紫外检测法用于电气设备局部放电

紫外检测法用于电气设备局部放电1.1概述随着工业发展和社会进步，电力系统向大容量、超高压和特高压方向发展，对系统运行可靠性要求越来越高。电力设备是组成电力系统的基本元件，其工作状况直接关系到电力系统的安全经济运行。电气设备绝缘材料多为有机材料，如矿物油，绝缘纸或各种有机合成材料，绝缘体各区域承受的电场一般是不均匀的，而电介质本身通常也是不均匀的，有的是由不同材料组成的复合绝缘体，如气体一固体复合绝缘、液体一固体复合绝缘以及固体一固体复合绝缘等。有的虽是单一的材料，但是在制造或使用过程中会残留一些气泡或其他杂质，于是在绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电场强度高于平均电场强度，或某些区域的击穿场强低于平均击穿场强，因此在某些区域就会先发生放电，而其他区域仍然保持绝缘特性，这就形成了局部放电。在电场作用下，导体间绝缘仅部分区域被击穿的电气放电现象称为局部放电。对于被气体包围的导体附近发生的局部放电，可称之为电晕。局部放电可能发生在导体边缘，也可能发生在绝缘体的表面或内部，发生在表面的称为表面局部放电，发生在内部的称为内部局部放电。实践证明局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的主要原因，故对电气设备局部放电的监测尤为重要。局部放电对电气设备会带来严重的危害，主要表现在由于放电产生的局部发热、带电粒子的撞击、化学活性生成物以及射线等因素对绝缘材料的损害。虽然局部放电能量很小，但在运行电压作用下长期发展，最终会导致绝缘击穿，对设备的安全运行构成威胁，甚至造成电力设备运行时出现故障造成供电中断，其经济损失不可估量。我国曾对110kV及以上的变压器统计表明，50%的事故是匝间绝缘事故;1971-1974年我国对170台6kV及以上的电机事故进行统计，发现绝缘事故占60%，对1984-1987年间的发电机事故调查表明，定子绕组绝缘击穿和相间短路占定子事故的48.4%。面对电力系统口趋完善的保护措施，要求提高对设备的在监检测能力，对不同的电力设备制定出有效的测试及判断标准，在事故发展初期提出改善措施，以保证高压设备的运行安全，节约维修费用。1.2局部放电检测的常用方法及存在的问题局部放电测量的方法很多，主要是根据放电过程中发生的物理化学效应，通过测量局部放电所产生的电荷交换、能量的损耗、发射的电磁波、声音和光以及生成的新物质来表征部放电的状态。常见的检测方法有:脉冲电流法、色谱分析法、超高频局部放电检测技术、介质损耗分析法、红外热像法、声测法[1-2]。①脉冲电流法脉冲电流法是目前在局部放电测量中应用最为广泛的一种方法。放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征和实际的波形来判定放电的严重程度，进而运用其他分析手段了解绝缘劣化的状况及发展趋势。同时，该方法对于突变信号反应灵敏，易于定量，能准确及时地发现故障国际电工技术委员会(IEC专门对此方法制定了相关标准(IEC-60270)。这种方法可以对放电量进行定量测量，灵敏度高。但此种方法测量频率低、频带窄、信息量少、易受外界干扰噪声(fl0MHz)影响，抗干扰能力差[3,4]②色谱分析法色谱分析法用来分析油中溶解气体的成分和浓度，以判断局部放电的状态。该方法简单、经济、有效，但检测周期长，不能反映突发性故障，不能定量分析。③超高频(UHF)局部放电检测技术超高频法检测频带可达300MHz-3GHz，由于检测信号频率很高，所以受外界干扰影响小，有较高的灵敏度和可靠性。超高频检测法的局限性在于系统成本高且难以实现放电量的直接核准，即放电量的准确标定。④介质损耗分析法(DLA)由于亚辉光放电不产生放电脉冲信号，而亚辉光放电的脉冲上升沿时间太长，普通的脉冲电流法检测装置难以检测，介损法特别适用于测量低气压中存在的辉光或亚辉光放电。但是该方法只能定性的检测局部放电是否发生，不能检测局部放电量的大小。