钱金菊，王锐，黄振，彭向阳，林茂

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 上海日夜光电技术有限公司，上海 200000)



紫外成像检测技术在高压电力设备带电检测中的应用

钱金菊1，王锐1，黄振1，彭向阳1，林茂2

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 上海日夜光电技术有限公司，上海 200000)

摘要：结合近年来获得的大量紫外成像检测诊断的数据资料，探讨了紫外成像检测技术在电力系统故障诊断应用中的特点。基于此，从紫外成像检测技术的基本原理出发，分析影响紫外成像检测结果的主要因素，并阐述了利用紫外成像检测技术检测高压电力设备电晕放电缺陷的操作方法；结合输变电电力设备紫外成像检测的实际案例，分析了引起设备电晕放电的主要原因，并给出相应的检修建议。实际应用案例表明该方法可有效地对高压电力设备进行带电检测。

关键词：紫外成像检测；紫外光子计数；电力设备；电晕放电；缺陷

高压电力设备在实际运行过程中，受设计、施工、污秽附着、外界破坏及自热灾害等影响，会在局部产生电晕放电现象，导致高压电力设备的绝缘性能逐渐下降，加重设备缺陷，进而影响到高压电力设备的安全稳定运行[1]。因此需要对高压电力设备进行定期检测，及时发现设备的放电缺陷，从而安排必要的维护和修复以确保供电可靠性。

目前电力设备电晕放电检测技术主要有红外热成像技术、超声波探测技术、目视观察法和紫外成像检测技术等[2-3]。电晕放电具有目标小、强度弱等特征，人眼很难观察到，目视观察法难以满足要求。超声波探测技术在远距离检测设备放电情况下，存在不易发现放电点、定位差等缺点，且无法适用多点放电的缺陷定位[4]。红外热成像技术是通过测量设备温升原理以检测放电，但高压电力设备一般的电晕放电不会引起明显的温度升高，并且该方法受外部环境影响较大，检测结果的准确性有待商榷[5]。

紫外成像检测技术是近年来迅速发展的一项新技术，其利用电力设备放电过程产生大量紫外线这一特点来评估电力设备的绝缘状态，及时发现设备的放电缺陷。与其他检测方法相比，紫外成像检测技术具有简单高效、安全方便，且不影响设备运行等特点，可以很方便、精确地对高压电力设备的电晕放电进行检测，在国内外电力系统得到越来越广泛的运用[6-8]。国际上也有较多电力公司将紫外电晕检测仪应用于输电线路、变电站电力设备等表面放电的检测，均取得了良好的效果。为了更好地促进紫外成像检测技术在电网中的应用，本文基于紫外成像检测技术的原理，介绍了多种电力设备的紫外检测图谱。

1紫外成像检测技术

1.1检测原理

高压设备由于局部尖端、毛刺、污秽等造成局部场强畸变增大而对空气发生电离形成电晕，空气电离过程中会向外界发射大量的紫外线[9]。紫外成像检测技术就是利用特制的光学传感系统捕捉空气电离过程中产生的紫外线，经过处理后与可见光产生的图像一同成像于显示器上，从而达到显示和定位高压设备局部电晕位置和放电强度的目的[10-11]。

紫外线的波长范围是40～400 nm，太阳光线中也会含有紫外线。由于这些光线在穿过地球臭氧层过程中波长小于300 nm的紫外线基本上被吸收，实际到达地球的紫外线波长在300 nm以上，这个波段范围即“日盲区”。为克服太阳光中紫外线的影响，现场应用的紫外成像检测仪器检测的波长范围为280～300 nm[12]。

图1为日盲型紫外成像设备影像合成原理，首先利用紫外光束分离器将输入的光线分成两部分，一部分形成可见光影像，另一部分经过紫外线太阳镜过滤后保留其紫外部分，并经过放大器处理后在电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)板上得到清晰度高的紫外图像，最后通过特殊的影像工艺将紫外光影成像仪和可见光影像叠加在一起，形成复合影像。紫外成像仪采用双通道图像融合技术，将紫外光与可见光叠加，即可精确定位电晕的故障区域，又可显示放电强度。

1.2紫外成像检测结果判断

紫外成像检测仪不是电子检测设备，无法直接获取电晕放电量，而是利用平均每分钟放电产生的光子数来表征放电的强度，以此评估电晕放电缺陷的严重程度[13]。

目前国内没有建立严谨的电气设备电晕放电定量诊断判据，为了对检测结果进行合理区分，参考美国电力科学研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)所公开的文献资料，并结合电力设备缺陷情况及放电处紫外光子计数，对电晕放电进行分级[7]，见表1。

