,7]。因此,无线电方法检测电气设备电晕具有比光检测法和超声波检测法更大的检测距离和灵敏度,若将全向天线阵列安装于变电站内,可以实现对整个变电站电气设备电晕情况的监测及定位[8]。基于此,本文研制了水平面(H面)全向性、宽频带和高增益的用于电晕检测的天线传感器,该天线具有灵敏度高、检测距离远、便于携带和安装的特点,基于该天线可以开发出监测变电站全站设备电晕情况的系统,具有良好的工程应用价值。

2 天线传感器的分析和选型

2.1 天线传感器的设计要求

天线传感器要能够接收到一定距离外因电气设备电晕放电而辐射到空气中的电磁波信号,必须确保天线在设计上要满足以下条件:

(1)在H面具有全向性,从而有效接收来自各水平方向的电晕信号;

(2)具有合适的带宽,为尽可能多地提取放电信息要求天线工作频带至少覆盖电晕电磁波信号能量最强频段;

(3)具有较高的灵敏度,由于天线的灵敏度和其带宽成正相关,因此天线工作频带应尽可能宽;

(4)具有较高的增益,确保能检测到较远距离外微弱的电晕信号;

(5)天线尺寸小、结构简单、重量轻、便于安装。

2.2 天线传感器的分析和选型

为实现上述设计要求,需要选择宽带天线进行分析和设计,双锥偶极子天线则是典型的宽带天线,比起宽度固定的振子,双锥结构具有固定角度从而半径平滑变化,可以得到比振子天线更大的带宽。将双锥天线的上锥由圆盘取代,得到盘锥天线。该天线盘地面连接同轴传输线内导体,锥台连接同轴传输线外导体,可以提供H面全向方向图以及上下限频率比超过3∶1的宽带性能。

由互易定理可知,对天线接收特性和辐射特性的分析是等效的,因此本文分析盘锥天线的辐射特性和特性阻抗。在球面坐标系(r,θ,φ)下,假设双锥天线两半导体均为无限锥形表面,在两导体缝隙处施加电压则电流从缝隙处沿导体表面流出,并且由此产生磁场。又假设其传输TEM波则电场垂直于磁场方向,在锥间区域满足

由安培定律×H=jωεE+J可以将式(1)简化为

其中对r分量和对θ分量为

非对称双锥天线的上锥锥角变为90°就将其变形为盘锥天线,在此基础上根据前人研究的非对称双锥天线辐射特性就可以推导出盘锥天线的辐射特性,盘锥天线远场区电场和磁场分量如下:

式中,V0是发射机供给盘锥天线的发射电压;θh是盘锥天线锥角;β=2π/λ,。

而盘锥天线的特性阻抗也可以通过非对称双锥天线的特性阻抗进行推导,非对称双锥天线的终端电压和电流为

式中,θ1为双锥天线的上锥锥角;θ2为双锥天线的下锥锥角。

则任意点r处的特性阻抗为

盘锥天线是非对称双锥天线θ1=90°的情况,则盘锥天线阻抗特性

从上述对盘锥天线的分析来看,相比起双锥天线,盘锥天线盘地面下方的辐射特性和双锥天线下半部分一样,而输入阻抗是对称双锥天线输入阻抗的一半,因此盘锥天线可以在更小体积的基础上实现更优秀的宽带性能和更大的增益;另外盘锥天线作为单极子天线使用同轴电缆进行信号传输,有利于接收设备接收信号。因此本文选择盘锥天线作为检测变电站内电气设备电晕放电的传感器进行分析设计。

3 盘锥天线的设计和性能实测

3.1 接收天线评价指标

设计的盘锥天线需要关注的指标为带宽、增益和方向图。

工程上最常用的单极子天线带宽是指天线驻波比小于2的频带。天线增益指在输入功率相等的情况下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。对电晕信号的检测而言,同等信号强度条件下天线增益越大检测的距离越远。天线方向图包括H面方向图和垂直面(E面)方向图,表示天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。