⑤红外热成像技术红外热成像技术是一种波长转换技术，即把红外辐射图像转换为可试图像的技术。它是利用目标内有较大的温度梯度或背景与目标有较大热对比度的特点，使得低可视目标很容易在红外图像中看到。对于复杂的绝缘结构，借助计算机辅助计算红外热像法可以得到一定的量化关系。在使用过程中人们发现以下环节制约着红外技术的效果:不同的目标有不同的光谱特性，目标和探测间的环境和距离影响探测系统的性能;大气中水汽、二氧化碳等各种气体分子导致各个大气窗口中传输的红外辐射也有相当大的衰减;对于电晕放电，如果看到红外图像时，电气设备放电已经很严重。⑥声测法声测法可以对局部放电进行定位，检测设备可以远离设备安装，很大程度上减小了强电磁场的干扰。但局部放电声波的传播过程很复杂，传播过程中随频率的平方衰减，同时也难于进行定量分析。1.3紫外光检测法的国内外研究状况在局部放电的过程中除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生发光现象，所产生的光辐射主要由粒子从激励状态回复到基态或低能级过程及正、负离子或正离子与电子的复合过程产生。针对这一特性本文提出利用光辐射的光强来检测局放的状态，并对典型模型局部放电过程中产生的光强进行基础性研究。紫外光检测法是利用光电探测器将光信号转换为电信号，通过对电信号的分析处理来反映局部部放电的强度。由于光信号在检测的过程中可以与一次回路完全隔离，抗干扰能力较好，倍受研究人员的青睐;光检测法可用于绝缘外部局部放电的检测，研究表明，高达26%以上的电气故障都与绝缘材料外部缺陷有关。同时随着光电传感器制造工艺口趋成熟，灵敏度高，体积小，为在线监测提供了可能[5]。电力设备出现绝缘缺陷时，会产生电晕、闪络或电弧等不同形式的放电，此种放电的光谱多集中在紫外波段。根据检测原理的不同，分为紫外光功率检测法和紫外光成像检测法2大类。1)紫外光功率检测法研究表明，紫外光辐射强度随着放电量的增加而增加，因此通过检测局部放电产生的紫外光功率就能得到局放量的大小。紫外光功率检测技术就是利用紫外探测器接收电力设备局放产生的紫外光信号，通过检测到的紫外光功率值计算电晕放电的能量值。该种检测系统一般是由紫外光纤探头、紫外探测器和信号采集处理单元等组成，结构如图1所示。为了能探测到微弱光信号，光纤探头采用球状结构增加入射光通量，探测器采用紫外光电倍增管放大微弱信号。为了对局放位置定位，可以在电力设备中布置多个紫外光纤探头形成局放检测矩阵，结合多个探头的不同检测结果，以确定局放位置。宁波大学的童啸霄等人研究了电晕电流大小和紫外探测器响应的光脉冲数的关系[6]，并通过电光传递函数定量表示二者的关系。重庆大学的张占龙等人采用该种方法对变压器电晕放电进行实验研究[7]，结果表明，该种方法检测放电点位置与实际的放电点最大误差为7.8%，可以快速定位放电位置和放电量，检测效果灵敏，适用于电力设备的在线监测，具有较好的工程化应用价值。图1紫外光功率检测系统结构2)紫外光成像检测法紫外光成像检测技术的工作原理如图2所示，该系统是由可见光和紫外光2个通道组成，局部放电产生的信号源通过紫外光束分离器分为2束，其中一束经过紫外滤光镜滤掉紫外光以外的光线进入紫外光镜头，在紫外相机中形成紫外图像;另一束信号经处理后进入可见光镜头，并在可见光相机中形成可见光图像。之后采用特定的图像处理和融合方法，输出包含局部放电信号的图像，达到确定局部放电位置和强度的目的。李艳鹏等人已将紫外成像仪应用于1000kV特高压交流输电工程中变压器的局放检测中[8]，并检测到了外部电晕干扰，实验结果如图3所示，实现了对变压器局部放电试验外部干扰的快速准确定位。目前，紫外成像仪已有产品投入市场。比如以色列OFIL工公司生产的DaycorII型的紫外成像仪，该设备采用日盲滤光器，实现白天检测电晕放电的目的。南非CSIR公司的研究人员利用紫外太阳盲区，开发出CoroCAM紫外电晕检测系统，该仪器的波长响应范围在240--280nm，因而能探测出电晕产生的光波，可以用于电力变压器、输电线路等局部放电的检测。