气压对紫外检测光子数影响的研究

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节，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峽大紫外图像’分别读取每一峽图像中的光子数’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，本文选择了幕函数进行拟合分析，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为幕指数。

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幕函数变化特性，气压在40~100 kpa的范围内，幕指数在-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，两者满足幕函数变化特性，其幕指数在-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节，湿度36%；2）河北保定实验基地：气压100 kpa，温度23节，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，以棒一板间隙为研究对象，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，两者近似满足幕函数关系，幕指数在一2~一1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。