气压对紫外检测光子数影响的研究

摘要：为研究紫外成像检测中的光子数随气压的变化特性，设计了气压可调的气候室，以棒-板间隙为研究对象，用CoroCAM504紫外成像仪在恒温恒湿的条件下研究光子数随气压的变化特性，研究表明，随气压的增加，光子数逐渐减少。采用最小二乘曲线拟合法对数据进行了幂函数拟合，发现光子数与气压之间近似满足幂函数关系，幂指数在-1～2之间。在河北保定、青海西宁实验基地现场检测得到了数据，并与实验数据进行对比分析，發现实测结果与实验结果的规律性较为一致。

关键词：气压；紫外成像；光子数；拟合分析

中图分类号：TM933    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）17-0032-04

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

0    引言

随着特高压电网的建设和运行，传统的带电检测方法已经远远不能满足现场检测的需要，而紫外成像法能够进行远距离带电检测，并且具有操作简单、重复性好、定位准确等优点，因此在电力系统带电检测方面得到了广泛应用[1-4]。

目前紫外成像法表征和量化放电强度一般是利用“光子数”参数[4-6]，该参数可直接从仪器屏幕上读取，方便快捷。我国的地形是西高东低，海拔高度存在很大的差异，海拔越高，气压越低，根据气体放电的机理可知，海拔会对放电存在影响，因而检测到的光子数也将发生变化，进而影响到对放电的量化分析[7-8]。目前关于气压对紫外成像的影响相关研究很少，因而有必要进行更加深入的研究。

本文在环境因素可调的气候室中以棒-板间隙模型为研究对象，用CoroCAM504紫外成像仪记录紫外信号，以“光子数”来量化放电的强弱。在恒温恒湿的条件下实验研究了光子数随气压变化的特性，得到两者之间的关系曲线并进行拟合分析，得到了其变化特性。然后在河北保定、青海西宁进行了实地测试，并将检测数据与实验数据进行了对比分析。研究结果对高海拔地区紫外检测工作的开展有良好的指导意义。

1    实验系统的构建和实验方法

1.1    实验系统的构建

该气候室为一气压、湿度、温度单独可调的封闭金属罐，图1是环境参数对紫外成像检测结果影响研究装置的结构示意图。

目前工程中研究放电的典型模型为棒-板间隙，因而本文采用棒-板模型为研究对象，棒电极直径为3.2 cm，其头部为圆锥形，顶端半径约1.5 mm，板电极长宽均为1.5 m，棒-板间隙距离分别定为20、15、10 cm。实验时，CoroCAM504紫外成像仪输出的视频信号被存储在外部视频记录设备中。实验电压由工频高压发生器提供。

1.2    实验方法

实验时，CoroCAM504紫外成像仪除增益外的其他参数设置为仪器默认值，并在整个实验过程中保持不变，增益为70%，观测位置为8 m，温度22 ℃，相对湿度36%。

步骤一：首先设定棒-板间隙距离为20 cm，利用抽气机将罐内气压抽到40 kPa，采用逐步加压法，步长3 kV，用CoroCAM504紫外成像仪录制放电的紫外视频。

步骤二：将棒-板间隙分别改为15、10 cm，重复步骤一。

步骤三：分析视频，计算光子数，研究光子数随气压变化的特性。

由于电晕放电具有一定的随机性，为了减小光子数的计算误差，在此采用了取平均值处理，方法是从紫外视频中截取连续的100帧大紫外图像，分别读取每一帧图像中的光子数，然后取平均值。

2    实验结果与数据分析

2.1    实验结果

基于以上实验结果，本文获得了不同棒-板间隙距离和气压下的紫外视频，其中棒-板间隙为20 cm，电压为39 kV时，不同气压下的紫外图像如图2所示。

基于上述实验，可得到棒-板放电模型在不同电压和气压下的光子数。气压的范围为40～100 kPa；电压过低时没有放电或放电很弱，光子数较少，此时仪器检测到的光信号过于微弱，光子计数值存在较大的统计误差，当电压过高时有击穿的危险，因此对于20 cm的间隙，实验电压的范围设置为27～45 kV。相关数据如表1所示，表中“—”表示在该距离下已发生击穿。

