外部电晕放电检测技术
周文俊1马斌1汪涛2易晓11武汉大学2湖北电力试验研究院
摘要介绍了电气设备外部电晕放电现象和气体中电晕放电的几种效应及电晕放电的传统测量方法——红
外成像技术和超声电晕探测法；提出了电晕放电紫外成像检测新技术。阐述了电晕放电紫外成像检测技术的原理并将它与传统的测量方法进行了比较。高压电气设备几种典型故障电晕放电紫外成像技术观测结果，紫外成像技术在高压中的可能应用。
关键词电晕放电；紫外成像；检测
1外部电晕放电现象和电晕效应
1.1外部电晕放电现象
在极不均匀电场中，当电压高到一定程度空气间隙击穿前，大曲率电极（高场强电极）附近会有薄薄的发光层，有点像“月晕”，在黑暗中看得较为真切，这种放电现象称为“电晕”放电，其特殊的晕光是电离区的放电过程造成的。电离区中的电离、复合、从激励状态恢复到正常状态等过程可能产生大量的光辐射。爆发电晕时，回路中电流明显增加（但绝对值仍很小），可以测量到能量损失。
电晕放电是极不均匀电场中特有的一种自持放电形式，它与其他形式放电的区别在于电晕放电电流并不决定于电源电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导。因此，电晕放电取决于外加电压、电极形状、极间
、、
距离、气体的性质和密度等[123]。
电气设备在设计、制造、安装、运行、维护中,一些环节出现问题有可能形成电晕放电现象。高压导体粗糙的表面、终端锐角区域、绝缘层表面污秽区、高压套管及导体终端绝缘处理不良处、高压导线断股、导线压接不良、残缺的绝缘体、破损的瓷瓶及绝缘子等有绝缘缺陷的电气设备在高电压下运行时,就会由于电场集中而发生电晕放电。此外电晕放电对超特高压输电线路具有特殊的重要性，与这些线路的导线选择、电能平衡和环境保护等均有密切的关系。1.2电晕效应
气体中的电晕放电具有以下几种效应：
（1）伴随着带电粒子的电离、复合等过程而有声、光、热等效应，表现为发出“咝咝”的声音、蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等；
（2）电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，会造成对无线电的干扰。在工频电压的每半周内，电晕都要发生和熄灭一次，会辐射出大量的电磁波，一般来说，交流线路的无线电干扰比直流线路的大。高压输电线路的绝缘子和各种金具上较容易出现电晕，随着输电线路电压的不断提高，延伸的范围不断扩大，线路上电晕造成的无线电干扰已成为输电线路设计和运行中
、
的一个很重要的需要注意限制的问题[45]；
（3）电晕会发出可听噪声，对人们会造成生理、心理上的影响。对于500kV及以下的电力系统，这个问题尚不严重；而对于750kV及以上的输电线路和变电站，这个问题成为环境保护的重要内容；
（4）电晕放电会产生能量损耗，在某些情况下，会达到可观的程度；
（5）在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部场强的驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风”；
（6）电晕放电会产生化学反应，在空气中产生臭氧O3及NO或NO2，在其他气体中也会产生一些化学反应。O3是强氧化剂，对金属及有机绝缘物有强烈的氧化作用；NO或NO2会与空气中的水分合成硝酸类，具有强烈的腐蚀性。所以，电晕是促进有机绝缘老化的重要因素之一；
（7）直流线路的电晕放电会使正负极导线与大地之间充满空间电荷，使线路附近对地绝缘较好的物体上积累电荷，其上的对地电压会达到数千伏或更高[6]。
上述电晕效应会对环境和设备运行产生一定影响，尤其是可听噪声、无线电干扰和电晕损失，适度控制电晕效应，对发展特高压输电非常重要。但有时，电晕的某些效应也有可利用的一面。如电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压波的幅值和陡度；电晕放电还可以改善电场的分布；也可利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进行净化处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
