紫外檢測法用于電氣設(shè)備局部放電

1、紫外檢測法用于電氣設(shè)備局部放電1.1概述隨著工業(yè)發(fā)展和社會進步，電力系統(tǒng)向大容量、超高壓和特高壓方向發(fā)展，對系統(tǒng)運行可靠性要求越來越高。電力設(shè)備是組成電力系統(tǒng)的基本元件，其工作狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。電氣設(shè)備絕緣材料多為有機材料，如礦物油，絕緣紙或各種有機合成材料，絕緣體各區(qū)域承受的電場一般是不均勻的，而電介質(zhì)本身通常也是不均勻的，有的是由不同材料組成的復(fù)合絕緣體，如氣體一固體復(fù)合絕緣、液體一固體復(fù)合絕緣以及固體一固體復(fù)合絕緣等。有的雖是單一的材料，但是在制造或使用過程中會殘留一些氣泡或其他雜質(zhì)，于是在絕緣體內(nèi)部或表面就會出現(xiàn)某些區(qū)域的電場強度高于平均電場強度，或某些區(qū)域的擊穿場

2、強低于平均擊穿場強，因此在某些區(qū)域就會先發(fā)生放電，而其他區(qū)域仍然保持絕緣特性，這就形成了局部放電。在電場作用下，導(dǎo)體間絕緣僅部分區(qū)域被擊穿的電氣放電現(xiàn)象稱為局部放電。對于被氣體包圍的導(dǎo)體附近發(fā)生的局部放電，可稱之為電暈。局部放電可能發(fā)生在導(dǎo)體邊緣，也可能發(fā)生在絕緣體的表面或內(nèi)部，發(fā)生在表面的稱為表面局部放電，發(fā)生在內(nèi)部的稱為內(nèi)部局部放電。實踐證明局部放電是造成高壓電氣設(shè)備最終發(fā)生絕緣擊穿的主要原因，故對電氣設(shè)備局部放電的監(jiān)測尤為重要。局部放電對電氣設(shè)備會帶來嚴(yán)重的危害，主要表現(xiàn)在由于放電產(chǎn)生的局部發(fā)熱、帶電粒子的撞擊、化學(xué)活性生成物以及射線等因素對絕緣材料的損害。雖然局部放電能量很小，但在運行

3、電壓作用下長期發(fā)展，最終會導(dǎo)致絕緣擊穿，對設(shè)備的安全運行構(gòu)成威脅，甚至造成電力設(shè)備運行時出現(xiàn)故障造成供電中斷，其經(jīng)濟損失不可估量。我國曾對110kV及以上的變壓器統(tǒng)計表明，50%勺事故是匝問絕緣事故；1971-1974年我國對170臺6kV及以上的電機事故進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)絕緣事故占60%對1984-1987年間的發(fā)電機事故調(diào)查表明，定子繞組絕緣擊穿和相間短路占定子事故的48.4%。面對電力系統(tǒng)口趨完善的保護措施，要求提高對設(shè)備的在監(jiān)檢測能力，對不同的電力設(shè)備制定出有效的測試及判斷標(biāo)準(zhǔn)，在事故發(fā)展初期提出改善措施，以保證高壓設(shè)備的運行安全，節(jié)約維修費用。1.2局部放電檢測的常用方法及存在的問題局部

4、放電測量的方法很多，主要是根據(jù)放電過程中發(fā)生的物理化學(xué)效應(yīng)，通過測量局部放電所產(chǎn)生的電荷交換、能量的損耗、發(fā)射的電磁波、聲音和光以及生成的新物質(zhì)來表征部放電的狀態(tài)。常見的檢測方法有：脈沖電流法、色譜分析法、超高頻局部放電檢測技術(shù)、介質(zhì)損耗分析法、紅外熱像法、聲測法1-20脈沖電流法脈沖電流法是目前在局部放電測量中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。放電電流脈沖信息含量豐富，可通過電流脈沖的統(tǒng)計特征和實際的波形來判定放電的嚴(yán)重程度，進而運用其他分析手段了解絕緣劣化的狀況及發(fā)展趨勢。同時，該方法對于突變信號反應(yīng)靈敏，易于定量，能準(zhǔn)確及時地發(fā)現(xiàn)故障國際電工技術(shù)委員會(IEC專門對此方法制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(IEC-6