表1高压设备电晕放电紫外成像检测分级

注：所测得的光子计数是在平均环境温度约20 ℃、测试距离为30 m、相对湿度为60%、增益设定为100的条件下所获取的。

除了依据平均光子计数检测电晕放电程度，还可通过分析光斑面积大小判断电晕放电强弱。一般情况下，根据同一紫外视频中最大与最小光斑面积之比可判断电力设备电晕放电的稳定性。比值越小，说明电晕放电越稳定，一般是由绝缘体自身破损引起的放电，反之，说明电晕放电不稳定，可能是由污秽引起的电晕放电。

1.3影响紫外光子计数的因素

紫外光子计数受外界环境影响，主要的影响因素有检测距离、温度、湿度、所选增益、观测角度和风速等。

a) 距离因素。随着观测距离的增加，光子计数有减小的趋势，这是因为距离放电点越远，对应的球面上的光子密度就越小，所以在紫外镜头的口径一定的情况下，辐射进入成像仪的光子数越小[14-15]。因此，随着观测距离的增加，成像仪接收到的光子数越少。

b) 增益因素。紫外成像仪可探测240～280 nm波段的紫外光，而该波段的紫外光谱在电晕发出的光谱中所占比例较小，且经光学传输损耗，最终到达CCD板的光子数很少。因此为提高仪器灵敏性，仪器内部对进入光学系统的紫外光子进行增益处理[16]。一般设定较高的增益(大于150)以检测较弱的电晕放电，设定较低的增益检测紫外线较强的场合。

c) 观测角度因素。对于同一放电点，在不同的检测位置观测会得到不同的光子计数，有时甚至会导致一个设备的放电点会叠加到另一个设备上，造成放电设备的误判。在实际检测中若发现不能准确确定放电位置的放电点时，应采取不同的观测位置进行观测，以获得准确的放电点信息。

d) 温度与气压因素。大气中气体分子的密度和气温高低、气压大小有关。温度越低、气压越高，空气密度增大，减小了气体分子电离时自由电子的平均自由行程，因此自由电子从电场中可以获得的动能减小，不易引起空气分子的碰撞电离；相反温度越高、气压越低，空气间气体分子密度越小，增加了气体分子电离时自由电子的平均自由行程，因此自由电子从电场中可以获得更大动能，容易引起空气分子的碰撞电离，降低电场强度的门槛值，使得电晕强度增加，紫外光子数增加。由此可见，在高温度、低气压的环境中比在低温度、高气压环境中更容易发生放电。

e) 湿度因素。湿度对光子计数率的影响比较复杂，有时候湿度会使电晕强度降低，有时候又会使电晕强度增大。如当干净绝缘子湿润时，会使电压分布比较均匀，降低放电强度；当污秽绝缘子湿润时，污秽容易溶解到水中，导致泄漏电流增大，容易形成局部干区和局部沿面放电，放电光子数是干燥情况下的数倍，使电晕强度增加[17-18]。因此湿度对光子数的影响比较复杂，不能一概而论，要根据现场情况而定。

f) 风速因素。当有放电情况时，较大的风速会加速带电粒子的散发，这些被吹散的带电粒子会对紫外设备的检测形成干扰，形成噪音，严重时影响紫外设备的检测工作。建议在风速较小或无风的情况下进行检测。

2变电站设备紫外检测应用

2.1均压环放电

均压环在变电站设备中起着电场分布均匀和防电晕的重要作用，若其持续电晕放电会对设备本身造成损害或腐蚀，并影响被保护设备的安全运行。根据以往资料可知，导致均压环电晕放电原因大致分为：均压环有毛刺、污秽、均压环缺失、潮湿等。

图2为500 kV套管均压环放电情况，检测时空气相对湿度为75%，检测距离约为5 m，增益设定为150。在此条件下，检测的紫外光子计数 8 695， 属于III级缺陷。

从图2的紫外成像检测结果来看，均压环上的电晕放电图谱有以下特点：紫外图像放电光斑面积不大，图像比较平稳。针对紫外检测发现的异常现象，分析原因为该均压环有毛刺造成放电，如果该缺陷长期存在，会影响均压环使用寿命，建议设备检修时进行打磨或更换处理。

图3为对某变电站紫外检测时发现的某均压环放电情况，检测时为晴天，相对湿度为68%，检测距离约为10 m；因放电很明显，紫外线较强，所以设定较低的增益，本次增益设定为60。根据紫外图谱可知，均压环上的电晕放电光斑面积较大，光子数较多(光子计数为10 4380)，电晕放电不稳定。综合判断认为该设备损坏较严重，需及时维修。进一步分析认为该均压环的引线连接端设计不合理，运行中电场集中、电荷密度过大导致放电。如果缺陷不及时处理，恶劣天气下可能引起对地绝缘击穿，造成电力事故。建议立即改进引线连接方式，消除此缺陷。

