高電壓與絕緣技術(shù)論文-高壓放電紫外檢測(cè)系統(tǒng)的研究

1、第1章 緒論第1章 緒論1.1 高壓放電檢測(cè)的研究背景及意義近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)得到了很大的提高，電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也隨之快速擴(kuò)大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面，其重要性變得日益突出。電力設(shè)備不但是組成電力系統(tǒng)的基本元件，還是保證安全穩(wěn)定可靠供電的基礎(chǔ)。當(dāng)電力設(shè)備（如設(shè)備絕緣子、電纜、變壓器、電機(jī)等）發(fā)生故障的時(shí)候，如果不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，都可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響。隨著用電電壓和用電負(fù)荷的不斷提高，電氣設(shè)備的絕緣部分受到的電壓越來(lái)越大，因?yàn)樵O(shè)備絕緣的缺陷而導(dǎo)致的電力事故日益增多1。受到使用次數(shù)、使用時(shí)間長(zhǎng)短、運(yùn)行操作和工作環(huán)境等

2、的影響，會(huì)造成高壓電力設(shè)備的絕緣強(qiáng)度下降、材料裂化以及使用壽命的降低，進(jìn)而導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)生故障甚至是嚴(yán)重的電力事故2。一旦發(fā)生電力事故，會(huì)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民的日常生活造成很大的影響。為了減少因設(shè)備絕緣問(wèn)題而造成的電力故障，使系統(tǒng)工作在安全穩(wěn)定的狀態(tài)，降低因事故而對(duì)生產(chǎn)生活造成的影響，需要從兩方面來(lái)著手：一方面提高設(shè)備絕緣材料的性能，使絕緣材料滿(mǎn)足設(shè)備對(duì)絕緣的要求；另一方面檢測(cè)設(shè)備由于存在絕緣缺陷而放電時(shí)的特征量，通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)了解設(shè)備的絕緣情況的目的3。早期對(duì)電氣設(shè)備的維修與保護(hù)，主要采用設(shè)備發(fā)生故障后，根據(jù)故障類(lèi)型的不同進(jìn)行相應(yīng)的維修，即傳統(tǒng)的事故后維護(hù)，這種

3、維護(hù)方式的缺點(diǎn)是必須停電維護(hù)，且不能對(duì)突發(fā)事故和偶發(fā)性事故做到提前預(yù)知。后來(lái)，電氣設(shè)備的維護(hù)發(fā)展成為事先安排專(zhuān)門(mén)的時(shí)間對(duì)設(shè)備實(shí)施大修和維護(hù)來(lái)預(yù)防突發(fā)事故，即預(yù)防性維護(hù)。根據(jù)設(shè)備外部異常情況，采用預(yù)防性維護(hù)，提前預(yù)知其嚴(yán)重性，進(jìn)而對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)處理。目前國(guó)內(nèi)的預(yù)防維護(hù)以傳統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)為主，根據(jù)電力公司和設(shè)備制造商的維護(hù)要求，按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行維護(hù)作業(yè)、定期清掃、定期維修等，需要安排停電作業(yè)且人力花費(fèi)較大，這種維護(hù)方式很難預(yù)防偶發(fā)性電力事故。近些年，發(fā)展出另一種設(shè)備維護(hù)的方式，即不停電預(yù)知維護(hù)，在電氣設(shè)備不停電的情況下，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的工作狀況，一旦發(fā)生突發(fā)事故可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)，這種維護(hù)方式的

4、優(yōu)勢(shì)是可以減少維護(hù)時(shí)的停電，節(jié)約維護(hù)工作的人力，還可以及時(shí)的對(duì)偶發(fā)事故做出預(yù)防及維護(hù)4。不停電預(yù)知維護(hù)主要目的是：1. 設(shè)備使用壽命的預(yù)估；2. 設(shè)備使用狀況的評(píng)估；3. 提高工作人員的安全；4. 降低維護(hù)費(fèi)用；5. 收集設(shè)備第一手資料。電力設(shè)備不停電預(yù)知維護(hù)的方法，主要有局部放電檢測(cè)法、油中氣體含量分析法、油中含水量分析法、紅外線測(cè)溫分析法、分析箱體狀態(tài)法、分析震動(dòng)法等，目前最常用的維護(hù)方法是通過(guò)對(duì)設(shè)備局部放電進(jìn)行檢測(cè)來(lái)判斷設(shè)備狀態(tài)。電氣設(shè)備的絕緣部分存在裂痕、細(xì)小的間隙以及其他絕緣缺陷時(shí)，帶電粒子會(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響下加速運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致設(shè)備放電。高壓局部放電的原因是由于正負(fù)極之間只有一部分發(fā)生

5、微小放電，而未構(gòu)成連續(xù)完整的放電。當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生高壓放電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致放電部位發(fā)生能量損耗并釋放熱能，造成絕緣部分材料的裂化甚至是設(shè)備絕緣故障。放電的過(guò)程中，常伴有發(fā)光、發(fā)熱、發(fā)出聲音以及化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象，通過(guò)檢測(cè)放電產(chǎn)生的特征量可以判斷放電情況。高壓放電是由于設(shè)備絕緣部分局部電氣壓力超過(guò)臨界值而造成的氣體電離現(xiàn)象，是一種局部放電現(xiàn)象。因此，一般認(rèn)為，高壓放電是絕緣表面的氣體放電，其產(chǎn)生原因是當(dāng)絕緣表面的電位大于空氣的絕緣強(qiáng)度時(shí)而導(dǎo)致的空氣游離引發(fā)的。處于極不均勻電場(chǎng)的電氣設(shè)備，如設(shè)備毛刺部分，輸電線路附近以及絕緣子裂化部分等，一旦絕緣擊穿會(huì)發(fā)生放電的現(xiàn)象，放電過(guò)程常常會(huì)出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱、輻射出電磁波

6、以及生成新的物質(zhì)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量的損失以及對(duì)其他電子設(shè)備造成電磁干擾。有許多電氣設(shè)備絕緣處在氣體中，設(shè)備利用大氣做絕緣，所以會(huì)發(fā)生在固體絕緣表面對(duì)氣體放電的情況。對(duì)于電力設(shè)備在空氣中的放電進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，本文以放電紫外光為特征量，采用紫外傳感器來(lái)檢測(cè)微弱的紫外信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，判斷對(duì)高壓設(shè)備的放電情況，進(jìn)而評(píng)估高壓設(shè)備的絕緣狀況。本文設(shè)計(jì)的放電檢測(cè)系統(tǒng)可以用于在線監(jiān)測(cè)，檢測(cè)高壓設(shè)備放電可有效的了解設(shè)備絕緣狀況，為電力部門(mén)運(yùn)行、檢修提供科學(xué)的參考，應(yīng)用前景廣闊。1.2 高壓放電檢測(cè)的研究現(xiàn)狀檢測(cè)設(shè)備的高壓放電可以對(duì)電力設(shè)備的絕緣情況作出判斷，在放電的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱、輻射

7、出電磁波以及生成新的物質(zhì)5。根據(jù)放電過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，相應(yīng)的產(chǎn)生了兩種放電檢測(cè)的方法，即電氣檢測(cè)法和非電氣檢測(cè)法6,7，目前比較常用的是電氣檢測(cè)法，但是非電氣檢測(cè)法則因?yàn)榫哂须姎鈾z測(cè)法所不具備的優(yōu)勢(shì)而得到了快速的發(fā)展。1.2.1 電氣檢測(cè)法1. 脈沖電流法脈沖電流法是目前放電檢測(cè)的主要方法，脈沖電流法不僅可以在工頻交流下進(jìn)行局部放電的測(cè)試，還可以在直流條件下進(jìn)行局部放電測(cè)量。目前，基于脈沖電流法的檢測(cè)儀主要采用直流回路測(cè)量法，如局部放電檢測(cè)設(shè)備、公司的放電檢測(cè)器等8。2. 介質(zhì)損耗分析（）檢測(cè)法放電位置放電時(shí)發(fā)出的能量可以通過(guò)測(cè)試介質(zhì)損耗角正切值（）來(lái)反映。當(dāng)設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，其絕緣部分介質(zhì)