5、0270)。這種方法可以對放電量進行定量測量，靈敏度高。但此種方法測量頻率低、頻帶窄、信息量少、易受外界干擾噪聲(f<l0MHz)影響，抗干擾能力差3,4色譜分析法色譜分析法用來分析油中溶解氣體的成分和濃度，以判斷局部放電的狀態(tài)。該方法簡單、經(jīng)濟、有效，但檢測周期長，不能反映突發(fā)性故障，不能定量分析。超高頻(UHF)局部放電檢測技術(shù)超高頻法檢測頻帶可達(dá)300MHz-3GHz由于檢測信號頻率很高，所以受外界干擾影響小，有較高的靈敏度和可靠性。超高頻檢測法的局限性在于系統(tǒng)成本高且難以實現(xiàn)放電量的直接核準(zhǔn)，即放電量的準(zhǔn)確標(biāo)定。介質(zhì)損耗分析法(DLA)由于亞輝光放電不產(chǎn)生放電脈沖信號，而亞輝光放

6、電的脈沖上升沿時間太長，普通的脈沖電流法檢測裝置難以檢測，介損法特別適用于測量低氣壓中存在的輝光或亞輝光放電。但是該方法只能定性的檢測局部放電是否發(fā)生，不能檢測局部放電量的大小。紅外熱成像技術(shù)紅外熱成像技術(shù)是一種波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，即把紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換為可試圖像的技術(shù)。它是利用目標(biāo)內(nèi)有較大的溫度梯度或背景與目標(biāo)有較大熱對比度的特點，使得低可視目標(biāo)很容易在紅外圖像中看到。對于復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)，借助計算機輔助計算紅外熱像法可以得到一定的量化關(guān)系。在使用過程中人們發(fā)現(xiàn)以下環(huán)節(jié)制約著紅外技術(shù)的效果：不同的目標(biāo)有不同的光譜特性，目標(biāo)和探測間的環(huán)境和距離影響探測系統(tǒng)的性能；大氣中水汽、二氧化碳等各種氣體分子導(dǎo)致各

7、個大氣窗口中傳輸?shù)募t外輻射也有相當(dāng)大的衰減；對于電暈放電，如果看到紅外圖像時，電氣設(shè)備放電已經(jīng)很嚴(yán)重。聲測法聲測法可以對局部放電進行定位，檢測設(shè)備可以遠(yuǎn)離設(shè)備安裝，很大程度上減小了強電磁場的干擾。但局部放電聲波的傳播過程很復(fù)雜，傳播過程中隨頻率的平方衰減，同時也難于進行定量分析。1. 3紫外光檢測法的國內(nèi)外研究狀況在局部放電的過程中除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，所產(chǎn)生的光輻射主要由粒子從激勵狀態(tài)回復(fù)到基態(tài)或低能級過程及正、負(fù)離子或正離子與電子的復(fù)合過程產(chǎn)生。針對這一特性本文提出利用光輻射的光強來檢測局放的狀態(tài)，并對典型模型局部放電過程中產(chǎn)生的光強進行基礎(chǔ)性研究。紫外光

8、檢測法是利用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過對電信號的分析處理來反映局部部放電的強度。由于光信號在檢測的過程中可以與一次回路完全隔離，抗干擾能力較好，倍受研究人員的青睞；光檢測法可用于絕緣外部局部放電的檢測，研究表明，高達(dá)26%Z上的電氣故障都與絕緣材料外部缺陷有關(guān)。同時隨著光電傳感器制造工藝口趨成熟，靈敏度高，體積小，為在線監(jiān)測提供了可能電力設(shè)備出現(xiàn)絕緣缺陷時，會產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧等不同形式的放電，此種放電的光譜多集中在紫外波段。根據(jù)檢測原理的不同，分為紫外光功率檢測法和紫外光成像檢測法2大類。1）紫外光功率檢測法研究表明，紫外光輻射強度隨著放電量的增加而增加，因此通過檢測局部放電產(chǎn)生

9、的紫外光功率就能得到局放量的大小。紫外光功率檢測技術(shù)就是利用紫外探測器接收電力設(shè)備局放產(chǎn)生的紫外光信號，通過檢測到的紫外光功率值計算電暈放電的能量值。該種檢測系統(tǒng)一般是由紫外光纖探頭、紫外探測器和信號采集處理單元等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了能探測到微弱光信號，光纖探頭采用球狀結(jié)構(gòu)增加入射光通量，探測器采用紫外光電倍增管放大微弱信號。為了對局放位置定位，可以在電力設(shè)備中布置多個紫外光纖探頭形成局放檢測矩陣，結(jié)合多個探關(guān)系。重慶大學(xué)的張占龍等人采用該種方法對變壓器電暈放電進行實驗研究結(jié)果表明，該種方法檢測放電點位置與實際的放電點最大誤差為7.8%,速定位放電位置和放電量，檢測效果靈敏，適用于電力設(shè)

