用于紫外检测的反射式人工气候箱研制与应用

引言
 
由于特高压输电线路具有电压高、铁塔高、线路长、**缘子串长、**缘子片数多、沿线地理环境复杂等许多特点,所以传统的巡检方法很难再适用于特高压输电线路[1,2]。紫外检测作为一种新的远程检测技术,可以灵敏地发现导致输电线路设备产生异常放电的缺陷与故障[3-7],但是紫外检测容易受到许多因素的影响,例如检测距离、大气湿度、气温、气压、背景干扰等[8-13]。文献[]中提到紫外光传播距离与大气条件有很大关系,而不仅仅是受限于点光源测量中的距离平方反比关系;文献[9]利用软件计算得出有雾的天气会造成大气紫外透射比的大幅度下降;文献[10]则研究了雨雾对紫外光传输的影响,认为降雨对紫外光的衰减作用较大。现有文献对大气条件影响测量的研究存在不足,特别是讨论温、湿
 
度条件时多数研究的是对放电本身的影响而不是对光信号传播的衰减作用[11-13]。在利用紫外检测技术巡检线路设备前,需要研究这些因素对于检测结果的影响,以保证检测结果的正确性以及数据的横向与纵向的可比性。
 
特高压输电线路设备的巡检要求检测仪器具有比较长的检测距离,通常可以达到50~100m。为了保证实际中的检测仪器在远距离下检测的有效性,需要进行长距离的人工气候校正实验。校正实验需要测定距离以及不同气象条件对检测仪器测试结果的影响,并得到相应的校正数据。影响紫外检测的气象条件较多,为了得到较为准确的数据需要进行大量的实验操作,如果使用传统的大型人工气候室来满足测试距离的要求,则会因气象参数调节缓慢而严重影响实验效率,进而无法满足实验要求。针对该类实验的需求,设计制造了利用多次反射方式的人工气候箱,它折叠了观测对象到检测仪器之间所需的观测通道,在保证足够测试距离的条件下大大缩小了实验所占用的空间尺寸。由于实验箱空间体积很小,且实验箱内调节气象条件达到平衡所需的时间较短,故而有利于高效快速地进行多种气象条件下的长距离检测实验。本反射式实验箱制造成本低,实验时的能耗少,调整不同气象参数后所需要的稳定时间很短,实验速度快、可以满足50~100m 的长距离实验需求,它为今后在不同气象条件下进行长距离检测实验开创了一条新的道路。
 
 
本文**先简要介绍了反射式实验箱的结构特征。随后为了验证多次反射的可行性以及所选反射镜材料的合理性,在实验箱中进行了固定气象条件下改变检测距离的实验,与无反射直接测量的结果对比而计算了所用反射镜的实际反射率,并作出校正曲线,为后续的气象参数实验和反射镜参数的改进提供依据。
 
1 反射式实验箱的结构特征
 
完整的实验箱主要由反射式实验箱本体、人工气候调节器、反射镜位置控制器以及控制各部分参数的电脑与软件4个部分组成。人工气候调节器可采用传统人工气候室所用装置,不再赘述。
 
反射式实验箱本体的结构较为灵活,可根据具体实验来设计满足要求的结构,它的主要参数包括:光路长度、观测通道直径、反射镜的反射角度和表面镀膜特性。实验中通过综合考虑各种参数的作用和相互关系来设计出合理的结构。
 
光路长度指从箱体入射窗口到出射窗口的距离,该长度加上试品到入射窗口的距离就是实际仪器的检测距离。若反射镜位置设计合理,就可使光路距离可变,从而满足实验中改变检测距离的需求。
 
观测通道指试品上放电产生的光信号传到检测仪器所需的通道,实验距离、试品尺寸以及检测仪器口径不同,所需的通道直径也不尽相同。通道直径
 
决定反射镜的尺寸和通道的体积,通道直径越大,反

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图1 反射率与入射角度的关系
 
Fig.1 Reflectivityvs.incidentangle
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图2 反射式实验箱本体的结构
 
Fig.2 Structureofreflectiveartificialclimatebox
 
射镜制造就越困难,实验箱调节气象条件所需的时间也就越长,故不宜使用过大的通道直径。
 
反射镜是反射式实验箱**重要的部分,因为反射次数可能较多,所以在检测仪器检测频率范围内反射率应尽可能提高。反射率和入射角度有很大的关系,例如某种镀膜特性下,入射角从0°改变为45°
 
时,高 反 射 率 区 的 上 限 截 止 波 长 (如 取 反 射 率
 
99.95%处的波长由310nm 改变为280nm减小了约30nm,见图1所示。
 
2 实验仪器、设置与实验方法
 
本文的实验在一台长1m 的实验箱中进行,该实验箱本体为3层支架结构、每层支架由3根截面为10cm×10cm、长度均为1m 的矩形管组成,管端面标号的排列方式如图2所示。
 
