基于日盲紫外探测器的高压电晕在线监测系统

周学坤，谢云昊，刘志勇，徐向华，李雁冰，薛 华

（国网山东省电力公司，山东东营257091）

1 高压电晕检测技术应用现状

由于环境恶化、天气破坏、设备及安装质量不过关，高压电子线路和设备局部绝缘层的破坏越来越严重，当绝缘体局部电压超过临界电压时会使空气游离而产生电晕放电，引起大小事故造成巨大损失，是电力系统重大安全隐患的来源之一。图1所示是探测到的电晕紫外光图象。

图1 高压电晕现象［1］

绝缘事故的产生通常起源于局部放电形成的电晕，进而逐步变强，最终导致事故发生，因此，高压电晕监测已成为必然。

传统对电晕等微弱放电现象的检测手段比较陈旧，主要采用超声波法、红外法、夜间目测等［2］。从上世纪末，美国为首的一些国家的科学技术人员开始研究紫外光探测技术，并取得了突破性的进展，相继有紫外电晕检测仪和紫外成像仪等仪器出现。

实践证明，可用于诊断放电过程的各种方法中，光学方法的灵敏度、分辨率和抗干扰能力最好。即采用高灵敏度的紫外线辐射接收器，记录电晕和表面放电过程中辐射的紫外线，再加以处理分析，以达到评价设备状况的目的。紫外成像仪是目前具有代表意义的比较先进的电晕探测仪器，它是基于电晕放电会产生大量的紫外线，尤其是位于日盲区波段的紫外线进行成像，从而得到监测。

2 基于氮化镓紫外（日盲波段）探测器的检测原理

氮化镓（GaN）材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。氮化镓（GaN）材料是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、很好的化学稳定性（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐射能力。GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN极其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围［3］。

图2所示为氮化镓光导材料典型的响应曲线。另外，利用归一化标准光源所测的光电流与波长的关系如图3所示。

由两图可以看出，小于波长约370nm处的紫外波段相应度急剧增加，这为制造紫外光电管提供了理论依据［4］。

图2 氮化镓光导材料典型的响应曲线

图3 典型的光导（光电流）光谱

选用一款工作于日盲区紫外波段（200nm－280nm）范围的紫外氮化镓探测器，技术参数如表1所示。

表1 技术参数表

探测器响应曲线如图4所示。

图4 氮化镓（GaN）紫外探测器光谱响应

电晕放电的紫外光谱主要是约200nm－400nm的波段。在空气中，电晕放电的峰值波长在300nm－360nm左右。但在300nm－360nm波段，在地表太阳辐射比电晕强很多。在“日盲”紫外波段（240nm－280nm）电晕放电的强度要弱得多，但此时太阳在地表的背景辐射为零。因此，选择在日盲波段进行电晕放电的检测，可得到理想的探测效果。

众所周知，位于日盲区的紫外辐射几乎被大气臭氧完全吸收，而电晕所发出的紫外辐射却含盖了日盲区［5］，如图 5 所示。

图5 电晕光谱分布

由上图可以看出，利用日盲区波段下紫外探测器作为检测设备，既可检测到高压电晕放电，又可避免太阳光紫外线的干扰，是一种行之有效的检测方法。

3 在线实时监测系统设计技术路线

根据紫外探测器探测原理及电力系统（例如高压线路检测）要求，实现系统结构如图6和图7所示。

对于探测距离在5m－6m范围，而探测目标范围宽在3m以上时，可采用日盲紫外探测器直接对准被测目标方式，以满足近距离广角探测的要求，如图6所示。

图6 近距离探测系统结构示意图

而需要探测较远距离的目标时（例如8m－10m以上），就需要通过光学聚焦获得弱光信号，必须采用紫外镜头，通过光纤来传输，如图7所示。

图7 远距离探测系统结构示意图

光学系统的设计需要考虑距离及入射紫外光能量双重因素。

被测目标发出的紫外光透过紫外透镜及滤光片后的光通量由下式计算：

其中，D是紫外物方孔径；L是目标至紫外透镜第一平面的距离；k是相应检测角系数；τfilter和τlens分别是滤波片和紫外物镜透射系数；τ（λ）L／1000是大气衰减系数［6］。