8、會(huì)被破壞，會(huì)使發(fā)生很大變化，因此可以根據(jù)的值來(lái)反映放電部位的能量，進(jìn)而評(píng)估設(shè)備絕緣部分介質(zhì)的狀況。在測(cè)量低氣壓中存在的亞輝光或輝光放電時(shí)，介質(zhì)損耗分析法應(yīng)用的比較多。3. 超高頻（）放電檢測(cè)法9-11通過(guò)檢測(cè)放電產(chǎn)生的3003000MHz高頻信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電的檢測(cè)，即為超高頻放電檢測(cè)法。1982年，和通過(guò)改進(jìn)使測(cè)量?jī)x器使其測(cè)量頻率范圍達(dá)到1GHz，從的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中得到了放電的初始脈沖，在此頻率范圍內(nèi)，噪聲信號(hào)得到很好的抑制，可很好的再現(xiàn)放電脈沖。在1991年，等人設(shè)計(jì)了一種新型定子槽耦合傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于大電機(jī)局部放電檢測(cè)，該傳感器由兩端同軸的輸出電纜、接地端、帶狀的感應(yīng)導(dǎo)體等構(gòu)成，頻率范圍很寬

9、，同時(shí)能夠在波形上反映外部干擾和內(nèi)部放電的區(qū)別。4. 射頻檢測(cè)法12射頻檢測(cè)法是利用放電時(shí)輻射的高頻電磁波為特征量來(lái)檢測(cè)放電， 線圈構(gòu)成的電流傳感器是常用的檢測(cè)輻射高頻電磁波的傳感器。吳廣寧等人將線圈構(gòu)成的電流傳感器改進(jìn)為頻帶范圍比較寬的電流傳感器，并將其應(yīng)用在在大型電機(jī)的放電檢測(cè)中，這種傳感器已經(jīng)在我國(guó)蘭州的西固熱電廠、陜西的秦嶺發(fā)電廠中得到使用。1.2.2 非電氣檢測(cè)法1. 聲檢測(cè)法當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生放電時(shí)，放電部位周?chē)慕橘|(zhì)會(huì)被放電瞬間產(chǎn)生的能量加熱，導(dǎo)致介質(zhì)蒸發(fā)，在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)生放電的位置如同發(fā)生源，向外面發(fā)出聲音13。通過(guò)傳感器可以有效檢測(cè)聲信號(hào)，采用聲光轉(zhuǎn)換裝置，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，目

10、前常用的聲傳感器主要有在液中體使用的聽(tīng)診器，用于氣體中的電容麥克風(fēng)，以及在固體中使用的聲音發(fā)射傳感器和振動(dòng)測(cè)量?jī)x。在聲電傳感器中，有兩個(gè)指標(biāo)是非常重要的，即靈敏度和工作頻帶。必須保證傳感器有合適的工作頻帶，如果工作頻帶過(guò)窄，容易造成脈沖信號(hào)混疊和靈敏度降低。在實(shí)際的聲電傳感器設(shè)計(jì)中，要綜合靈敏度和工作頻帶這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2. 化學(xué)檢測(cè)法化學(xué)檢測(cè)法，是通過(guò)測(cè)量電力設(shè)備放電過(guò)程中絕緣材料破壞后產(chǎn)生的新生成物的濃度和成分，來(lái)判斷設(shè)備放電情況的檢測(cè)方法14。一般情況下，對(duì)于電力設(shè)備液體、氣體等絕緣介質(zhì)的檢測(cè)可以采用化學(xué)檢測(cè)法，如變壓器、等設(shè)備絕緣的檢測(cè)。在中，放電時(shí)設(shè)備中的氣體會(huì)分解，產(chǎn)生和，通過(guò)

11、對(duì)兩種氣體的含量進(jìn)行測(cè)量來(lái)判斷是否有局部放電產(chǎn)生。在油浸式變壓器中，主要是通過(guò)氣體分離式傳感器檢測(cè)溶解在變壓器油的氣體的成分和含量，來(lái)分析變壓器的絕緣情況。3. 紫外檢測(cè)法由于紫外檢測(cè)技術(shù)具有不受高頻信號(hào)干擾的影響、更高的靈敏度、非接觸的優(yōu)勢(shì)，且不會(huì)受到人為因素和交通條件的約束。所以紫外檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越多的被用于放電檢測(cè)中。在國(guó)內(nèi)，很多學(xué)者就開(kāi)始采用紫外光作為特征量對(duì)高壓電暈放電進(jìn)行研究15-18，由于放電過(guò)程涉及多學(xué)科且過(guò)程復(fù)雜微觀，需要很高的試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試手段，因此，過(guò)去的研究還存在一些不足之處，同時(shí)，對(duì)放電的研究也取得了很多的成果。清華大學(xué)與武漢大學(xué)分別研究了典型高壓電暈放電的光譜，經(jīng)過(guò)分

12、析認(rèn)為高壓放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯的紫外光19-21，同時(shí)發(fā)現(xiàn)放電產(chǎn)生的紫外光線大部分波長(zhǎng)在280400內(nèi)，光譜范圍在不同的電壓等級(jí)下也有所不同，電壓高時(shí)主要表現(xiàn)為紫外區(qū)，電壓低時(shí)則表現(xiàn)為紅外區(qū)，而且紫外輻射強(qiáng)時(shí)，紅外光譜會(huì)減弱，當(dāng)外加電壓和氣隙長(zhǎng)度變化時(shí)，可見(jiàn)光區(qū)域則不敏感。重慶大學(xué)也進(jìn)行了一定的研究，并取得一定的成果22-26，但是由于抗干擾能力差沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。在國(guó)際上，20世紀(jì)90年代末，國(guó)外的科學(xué)技術(shù)人員利用紫外成像技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)出了紫外電暈檢測(cè)儀，它可以對(duì)拍到的紫外對(duì)象進(jìn)行分析判斷放電情況，可以實(shí)現(xiàn)日間電暈放電檢測(cè)，但是該設(shè)備使用起來(lái)有諸多限制，且價(jià)格昂貴27。1.2.3 高壓放電

13、各種方法的優(yōu)劣比較在分析各方法的檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比目前主要檢測(cè)方法后，我們得出以下結(jié)論：1. 傳統(tǒng)的電測(cè)法，即脈沖電流法，射頻檢測(cè)法，超高頻檢測(cè)法等，由于受到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的電磁干擾信號(hào)及外部環(huán)境的影響，測(cè)量時(shí)需要對(duì)試驗(yàn)回路使用很強(qiáng)的屏蔽措施，測(cè)量精度不高；檢測(cè)法在實(shí)際中應(yīng)用很少，主要原因是這種方法只能檢測(cè)到有沒(méi)有發(fā)生放電，而不能判斷放電的強(qiáng)度。2. 與電氣檢測(cè)法相比較，在電氣設(shè)備放電位置的判斷上，聲測(cè)法有其特有的巨大優(yōu)勢(shì)，但是該方法容易受外界干擾，且聲波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生中嚴(yán)重畸變和衰減，這些缺點(diǎn)限制了聲測(cè)法在實(shí)際中的應(yīng)用?；瘜W(xué)檢測(cè)法目前只能判斷放電是否發(fā)生，還不能反映放電的強(qiáng)度、性質(zhì)和位