2.2母线放电

变电站母线大多采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线。母线的作用是汇集、分配和传送电能。母线属于变电站的重要部位，当其受到损害导致停电时，其后果可想而知。

利用紫外检测技术对某500 kV变电站运行状况检测发现，该站母线处存在放电情况，如图4所示。检测时空气湿度为72%，检测距离为10 m，增益设定为140，放电较平稳，检测的光子数为 18 180。 结合图4，认为该变电站母线端有毛刺放电，建议在干燥天气条件下再次检测，对比不同湿度条件下的放电光子数，如果只是在湿度较大条件下放电明显，则不需进行处理，否则需及时对毛刺进行打磨处理以消除隐患。

2.3隔离开关放电

隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，它在电路中起隔离作用，工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电站的设计、建立和安全运行的影响均较大。当隔离开关受到环境中的各种因素影响时会使隔离开关产生锈蚀、污染、有毛刺等现象，使电场分布不均，发生局部放电现象[19]。但隔离开关放电属于非关键部位放电，稍有放电不影响其正常工作，当隔离开关严重放电或积累放电达到一定程度时，会使其失去隔离作用。因此对隔离开关的定期检查也相当有必要。

图5(a)为某220 kV变电站内某隔离开关旋转结构处放电紫外图谱，图5(b)为相应部位的红外测温图。检测时为晴天，空气湿度48%，检测距离为10 m，风速不大于2 m/s，增益设定为150，检测的放电光子数为1 530，属于II级缺陷。综合紫外检测和红外测温，初步判断放电集中于隔离开关旋转机构支柱绝缘子处。经实际确认，放电产生原因为旋转机构支撑瓷瓶与金属构件接触位置上有污秽，引起局部电场畸变，造成连续电晕放电，暂不影响设备正常运行(无发热缺陷)。为了防止雨天条件下发生湿闪，建议设备停电时进行除污处理，消除此隐患。

图6为母线侧隔离开关支柱绝缘子锈蚀放电的紫外图谱与红外测温图。检测时为晴天，空气湿度48%，增益设定为150，光子计数为308，属于I级缺陷。紫外放电不稳定，具有间歇性。判断为隔离开关支柱绝缘子高压端，存在较重的锈蚀现象，存在电场畸变造成间歇性电晕放电，不影响设备正常运行，但长期电晕放电会引起金属附件表面加速腐蚀；另外，红外测温图显示隔离开关导体连接部位存在的温升是由发热由电流引起，与电晕放电无直接关系，属一般缺陷，需结合停电安排消缺处理。

2.4变压器放电

变压器在制造或安装过程中有缺陷，存在绝缘薄弱点，随着绝缘薄弱点的不断发展和恶化就有可能造成局部电晕放电或发热。变压器的放电多处于内部，检测起来有一定困难，只能在停电的情况下进行交流耐压、局部放电或其他电气试验才能对其放电点进行寻找和观测。

3输电线路设备紫外检测应用

3.1导线表面放电

在实际工程中，高压输电线路在野外环境中因长期风吹雨淋、雷击等原因经常会发生线路断股、散股、毛刺及污秽等情况，影响线路安全运行。在工作电压下导线断股、线夹脱落等情况易引起电晕放电，这是由于受损部位引起了电场畸变，电晕和局部放电引发的紫外光强度远远高于其他部位[18]，因此，可采用紫外成像仪检测导线电晕情况。

图7为某导线表面受损放电的紫外图谱。检测时，空气湿度为75%，检测距离为30 m，增益设定为160。检测的光子数为2 454，属于II级缺陷。运行导线铝股表面受损、粗糙或断股的原因可能是工艺不良、施工受损、长时间运行疲劳或雷击、锈蚀等。

3.2绝缘子表面放电

绝缘子在输电线路中有着相当重要的作用，线路绝缘子大致分为玻璃绝缘子、瓷绝缘子和复合绝缘子等。早期以瓷绝缘子为主，随着电力系统发展复合绝缘子得到了广泛应用。绝缘子放电原因有绝缘子劣化、表面污秽、局部电场过大以及复合绝缘子内部绝缘缺陷等。

图8为某500 kV线路复合绝缘子电晕放电检测情况，发现该绝缘子存在严重放电现象。可以看出，该绝缘子护套破损被击穿，放电光斑面积非常大。初步判断此复合绝缘子护套破损导致绝缘损坏，引起局部电场畸变，造成电晕放电。若缺陷进一步劣化有引发线路跳闸风险，建议申请停电进行绝缘子更换处理。