2电晕放电的传统检测方法
传统的电晕放电检测方法主要采取远红外望远镜、超声电晕探测器及人工目视检查。由于有些电晕放电的目标小、强度弱，在强烈的日光下目视很难观察到；而太阳光中含有很强的红外线，用红外线望远镜观察误检率高。另外红外成像仪的响应速度慢，不适于航拍。有人曾试图用沿线设置无线电探测器的方法进行电晕测量，其唯一的优点是可连续检测，但费用高、准确度低。2.1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视图像的技术。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。在使用中人们发现红外技术有以下环节制约其探测的效果：不同的目标有不同的光谱特性，目标和探测器之间的环境和距离影响探测系统的性能；在对流层以下，大气对目标红外辐射能量的传输有极大的影响；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。2.2超声电晕探测器
超声波探测器可以用来帮助查找暴露在大气中的电晕放电点（包括油杯终端的放电点）。这时带有抛物面反射镜的超声波探测器，经放大、转换到耳机监听和表记指示。在发现最强的接收指示时，其正前方就是超声波源。接受器也可安装在绝缘棒上，直接
放至变压器、电容器箱壳上检测以确定放电
部位。
3电晕放电紫外成像检测新技术
3.1原理
紫外成像技术是利用特殊的仪器接收电晕放电产生的紫外线信号,经处理后成像并与可见光图像叠加,达到确定电晕的位置和强度的目的[7],从而为进一步评价设备的运行情况提供依据。紫外线的波长范围是40nm～400nm,太阳光中也含有紫外线,但由于地球的臭氧层吸收了部分波长的分量,实际上辐射到地面上的太阳紫外线波长大都在300nm以上,低于300nm的波长区间称为太阳盲区。空气中的氮气电离时产生紫外线的光谱大部分波长在280nm～400nm的区域内，只有一小部分波长小于280nm，即处于太阳盲区内,若能探测到,只可能是来自地球上的辐射。阳光和电晕的电磁波谱辐照度及波长比较如图1
。
图1
阳光和电晕的电磁波谱辐照度及波长比较
图2紫外成像电晕检测仪结构示意图
3.2国内外应用情况
由美国EPRI牵头多家公司共同进行了为期3年该仪器在架空线电晕放电检测研究，经过试验室模拟和大量现场实测经验，编写了一份架空线电晕现象的评估导则；导则所介绍的方法主要有直接法、同类比较法和档案分析法。此外，国外已有电力公司将电晕紫外成像仪应用于138kV和500kV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。在随后检修中，
验证了仪器检验的结果是正确的，如输电线路、复合绝缘子接头处等。
2005年，武汉大学和国家电网公司湖北省电力试验研究院应用南非CSIR公司生产的CoroCAMIV+型紫外成像仪对工频电压作用下极不均匀电场的放电过程进行了研究；并以此为基础，在工频电压作用下针对几种输变电设备典型的外绝缘形态（如支柱绝缘子、复合绝缘子）和设备典型的外绝缘缺陷，对其放电过程和机理进行了试验研究；对紫外成像的现场检测技术和实际应用情况
进行了评估。
图3表面有裂纹的复合绝缘子工频电压下电晕放电
紫外成像
3.3主要技术特点
与传统的预防性试验和离线检测相比,紫外成像检测技术有以下技术特点:
（1）紫外成像检测时可以做到不停电、不改变系统的运行状态，从而监测到设备在运行状态下的真实状态信息；
（2）以图像的形式，迅速、形象、直观地显示出设备的运行状态和故障情况；
（4）由于紫外成像检测的响应速度快，在被测设备与监测仪器作高速相对运动时，
仍能完成监测任务，为直升飞机线路故障巡检提供了可行性，不仅大大提高了检测效率，而且降低了劳动强度；
（5）紫外成像技术有利于实现电力设备的状态管理和向状态维修方式的过渡。当把所有设备在运行中的紫外电晕成像信息建立数据库后，设备管理人员可对管辖的所有设备运行状态实施管理，并根据每台设备的状态演变情况进行有目的的维修；
（6）与目前普遍采用的红外热像等技术相比，紫外成像技术可发现设备的早期隐患，而热像技术往往等隐患发展到一定程度才可检出。
3.4应用范围和领域
凡是有外部放电的地方都能用紫外成像仪观察到电晕，这意味着紫外成像技术在高
电压带电检测领域的应用范围很广[8、9、