图2紫外光成像检测系统结构图3紫外成像仪检测1000kV高压套管局放紫外光检测技术的优点是检测时不改变设备的运行状态，检测方法简单操作方便，检测结果形象直观，且易于数字化和智能化。但是对于紫外光功率检测技术，只有电压超过电晕放电的临界值的局部放电才能被紫外探测器检测到，检测灵敏度低，不利于微弱信号的检测;紫外光成像仪容易受到温度、湿度、气压、观测距离等环境和仪器自身增益影响，导致紫外成像技术很难定量分析局部放电量。1.3.1紫外检测法在国外发展状况对放电伴随产生的光信号研究，国外早在70年代后期就已开始，80年代则有按IEC112方法研究有机绝缘介质表面的光发射的论文的发表，90年代初，有人利用光电测量系统检测SF6绝缘系统的局部放电[9,10]。目前，国外的研究重点主要在检测电晕放电的仪器开发。南非CSIR公司的研究人员利用紫外太阳盲区，开发出CoroCAM紫外电晕检测系统，该仪器的波长响应范围在240-280nm之间，因而能探测出电晕产生的光波。利用系统配备的集成模式可以进一步观察到设备放电区域的形状和大小[11,12,13](图4)。图4绝缘了延面放电紫外成像特征Fig.4UVimagingfeatureofchacreepingdischargeCoroCAM系统可提供电晕处的图像，这一信息足以确定电晕发生的确切位置印可能的原因。有活动的图像可以确定电晕的特性，放电的危害程度和认定问题的类型，弥补了红外热成像仪和望远镜的不足，为高压设备外绝缘放电提供了一个综合的检测结果[14,15]。表1给出了几种典型放电的图例说明。表1.1典型放电图例说明Table1.1Keytosymbleoftypicaldischarge目前国际上已有多家电力公司将紫外电晕成像仪应用于输电线路、电力设备和发电机线圈表面放电的检测，均取得了良好的效果。由美国EPR工牵头多家电力公司共同就紫外成像仪检测架空线电晕放电进行了为期3年的检测研究，通过试验室模拟和大量的现场实测经验，编写了一份架空线电晕现象的正确评估检测导则。与传统的检测方法相比，使用紫外成像仪检测输电线路，有以下显著优点:①使用紫外成像仪检测时，可以做到不停电、不改变系统的运行状态，从而监测设备在运行状态下的真实状态信息。②由于紫外检测基于探测对象自身发射的紫外线，不需另备辅助信号源和各种检测装置。因此，此种检测方法手段单一、操作方便。③能够比较迅速、形象、直观地显示出设备的运行状态和有无故障，以及比较明确给出故障的属性、部位和严重程度。④与传统人工徒步观测和登杆塔检测方法相比，大大提高了检测效率，降低了劳动强度，同时又可以不受地理环境条件的限制。⑤促进向智能化诊断方向的发展。⑥紫外检测和故障诊断有利于实现电力设备的状态管理和向状态维修体制的过渡。⑦与目前普遍采用的红外检测方法相比，紫外检测法可及早发现设备故障，而红外检测法往往等隐患发展到一定程度才检测出。除紫外成像仪外，能较好反应光强弱变化的光敏二极管也得到广泛应用。光敏二极管属于光伏型探测器，当光敏二极管的反向偏压加大到一定值后，光生载流子的收集达到极限，光生电流趋于饱和，此时，光生电流与光强度成线性关系，如图5。由于电晕放电时，紫外光强度随电压的增加而增强，可以考虑用光敏二极管来检测电晕放电大小。图5光敏二极管的光照特性Fig.5Irradiantcharacteristicsofphotodiode紫外光敏传感器的优劣很大程度上取决于材料。目前Si材料的紫外光敏传感器使用比较广泛，波长的相应范围大约在300-400nm，但为了避开可见光的影响，需要与滤光片配合使用;再者，Si材料的抗辐射能力不够强。为了覆盖紫外的光谱范围，人们开始关注宽禁带的半导体材料，因为该类型半导体材料涵盖了臭氧层吸收的主要窗口200-280nm，是制作太阳盲区紫外探测器的理想材料。其中GaN和SiC倍受青睐[16]。GaN的禁带宽、介电常数低、耐腐蚀性好、高热导率电子迁移率高，室温下它的禁带宽度为3.43eV，对应能量的光子波长约为362nm，由GaN材料制成的光电探测器在362nm附近会出现一