图9(a)为利用无人机搭载紫外检测仪进行精细巡检所发现的绝缘子放电现象。放电现象发生部位在绝缘子串高压端附近，无人机巡检前线路所在区域有轻微降雨现象，湿度较大，可能在绝缘子高压端诱发放电现象。将缺陷通过与红外测温图(如图9(b)所示)对比分析，推测缺陷系绝缘子污秽放电所致，建议人工复查确认，及时清除污秽。如果不及时清除，污垢会增厚，在潮湿天气污垢被湿润，会降低绝缘子的绝缘性能，从而引起污闪跳闸。建议定期对线路进行清扫，并对重污区涂刷防污材料。

3.3电缆放电

电缆主要包括电缆本体和接头，一般放电较严重的部位是电缆头以及电缆固定处，造成放电的原因是在铺设电缆时，由于安装电缆的质量原因造成绝缘薄弱，电缆固定处因机械磨损造成绝缘失效，电缆还有可能发生击穿，造成局部电缆老化，甚至造成发热，危及电力线路的安全可靠性以及危害人身安全。

图10为某35 kV电缆放电紫外图谱，检测距离为5 m，增益设定为150，检测的光子数为 16 460。初步判断该电缆中部有破损造成局部电场畸变，导致电晕放电，建议及时进行检修，避免电缆因长期电晕放电引发击穿的严重故障。

4综合分析

目前，紫外成像仪在中国电力系统主要侧重于实际应用，还没有系统、全面的研究成果，尚存在一些问题有待进一步改进。

a) 基于紫外光子计数来判断电晕放电程度，其检测结果受外界环境影响较大。湿度、距离、增益等因素对电晕能量有较大的影响，考虑将各种影响因素整定拟合相关公式，把不同环境下的检测结果归算到同一标准下，有利于对设备放电情况作出准确判断。

b) 本文根据每分钟检测到的紫外光子计数将缺陷分成三大类。但是，该方法目前不能有效判断电晕放电在什么阶段，是否会影响设备正常运行，无法做到定量分析。

c) 紫外检测技术检测到设备电晕放电后，如何正确评估设备的电晕放电以及相应的处理意见是亟需解决的问题。因为不同设备或同一设备的不同部位的电晕放电导致的后果不相同。

5结论

本文对紫外成像检测技术原理及其在高压电力设备电晕放电检测的应用情况进行了分析，得出以下结论。

a) 紫外成像检测技术可以直观地观测到高压电力设备电晕放电的情况，且不影响设备的运行状态，可用于变电站与输电线路日常巡检工作，有助于及时发现设备放电缺陷并消缺。

b) 紫外成像检测的光子计数受检测距离、湿度、风速等环境影响。在实际使用中，应将外界条件影响降到最低，使得紫外光子计数相对比较稳定。

c) 紫外成像检测技术在实际应用中还存在定量检测等问题，目前还没有统一的紫外检测标准可供参考。因此，未来还需积累大量现场经验，进一步研究定量分析方法。

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钱金菊(1990)，女，安徽黄山人。助理工程师，工学硕士，主要从事输电线路运行维护及故障诊断工作。

王锐(1988)，男，湖北潜江人。工程师，工学硕士，主要从事输变电设备运行及高电压技术工作。

黄振(1987)，男，湖南株洲人。助理工程师，工学硕士，主要从事输电线路运行技术研究工作。

(编辑王朋)

Application of Ultraviolet Imaging Detection Technology in Electrification Detection for High Voltage Power Equipments

QIAN Jinju1, WANG Rui1, HUANG Zhen1, PENG Xiangyang1, LIN Mao2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. Shanghai Sun Optics Technology Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

Abstract：Combining vast data information obtained from ultraviolet imaging detection in present years, this paper discusses characteristics of ultraviolet imaging detection technology in fault diagnosis for power system. Proceeding from basic principles of ultraviolet imaging detection technology, it analyzes main factors affecting ultraviolet imaging detection results and states operational approach of using ultraviolet imaging detection technology to detect corona discharge defect of high voltage power equipment. It also analyzes main reasons for causing corona discharge by combining actual cases of ultraviolet imaging detection for power transmission and transformation equipments and proposes corresponding overhaul suggestions. Actual application cases indicate that this method is able to effectively complete electrification detection for high voltage power equipments.Key words： ultraviolet imaging detection; ultraviolet photon counting; power equipment; corona discharge; defect

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.021

收稿日期：2016-01-13

基金项目：广东电网有限责任公司科技项目(K-GD2014-0622)

中图分类号：TM855

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)04-0115-07

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