14、置?；瘜W(xué)檢測(cè)法測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，并且受客觀條件限制，不適合于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；3. 目前，紫外檢測(cè)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到快速發(fā)展，但應(yīng)用于工程中的紫外成像儀設(shè)備昂貴，大范圍使用存在著制約性。1.3 紫外檢測(cè)法的應(yīng)用范圍隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)得到了很大的提高，用電電壓和負(fù)荷需求日益提高，由于設(shè)備絕緣破壞造成的電力故障和設(shè)備損壞也越來(lái)越多，這就要求在設(shè)備故障時(shí)要做出及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)防保護(hù)。當(dāng)電力設(shè)備工作在電磁環(huán)境惡劣的大氣中時(shí)，一旦設(shè)備絕緣能力下降，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生沿面放電的情況，放電時(shí)放電位置會(huì)輻射出大量紫外光信號(hào)，我們可以以放電紫外光為特征量來(lái)檢測(cè)絕緣設(shè)備的缺陷，并對(duì)運(yùn)行的設(shè)備

15、的絕緣情況進(jìn)行判斷。在所有的放電檢測(cè)方法中，紫外光檢測(cè)法在抗強(qiáng)電磁干擾、靈敏度方面效果很好。通過(guò)紫外傳感器檢測(cè)放電紫外光信號(hào)，然后對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分析，以達(dá)到判斷設(shè)備絕緣情況。通過(guò)對(duì)設(shè)備的預(yù)防保護(hù)，可以避免偶發(fā)性事故對(duì)電力系統(tǒng)造成的危害，具有很高的社會(huì)效益和非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。紫外測(cè)量技術(shù)可以在很多設(shè)備的檢測(cè)上使用，主要有：1. 大型發(fā)電機(jī)槽壁高壓放電檢測(cè)；2. 對(duì)電力工程質(zhì)量的檢測(cè)(如接地不良、安裝不當(dāng)?shù)?；3. 檢測(cè)劣化絕緣子的絕緣結(jié)構(gòu)的缺陷以及沿面放電的情況；4. 對(duì)導(dǎo)線、電纜的受損放電的檢測(cè)。如果導(dǎo)線表面或內(nèi)部有缺陷，在加壓時(shí)都可能產(chǎn)生高壓放電；5. 電力設(shè)備的表面污染物的檢測(cè)。當(dāng)電

16、力設(shè)備表面受到污染時(shí)，如果處在惡劣的電磁環(huán)境下工作，設(shè)備表面可能會(huì)發(fā)生沿面放電?？梢愿鶕?jù)紫外檢測(cè)技術(shù)判斷絕緣子上受污染情況、輸電線路的污染情況等；6. 復(fù)合絕緣子護(hù)套電蝕及運(yùn)行中絕緣子的劣化檢測(cè)。一旦絕緣子發(fā)生劣化，會(huì)致使其絕緣材料性能惡化，如果劣化絕緣子處在極不均勻電場(chǎng)中時(shí)，絕緣子表面會(huì)發(fā)生放電。由于絕緣性能降低使絕緣子經(jīng)常發(fā)生沿面放電時(shí)，其使用壽命會(huì)大大降低，而且可能會(huì)發(fā)展成絕緣子擊穿事故?？梢岳米贤鈾z測(cè)技術(shù)對(duì)絕緣子的狀態(tài)及早作出判斷，保證電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；7. 測(cè)量高壓設(shè)備絕緣部分的缺陷。通過(guò)紫外檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓產(chǎn)品的絕緣進(jìn)行診斷，提供產(chǎn)品絕緣信息并建立信息庫(kù)，這樣可以方便快捷的根

17、據(jù)信息庫(kù)判斷設(shè)備絕緣部分的缺陷；8. 對(duì)變電站高壓電力設(shè)備的放電的檢測(cè)。早期對(duì)設(shè)備高壓放電的判斷主要是夜間觀察放電和聽(tīng)聲音等，聽(tīng)聲音的方法容易受到雜音的干擾，影響判斷；而且根據(jù)夜間發(fā)生放電判斷電力設(shè)備絕緣狀況，不能對(duì)放電作出及時(shí)的判斷，有時(shí)放電發(fā)展很快會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的危害。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容1. 分析了高壓放電對(duì)電力設(shè)備絕緣的危害，確定了對(duì)設(shè)備進(jìn)行放電檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)意義，在對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓放電檢測(cè)方法深入研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了用紫外光纖傳輸放電紫外光，通過(guò)檢測(cè)放電紫外光的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓放電的檢測(cè)。2. 研究了高壓放電氣體理論和紫外檢測(cè)原理，為檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)分析高壓放電光譜

18、特性，確定了放電檢測(cè)的光譜范圍。3. 根據(jù)高壓放電紫外檢測(cè)原理，本文進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件包括紫外傳感器的設(shè)計(jì)與分析、傳感器相關(guān)電路的設(shè)計(jì)及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。4. 進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，軟件部分包括系統(tǒng)登陸界面、系統(tǒng)主界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)字濾波等。為研究電力設(shè)備高壓放電現(xiàn)象，我們制作了針針?lè)烹娔Ｐ蛠?lái)模擬高壓放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)合紫外脈沖法對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試分析。1.5 小結(jié)本節(jié)首先介紹了高壓放電檢測(cè)的研究背景及意義，分析了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高壓放電檢測(cè)的研究現(xiàn)狀，然后比較了各種檢測(cè)方法的優(yōu)劣，研究了紫外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍，最后提出了本論文主要研究?jī)?nèi)容。-53-第2章 高壓放

19、電理論與紫外檢測(cè)原理研究第2章 高壓放電理論與紫外檢測(cè)原理研究本章我們主要研究高壓放電的理論以及紫外檢測(cè)的原理。當(dāng)設(shè)備的絕緣出現(xiàn)（如老化、劣化或內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷等）問(wèn)題時(shí)，絕緣表面部分的電壓和絕緣層的電場(chǎng)都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致放電的發(fā)生。在放電的過(guò)程中，會(huì)一系列的物理現(xiàn)象，本課題通過(guò)對(duì)其中某一特征量進(jìn)行檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電強(qiáng)度的檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的絕緣情況進(jìn)行評(píng)估。發(fā)生在絕緣表面的氣體放電會(huì)輻射出光，主要光譜范圍在三個(gè)波段，即紅外線、紫外線和可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光和紅外光都會(huì)受到日光的干擾，不適合作為檢測(cè)的對(duì)象。本課題以日盲區(qū)紫外光為特征量對(duì)高壓放電進(jìn)行檢測(cè)，可濾除日光干擾，具有非接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。2.1 氣

20、體放電理論2.1.1 湯生理論氣體放電是一種不均勻電場(chǎng)強(qiáng)度下的氣隙擊穿現(xiàn)象，在不同的電離條件下，放電的過(guò)程是不同的。根據(jù)對(duì)氣體放電的研究，一般把氣體放電分為兩類(lèi)，一類(lèi)是只有存在外部電離因素時(shí)，放電才能繼續(xù)進(jìn)行的是非自持放電；另一類(lèi)是當(dāng)不存在外部電離因素時(shí)，放電仍然可以繼續(xù)進(jìn)行的是自持放電。在放電發(fā)展的不同過(guò)程中，即發(fā)生非自持放電和自持放電轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)發(fā)生氣隙擊穿或劇烈放電，這是由科學(xué)家湯生最先研究得出的結(jié)論，所以為湯生放電理論。通過(guò)對(duì)很多實(shí)驗(yàn)的研究，湯生發(fā)現(xiàn)在均勻電場(chǎng)中，電子一直在發(fā)生能量的變化，剛開(kāi)始在電場(chǎng)的作用下獲取能量，然后與其他粒子發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)導(dǎo)致能量損失，在平衡狀態(tài)下，獲得的能量和損失