通过安装合适的反射镜,可以将这些管道互相串联成为完整的观测通道,其光路为:放电点
 
→ A′1→A′2→A2→A3→A′3→A′6→A6→A5→A′5→A′
 
4→A4→A7→A′7→A′8→A8→A9→A′9→紫外检测仪器。除A 和 A′位置以外,每个管道端部都装有反射镜,镜面光线的中心入射角为45°。其中 A′、A′、A′、A′和 A′这 5个位置的反射镜可通过旋转离开
光路,让放电光信号可从相应的窗口射出以供检测,
从而改变观测光路的长度。实验箱内光路的总长度
      ,若放电点设置在距 A1 1m 处,则可观察
  9m                                            
的**大距离为       。在     、 、 、     位置,
                    10m     A′ A′ A′ A′   A′
                                               
对应的观测距离分别为   、、、      
                              2468         10m      
    实验所用的检测仪器为清华大学深圳研究生院
能源电工实验室研制的紫外电晕检测仪。该仪器的
输出为一系列脉冲信号,这些脉冲在时间位置上与
被观测的放电电流的脉冲一一对应,在脉冲的峰值
以及面积上与放电电流的脉冲峰值和面积分别具有
                                                       
统计对应关系14-17 。放电电流脉冲的面积即放电
量,将仪器分析与记录检测到的每个脉冲的面积记
 
作视在光放电量   ,用以表征相对放电强弱。  
                                                         
    实验所用的观测对象为棒板电极的电晕源,棒
     
电极头端部加工成直径10mm 的半球形,板电极为
 
直径 250mm 的圆平板,距棒电极头端部    
                                          100mm
棒电极头端部竖直向下安装。在棒电极上施加40
 
kV 交流电压,实验中,只检测电晕放电中正电晕部
 
分的信号。                                            
                                             
    实验箱 A1 面距棒电极头端部       ,检测仪器紧
                                            1m        
靠出射端面的观测窗口进行测量。所用的观测窗口
 
    、 、 、     ,对应的检测距离分别为  、
               
  A′ A′ A′ A′ A′                            
                                               
、、       。实验时依次在各观测窗口测定记
468       10m                                        
录下一定数量(一般 50次)的正电晕的视在光放
 
电量       ,求取其平均值,记作反射检测的平均视在光
                                                     
放电量       。为了验证反射式实验箱的效果,还需
         
          ref                                            
检测相同距离下不经过反射的视在光放电量,每个
 
距离下同样采取多次测量求取平均值的办法,得到
 
直接检测的平均视在光放电量                  
                     
                                      dir              
    实验中使用校正系数和平均近似反射率来表征
反射实验箱的特性。校正系数 的计算公式为 上式可以得出
 
 

 
  dir   ()
 
ref  
     
 
校正参数 表征从反射式实验箱获得的检测数据换算到直接检测数据的对应关系。不管反射式实验箱内部结构如何,只要利用事先测得的校正系数,就都能将实验箱观测得到的数据换算成为直接检测的数据。
 
反射镜的实际反射率对于实验十分重要。如前文所述,实验箱会使用较多的反射镜(本文所用实验箱安装有16面反射镜),而光信号在反射镜上的衰减十分明显。假设单面反射镜的反射率为90%,则16次反射 后 剩 余 的 光 信 号 能 量 只 有 入 射 时 的
 
18.53%,不利于测量;若反射率能达到99.68%,则
 
能保留下95%的能量,这时反射镜对实验的影响可以忽略不计。选择合适的镀膜参数可以制造出特定
                       
波长范围内的高反射率镜片,本实验中使用的反射
 
镜的光学特性如图3所示。其中波长<280nm 的
 
部分反射率>99.95%,能够保证在日盲波段(波长
 
        )实现高反射率。        
  240~280nm            
    在实际使用中,反射镜的高反射率波段即高反
     
波段不能保证与检测仪器的工作波段一致,所以反
 
射效果可能达不到预期。故需要计算实际反射率来
 
评估镜片参数的选择是否合适。        
         
    根据文献[ ],视在光放电量     与检测仪器检
       
          14          
                       
测到的光子个数成正比。待测光信号的带宽较窄,
 
信号源、反射镜以及检测仪器的频率特性对于测量
 
结果的影响较小,可以加以忽略进而得到视在光放
 
电量   与检测仪接收到的光能量近似成正比。故
   
                       
可以利用校正系数   近似估计出反射镜的平均反
   
射率。计算公式为            
             
                       
                  ()
          ref ≈dirα    
式中, 为反射镜的平均反射率;   为反射次数。从
                           
              / 。   ()
               
