基于日盲紫外探測器的高壓電暈在線監測系統

周學坤，謝云昊，劉志勇，徐向華，李雁冰，薛 華

（國網山東省電力公司，山東東營257091）

1 高壓電暈檢測技術應用現狀

由于環境惡化、天氣破壞、設備及安裝質量不過關，高壓電子線路和設備局部絕緣層的破壞越來越嚴重，當絕緣體局部電壓超過臨界電壓時會使空氣游離而產生電暈放電，引起大小事故造成巨大損失，是電力系統重大安全隱患的來源之一。圖1所示是探測到的電暈紫外光圖象。

圖1 高壓電暈現象［1］

絕緣事故的產生通常起源于局部放電形成的電暈，進而逐步變強，最終導致事故發生，因此，高壓電暈監測已成為必然。

傳統對電暈等微弱放電現象的檢測手段比較陳舊，主要采用超聲波法、紅外法、夜間目測等［2］。從上世紀末，美國為首的一些國家的科學技術人員開始研究紫外光探測技術，并取得了突破性的進展，相繼有紫外電暈檢測儀和紫外成像儀等儀器出現。

實踐證明，可用于診斷放電過程的各種方法中，光學方法的靈敏度、分辨率和抗干擾能力最好。即采用高靈敏度的紫外線輻射接收器，記錄電暈和表面放電過程中輻射的紫外線，再加以處理分析，以達到評價設備狀況的目的。紫外成像儀是目前具有代表意義的比較先進的電暈探測儀器，它是基于電暈放電會產生大量的紫外線，尤其是位于日盲區波段的紫外線進行成像，從而得到監測。

2 基于氮化鎵紫外（日盲波段）探測器的檢測原理

氮化鎵（GaN）材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點。氮化鎵（GaN）材料是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、很好的化學穩定性（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻射能力。GaN材料系列是一種理想的短波長發光器件材料，GaN極其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍［3］。

圖2所示為氮化鎵光導材料典型的響應曲線。另外，利用歸一化標準光源所測的光電流與波長的關系如圖3所示。

由兩圖可以看出，小于波長約370nm處的紫外波段相應度急劇增加，這為制造紫外光電管提供了理論依據［4］。

圖2 氮化鎵光導材料典型的響應曲線

圖3 典型的光導（光電流）光譜

選用一款工作于日盲區紫外波段（200nm－280nm）范圍的紫外氮化鎵探測器，技術參數如表1所示。

表1 技術參數表

探測器響應曲線如圖4所示。

圖4 氮化鎵（GaN）紫外探測器光譜響應

電暈放電的紫外光譜主要是約200nm－400nm的波段。在空氣中，電暈放電的峰值波長在300nm－360nm左右。但在300nm－360nm波段，在地表太陽輻射比電暈強很多。在“日盲”紫外波段（240nm－280nm）電暈放電的強度要弱得多，但此時太陽在地表的背景輻射為零。因此，選擇在日盲波段進行電暈放電的檢測，可得到理想的探測效果。

眾所周知，位于日盲區的紫外輻射幾乎被大氣臭氧完全吸收，而電暈所發出的紫外輻射卻含蓋了日盲區［5］，如圖 5 所示。

圖5 電暈光譜分布

由上圖可以看出，利用日盲區波段下紫外探測器作為檢測設備，既可檢測到高壓電暈放電，又可避免太陽光紫外線的干擾，是一種行之有效的檢測方法。

3 在線實時監測系統設計技術路線

根據紫外探測器探測原理及電力系統（例如高壓線路檢測）要求，實現系統結構如圖6和圖7所示。

對于探測距離在5m－6m范圍，而探測目標范圍寬在3m以上時，可采用日盲紫外探測器直接對準被測目標方式，以滿足近距離廣角探測的要求，如圖6所示。

圖6 近距離探測系統結構示意圖

而需要探測較遠距離的目標時（例如8m－10m以上），就需要通過光學聚焦獲得弱光信號，必須采用紫外鏡頭，通過光纖來傳輸，如圖7所示。

圖7 遠距離探測系統結構示意圖

光學系統的設計需要考慮距離及入射紫外光能量雙重因素。

被測目標發出的紫外光透過紫外透鏡及濾光片后的光通量由下式計算：

其中，D是紫外物方孔徑；L是目標至紫外透鏡第一平面的距離；k是相應檢測角系數；τfilter和τlens分別是濾波片和紫外物鏡透射系數；τ（λ）L／1000是大氣衰減系數［6］。