21、能量是相同的。一個(gè)起始電子從電場(chǎng)獲得能量后會(huì)產(chǎn)生碰撞電離生成1個(gè)第二代電子；這兩個(gè)電子作為新的第一代電子又將電離生成新的第二代電子，這時(shí)空間已經(jīng)存在4個(gè)自由電子；這樣一代一代不斷增加的過(guò)程將使電子數(shù)目迅速增加，如同雪山上發(fā)生的雪崩一樣，故稱(chēng)之為電子崩。圖2-1為湯生電子崩理論的伏安特性曲線，在段，隨著電壓的升高，間隙中的電流會(huì)隨帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度加大而增大。在段，到達(dá)點(diǎn)后，電壓增大時(shí)，電流不會(huì)隨著增大，因?yàn)橥饨缬坞x產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)幾乎全部參與導(dǎo)電，電流慢慢變得飽和，但是此時(shí)間隙仍處于絕緣狀態(tài)，所以此時(shí)的飽和電流很小，電流密度一般只有10-19的數(shù)量級(jí)。在段，當(dāng)電壓增大到后，間隙中的電流又隨外電壓的

22、增加而增大，這時(shí)間隙中又出現(xiàn)了新的碰撞電離產(chǎn)生電子。當(dāng)施加電壓小于時(shí)，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值很小，此時(shí)氣隙絕緣尚未擊穿，此時(shí)間隙電流只能靠外界電離因素來(lái)維持，即為非自持放電。當(dāng)電壓升高至某臨界值后，氣體中發(fā)生強(qiáng)烈的電離，電流急劇突增，氣隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，并伴隨有明顯的發(fā)聲、發(fā)光等現(xiàn)象，此時(shí)放電不需要外界游離因素，放電轉(zhuǎn)入自持放電28。圖2-1 湯生電子崩理論的伏安特性曲線2.1.2 流注理論湯生理論認(rèn)為電子與氣體原子發(fā)生碰撞電離是導(dǎo)致氣體放電擊穿的原因。但是該理論并未考慮二次電子崩的初始電子的來(lái)源以及空間電荷對(duì)外施電場(chǎng)的影響，它不能對(duì)放電過(guò)程不受陰極材料影響、擊穿過(guò)程中的時(shí)延以及分枝放電

23、通道等現(xiàn)象做出合理解釋。為了對(duì)以上問(wèn)題做出解釋?zhuān)?940年和提出了流注理論，作為湯生理論的補(bǔ)充。流注理論認(rèn)為，在電子和氣體原子發(fā)生碰撞的過(guò)程中，電離出來(lái)的帶電粒子數(shù)量增多并不是引起氣體放電擊穿的原因，而是在電子崩發(fā)展的過(guò)程中，當(dāng)電離的帶電粒子數(shù)超過(guò)某一界限值時(shí)，空間電荷使外電場(chǎng)畸變，進(jìn)而引發(fā)光電離的變化所導(dǎo)致的。光電離的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多的電子崩，當(dāng)所有的電子崩融合在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生流注，此時(shí)放電已經(jīng)達(dá)到自持放電，放電的游離為光游離。流注理論能夠?qū)Ψ烹娦螤詈头烹姇r(shí)間的延遲做出合理的解釋29。由于電離條件的不同，可以將高壓放電分為湯生放電和流注放電。在均勻電場(chǎng)中，尖端發(fā)生放電時(shí)，氣隙擊穿電流很小且穩(wěn)定

24、，此時(shí)的放電可以采用湯生電子崩理論；而當(dāng)外加電壓增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量電子崩匯合成的流注，會(huì)產(chǎn)生刷狀放電的現(xiàn)象，此時(shí)放電發(fā)展很快，最終會(huì)使放電氣隙被擊穿，此時(shí)放電可以采用流注理論來(lái)分析。當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)部存在絕緣缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。在放電部位產(chǎn)生發(fā)光的電暈層，電暈層內(nèi)的電場(chǎng)很強(qiáng)，在該電場(chǎng)作用下，周?chē)鷼怏w會(huì)產(chǎn)生激發(fā)或電離。電暈放電是高壓放電中的最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式。電暈放電的電流大小主要受到不均勻電場(chǎng)的電壓強(qiáng)度、電極的幾何形狀、電離氣體的密度和性質(zhì)的影響。一般認(rèn)為，均勻電場(chǎng)適合采用湯生理論，不均勻電場(chǎng)更適合采用流注理論。間隙中位置是關(guān)于場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)，從陰極至距離的增長(zhǎng)

25、是，按照湯生理論，由，有(2-1)如果氣體不形成穩(wěn)定的負(fù)離子，則(2-2)若用流注理論，則由，有(2-3)式中：一般取105108?；?2-4)式中：值一般取1218，為導(dǎo)致氣隙擊穿的臨界電子崩長(zhǎng)度。2.2 高壓放電紫外檢測(cè)原理2.2.1 高壓放電的光譜特性分析檢測(cè)設(shè)備的高壓放電可以對(duì)電力設(shè)備的絕緣情況作出判斷，在放電的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱、輻射出電磁波以及生成新的物質(zhì)。在發(fā)生碰撞電離時(shí)，電子一直在發(fā)生能量的變化，剛開(kāi)始在電場(chǎng)的作用下獲取能量，然后與其他粒子發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)導(dǎo)致能量損失，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多的氣體，所以測(cè)光譜為多種氣體混在一起的光譜。對(duì)光譜圖進(jìn)行研究，可以看出光譜圖中包含

26、日盲區(qū)紫外線30-32。一般認(rèn)為，高壓放電時(shí)極不均勻電場(chǎng)下的電離放電，當(dāng)情況惡化或發(fā)生更嚴(yán)重的放電時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)電弧或閃絡(luò)，但性質(zhì)是相同的。當(dāng)設(shè)備工作在高壓狀態(tài)下，受到不均勻強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度的作用，會(huì)發(fā)生韌致輻射，存在離子的激勵(lì)或電離。當(dāng)離子從基態(tài)或低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的過(guò)程中，會(huì)輻射出大量的紫外光信號(hào)。如圖2-2所示為不同電壓下的放電光譜圖。圖2-2 不同電壓下電暈放電光譜從上圖可以看出，當(dāng)外加電壓增大時(shí)，即氣體放電強(qiáng)度增大時(shí)，放電紫外強(qiáng)度也隨之增大，所以能夠通過(guò)檢測(cè)紫外輻射的強(qiáng)度來(lái)放映放電的強(qiáng)度。上圖很好的反應(yīng)了放電紫外光強(qiáng)度與絕緣放電強(qiáng)度的關(guān)系。2.2.2 檢測(cè)光譜范圍的選擇受到檢測(cè)器材和制造工藝

27、的制約，過(guò)去的紫外檢測(cè)法大部分都是檢測(cè)全紫外波段紫外光，這種檢測(cè)法容易受到太陽(yáng)光和特定天氣的影響。為了濾除這些干擾因素，發(fā)展出來(lái)了日盲紫外檢測(cè)技術(shù)。在電磁輻射光譜中，波長(zhǎng)在10400之間的光譜范圍為紫外光（UV），而人眼可以直接看到的可見(jiàn)光譜為400760。為了研究和應(yīng)用的方便，從波長(zhǎng)范圍上進(jìn)行區(qū)分，一般可將紫外光分為三個(gè)區(qū)域，即長(zhǎng)波紫外光()、中波紫外光()和短波紫外光（）。圖2-3為典型的高壓放電光譜圖，從圖中可以看出，高壓放電的光譜范圍主要包括可見(jiàn)光、紅外光和紫外光3個(gè)譜段，通過(guò)對(duì)放電紫外光的光譜范圍進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在240280波長(zhǎng)范圍內(nèi)有一部分紫外光，而大氣中的臭氧會(huì)吸收太陽(yáng)光中波長(zhǎng)小

