于日盲光电倍增管的绝缘子表面放电紫外光检测系统

紫外光脉冲 电晕脉冲
紫外光脉冲 电晕脉冲
(a)脉冲群的电信号和光信号
（b）单个脉冲的电信号和光信号
图 7 棒板间隙电晕放电的电信号和光信号
（2）检测系统的线性度测试 线性度也是检测系统性能的一种重要指标，图 8 给出了在不同的观测距离下的电脉冲信号与
光信号幅值之间的散点图（探测距离为 3m）。
2.5 原始数据
4. 系统的有效性测试
（1）棒-板间隙电晕放电时域波形 为了测试该检测系统的性能，本文利用该系统检测了棒-板间隙电晕放电时的光信号特性，测
量时紫外光信号检测系统正对棒板间隙的棒电极端部，观测距离最小为 3m，测试时高压模块的 输出电压为-1600V，I/U 转换电阻设置为 150 欧姆，INA128 的放大倍数为 51 倍。为了对比分析 光信号与电脉冲信号，在板电极的接地回路中串接了 50 欧的无感电阻提取放电电脉冲信号，上述 信号经 PCI9812 数据采集卡进行同步采集。图 7 为该系统在采样速率为 1MHz，观测距离为 3m 时采集的单个放电脉冲和一段时间内的放电脉冲群的时域波形信号。
（4）利用该系统研究了复合绝缘子的表面的放电现象，研究表明利用光信号可有效地检测到 绝缘子的表面放电并区分放电的类型。
参考文献
1. 关志成. 绝缘子及输变电设备外绝缘[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006. 2. 金心明, 姚建林, 施海宁, 等. 用脉冲电流法判定线路绝缘子污秽程度[J]. 高电压技术, 2005, 31(11): 16-17, 27. 3. 杨照光. 基于紫外脉冲法的绝缘子放电检测的研究[D]. 华北电力大学, 2009. 4. 王灿林, 王 柯, 王黎明, 等. 于紫外光脉冲检测技术的绝缘子电晕特性研究[J]. 中国电机工程学报. 2007,
5.结论
（1）本文以日盲型的紫外光电倍增管作为核心设计了一套放电检测系统，论文重点介绍了 该系统的硬件和软件系统的设计；
（2）通过测试表明利用单片机控制高压电源和放大器的增益代替传统的手调可变电阻可以 实现，并且能稳定运行；
（3）实验表明紫外光脉冲信号与电信号有着良好的对应关系，可利用光信号来预测绝缘子 表面放电的情况；
为便于后续研究放电的电信号紫外成像信号之间的关系，本文采用了双缓存控制方式实现了 该卡的高速连续采集。方法是在计算内存开辟一段内存空间为循环缓冲区(Circular Buffler)，并在 后台将数据通过 DMA 按照先入先出(FIFO)流入循环缓冲区，前台则由程序控制，不断将循环缓 冲区中的数据取出，放入应用缓冲区进行运算、存盘、图形显示等，只要数据处理、存盘等的速 度大于或等于数据采集的速度，连续的数据采集就可持续下去，为加快数据存盘速度，保存数据 采用二进制格式，采用文件方式保存数据，其采集程序主界面如图 6 所示。
换器的电压输出实现对Vin的控制，从而实现对PMT增益的调整。 系统经过光电倍增光输出后的信号为电流信号，输出电流最大值仅 150uA，需进行信号的放
大，但传统的放大器的输入信号一般是电压信号，因此要先将电流信号转换为电压信号，之后经
放大电路放大再输入到数据采集系统。光电倍增光输出的电流信号首先经过 I/U 转换部分，然后
2 电信号
1
0.4 电信号
0.2
电 压 /V 电 压 /V
0
0
-1
-0.2
光信号
-2
0
10
20
30
40
50
60
时 间 /ms
光信号
-0.4
0
10 20 30 40
50
60
时 间 /ms
(a)窄脉冲式放电的电信号与光信号波形
(b)宽脉冲式局部电弧放电的电信号与光信号波形
图 10 绝缘子表面放电的电信号与光信号
进行放大，其电路如图 5 所示。
在图 5 中，I/U 转换电路采用运算放大器外接反馈电阻 Rf 实现，输出电压与输入的电流满足 如下的关系：
V0 =-Rf ﹒Ip
（2）
把电流信号转换为电压信号的同时虽然也信号进行了放大，但放大的程度仍然很小，因此信
号需要经过进一步的放大。系统选择了放大器 INA128 来实现高倍数的信号放大。通过改变跨接 在端子 1，8 间的电阻 R 的值可方便的调整 INA128 的增益，增益公式为：