上式表明，透射的紫外光能量跟透鏡孔徑尺寸以及材料的透過率成正比，與探測距離成反比，因此，透鏡需要經過增透膜處理，濾波片也需要選取透過率更高的，然后在所要求的測量范圍內，還需要通過調整位置、觀察接收信號來確定光學聚焦位置。

各紫外探頭設計，包含濾波、聚焦、耐溫、安裝支架以及可能內嵌的光電變送模塊等，探頭要對準易發故障處。

安裝在監測現場的GaN基紫外探測器采取模塊一體化設計，集成了微光信號接收采集、高效放大、光電轉換以及觸發控制信號輸出的極高靈敏度光探測模塊。該模塊的輸出為數字化采集信號。通過內置自學習自適應軟件系統，可自動學習和適應不同應用場所的環境光，自動設置觸發閾值，以適應不同的應用需求，從而滿足不同用戶對于各種現場的測量和控制要求。

紫外探測傳感器電路構成如圖8所示。

圖8 紫外傳感器電路框圖

紫外傳感器在接收紫外光照射時，產生微弱電壓信號，再經過低噪聲放大。濾波電路負責濾除干擾信號和有效寬帶外的噪聲，讓有效信號進入后級電路，ADC實現信號的數字化，并由微控制器通過軟件算法，分析提取有效的信號特征，最后通過驅動電路提供報警信號。

另外，根據環境背景光的干擾水平，可手動或自動調節靈敏度。

4 關鍵技術問題及解決方案

4.1 太陽光下的光學濾波

雖然探測器工作在日盲區（200nm－280nm）內，但強太陽光還是會給微弱的紫外信號造成相當的干擾，尤其是被實踐證明在260nm以上會有比較明顯的干擾。

因此紫外透光片是有必要的，選取效果比較好的進口的濾波片。

4.2 靈敏度的提高

因為電暈是早期的放電行為，信號十分微弱，尤其是在強太陽光背景下，要有效地采集到微弱日盲紫外電暈，是一個挑戰。

在選取好濾波片以后，需要調整好光學透鏡的聚焦，同時需要增加探測器的放大效果，還要防止各種噪聲干擾，做好信號屏蔽等。

4.3 強電磁環境下的抗干擾

由于是工作在高壓線路環境下，雖然用光纖傳輸可以很好地消除電磁波在光信號上的傳輸干擾，但系統不可避免地要采集光并進行光電轉換處理等。

因此必須做好屏蔽，在需要由電信號傳輸的地方應采用電流傳輸，還應做好防雷電等惡劣環境下的保護工作。

5 系統的特征優勢

本系統所應用的日盲區氮化鎵紫外探測器具有如下特征：

（1）體積小，TO92封裝；

（2）工業級的溫度范圍，即 －40℃至＋85℃；

（3）工作在日盲區波段范圍：200nm－280nm；

（4）可連續不間斷地工作，特別適用于在線實時監測；

（5）與一般半導體探測器相比，靈敏度高；

（6）成本低，適合于規模化推廣。

與目前用的比較多的紫外成像儀相比較，系統具有體積小、成本低、壽命長，可24小時監測等優勢。

6 結束語

氮化鎵半導體材料，由于其特有的良好的光譜響應特征，尤其是在UVC日盲區上的應用，使得氮化鎵探測器成為室外在線實時紫外監測的良好選擇，因此由該探測器組成的在線監測系統也特別適應室外電暈的在線監測，可作為固定設備，對一定距離范圍內的被測對象實施長期監控。

實驗結果證明，對于近距離（例如高壓桿塔）上安裝氮化鎵紫外探測系統，可獲得良好效果。與紫外成像儀相比，由于氮化鎵紫外電暈探測器系統成本低、重量輕、適應環境能力強，不懼太陽光及電磁感染，可24小時長期監控，因此適合一定范圍的推廣。在探測高壓電暈放電應用中，可與紫外成像儀可相互補充。