28、于280那部分的紫外線，此區(qū)間被稱(chēng)為日盲區(qū)。因此，我們可以使用特定的紫外傳感器，利用日盲區(qū)紫外光為特征量，讓傳感器工作在240280之間，從而可以避開(kāi)日光中紫外光的干擾，同時(shí)對(duì)其他頻譜的光信號(hào)也不敏感。通過(guò)檢測(cè)電力設(shè)備放電發(fā)出的日盲區(qū)紫外光，可以判斷設(shè)備放電強(qiáng)弱，對(duì)設(shè)備的絕緣狀況做出早期預(yù)報(bào)，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。圖2-3 典型的高壓放電光譜圖2.2.3 紫外傳感器檢測(cè)原理根據(jù)高壓放電特點(diǎn)，紫外傳感器將檢測(cè)到的放電紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的濾波放大以及軟件系統(tǒng)的濾波處理后，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較來(lái)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)，根據(jù)脈沖的密集程度來(lái)判斷電氣設(shè)備絕緣損壞位置的放電強(qiáng)度，這就是紫外脈沖法

29、，這種方法在微弱信號(hào)檢測(cè)上應(yīng)用很廣。根據(jù)得拜屏蔽和公式計(jì)算有33：(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)式中：為絕緣表面氣體放電時(shí)韌致輻射功率；為電子密度；為有效離子電荷數(shù)；為電子溫度；為真空介電常數(shù)；為遠(yuǎn)離絕緣子處的電子密度；為空間電位；為絕緣子的電位；為得拜長(zhǎng)度；為電荷點(diǎn)與絕緣子之間的距離；為紫外傳感器處所有輻射點(diǎn)的體積分輪廓。對(duì)上述公式整理后得：(2-9)大氣會(huì)吸收在氣體中傳播的放電紫外光，致使輻射光衰減，由基本輻射傳輸方程可得：(2-10)式中：為氣體密度；為輻射光傳播途徑；為氣體質(zhì)量吸收系數(shù)；為探測(cè)器所在位置輻射強(qiáng)度；輻射源處的輻射強(qiáng)度。傳感器檢測(cè)到的韌致輻射功率為：(2-11)當(dāng)

30、電力設(shè)備絕緣老化或破壞時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，紫外輻射會(huì)增加，通過(guò)傳感器檢測(cè)紫外輻射強(qiáng)度的變化，可以檢測(cè)出電力設(shè)備放電的情況，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行評(píng)估。2.3 小結(jié)本章研究了高壓放電氣體理論和紫外檢測(cè)原理，為檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。閱讀了相關(guān)的文獻(xiàn)，通過(guò)分析放電過(guò)程的光譜特性，確定了放電檢測(cè)的光譜范圍，本課題以日盲區(qū)紫外光為放電檢測(cè)的特征量，并結(jié)合紫外脈沖法來(lái)檢測(cè)設(shè)備放電情況，從理論上分析了設(shè)計(jì)紫外檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)高壓放電的優(yōu)點(diǎn)和可行性。第3章 高壓放電紫外檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第3章 高壓放電紫外檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 高壓放電紫外檢測(cè)系統(tǒng)框圖根據(jù)紫外脈沖法的原理，高壓放電檢測(cè)系統(tǒng)由紫外傳

31、感器、PMT工作電路、模擬電路電源部分、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集和機(jī)等組成。用光纖對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好、損耗低、質(zhì)量輕以及可繞性比較好等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)，充分利用光纖的優(yōu)勢(shì)，以紫外光纖為放電紫外光傳輸?shù)妮d體來(lái)檢測(cè)紫外光信號(hào)，因此整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)有不受高頻電磁信號(hào)干擾，非接觸測(cè)量，靈敏度高的特點(diǎn)。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示，硬件設(shè)計(jì)主要包括：圖3-1 高壓放電檢測(cè)系統(tǒng)框圖1. 紫外傳感器部分，包括了濾光片、光耦合系統(tǒng)、紫外光纖、光電倍增管（PMT）等組成，光耦合系統(tǒng)可以提高檢測(cè)范圍和進(jìn)入光纖的光強(qiáng)，放電紫外光信號(hào)首先經(jīng)過(guò)濾光片，濾除其他的干擾光，然后進(jìn)入光耦合系統(tǒng)，經(jīng)耦合系

32、統(tǒng)匯聚進(jìn)入紫外光纖束中。紫外探測(cè)器采用日盲型光電倍增管（PMT），可以實(shí)現(xiàn)微弱紫外光信號(hào)的檢測(cè)。2. PMT工作電路部分，低紋波噪聲高壓輸出電路可以降低噪聲，穩(wěn)定輸出電壓，為PMT提供低紋波系數(shù)的供電電壓。合理的PMT分壓電路設(shè)計(jì)，可以降低噪聲，提高PMT的工作性能。3. 模擬電路電源部分，設(shè)計(jì)+12V和±2.5V電源電路，為高壓電源控制電路和信號(hào)處理電路提供所要的電源。4. 信號(hào)調(diào)理電路，將紫外傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和濾波電路處理，便于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的要求。3.2 紫外傳感器的設(shè)計(jì)與分析紫外傳感器由濾光片、光耦合系統(tǒng)、紫外光纖、PMT等組成，紫外傳感器

33、的示意圖如圖3-2。圖3-2 紫外傳感器的示意圖3.2.1 濾光片的選擇大氣中的臭氧會(huì)吸收太陽(yáng)光中紫外波長(zhǎng)范圍低于280那部分光，所以在大氣中傳輸?shù)淖贤夤獠ㄩL(zhǎng)范圍為280400，而高壓放電時(shí)產(chǎn)生的紫外光波長(zhǎng)在240400的范圍內(nèi)，有一部分紫外光在日盲區(qū)，我們可以以日盲區(qū)紫外光為特征量檢測(cè)設(shè)備放電。我們采用的PMT的紫外波段檢測(cè)范圍在160320，有超過(guò)280的部分，太陽(yáng)光中這部分紫外光對(duì)放電紫外光檢測(cè)影響很大，所以必須加濾光片濾除這部分紫外光。這樣就避開(kāi)了太陽(yáng)光造成的干擾，保證了檢測(cè)到的放電紫外光為日盲紫外光，從而免受日光和其他因素的干擾。高壓放電產(chǎn)生的光輻射中所含光譜有可見(jiàn)光、紅外和紫外等多

34、種光譜，一旦進(jìn)入探測(cè)器后會(huì)干擾測(cè)量，如果不用濾光片進(jìn)行濾波，有可能會(huì)使需要的光信號(hào)淹沒(méi)在噪聲背景中，因此我們需要在光路中添加同探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)相匹配的濾光片來(lái)消除其他光的干擾。一般選擇紫外濾光片遵循兩條原則34：（一）干擾光的截止深度需要大于9（指在某一波長(zhǎng)下濾光片材質(zhì)的光吸收度）。（二）透過(guò)光的透過(guò)率需要大于10%。根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)要求，我們選擇沈陽(yáng)匯博公司生產(chǎn)的型紫外濾光片，性能參數(shù)如表3-1，它的各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。經(jīng)紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試的帶通特性如圖3-3所示，從圖上可以看出，波長(zhǎng)在254時(shí)的光透過(guò)率為17%。表3-1 性能參數(shù)中心波長(zhǎng)（）254半寬（）20透光率（%）10%-20