基于日盲光电倍增管的绝缘子表面放电紫外
光检测系统
牛英博，王胜辉，律方成
（河北省输变电设备安全防御重点实验室，保定市，071003）
摘要：绝缘子由于缺陷或绝缘性能的下降会导致绝缘子出现放电现象并辐射出紫外光信号，其光信号多集中在
400mm 以下的紫外波段，因此检测日盲波段的紫外光信号能发现设备早期的放电现象。文章选择了日盲型光电 倍增管作为传感器，设计了一套检测放电紫外脉冲光信号的检测系统，论文首先介绍了设计系统的检测原理，然 后重点论述了系统硬件和软件部分的设计，硬件部分主要实现光电信号转换和信号放大的功能，软件采用虚拟仪 器编写，实现信号的采集控制和分析。实验部分表明，系统具有较高的灵敏度和一定抗干扰能力，同时证实系统 能有效地检测到绝缘放电紫外脉冲光信号。
PMT
6
P
Dy10
7
Dy9
5
Dy8
8
Dy7
4
Dy6
9
Dy5
3
Dy4
10
Dy3
2
Dy2
11
Dy1
1
K 12
R13 C3 R12 C2 R11 C1 R10 R9
R8
R7 R6
R5
C4
R4
R3 R2
R1
信号输出 高压地
负高压
图 3 R2078 的光谱响应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线
图 4 分压电路图
直流高压模块的控制方法如下：控制该高压模块某一输入端子上的电压值（0～5V 变化）Vin
图 1 典型电晕放电光谱分布图
图 2 放电光信号检测系统框图
从图 1 可以看出典型的电晕放电的紫外光谱段主要在 300～400nm 的紫外线区域，也有小部 分波长在 230~280nm。太阳光中也含紫外线，但由于波长小于 280nm 的部分被大气中的臭氧 所吸收，所以能通过大气传输的只有 280nm~400nm 的紫外信号，低于 280nm 的波长区间称 为太阳盲区，亦称“日盲”。因此紫外光检测系统的信号光路选择在日盲紫外波段对电晕放电 进行探测，可以得到比较理想的探测效果。
3.检测系统的设计
整个检测系统可分为硬件和软件两大功能模块，结构框图如图 2 所示。其中硬件部分主要包 括：遮光漏斗、光传感器、高压直流电源及分压电路、信号调理电路、信号采集模块；软件部分 采用虚拟仪器软件编写，完成对单片机和数据采集卡的控制，并进行信号的采集和数据分析。 （1）紫外脉冲检测系统硬件设计[6]
本文以 10kV 的复合绝缘子为研究对象，测试了其表面的放电现象，检测放电的实验电路如 图 9 所示。为便于形成放电，利用喷壶在其表面均匀喷涂一定电导率的盐水，给其施加工频高压， 随着电压的不同和绝缘子的表面的水珠分布的变化，其放电可表现为电晕、火花和局部电弧三种 放电的形态，其中电晕和火花放电具有窄脉冲特性，其中电晕和火花放电具有窄脉冲特性，单个 脉冲的持续时间一般在几十 us，而当出现局部电弧放电时，其脉冲为宽脉冲式放电，单个放电脉 冲的持续时间大约为 1ms-4ms 左右，相关的波形如图 10 所示（探测距离为 3m）。
光电转换模块是检测系统的核心，主要包括光电倍增管，分压电路，高压电源。系统选择了 端窗型日盲型光电倍增光 R2078，具有高增益、高信噪比和快速的响应特性，光谱响应范围为 160mm-320mm，典型增益为 5.0×105，阳极暗电流低至 15pA，阳极脉冲上升时间为 1.5ns，图 3 是 R2078 的量子转化效率和阴极灵敏度曲线。R2078 采用了 10 级倍增结构，在工作时需在其阴 极 K、中间级 Dy 和阳极 P 之间施加合适的直流高压以实现对光电子的倍增，其接线如图 4 所示。
关键词：绝缘子 放电 紫外脉冲辐射 日盲光电倍增管 虚拟仪器
1.引言
绝缘子是电力系统中使用量很大的一类设备，由于电、热、机械力、污秽的积累和紫外线等 环境因素的作用其绝缘性能将会出现劣化和下降，可导致绝缘子的表面局部场强增加，当这种场 强大于 30kv/cm 时可引起空气分子电离形成放电。放电产生脉冲电流，声，光，热等信号，根据 这些信号，目前主要的放电检测方法主要分为接触式和非接触式检测法。利用日盲紫外成像法检 测放电是近几年国内外研究的热点，该方法探测的信号为 240mm-280mm 日盲波段紫外光信号， 可直接定位放电位置，但紫外成像仪的价格比较昂贵。利用紫外光信号探测器检测紫外脉冲放电 光信号价格相对低廉且能够构成在线检测系统[1-5]。