3.2 盘锥天线的加工制作和性能测试

已有的研究表明锥角25°、圆盘与锥台间连接轴高度等于锥台上表面半径情况下盘锥天线增益、方向图稳定性及其与馈线的匹配情况最佳,另外,天线的锥台高度决定了天线工作的中心频率并对其下限工作频率有显著影响,并且天线的增益和带宽还与天线盘半径有关。

考虑到用于检测MHz的电晕信号,加工设计锥角25°、高度30cm、盘半径20cm的盘锥天线。如图1所示该天线在加工上采用了离散化方式,每个面都用12根盘杆代替,在天线增益和带宽等性能不受影响的基础上既减轻了重量同时使得该天线各部分可拆卸,便于携带和安装。

天线加工完成后对其阻抗带宽、方向图和增益进行实测。测试得到盘锥天线在频带10MHz~1 GHz内具有良好的频率响应特性,完全满足电晕检测的带宽要求。盘锥天线是H面全向天线,因此只考察其E面的方向图性能,天线E面方向图最大增益方向在天线下方,适合接收从低处传来的信号。利用AV1487B信号源和HP8592L频谱分析仪测试得到天线在工作频带内平均增益大于4d B,对全向宽带天线而言该增益较为理想。

4 盘锥天线的变电站实测

4.1 变电站电晕放电信号实测

将4个盘锥天线组成的天线阵列安装于某220 k V敞开式变电站主控室楼顶进行信号采集,安装在主控室位置的好处是全向天线阵列位于变电站中间位置可以有效接收来自各个方向的设备发出的电晕信号。如图2所示是示波器通过主控室楼顶的天线阵列采集到的来自该变电站2号主变压器220 k V出线侧B相隔离开关的放电信号,幅值至少可达80m V以上,而如图3所示在主控室楼顶测得的变电站固有背景噪声幅值一般不超过10m V,因此该放电信号与背景电磁噪声相比具有良好的信噪比(SNR)。

如图4所示,变电站工作人员在放电所在位置用厦门红相公司生产的超声波放电检测仪Ultra TEV plus+也检测到了放电的发生。而在变电站其他位置天线阵列和超声波放电检测仪都没有发现存在放电情况。

4.2 检测信号的分析

对存在放电情况的隔离开关进行分析和验证,确定是空气绝缘部分放电即电晕放电,如图5所示,放电信号频带主要部分在350MHz以下,但在1GHz以下频带也有分布,可见该电晕激发至空气中的电磁波信号频带分布比较广泛,用宽带天线作为检测传感器具有优势。该放电能被几十米外的天线传感器检测到,并有较大的信号幅值,证明电晕在发生时具有较大的放电量,不仅可能腐蚀隔离开关的触头表面,还会对无线电通信和电视信号造成干扰,试验人员已向相关部门反映该情况。由于整个变电站只有该隔离开关处检查到放电现象,分析原因可能是该开关触头表面有毛刺或未保持光滑所致,另外,该放电在阴雨天偶尔发生,晴朗天气则未检测到发生放电,表明空气湿度的增加会加剧放电。

从现场测量的结果看,天线成功检测到了水平距离35m外的电晕信号,证实其具有良好的远距离电磁波信号接收能力,而用便携式超声波放电检测仪须通过巡检并距离放电设备较近才能发现存在的放电现象。变电站实测结果表明,本文研制的盘锥天线可检测到远距离外设备的电晕放电,基于该天线可以开发出用于变电站电气设备电晕监测和定位的系统,在工程应用上具有某些方面的优势。

5 结论

(1)本文通过分析辐射特性和特性阻抗,确定了将盘锥天线设计为用于非接触检测变电站内电气设备电晕的传感器具有优势,加工出的天线带宽为10 MHz~1 GHz以上,E面方向图增益最大方向在天线下方,平均增益达4d B以上。