35、%峰值初背景截止光T10-4圖3-3 實(shí)測(cè)濾光片的光譜特性曲線3.2.2 光耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析3.2.2.1 空間光-光纖耦合條件光纖耦合示意圖如圖3-4所示，為了能使空間放電紫外光入射到紫外光纖束達(dá)到最大化，使耦合效率最高，空間光束在紫外光纖的耦合端（即空間光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)變換后束腰平面）的參數(shù)要滿(mǎn)足耦合條件35：(3-1)(3-2)式中：表示經(jīng)過(guò)耦合光學(xué)系統(tǒng)變化后的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角；為光纖纖芯的數(shù)值孔徑；為光纖纖芯直徑；表示經(jīng)過(guò)耦合光學(xué)系統(tǒng)變化后的入射空間光束的束腰。圖3-4 光纖耦合示意圖3.2.2.2 光耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般情況下，空間光與光纖耦合的方式有三種，即直接耦合、單透鏡耦以及透鏡組耦

36、合的方式36，如圖3-5所示。圖3-5 空間光-光纖耦合原理圖直接耦合的效率比較低，只有在光強(qiáng)比較大的時(shí)候才采用，而光強(qiáng)比較弱的時(shí)候一般不采用這種耦合方式。單透鏡耦合的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入的損耗小。缺點(diǎn)是焦距固定，不方便調(diào)整，并且產(chǎn)生的像差很大。為了對(duì)這些缺點(diǎn)進(jìn)行改善，本設(shè)計(jì)采用的光耦合系統(tǒng)由倒置的伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)合聚光透鏡組成，示意圖如圖3-6所示。一個(gè)正透鏡和一個(gè)負(fù)透鏡構(gòu)成了伽利略望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)，兩個(gè)透鏡之間的空間距離為它們的焦距之和。發(fā)散的放電紫外光進(jìn)入伽利略望遠(yuǎn)鏡后得到很好的準(zhǔn)直，然后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡匯聚和耦合后進(jìn)入光纖中。圖3-6 空間光-光纖耦合示意圖根據(jù)幾何光學(xué)，物距、像距、束腰（空

37、間光經(jīng)耦合系統(tǒng)變換后的）和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角之間的瑞利距離為37,38：(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)一般光纖耦合透鏡的焦距為50，即。望遠(yuǎn)鏡的放大率，經(jīng)綜合考慮，準(zhǔn)直距離取望遠(yuǎn)鏡鏡筒長(zhǎng)度為（），由成像公式：(3-7)對(duì)求導(dǎo)：(3-8)當(dāng)時(shí)，隨著物距的增大，經(jīng)耦合變換后的束腰寬度單調(diào)減小，此時(shí)：(3-9)(3-10)(3-11)當(dāng)，即物距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透鏡的焦距時(shí)，成像位置大約在透鏡的焦點(diǎn)位置上，此時(shí)成像和聚焦效果比較好。3.2.2.3 光耦合系統(tǒng)ZEMAX仿真及優(yōu)化放電紫外光經(jīng)過(guò)濾光片后進(jìn)入光耦合系統(tǒng)的光為單色光，這樣在分析系統(tǒng)成像質(zhì)量時(shí)，就只需要考慮球差的影響，而可以忽略慧差與色差的影響。使用

38、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX可以對(duì)光耦合系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，使系統(tǒng)獲得較高的耦合效率和最好的成像效果。假設(shè)伽利略望遠(yuǎn)鏡的放大率為3倍即，則，入射波長(zhǎng)選擇從濾光片中通過(guò)的240-280的紫外光，透鏡材料選擇玻璃，它具有良好的透紫外線性能，光耦合系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7 初始數(shù)據(jù)假設(shè)耦合透鏡，和的通光半徑分別為，和，又，則它們需滿(mǎn)足：(3-12)(3-13)將系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)輸入ZEMAX中，可以得到光耦合系統(tǒng)的二維成像圖，如圖3-8所示。從圖中可以看出，透鏡在成像點(diǎn)聚光效果不佳，有較大的像差。為提高系統(tǒng)的聚光效果，減小像差，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)結(jié)構(gòu)，如圖3-9所示。在ZEM

39、AX中輸入優(yōu)化后參數(shù)，得優(yōu)化后二維成像圖，如圖3-10所示。從圖上我們發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后，聚焦效果得到了明顯的提升，像差也得到改善。圖3-8 初始二維成像圖3-9 優(yōu)化后數(shù)據(jù)根據(jù)幾何光學(xué)理論，在成像的過(guò)程中，因?yàn)榇嬖谥癫?，某一發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，并不能使所有的光線都匯聚于一點(diǎn)，而會(huì)在中心成像點(diǎn)周?chē)纬梢粋€(gè)彌散斑，這就是點(diǎn)列圖。在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和光點(diǎn)圖3-10 優(yōu)化后二維成像密集程度進(jìn)行分析時(shí)我們常使用點(diǎn)列圖，成像面上的光點(diǎn)的數(shù)量可以反映成像的光強(qiáng)度分布。利用點(diǎn)列圖評(píng)價(jià)成像質(zhì)量時(shí)，采用的方法是利用集中30%以上點(diǎn)所構(gòu)成區(qū)域看做是成像后的有效彌散斑。使用這種方法評(píng)價(jià)時(shí)，一般需要至

40、少上百條以上光點(diǎn)才可以準(zhǔn)確的反映系統(tǒng)成像效果39，而采用ZEMAX可以很方便的判斷成像情況。我們應(yīng)用ZEMAX仿真得到了優(yōu)化前后的點(diǎn)列圖，如圖3-11所示。從圖上可以看出，優(yōu)化前彌散斑很大，成像中心點(diǎn)處的光點(diǎn)數(shù)量很少；優(yōu)化后彌散斑變小，成像中心點(diǎn)處的光點(diǎn)數(shù)量很多，說(shuō)明中心位置處的成像光強(qiáng)得到了很大的提高，這有利于提高系統(tǒng)光耦合效率?？臻g光-光纖的耦合效率可由光纖接受端面的復(fù)振幅同入射光復(fù)振幅的歸一化積分表示為：(3-14)式中：為光纖的耦合效率；為入射光的復(fù)振幅分布；為入射光纖端面描述的復(fù)振幅分布。造成光纖耦合效率低的一個(gè)重要的原因是空間光在經(jīng)光耦合時(shí)引起的相位圖3-11 優(yōu)化前后點(diǎn)列圖差?？?/p>

41、間光經(jīng)過(guò)光耦合系統(tǒng)匯聚在接收端面上，如果接收端面上的像點(diǎn)的模式（振幅和相位相同）與光纖的模式相同，則光纖耦合效率最大，即；如果光纖的模式與接收端面上的像點(diǎn)的模式相差越大，則越小。我們采用的紫外光纖的纖芯直徑為56，使用ZEMAX對(duì)優(yōu)化后系統(tǒng)的光耦合效率=91.5%。3.2.3 紫外探測(cè)器件光電倍增管常用于檢測(cè)紫外光信號(hào)的探測(cè)器有光電倍增管(PMT)、PIN型光電二極管和雪崩光電二極管(APD) 40。1. 光電倍增管（PMT）PMT是一種基于光電效應(yīng)及二次電子發(fā)射效應(yīng)的真空結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，主要應(yīng)用于微弱光的探測(cè)。PMT具有其他探測(cè)器不具備的一些優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間響應(yīng)非常快，可到達(dá)級(jí)，靈敏度很高，輸出

42、的線性范圍很寬。2. PIN光電二極管PIN光電二極管的特點(diǎn)是輸出線性范圍寬，頻帶也寬，結(jié)電容會(huì)隨著耗盡層的寬度增大而減小。PIN光電二極管是在P-N結(jié)之間增加了很厚的本征層I層，這樣就使整個(gè)PN結(jié)幾乎被耗盡層占據(jù)，從而使光子在耗盡層被充分吸收，而在電場(chǎng)區(qū)域則不吸收。價(jià)帶上的電子通過(guò)吸收入射光子能量，躍遷到導(dǎo)帶上形成電子-空穴對(duì)，當(dāng)有反偏電壓作用電子空穴對(duì)時(shí)，空穴和電子各自向P區(qū)和N區(qū)漂移而形成光電流。3. 雪崩光電二極（APD）APD是建立在雪崩效應(yīng)的基礎(chǔ)上，把光電信號(hào)進(jìn)行放大的光電探測(cè)器，它具有內(nèi)部增益結(jié)構(gòu)。它的缺點(diǎn)就是存在隧道電流倍增的過(guò)程，這將產(chǎn)生較大的散粒噪音，會(huì)帶來(lái)電流的失真。目前