在图 10（a）中其脉冲幅值较高的信号为火花式的放电信号，脉冲幅值较小而密集的信号为 电晕放电信号，图（b）则为局部小的电弧放电时的电信号和光信号，从图中可以知道，电信号和 光信号的幅值有着较好的对应关系，且光信号的波形与电信号的波形也有着较好的相似性，也即 利用光信号可有效的分辨出绝缘子的表面的放电类型。
2
拟合曲线
光 脉 冲 幅 值 /V
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
30
电 脉 冲 幅 值 /mA
图 8 电信号与光信号的幅值关系曲线
图 9 检测系统实验接线图
对上述离散点进行一阶曲线拟合，由图 8 可知其脉冲的峰值变化具有近似的线性关系，因此 可以利用光脉冲信号来表征其放电信号的强度。
4.绝缘子放电的紫外光信号特性研究
G=1+50000/R
(3)
Rf
R2078 P Ip
-
+
-Vin 2 数字 1
OUT 6
数据采 集系统
电位 INA128 V0 器 8
+ Vin
5 Vref
3
I/U转换
放大器
图 5 信号条理电路的设计
图 6 信号采集系统的工作界面
同样，为了实现智能化的控制，系统在 INA128 的 1 和 8 脚之间跨接数字电位器 X9313 取代 传统的可变电阻，通过计算机将相应的指令发送到单片机，单片通过指令改变 X9313 的电阻值实 现对 INA128 放大倍数的调整。这里需要注意的是 X9313 每次上电后的电阻值是未知的，每次上 电初始化时需把 X9313 阻值调整为最大后再进行电阻的增减档。 （2）紫外脉冲检测系统软件设计[6]
从图 7 中可以看出，每一个光脉冲信号应于一个电脉冲信号，其光脉冲信号与电脉冲信号具 有很好的对应性，脉冲的幅值和个数有着良好的对应关系。但从图 7 中可知其光脉冲信号仅为全
部为负脉冲信号，这是因为崩系统中 PMT 施加的为负高压信号，而光信号不能区分放电的正负 极性，因而输出的信号全部为负脉冲信号。
高压设备表面的电晕或火花放电具有陡脉冲特性，相应 PMT 的输出信号也具有脉冲特性， 含有丰富的高频分量，要求采样速度较高。由于后续研究电信号与光信号的关系需进行信号的同 步采集，因此本文选择了具有多路同步采集功能的 PCI9812 数据采集卡，该卡在 Labview 软件的 控制下，可灵活地设置采集通道、采样速率等参数，其最多可实现四通道同步连续采集，单通道 的最高采用速率为 10MHz，满足本文研究的需要。
可调整高压模块的输出电压 Vout，从而控制 PMT 的增益，Vout 和 Vin 之间的关系如下：
Vout=-400×Vin
（1）
为了能实现计算机控制PMT的增益，系统在高压电源之间跨接数模转换器代替传统的可变电
阻，计算机利用RS232接口将相应的命令和数据发送给单片机，单片机根据接收数据控制数模转
本文以日盲型光电倍增管为核心，设计了一套检测绝缘子放电紫外脉冲光信号的检测系统。 论文首先介绍了紫外脉冲检测系统的工作原理，然后系统的介绍了系统硬件和软件部分的设计， 最后通过实验测试了检测系统的一些特性。
2.紫外脉冲检测系统的工作原理
在绝缘子沿面空气发生电离放电时，会产生电晕、火花或电弧放电形式，一般情况下，电离 的主要形式还是电晕。放电时，会辐射出紫外线，其中也包括微量日盲区紫外光，图 1 是典型的 电力设备放电光谱。
27(36): 19-25.
5. S.M. Gubanski, A. Dernfalk, J.Andersson.etc. Diagnostic methods for outdoor polymeric insulators, IEEE Trans
dielectrics and Electrical Insulation[J], 2007, 14(5): 1065-1080. 6. 江文杰, 曾学文. 施建华.光电技术[M], 北京: 科学出版社, 2009. 7. 候国屏, 王砷, 叶齐鑫. LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.