(2)在变电站电晕检测的试验中,盘锥天线阵列接收到了35m外隔离开关处发出的空气绝缘放电信号,证实了该天线具有良好的远距离电晕信号检测能力。

(3)未来将基于本文设计的盘锥天线开发出固定式或移动式变电站全站设备电晕监测系统,系统工作时不与设备发生接触,通过更多现场实测开展基于无线电方法的变电站设备电晕监测及定位的研究。

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电晕检测 篇4

设备绝缘结构有极不均匀电场强度的特性,当电气设备周围强度大于某一临界值,空气分子会被电离,在过程中会伴随着空气分子的不断获得和释放能量,伴有“咝咝”放电声,这种现象称之为“电晕放电”。目前随着线路等级的不断攀升,电晕放电也随之加剧,其带来的损失需引起足够重视。据不完全统计,全国每年因电晕放电造成的电量损失达到20.5亿k Wh;电晕放电过程中释放的电磁脉冲会对高频信号和无线电产生强烈的干扰;同时,电晕放电强度和设备缺陷程度之间存在紧密的关系。因此,如何准确、定量的检测电晕放电继而加以及时的维护无论对于设备的安全运行还是对人力和物力资源的节约都有不可估量的意义。

为了更好的检测电晕放电现象,不同的检测参量衍生了很多的探测技术,诸如:超声波、红外、泄漏电流和紫外等等。各方法均有都有其优缺点。设备缺陷点处的电晕放电强度能在一定程度上反应设备故障的程度,紫外探测技术就是继承此理念通过检测设备缺陷点处的电晕放电来得出设备的缺陷程度[1]。根据美国电力科学研究院201年关于智能电网的技术报告表明,严重危害电力安全的2个问题中,有22个问题可以通过光学手段解决,其中有个问题必须通过紫外检测的手段解决;美国的CBH公司在发现电网安全的问题中,通过日盲型紫外检测发现到50%,红外检测和可见光的分别为28%和22%。所以紫外探测技术已经成为现在电力故障检测的主流技术。目前,电力行业常用和权威的紫外探测技术主要为用紫外成像仪来检测设备的缺陷[2]。此方法能直观的反映设备缺陷点处电晕放电的大小,但此方法是通过对紫外成像光斑进行图像算法得出的紫外光子数值,即定性反映电晕放电大小,不能定量的测量电晕放电的强度,故而不能对设备的缺陷程度有精准的掌控。

本文介绍一种基于光子型可定位紫外探测技术集成的智能紫外在线监测系统的设计方案,此方案主要包含全日盲光子型可定位紫外探测器、环境气象传感器、供电单元、主控单元、通信单元和后台的智能专家分析平台部分。这种方案可以对变电站进行实时安全防护,因为紫外探测器的波段在240~280nm,所以可以全天候监测,不受太阳光的干扰,获取准确的紫外光子数值。监测人员可在后台服务器平台上对变电站的运行情况全面掌控,结合现场返回的多种环境参数,通过专家分析软件可分析得出各个观测点的电晕放电状况,以及对历史数据的查询和放电趋势的判断。

1 系统构架

上文叙述到整个系统由光子型可定位紫外探测器、主控单元、环境气象传感器和后台的专家智能分析平台以及其他部分(供电单元、通信单元等)组成。

1.1 光子型可定位紫外探测器

长久以来,高灵敏度的紫外探测器件多采用光电倍增管及相似的真空器件,真空器件相对于固体紫外探测器件工作电压高、体积大是其显著的缺点。固体紫外探测器中以紫外增强型硅光二极管为典型代表,但是这种增强型硅光二极管又因在可见光波段亦有响应成为应用的负能量。宽禁带Ⅲ族氮化物半导体的逐步发展,对可见光响应极小的本征半导体紫外材料逐步涌现,诸如:Ga N基材料,Si C材料,Al Ga N,In Ga N等,因为此种紫外探测器可根据调整材料的配比来调整探测器响应的截止波长,可以制备全日盲型紫外探测器,故而受到很大的关注。对于此种材料的研究虽很早,但是因为其合成材料的制备及其困难,且没有合适晶格匹配的外延衬底。目前较为成熟的方法为MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化合物化学气相沉淀),这种方法是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长出各种化合物半导体。当前,面阵探测器是紫外探测的方向之一,此种方法采用类似红外焦平面的工艺,采用背照射技术和硅读出电路通过铟柱互连方式得到紫外焦平面器件[3,4,5]。