10、備的在線監(jiān)測，好的工程化應(yīng)用價值。頭的不同檢測結(jié)果，以確定局放位置。寧波大學(xué)的童嘯霄等人研究了電暈電流大小和紫外探測器響應(yīng)的光脈沖數(shù)的關(guān)系6,并通過電光傳遞函數(shù)定量表示二者的可以快具有較er電佶號圖1紫外光功率檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2）紫外光成像檢測法紫外光成像檢測技術(shù)的工作原理如圖2所示，該系統(tǒng)是由可見光和紫外光2個通道組成，局部放電產(chǎn)生的信號源通過紫外光束分離器分為2束，其中一束經(jīng)過紫外濾光鏡濾掉紫外光以外的光線進入紫外光鏡頭，在紫外相機中形成紫外圖像；另一束信號經(jīng)處理后進入可見光鏡頭，并在可見光相機中形成可見光圖像。之后采用特定的圖像處理和融合方法，輸出包含局部放電信號的圖像，達(dá)到確定局部放電位置

11、和強度的目的。李艷鵬等人已將紫外成像儀應(yīng)用于1000kV特高壓交流輸電工程中變壓器的局放檢測中網(wǎng)，并檢測到了外部電暈干擾，實驗結(jié)果如圖3所示，實現(xiàn)了對變壓器局部放電試驗外部干擾的快速準(zhǔn)確定位。目前，紫外成像儀已有產(chǎn)品投入市場。比如以色列OFIL工公司生產(chǎn)的Dayco川型的紫外成像儀，該設(shè)備采用日盲濾光器，實現(xiàn)白天檢測電暈放電的目的。南非CSIR公司的研究人員利用紫外太陽盲區(qū)，開發(fā)出CoroCAMK外電暈檢測系統(tǒng)，該儀器的波長響應(yīng)范圍在240-280nm,因而能探測出電暈產(chǎn)生的光波，可以用于電力變壓器、輸電線路等局部放電的檢測。圖2紫外光成像檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3紫外成像儀檢測1000kV高壓套管局放

12、紫外光檢測技術(shù)的優(yōu)點是檢測時不改變設(shè)備的運行狀態(tài)，檢測方法簡單操作方便，檢測結(jié)果形象直觀，且易于數(shù)字化和智能化。但是對于紫外光功率檢測技術(shù)，只有電壓超過電暈放電的臨界值的局部放電才能被紫外探測器檢測到，檢測靈敏度低，不利于微弱信號的檢測；紫外光成像儀容易受到溫度、濕度、氣壓、觀測距離等環(huán)境和儀器自身增益影響，導(dǎo)致紫外成像技術(shù)很難定量分析局部放電量。1.3.1紫外檢測法在國外發(fā)展?fàn)顩r對放電伴隨產(chǎn)生的光信號研究，國外早在70年代后期就已開始，80年代則有按IEC112方法研究有機絕緣介質(zhì)表面的光發(fā)射的論文的發(fā)表，90年代初，有人利用光電測量系統(tǒng)檢測SF6絕緣系統(tǒng)的局部放電9,10。目前，國外的研究

13、重點主要在檢測電暈放電的儀器開發(fā)。南非CSIR公司的研究人員利用紫外太陽盲區(qū)，開發(fā)出CoroCAMR外電暈檢測系統(tǒng)，該儀器的波長響應(yīng)范圍在240-280nm之間，因而能探測出電暈產(chǎn)生的光波。利用系統(tǒng)配備的集成模式可以進一步觀察到設(shè)備放電區(qū)域的形狀和大小11,12,13（圖4）圖4絕緣了延面放電紫外成像特征Fig.4UVimagingfeatureofchacreepingdischargeCoroCAMS統(tǒng)可提供電暈處的圖像，這一信息足以確定電暈發(fā)生的確切位置印可能的原因。有活動的圖像可以確定電暈的特性，放電的危害程度和認(rèn)定問題的類型，彌補了紅外熱成像儀和望遠(yuǎn)鏡的不足，為高壓設(shè)備外絕緣放電提供

14、了一個綜合的檢測結(jié)果14,15o表1給出了幾種典型放電的圖例說明。表1.1典型放電圖例說明Table1.1Keytosymbleoftypicaldischarge電錄輔射類型城外-儀顯平的圖像倒樹件電蟆像火羊打心狀，萬向.大小總在改變火花何期可見小的火北縫吼，拚境而明亮I：一性一葷出現(xiàn)在片體關(guān)鍵用仔，電小眼小.自一個段光電目前國際上已有多家電力公司將紫外電暈成像儀應(yīng)用于輸電線路、電力設(shè)備和發(fā)電機線圈表面放電的檢測，均取得了良好的效果。由美國EPR!牽頭多家電力公司共同就紫外成像儀檢測架空線電暈放電進行了為期3年的檢測研究，通過試驗室模擬和大量的現(xiàn)場實測經(jīng)驗，編寫了一份架空線電暈現(xiàn)象的正確評估

