光子型可定位紫外探测器在变电站电晕放电检测中的研究

西安高压电器研究院有限责任公司 赵卉

国网四川省电力公司检修公司 栗璐 雷泽宇 范强

西安同步电气有限责任公司 伊仁图太 向阳 段生鹏

0 引言

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kWh；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2011年关于智能电网的技术报告表明，严重危害电力安全的29个问题中，有22个问题可以通过光学手段解决，其中有7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：GaN基材料，SiC材料，AlGaN，InGaN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[3-5]。

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。

图1 光子型可定位紫外探测器返回的照片

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。

图2 光子型可定位紫外探测器返回的照片

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500kV咸宁变电站和500kV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 500kV咸宁变电站重点电晕放电部件试验及结果

图3为在500kV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4 500kV咸宁变电站检测结果曲线图

图5为在500kV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。

图5 500kV光谷变电站重点电晕放电部件试验及结果

图6 500kV咸宁变电站检测结果曲线图

[1]Razeghi M, Rogalski.Semiconductor ultraviolet detectors[J].Journal of Applied Physics,1996,79(10):7433-7473.Gary A. Shaw，Deep UV Photon-Counting Detectors and Applications [C]. Proc. of SPIE Vol. 7320 73200J-5.

[2]叶柏松等.一种便携式电晕检测紫外相机的设计[J].红外,2013,34(4)：24-28.

[3]龚海梅. Ⅲ 族氮化物紫外探测器及其研究进展[J].激光与红外, 2005,35(11):812-816.

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