文中所述光子型可定位紫外探测器即采用上述紫外焦平面组件,与可见光系统,图像处理模块和供电模块等部件构成。图1为光子型可定位紫外探测器返回的数据,包含观测点处的现场图片、观测位置的放电光子数值,变焦倍数和观测时间等,白框为紫外探测的区域。

1.2 主控单元

通过对紫外探测技术的研究,可知影响紫外探测因素非常之多,如:距离、风速风向、温湿度、气压、探测距离、探测增益、电压等级等等。故而本系统集成了相应的传感器来采集现场的环境参数。如:温湿度传感器,气压传感器,距离传感器等等。整体系统以Microchip公司生产的PIC系列单片机为控制核心,其与外围的电路主要负责数据的采集、控制和通信以及整体系统的供电控制等。其结构框图如图2所示。

1.3 智能专家分析平台

上文提到影响紫外探测因素非常多,诸如:距离、风速风向、温湿度、气压、探测距离、电压等级等等。且种种因素之间非简单的叠加关系或相乘关系,这对于缺陷点处故障程度的判定造成很大的难度。本研究对此的解决方案为:通过全面的、细致的实验室试验和挂网运行返回的数据,建立完善的数据库,此数据库包含各种缺陷在不同环境下对应的放电光子数值,进而掌握其间的逻辑关系,然后通过横向和纵向的比对综合分析得出目前的缺陷程度,继而做出响应措施。

在智能专家分析平台上,可实时对当前监测点的放电状态进行查询,亦可调用历史数据和分析观测点的放电趋势。

2 试验结果

试验分为实验室试验和现场实地试验,旨在全面细致的分析电晕放电和其影响因素之间存在的关系。分别在500k V咸宁变电站和500k V光谷变电站进行了现场实地试验。试验选用南非504相机和本系统的光子型可定位紫外探测器进行比对试验,分别观测了常见的故障缺陷点,诸如:绝缘子串、均压环、隔离开关、出线节点、母头接线等常发生故障的点。试验结果如图3~图6所示。

图3为在500k V咸宁变电站中探测常见故障缺陷点得出的数据,并与南非504相机做了对比。图4为对比的数据曲线图。

图5为在500k V光谷变电站中探测常见故障缺陷点得出的数据,并与南非504相机做了对比。图6为对比的数据曲线图。

通过光子型可定位紫外探测器和南非504相机的对比测试,试验结果验证了的光子型可定位紫外探测器对检测变电站电晕放电的准确性和灵敏度。

3 结束语

文中所述系统开展了国内首次针对固体紫外焦平面组件开发的实时的紫外监测系统,并将探测结果做到定位定量。经现场实地测试和实验室的初步验证,光子型可定位紫外探测器灵敏度高,响应速度快,响应截止波长陡峭,效果良好。该项目持续的挂网运行和实验室试验相结合的方式能提供大量的、重要的和有科学依据的实验数据,建立完备的紫外光子数值和缺陷程度相对应的数据库,可以更好的掌握电晕放电的演变历程并提出相应的解决手段,可为我国紫外探测技术发挥重要的作用。

摘要：本文介绍了一种基于光子型可定位紫外探测器集成的智能紫外在线监测系统,可实时、定量监测变电站内的电晕放电状态。采用实验室试验和现场挂网试运行的手段得出电力设备缺陷在各种气象参数下所释放的紫外光子数值,然后后经过数据筛选和数据分析建立完整的电晕放电数据库,从而对缺陷程度进行评估。本研究的光子型可定位紫外探测器灵敏高、响应速度快低,并可定量测量电晕放电的强度。通过持续的挂网实时监测,可对设备电晕放电的演化过程、数据的积累和数据的分析提供强有力的支撑。