由图3可以看出，随着气压的增强，放电逐渐减弱，光子数也逐渐减少。这是因为气压增加，空气密度增加，电子的自由程减小，相邻的两次碰撞之间电子积累的动能降低，发生碰撞电离的概率也相应降低，因而放电减弱。

2.2    数据分析

基于上述实验研究，本文对棒-板间隙距离为20 cm时光子数随气压变化的数据进行了分析，并采用了最小二乘曲线拟合法对数据进行了拟合。根据数据的变化趋势，本文选择了幂函数进行拟合分析，具体拟合函数如式（1）所示：

式中：A为一常量系数；p为气压；n为幂指数。

表2给出了部分电压下的拟合函数表达式，为进一步量化曲线的拟合精确程度，本文计算了各拟合曲线的可决系数R[9]。

由表2可知，各拟合函数的R值接近于1（R的取值范围在0～1之间，R值越接近1，说明拟合曲线对观测值的拟合程度越好），这说明表2与实际数据有着较高的拟合度。对其他电压下的数据进行分析，发现光子数与气压之间也近似满足幂函数变化特性，气压在40～100 kPa的范围内，幂指数在-2.1～-1.4之间变化。

限于论文篇幅，本文在此仅给出棒-板间隙为15、10 cm时部分电压下的光子数随气压变化的拟合函数表达式和可决系数值。

棒-板间隙为15 cm时，在气压为40～100.5 kPa的范围内，电压从18 kV逐步施加到39 kV。表3是部分电压下光子数与气压的拟合函数表达式和可决系数值R。

棒板间隙为10 cm时，在气压为40～100 kPa的范围内，电压从15 kV逐步施加到30 kV。表4是部分电压下光子数与气压的拟合函数表达式和可决系数值R。

由上述分析可知，光子数随着气压的增加而减小，两者满足幂函数变化特性，其幂指数在-2～-1之间。

3    现场检测

使用同一套棒-板放电模型，分别在河北省保定市和青海省西宁市进行了实地检测，两地实验时选择天气条件尽量保持与实验条件相近。两地实验时气候条件如下：1）青海西宁实验基地：气压79.8 kPa，温度22 ℃，湿度36%；2）河北保定实验基地：气压100 kPa，温度23 ℃，湿度35%。

图4分别为在气候室、青海省西宁市、河北省保定市的紫外图片对比，棒-板间隙为20 cm，电压为40 kV，增益为70%，观测距离为8 m。

分析现场实验结果，青海西宁实验基地在27、33、39、42 kV电压下测得光子数分别为37、55、92、141个。根据表2中的拟合公式可以得到在以上4个电压下的光子数分别为35、54、95、144个。两者之间的相对误差为4.29%。

河北保定实验基地在27、33、39、42 kV电压下测得光子数分别为26、40、66、94个，根据表2中的拟合公式可以得到在以上4个电压下的光子数分别为25、39、67、92个。两者之间的相对误差为2.5%。

实地实验结果表明，气候室所得到的拟合函数能有效表示光子数随气压变化的关系，研究结果对高海拔地区紫外检测工作的开展有良好的指导意义。

4    结束语

本文设计了一气压可调的人工气候室，以棒-板间隙为研究对象，实验研究了光子数随气压变化的特性，即气压越高，放电越弱，光子数越少。拟合分析表明，两者近似满足幂函数关系，幂指数在-2～-1之间。通过现场检测结果可知，所得到的拟合函数能有效满足实际工作需要。

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收稿日期：2023-05-16

作者简介：冯宏恩（1987—），男，河北邢台人，硕士，工程师，研究方向：高压设备放电的非接触检测和评估。