43、，市場(chǎng)上的APD的檢測(cè)范圍主要在3001700。從中我們可以看出，APD由于檢測(cè)范圍和散粒噪音等問(wèn)題不滿(mǎn)足檢測(cè)要求，而PIN的響應(yīng)速度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，所以本課題采用了PMT作為紫外光探測(cè)器。3.2.3.1 PMT工作原理PMT是基于光電效應(yīng)、電子發(fā)射和光學(xué)理論，把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的發(fā)射型探測(cè)器，它具有靈敏度極高、響應(yīng)速度快、噪音低和陰極面積大等特點(diǎn)。目前PMT已經(jīng)在微弱光信號(hào)檢測(cè)、極低能量射射線探測(cè)、分光光度測(cè)量、生化測(cè)量分析、光密度測(cè)量、生物發(fā)光的研究、輻射熱量計(jì)算、光子數(shù)測(cè)量等領(lǐng)域得到使用41。PMT是一種真空器件，典型的PMT包括光電陰極、倍增極、和光電陽(yáng)極組成。其工作原理圖如

44、圖3-12所示，當(dāng)光陰極接收到入射光時(shí)，會(huì)釋放出電子，電子在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下會(huì)打在上，然后上也釋放出電子，經(jīng)過(guò)倍增后打到上，然后開(kāi)始重復(fù)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次倍增后，最后多次倍增后的電子被PMT陽(yáng)極檢測(cè)為光電流。PMT陰極產(chǎn)生的光電流很小，經(jīng)過(guò)逐個(gè)倍增極放大后陽(yáng)極輸出電流很大，增益可達(dá)106108。圖3-12 PMT工作原理圖3.2.3.2 PMT的基本特性1. 量子效率量子效率即光電轉(zhuǎn)換效率，它是PMT陰極光電子數(shù)與入射光子數(shù)的數(shù)值之比，用百分比來(lái)表示，它是衡量光電探測(cè)器性能的一個(gè)重要參數(shù)。在系統(tǒng)工作的波長(zhǎng)區(qū)域范圍內(nèi)，量子效率必須很高。根據(jù)PMT的工作原理可知，光陰極接收到入射光后發(fā)釋放出電子，電

45、子經(jīng)過(guò)多級(jí)倍增后，在陽(yáng)極以光電流的形式被收集。光電流與入射光功率兩者的關(guān)系為(3-15)式中表示光電轉(zhuǎn)換因子；為量子效率；為入射光頻率；為電子電量；表示普朗克常量。則量子效率的表達(dá)式為(3-16)2. 靈敏度PMT的靈敏度主要是由光陰極和倍增極的光電材料所決定。電子發(fā)生光電發(fā)射的條件是陰極表面的入射光的能量能夠使電子離開(kāi)該表面。即(3-17)式中：表示電子動(dòng)能；表示陰極表面的逸出功；表示入射光能量。當(dāng)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生光電子；而當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電子，此時(shí)相對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為該材料表面的閾波長(zhǎng)。光電子發(fā)射的效率隨著入射光波長(zhǎng)的減小而增大。3. 電流增益42PMT的陽(yáng)極輸出電流值與陰極光電子電流值之比即為電流

46、增益。二次電子發(fā)射率為，其中是由倍增極材料決定的系數(shù)，其值一般為0.70.8， 表示極間電壓，為一常數(shù)。如果PMT有個(gè)倍增極，則PMT的電流增益可以表示為。當(dāng)PMT陽(yáng)極與陰極之間電壓為時(shí)，其電流增益為(3-18)PMT的電流增益很高，其入射光子與陽(yáng)極輸出電流是成正比的，比較適合檢測(cè)微弱光信號(hào)。4. 暗電流43PMT暗電流表示在在全暗環(huán)境下工作時(shí)陽(yáng)極輸出的電流。PMT的陽(yáng)極輸出電流為：(3-19)式中：表示比例系數(shù)；表示入射光強(qiáng)；表示暗電流。由上式可知，當(dāng)暗電流比較小時(shí)，PMT陽(yáng)極的輸出電流與入射光強(qiáng)呈線性的數(shù)值關(guān)系。產(chǎn)生暗電流的主要原因是殘余氣體的離子發(fā)射、電極間的漏阻或其他器件的熱電子發(fā)射等

47、。5. 噪聲和信噪比PMT的噪聲是當(dāng)入射光強(qiáng)不變時(shí)信號(hào)電流和暗電流兩者的統(tǒng)計(jì)起伏，主要是由光電流經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻時(shí)產(chǎn)生的熱騷動(dòng)，以及電子和光子的量子性質(zhì)造成的統(tǒng)計(jì)起伏而引起的。PMT信噪比為其陽(yáng)極輸出電流與噪聲電流的比值。通過(guò)降低噪聲電流，可以提高PMT的信噪比，這對(duì)于更微弱的光信號(hào)的檢測(cè)是很有利的。6. 工作電壓PMT的工作電壓對(duì)其性能有很大的影響。特別是PMT的光陰極與倍增極間的電壓差會(huì)影響其增益和噪聲，因此，對(duì)于PMT的供電電壓波動(dòng)不能高于0.05%，這就要求使用高性能的穩(wěn)壓電源供電，同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，供電電壓不能超過(guò)PMT的最大值，這樣會(huì)造成管子損壞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，結(jié)合探測(cè)器的靈敏度

48、和光譜響應(yīng)范圍，本系統(tǒng)選擇日本HAMAMATMU公司的R2078日盲型PMT，它的性能參數(shù)如表3-2，從表中可以看出，它具有噪聲低、靈敏度高、信噪比高、響應(yīng)速度快和陰極面積大的特點(diǎn)，特別適合放電紫外光信號(hào)的檢測(cè)。表3-2 R2078參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)測(cè)試條件最小典型最大單位光譜響應(yīng)范圍160320峰值響應(yīng)波長(zhǎng)m240光敏面直徑21陰極響應(yīng)度Re=254,T=25°2029mA/W增益1.0×1055.0×105暗電流IDM=10, =015100pA響應(yīng)時(shí)間fT1.5nsPMT的增益與外加電壓的關(guān)系密切，外加電壓的大小決定了增益和紫外光脈沖的幅值，圖3-13為是R2

49、078增益和外加電壓的關(guān)系圖，從圖中可知，在一定的電壓范圍內(nèi)，增益和外加電壓具有線性的關(guān)系。PMT的光譜響應(yīng)常用不同波長(zhǎng)下的量子效率和靈敏度表示。當(dāng)入射光波長(zhǎng)發(fā)生改變時(shí)，PMT的靈敏度也會(huì)隨之發(fā)生改變，而反映PMT靈敏度隨波入射光波長(zhǎng)發(fā)生改變的曲線即為光譜響應(yīng)曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線，我們可以得到PMT的靈敏度最大時(shí)的入射光波長(zhǎng)以及工作的光譜范圍。圖3-14是R2078光譜響應(yīng)曲線，波長(zhǎng)為240時(shí)量子效率最高，陰極靈敏度最大為1.5×104A/W，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為254。3.2.4 傳感器特性分析紫外傳感器的響應(yīng)特性，主要由濾光片的透射系數(shù)和PMT的光譜靈敏度決定。紫外傳感器的光響應(yīng)系數(shù)，為濾光