带毛刺高压导线电晕放电分析 篇5

随着输电线路电压等级的提高,导线电晕放电成了一种常见现象。电晕放电会造成电能损失、产生高频干扰电磁波、发出噪音等危害。因此,各种导线电晕放电的仿真模拟和实验分析则成了工程人员和研究人员的研究对象。

事实上,导线在运输过程难免与各种物体发生摩擦碰撞,在线路架设过程被拖拽发生磨损,使得导线表面形成一些微小的毛刺。通过对带毛刺导线模型表面场强的仿真计算,可以看出导线毛刺表面处和光滑表面处的场强有着巨大的差别。观察运行中高压线路的摄像,也可以看到导线表面一些细小的固定点处的电晕放电明显比其他部位剧烈。

1 理想导线电晕放电原理

由于受紫外线、宇宙射线及地球内部辐射线的作用,空气中的部分气体分子被光电离,形成了漂浮的自由电荷。通常,这些微小密度的正负带电粒子在空气中漂移,几乎不形成电效应。

当高压输电线路的电压足够高时,导线表面的场强变得很大。一个漂浮在空气中导线附近的自由电子受到电场的作用被加速,若场强很大,则该电子会在打击另一个原子之前获得了足够高的能量以致从该原子中打出一个电子来。被打出的电子同样在场中被加速,继续打击其它原子并使之电离。结果,使得越来越多的自由电荷被产生,这些自由电荷的运动构成电晕放电。

1.1 带电粒子的动能

在高压导线表面附近空间,自由电荷受到洛仑兹力的作用

F=q(E+v×B) (1)

式中,q为带电粒子的电荷量,C;E为电场强度, kV/cm;v为带电粒子运动速度,cm/s;B磁感应强度,T。

由于导线内的电荷是线电荷,线电荷产生的电场E和磁场B都与距离成反比。工频电流产生的B较小,故主要对电荷产生加速作用的是电场E。自由电荷的动能为

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式中,W为自由电荷的动能,J;m为电荷的质量,kg;v为电荷的运动速度,cm/s。

1.2 原子的电离能

空气中的分子主要有N2、O2、CO2、H2O等,分子由相同的或不同的原子构成。在原子中的电子能量比自由状态下的电子能量小,这意味着它是受束缚的。也就是说,要把电子“踢出去”需要能量。要电离一个氢原子大约需要13.6 eV的能量。不同原子对自身外层电子的束缚程度不一样,因此,不同原子的电离能不同,如表1所示。

从表1可以看出,空气成分构成中的几种主要原子H、N和O的电离能很相近。

1.3 电晕放电起始场强

导线电晕放电是由于导线表面附近的自由电荷在电场的作用下被加速,在一个自由行程中,若自由电荷获得的动能W大于被碰撞分子的原子电离能Wi时,就会发生电晕放电。在一定空气条件下,空气中电子的平均自由行程λ是一定的。因此,决定电子碰撞原子之前获得动能大小的是电场强度。

电晕的产生取决于导线表面场强,所以研究电晕起始场强Ec和各种因素间的关系将更直接而且简单。F.W.Peek通过试验得出导线电晕放电起始场强的经验公式

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式中,m为表面粗糙系数;r为导线半径,cm;δ为空气相对密度。

由于大气条件及导线各部位表面状况对电晕放电起始电晕的场强影响很大,根据Peek公式及相关试验结果表明,电晕放电起始场强约为30 kV/cm。

2 实际导线电晕放电分析

在生产运输及线路架设过程,导线会受到各种碰撞及摩擦而产生轻度磨损,使得表面形成一些微小毛刺。因此,在研究电晕放电时,应该考虑这些毛刺的放电特征。经计算可知导线表面毛刺处的场强可达105 kV/cm,在这个等级的场强下,导体内的自由电子就会被发射出来,即形成电子场致发射,这样,自由电子在毛刺附近的密度就比导线光滑部位附近的大得多,加之毛刺表面的场强要比其他地方大很多,以致毛刺处的电晕放电比光滑处剧烈得多。