15、檢測導(dǎo)則。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，使用紫外成像儀檢測輸電線路，有以下顯著優(yōu)點：使用紫外成像儀檢測時，可以做到不停電、不改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而監(jiān)測設(shè)備在運行狀態(tài)下的真實狀態(tài)信息。由于紫外檢測基于探測對象自身發(fā)射的紫外線，不需另備輔助信號源和各種檢測裝置。因此，此種檢測方法手段單一、操作方便。能夠比較迅速、形象、直觀地顯示出設(shè)備的運行狀態(tài)和有無故障，以及比較明確給出故障的屬性、部位和嚴(yán)重程度。與傳統(tǒng)人工徒步觀測和登桿塔檢測方法相比，大大提高了檢測效率，降低了勞動強度，同時又可以不受地理環(huán)境條件的限制。促進向智能化診斷方向的發(fā)展。紫外檢測和故障診斷有利于實現(xiàn)電力設(shè)備的狀態(tài)管理和向狀態(tài)維修體制的過渡。

16、與目前普遍采用的紅外檢測方法相比，紫外檢測法可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，而紅外檢測法往往等隱患發(fā)展到一定程度才檢測出。除紫外成像儀外，能較好反應(yīng)光強弱變化的光敏二極管也得到廣泛應(yīng)用。光敏二極管屬于光伏型探測器，當(dāng)光敏二極管的反向偏壓加大到一定值后，光生載流子的收集達(dá)到極限，光生電流趨于飽和，止匕時，光生電流與光強度成線性關(guān)系，如圖5。由于電暈放電時，紫外光強度隨電壓的增加而增強，可以考慮用光敏二極管來檢測電暈放電大小。圖5光敏二極管的光照特性Fig.5Irradiantcharacteristicsofphotodiode紫外光敏傳感器的優(yōu)劣很大程度上取決于材料。目前Si材料的紫外光敏傳感器使用比較廣

17、泛，波長的相應(yīng)范圍大約在300-400nm,但為了避開可見光的影響，需要與濾光片配合使用；再者，Si材料的抗輻射能力不夠強。為了覆蓋紫外的光譜范圍，人們開始關(guān)注寬禁帶的半導(dǎo)體材料，因為該類型半導(dǎo)體材料涵蓋了臭氧層吸收的主要窗口200-280nm,是制作太陽盲區(qū)紫外探測器的理想材料。其中Ga明口SiC倍受青睞16。GaN勺禁帶寬、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好、高熱導(dǎo)率電子遷移率高，室溫下它的禁帶寬度為3.43eV,對應(yīng)能量的光子波長約為362nm由GaNM料制成的光電探測器在362nm附近會出現(xiàn)一個高響應(yīng)峰，且對波長大于362nm的光輻射不敏感，響應(yīng)度可相差三個數(shù)量級以上。但田族氮化合物沒有p/n結(jié)，

18、且晶體質(zhì)量較差17o直到1989年A.kasaki首次成功制作了GaNp-n,GaN的研究有了很大進展。1992年Khan等人利用GaN材料制出光導(dǎo)型紫外探測器，響應(yīng)時間約為1ms隨后，Khan等人又用p型GaN!膜研制出肖特基勢壘光電二極管。1995年p-n結(jié)GaNK外探測器研制成功，響應(yīng)時間也提高到0.4ms。1999年至今，美國Nitronerx公司與北卡羅那大學(xué)Honeyweft術(shù)中心在GaNS面陣口盲型紫外焦平面探測器的研究上取得顯著進步。從GaND-i-n在室溫條件的光譜響應(yīng)曲線(圖6)看出，它的工作區(qū)域較好的覆蓋在口盲區(qū)"19。圖6室溫下GaNp-i-n光敏二極管光譜響

19、應(yīng)范圍Fig.6SpectalresponserangeofGaNp-i-natroomtemperature1.3.2紫外檢測法在國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r從80年代起，國內(nèi)開始了對局部放電光檢測法的研究，由于放電涉及很多復(fù)雜的微觀過程，對試驗設(shè)備和測試手段的要求很高，使得過去的研究結(jié)果還存在很多不足之處，但也取得了一些豐碩的成果。清華大學(xué)與武漢大學(xué)分別就典型模型的電暈放電進行了光譜分析。針對普遍認(rèn)為局部放電起始階段會產(chǎn)生明顯的紫外光20,21,22,文獻(xiàn)23提出不同電壓等級下光譜的范圍有所不同：電壓低時主要表現(xiàn)為紅外區(qū)，電壓較高時為紫外區(qū)；當(dāng)氣隙變長時，紫外輻射加強，紅外光譜減弱；可見光區(qū)域?qū)ν饧与妷汉?/p>

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