上式表明，透射的紫外光能量跟透镜孔径尺寸以及材料的透过率成正比，与探测距离成反比，因此，透镜需要经过增透膜处理，滤波片也需要选取透过率更高的，然后在所要求的测量范围内，还需要通过调整位置、观察接收信号来确定光学聚焦位置。

各紫外探头设计，包含滤波、聚焦、耐温、安装支架以及可能内嵌的光电变送模块等，探头要对准易发故障处。

安装在监测现场的GaN基紫外探测器采取模块一体化设计，集成了微光信号接收采集、高效放大、光电转换以及触发控制信号输出的极高灵敏度光探测模块。该模块的输出为数字化采集信号。通过内置自学习自适应软件系统，可自动学习和适应不同应用场所的环境光，自动设置触发阈值，以适应不同的应用需求，从而满足不同用户对于各种现场的测量和控制要求。

紫外探测传感器电路构成如图8所示。

图8 紫外传感器电路框图

紫外传感器在接收紫外光照射时，产生微弱电压信号，再经过低噪声放大。滤波电路负责滤除干扰信号和有效宽带外的噪声，让有效信号进入后级电路，ADC实现信号的数字化，并由微控制器通过软件算法，分析提取有效的信号特征，最后通过驱动电路提供报警信号。

另外，根据环境背景光的干扰水平，可手动或自动调节灵敏度。

4 关键技术问题及解决方案

4.1 太阳光下的光学滤波

虽然探测器工作在日盲区（200nm－280nm）内，但强太阳光还是会给微弱的紫外信号造成相当的干扰，尤其是被实践证明在260nm以上会有比较明显的干扰。

因此紫外透光片是有必要的，选取效果比较好的进口的滤波片。

4.2 灵敏度的提高

因为电晕是早期的放电行为，信号十分微弱，尤其是在强太阳光背景下，要有效地采集到微弱日盲紫外电晕，是一个挑战。

在选取好滤波片以后，需要调整好光学透镜的聚焦，同时需要增加探测器的放大效果，还要防止各种噪声干扰，做好信号屏蔽等。

4.3 强电磁环境下的抗干扰

由于是工作在高压线路环境下，虽然用光纤传输可以很好地消除电磁波在光信号上的传输干扰，但系统不可避免地要采集光并进行光电转换处理等。

因此必须做好屏蔽，在需要由电信号传输的地方应采用电流传输，还应做好防雷电等恶劣环境下的保护工作。

5 系统的特征优势

本系统所应用的日盲区氮化镓紫外探测器具有如下特征：

（1）体积小，TO92封装；

（2）工业级的温度范围，即 －40℃至＋85℃；

（3）工作在日盲区波段范围：200nm－280nm；

（4）可连续不间断地工作，特别适用于在线实时监测；

（5）与一般半导体探测器相比，灵敏度高；

（6）成本低，适合于规模化推广。

与目前用的比较多的紫外成像仪相比较，系统具有体积小、成本低、寿命长，可24小时监测等优势。

6 结束语

氮化镓半导体材料，由于其特有的良好的光谱响应特征，尤其是在UVC日盲区上的应用，使得氮化镓探测器成为室外在线实时紫外监测的良好选择，因此由该探测器组成的在线监测系统也特别适应室外电晕的在线监测，可作为固定设备，对一定距离范围内的被测对象实施长期监控。

实验结果证明，对于近距离（例如高压杆塔）上安装氮化镓紫外探测系统，可获得良好效果。与紫外成像仪相比，由于氮化镓紫外电晕探测器系统成本低、重量轻、适应环境能力强，不惧太阳光及电磁感染，可24小时长期监控，因此适合一定范围的推广。在探测高压电晕放电应用中，可与紫外成像仪可相互补充。