2.1 导线带有毛刺的情况

如果近距离看,导线受磨损部位会很粗糙,且光泽较亮,很容易被观察到。但是由于磨损引起的毛刺太细小,长度一般为1 mm左右,曲率半径在0.1 mm等级,因此,肉眼通常很难直接察觉。如果用手触摸受损部位,就很容易感觉到毛刺的存在。图1为实际运行中导线磨损处情况,导线型号为LGJ-120。图2为带毛刺导线的物理模型。

2.2 电子场致发射

电子场致发射是一种电子被强电场从电极表面抽出的机理,它是在非常高的外部电场下的一种量子效应。金属中接近费米能级的电子可以穿过势垒并跑到空气中去。

在带电体导体上,任何尖锐突出部分的周围都会产生非常高的电场。当电场强度达到约为105 kV/cm时,电子在电场的作用下会从尖锐部分的表面被抽出来,并在电场中加速。这种现象称为电子场致发射。

2.3 带毛刺导线表面场强的数值分析

以线径为3.02 cm的LGJ-500导线来进行数值仿真计算,设定导线表面有一直径为0.6 mm,长度为1.1 mm的毛刺。从图3可以看出,当瞬间电压为500 kV时,导线光滑部位的电场强度为38.494 kV/cm。而此时毛刺表面部位的场强达到7.31×105 kV/cm,如图4所示。二者场强相差近2万倍。

图5为从0相位到1/2π相位之间,即在工频交流电的1/4周期内,500 kV线路瞬时电压从0增加到707 kV的过程,导线表面光滑处电场增长的仿真结果。从图5中的曲线上可知,光滑处的最大场强约为54 kV/cm。图6为同样1/4周期内毛刺处电场增长情况。从图6可知,毛刺处的最大场强可达到约为10.3×105 kV/cm。因此,在导线光滑处,电晕表现为碰撞电离的形式;而在导线毛刺处,电晕则主要表现为电子场发射的形式。

3 实际运行线路电晕情况分析

在实际运行线路上,电晕放电在导线毛刺处和光滑处有明显差别。从高速摄像机拍得的录像上看,光滑处放出的光子在空间上是随机且零星的;而毛刺处发出的光子是基本稳定且为大量聚集的,并呈喷射状。

图7为武汉高压研究院一条运行中的6分裂500 kV交流输电试验线路,导线型号LGJ-500。图(a)和图(b)为同一位置不同时刻的电晕放电情况。可以清楚地看出,最下方的导线由于有两处毛刺的存在,产生了电子场致发射,因此,毛刺处的电晕放电明显比其他部位剧烈得多。

4 结论

依据高压输电线路导线电晕放电的基本原理,对实际运行中带有毛刺的500 kV导线进行了电场仿真计算,得出在导线光滑处电场强度达到30 kV/cm时,毛刺处的电场强度可达105 kV/cm。即毛刺处的电场可导致电子场致发射。因此,解释了带毛刺导线电晕放电时光滑处与毛刺处的不同的放电方式。提高了对实际运行线路电晕放电形式的认识。

摘要：论证了高压导线带有毛刺的部位可以形成极强的电场,产生电子的场致发射。通过仿真计算,分析了导线电晕放电时毛刺处与光滑处不同的放电形式。解释了运行线路局部电晕异常剧烈的现象。

关键词：高压导线,电晕放电,电场分布,毛刺

参考文献

[1]严璋,朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社,1998.

[2]费恩曼,莱顿,桑兹.费恩曼物理学讲义[M].上海:上海科学出版社,2005.

[3]Mahin,Derakhshanian.simulations num啨riques des vibrations in-duites par effet de couronne sur un court conducteur soumis劋unepluie artificielle[D].Chicoutimi:Universit啨du Qu啨bec劋Chi-coutimi,2001.