白晓晨 杨永坤 荆光瑞

(西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048)

随着我国电力建设的快速发展，电网覆盖范围越来越广，高压输电线路长度不断增加，运行环境复杂多样，容易造成输电线路绝缘子磨损缺失、导线断股等安全隐患，进而导致绝缘性能下降。这些问题若不能及时被发现，会严重威胁电网安全运行。放电是电力设备局部区域的微小击穿，是绝缘性能降低的初始现象[1]。放电产生电信号、电磁波、超声波、光信号及局部过热等现象和化学物质，因此出现了以放电产生的物理量为对象的检测技术。光信号的光谱主要分布在紫外波段（100-400nm），可以将紫外光作为探测对象，判断是否有异常放电发生[2]。紫外检测技术的基本原理是光电转换技术，通过光学传感器将检测到的光信号经过信号处理电路进行处理，转化为电压信号进行输出，进而定量判断放电强度。

20 世纪80 年代，前苏联科学家将紫外检测技术应用到电力系统中，随着研究地不断深入，美国、南非、以色列等国家也开始了对紫外检测技术进行研究，研制出了紫外成像仪，用于电力设备表面放电的检测，取得了一定的成果[3]。据日本HAMAMATSU 公司介绍，紫外传感器也可以用于电力线电晕放电的检测[5]。20 世纪90 年代初，紫外检测技术慢慢才开始进入我国市场，国内很多科研单位开始研究紫外检测技术。2006 年，重庆大学李青文等[6]提出基于紫外脉冲的高压输电系统放电检测法，这是一种非接触式的检测方法，这种方法能实现对远距离的特高压输电线路的电力设备放电的强弱程度进行精确的定量检测。2011 年，华北电力大学Dai R 等[6]研究了基于光电倍增管的紫外光信号探测系统，分析了火花放电光脉冲信号与其电脉冲信号具有相关性。2019 年，兰州交通大学于晓英等[7]基于弧光中紫外波段日盲特性设计了一种城轨弓网电弧检测系统。试验结果表明：该燃弧检测系统能够有效检测出燃弧现象并反应电弧的强弱,不受光照和列车运行方向的影响。

本文设计了基于光电倍增管（photomultiplier，PMT）的电力设备放电检测系统，可以对微弱的放电进行定量检测，达到提前预警的效果，把绝缘缺陷导致的事故降到最低，保证电网安全可靠运行。

1 检测系统设计

1.1 放电光谱分析

实验中常用尖-板放电来模拟不同的放电情况，通过施加不同等级的电压实现不同强度的放电，放电光谱分析[8]如图1 所示。

由光谱图可以看出放电产生的光信号主要分布在200-400nm 紫外区域，有部分在200-300nm，由于大气中臭氧的吸收作用，使得到达地球表面的只有波长大于280nm 波段的紫外光，因此该波段的紫外光也被称作“日盲区”，也为在该波段的紫外信号检测提供了几乎零背景噪声。

1.2 系统整体设计

放电检测系统由放电端、大气信道和检测端构成，系统工作流程为220V 交流电通过整流电源变为直流电，通过电源转换电路转化为放电发生器工作的正常电压，放电发生器放电释放出紫外光信号，光电倍增管检测到紫外光信号，通过电流-电压转换电路将检测到的电流信号转换为电压，再通过信号处理电路对检测到的放电信号做进一步处理。整体框架图为图2 所示。

1.3 放电装置设计

为了更好地模拟放电现象，采用特斯拉线圈原理制成的高压脉冲放电装置作为本实验的放电装置，该装置具有体积小、放电强度大等优点，可以维持一分钟左右的放电，线圈放电产生的电压为400kV，由于两根放电线之间距离的不同会引起放电强度的不同，因此将两根线固定在距离可变的卡槽中，研究不同放电线之间距离对检测电压和频率的影响。放电装置实物图如图3 所示。

图3 放电装置实物图

1.4 检测装置设计

由于放电初期的紫外信号比较微弱，因此检测装置为光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT），PMT 具有灵敏度高、响应快等优点，可以将入射的光电流放大107 倍左右，在微弱信号检测方面有广泛的应用。本实验选用滨松R7154“日盲”型光电倍增管，光谱响应波长范围为160nm-320nm。

光电倍增管接收到的电流较小，精度要求较高，因此采用了精密电阻将电流转化为电压。LM324 为运放芯片，可以改变输出电压的大小。电路图如图4 所示。

图4 信号处理电路

2 实验分析

2.1 实验条件

为了更好地验证本系统对放电紫外检测的性能，在西安工程大学临潼校区进行了户外实验，实验天气晴朗，温度-6℃，风速2m/s，实验中检测距离为10 米、20 米对400kV、放电线不同间隙的放电进行检测。

2.2 实验结果分析

放电电压为400kV，两根放电线之间距离为0.5cm 时，10 米检测到的单个脉冲和连续脉冲的波形分别为图5 所示，单个脉冲信号幅值接近15V，1s 内放电脉冲出现23 次。

图5 放电线距离0.5cm,检测距离10m 波形图

两根放电线之间距离为1.5cm 时，10 米检测到的单个脉冲和连续脉冲的波形分别为图6 所示，单个脉冲信号幅值大约18V，1s 内放电脉冲出现13 次。

图6 放电线距离1.5cm,检测距离10m 波形图

两根放电线之间距离为0.5cm 时，20 米检测到的单个脉冲和连续脉冲的波形分别为图7 所示, 单个脉冲信号幅值大约13V，1s 内放电脉冲出现20 次。

图7 放电线距离0.5cm,检测距离20m 波形图

由实验结果可知，相同检测距离，随着放电线间距离的增加，单个脉冲幅值增加，放电强度增加，频率降低；相同放电线间距离，随着检测距离的增加，单个脉冲幅值降低，频率略微降低。

3 结论

本文基于电力设备放电会产生紫外光信号特性，研制出基于光电倍增管的紫外检测系统，使用高压脉冲发生器产生放电，本系统对放电信号进行检测，在户外进行了放电检测实验，在放电线间距离为0.5cm、1.5cm，检测距离为10 米、20 米时对放电信号进行定量描述。实验结果表明，本系统可以用在微弱放电信号的检测中，在电力系统检测领域有广泛的应用前景。