    α                
    ref Qdir =      
  根据式()的原理,可以计算出观测通道中新增
                             
反射镜的平均反射率α。计算公式为      
      ref   dir α     ()
               
        w2   w1              
其中 分别是在     w1   w2 号观测窗
  ref A′   ref A′       A′     A′  
  w1     w2                      
口检测到的视在光放电量; 是这两个观测窗口之间增加的反射镜片数。故对应的新增反射镜的平均反射率为
 
          ()
    w1
α w2      
ref   ref    
3 应用实验与结果讨论
 
实验时的气温约为 26.2°C,相对湿度约为
 
66.8%,气压约为0.1MPa。实验结果如表1和表
 

2所示。表1的校正系数 以及近似反射率α 分别由式(1)和式(3)计算得出,表2的新增反射镜组的
平均反射率  由式()计算得出。数据中 2m 观测
          α                                    
距离下无反射镜反射,     经过了 次反射,    
                  4m                   6m  
过了 次反射,   经过 12 次反射,   经过了 16
          8m               10m        
次反射。每一个观测窗口相对上一窗口新增4面反
射镜,故定义每新增的4面反射镜为一个反射镜组,
  到   之间新增镜组序号为  ,         之间新增
A′ A′               1A′   A′      
                                         
镜组序号为  ,依此类推。                              
                                                   
    直接检测的平均视在光放电量 dir 与检测距离
                                               
 的关系如图4所示。从图中可以看出,直接检测
的平均视在光放电量   和检测距离 呈良好的距
                  dir                                
离平方反比关系即diraL-2,其中系数=104
 
  · 这表明实验过程中气象条件以及电晕源放
   
C m                                              
μ                                                    
电保持稳定,对测试结果没有明显影响。          
        、 中校正系数以及平均反射率随着反射次
           
      12                                          
数的增加呈逐步上升的趋势。检测距离为8m 和
 
 
10m 时的数据有所波动,可能是这两种距离下反射
 
                                                     
                                                     
次数较多,信号衰减较大,测量误差增大所致。      
       
    校正系数增加表明随着反射次数的增加,检测
     
仪器接收到的信号逐步衰减。在           观测窗经由 16
               
                            A′            
                                                 
次反射后校正系数接近于     ,即经过反射镜保留下
                      10                          
来的光信号能量约为入射时的10%。            
             
    平均反射率随反射次数增加而增加,表明每一
片反射镜的实际反射率各不相同,参考表2反射镜
组的平均反射率可以看出,实际反射率逐片上升,**
 
后4片的实际反射率甚**接近100%。造成这一现
 
象的主要原因是反射镜的高反波段与检测仪器的工
 
                                                     
作波段稍不匹配。由于实验所用仪器的光波长响应
 
范围比反射镜的高反射率范围稍宽,随着反射次数
 
的增加,反射镜高反区以外的光强逐片衰减,所以经
过几次反射后这部分的光线已经变得十分微弱。在
 
反射次数少时,仪器输出包含有较多高反区以外的
 
光线分量,因而比较接近仪器直接检测的结果,使校
正系数较小;在反射次数较多时,高反区以外的光线
 
分量很小,与仪器直接检测的结果相差较大,使校正
 
系数增大。与此同时,随着反射次数的增加,高反区
 
以外的光强逐片衰减,高反区光线的分量逐渐增大,
 
反射镜上损耗的光强逐步减少,即反射率逐片提高,
 
平均近似反射率作为总体反射效率的表征,也就随
 
着反射次数的增加而逐渐增大。                          
                           
    从这个角度考虑,可以通过给检测仪器加装滤
     
光片的方法限制其光响应范围,从而与反射镜的高
 
反射率波段吻合,使得实际反射率更加接近设计参
 
数,以便对测量的影响尽量小。                          
    此外,**后   片反射镜的平均反射率很高,接近
       
                                                   
100%,与预计的反射率十分接近。这表明所采用的                            
     
反射镜镀膜参数比较合理能够实现很高的反射率


                 
                       
      )反射镜的平均反射率较高,随着反射次数的
                     
增加,校正系数以及平均反射率呈上升趋势。
 
      )反射镜平均反射率随着反射次数增加而升
                     
高的主要原因是镜面高反射率波段与检测仪器的光
 
波长响应范围不很匹配,应当对检测仪的响应波段
 
做出适当的调整。          
           
      )反射式实验箱在实验中表现良好,利用校正
                     
系数可以把实验箱的观测结果还原到直接检测的结
 
果上去。