10]，主要有如下几个方面。
（1）导线外伤探测。导线架线时拖伤、运行过程中外部损伤、断股、散股等可用紫外成像仪检测。导线表面或内部变形都可能导致其附近电场强度变强，在满足条件时会产生电晕。这种电晕肉眼很难判断，但可用紫外成像仪检测，对于日常巡查和检验工程质量很有意义；
（2）高压设备污染检查。污染物通常表面粗糙，在一定电压条件下会产生放电。导线的污染程度及绝缘子上污染物的分布情况等，可利用该技术有效地进行观测。若使用高倍望远镜配合进行观察，可为制定科学的检修计划和防止污闪及爬电的发生提供依据；
（3）绝缘子放电检测[11、
12]。劣化积污导致盐密过大，在一定条件下会放电，单纯的绝缘子劣化也会产生电晕。利用紫外成像技术在一定灵敏度和一定距离内可观察到放电，便能对劣化绝缘子进行定位[13]；
（4）绝缘缺陷检测。在对试品进行电气耐压试验时用紫外成像仪进行观察，若在试验时发生闪络，则试品肯定不合格；若观察到电晕，则应根据电力产品的材料、结构形状、使用情况来对比评估是不是绝缘缺陷及缺陷的严重程度。另外，紫外成像的检测结果可为电力产品的绝缘诊断与寿命预测提供
大量信息，可建立综合档案资料，以便更好地诊断、分析和评估，甚至可形成行业标准；
（5）高压变电站及线路的整体维护。由于我国气候潮湿，加上近年工业化进程加快，标电晕发生时带电粒子电离和复合过程中所发出的紫外光子，并以此为参量表征电晕放电的强度。但是这种手段没有客观比较的依据，即，依据这样的参数，不能有效判断（电环保力度不够，一般大城市高压变电站内放电点随处可见。传统的放电异常判别方法有听声音和夜间观察放电等手段。由于很多设备的放电并不影响其正常运行，所以，听声音的方法无法排除干扰和主观因素，且受侦测距离的限制，通常不能作为判断的依据。应用紫外成像技术，可以在地面或直升机上全面扫描变电站和线路上的设备，这种动态监督异常现象的方法，为采取合理的维护措施提供了依据；
（6）寻找无线电干扰源。高压设备的放电会产生强大的无线电干扰，影响到附近的通信和电视信号的接收等，使用紫外成像技术可迅速找到无线电干扰源。
4结语与展望
作为电晕放电的一种新的检测手段，紫外成像技术有着自己的技术特点和优势，并在现场得到一定程度的验证和应用，但是这种技术还有很大的进步空间，这主要体现在目前应用该技术的过程中有以下问题存在。
（1）标定较困难。尽管紫外检测仪器的灵敏度很高，但因准确度受环境条件(如气象条件等)的影响较大，如:根据电晕发生的机理，温度、湿度、海拔高度等环境因素对电
晕的起晕电压、电晕能量有较大的影响[14、
15]
。所以，当需要对设备状态做绝对测量时，必须认真解决正确标定的问题；
（2）电晕放电后果评价。在检测过程中，环境因素的作用反应在电晕检测中就表现为通过紫外成像仪观察到的电晕放电变化很大。这导致不能根据电晕放电直接确定是否存在缺陷或故障以及缺陷或故障的发展程度。因此如何评价电晕放电成为紫外成像仪在系统中应用中的亟需解决的问题；
（3）电晕放电强度的量化。以往利用紫外成像仪在现场进行电晕放电检测的过程中，是根据仪器所显示的单位时间内紫外光子数对电晕放电强度进行量化的[16]。这种量化手段的特点是可以实时统计单位时间内目
气设备）电晕放电处在什么阶段，是否存在即将发生闪络的危险；也不能有效判断（输电线路）电晕损失是否在正常的范围之内。因此，利用紫外成像重新选择合适的表征参数对电晕放电强度进行量化，找出此参数和电晕放电各阶段的对应关系，并以此作为今后判断电晕放电强度的依据，这是今后紫外成像检测电晕放电的重要研究内容。
实践证明,紫外成像技术已经能有效和直观地观测到高压设备放电的情况,为带电检测提供了新的诊断手段,且发展到了可在白天进行检测的水平。相信随着上述问题的解决，此项应用将会大大提高高压设备故障点的全面检测能力,也为高压产品的可靠性研究提供有力的手段。
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作者简介
周文俊，男，1959年生，博士、教授、博导，从事高电压绝缘与测试、防雷接地、电磁兼容方面的研究，电话：027－68772283－217，Email：wjzhou@whu.edu.cn
马斌，男，1981年生，博士生，从事高电压测试研究，电话：027－68772285－217，Email：