50、片的光譜透射系數(shù)，為PMT的光譜靈敏度，。根據(jù)濾光片的實(shí)測(cè)光透射系數(shù)與PMT的光譜響應(yīng)特性參數(shù)，以5間隔逐點(diǎn)取值，將相對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行相乘，再將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得的曲線即為紫外傳感器的實(shí)際光譜響應(yīng)曲線，如圖3-15。從紫外傳感器的響應(yīng)曲線可以看出，在242270的光譜范圍內(nèi)是一個(gè)窄帶矩形窗，當(dāng)紫外入射光在此光譜范圍內(nèi)時(shí)，紫外傳感器的輸出近似線性，而對(duì)其他波長(zhǎng)的光則傳感器不會(huì)響應(yīng)。因此，所設(shè)計(jì)的紫外傳感器，可濾除日光干擾，準(zhǔn)確的檢測(cè)日盲區(qū)紫外光信號(hào)。圖3-13 R2078增益和外加電壓的關(guān)系 圖3-14 R2078光譜響應(yīng)曲線圖3-15 紫外傳感器的響應(yīng)特性曲線3.3 PMT工作電路設(shè)計(jì)3.

51、3.1 高壓電源電路將直流高壓施加在PMT的陰極、倍增極和陽(yáng)極上后，在入射光子的作用下光陰極發(fā)射電子，這些電子在加速場(chǎng)的作用下聚焦在第一個(gè)倍增極上，沖擊電子會(huì)使第一個(gè)倍增極釋放更多的電子，然后他們?cè)僭诩铀賵?chǎng)的作用下聚焦在第二個(gè)倍增極上，重復(fù)這樣的過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次倍增后，放大倍數(shù)能達(dá)到1081010，最后，放大的光電流在PMT陽(yáng)極輸出。本系統(tǒng)所采用的提供加速場(chǎng)的PMT高壓電源為日產(chǎn)小型高壓電源C9619。高壓電源C9619的優(yōu)點(diǎn)是攜帶方便，體積比較小，集成化程度較高，可使用很多方式驅(qū)動(dòng)電源，輸出電壓可根據(jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié)。它輸出的是負(fù)高壓，輸出最高負(fù)電壓為-2000V，通過(guò)調(diào)整電位器的方式，改變控制端

52、的電位器控制高壓輸出，即通過(guò)改變控制引腳3的對(duì)地電壓來(lái)改變輸出，圖3-16為高壓電源C9619的原理圖。圖3-16 高壓電源C9619的原理圖因?yàn)檩敵鲭妷狠^高，當(dāng)發(fā)生短路或過(guò)載的情況時(shí)，高壓電源C9619具有限制輸出電壓的功能。C9619還具有過(guò)電壓保護(hù)功能，一旦控制電壓輸入大于5.2V，模塊將啟動(dòng)保護(hù)將電壓輸出停止。控制電壓與輸出電壓為線性關(guān)系，兩者關(guān)系如圖3-17。3.3.2 低紋波噪聲高壓輸出電路在高壓放電檢測(cè)系統(tǒng)中，高壓電源的高穩(wěn)定度和低紋波系數(shù)是保證檢測(cè)系統(tǒng)高性能的前提條件。PMT需要高壓供電電壓的穩(wěn)定性很高，一般要達(dá)到0.01%0.05%，C9619輸出紋波噪聲為0.003%，通常

53、情況下，PMT工作電路對(duì)高壓電源的電壓穩(wěn)定性要求比較高，大約是其穩(wěn)定性的10倍。C9619的驅(qū)動(dòng)電源是+12V，它是由220V交流電經(jīng)過(guò)整流后得到的，因此穩(wěn)定性很差，而高壓圖3-17 高壓電源的控制電壓與輸出電壓的關(guān)系電源產(chǎn)生的紋波噪聲會(huì)對(duì)后續(xù)電路產(chǎn)生影響。所以，抑制紋波噪聲對(duì)于提高檢測(cè)性能極其重要。在高壓供電電源輸入端并聯(lián)電容，目的是減小振蕩，降低紋波噪聲；末端電容接地主要是作為儲(chǔ)能元件，當(dāng)有高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)，加電容器可以?xún)?chǔ)備脈沖信號(hào)，已到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的，圖3-18為低紋波噪聲高壓輸出電路。圖3-18 低紋波噪聲高壓輸出電路3.3.3 PMT分壓電路PMT供電電路有很多種，根據(jù)不同的

54、測(cè)試需要可以設(shè)計(jì)不同的供電電路，本系統(tǒng)使用的供電電路是電阻分壓式電路。R2078有10級(jí)倍增極，因此，供電電路電阻鏈分壓器由11個(gè)電阻構(gòu)成，分別向倍增極提供電壓。3.3.3.1 電阻鏈設(shè)計(jì)根據(jù)PMT的工作原理，在各倍增極上會(huì)產(chǎn)生電子倍增效應(yīng)，按放大倍率來(lái)確定各倍增極上的電子流，其中，電子流最大的為陽(yáng)極電流。所以，在電阻鏈分壓電路中，每個(gè)電阻上的電流值是不同的，但是，如果每個(gè)分壓電阻上的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PMT陽(yáng)極電流，即，則可以認(rèn)為流過(guò)每個(gè)分壓電阻上的電流值近似相等，在工程設(shè)計(jì)上，和需要滿(mǎn)足下列關(guān)系：(3-20)電阻鏈設(shè)計(jì)的過(guò)大會(huì)造成電阻功率損耗太大，PMT溫度高性能降低，更嚴(yán)重的會(huì)造成其無(wú)法工作。

55、根據(jù)選定的分壓電阻上電流，可以確定電阻鏈的總阻值，各分壓電阻滿(mǎn)足下式：(3-21)而需要滿(mǎn)足。3.3.3.2 末極并聯(lián)電容如果PMT入射信號(hào)為脈沖或迅變信號(hào)，最后3級(jí)倍增極電流變化會(huì)造成很大的變化，并造成PMT增益的不穩(wěn)定波動(dòng)，破壞陽(yáng)極光電流的獲取。因此，需要在最后3級(jí)倍增極上并聯(lián)3個(gè)電容、與，通過(guò)三個(gè)電容充放電過(guò)程來(lái)保證最后3級(jí)倍增極上電壓的穩(wěn)定，電容、與滿(mǎn)足計(jì)算公式：(3-22)(3-23)(3-24)式中：為陽(yáng)極最大值電流；為倍增極個(gè)數(shù)；為脈沖持續(xù)的時(shí)間；為增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?shù)；為電極間電壓。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的PMT分壓電路圖為圖3-19。3.4 模擬電路電源部分設(shè)計(jì)的±2.5V直流

56、電壓主要是為模擬電路部分的運(yùn)放提供驅(qū)動(dòng)電壓；+12V直流電壓為高壓電源C9619驅(qū)動(dòng)電壓。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，我們采用用不同的電源芯片得到所需電壓，在紋波干擾大的地方和主要電壓處，使用對(duì)地電容和型濾波電路來(lái)減小紋波以提高電壓穩(wěn)定性，各電壓間轉(zhuǎn)換圖為3-20所示。圖3-19 PMT分壓電路圖圖3-20電壓間轉(zhuǎn)換圖根據(jù)模擬電路部分實(shí)驗(yàn)電壓要求，我們采用TPS76850穩(wěn)壓器來(lái)獲得+5V電壓，它的輸入電壓為2.7V-10V，具有低壓差、靜態(tài)電流小和關(guān)斷保護(hù)的功能，圖3-21為+5V直流電壓電路圖。采用MAX742芯片來(lái)獲得±12V的直流電壓，MAX742為DC-DC芯片，它的輸入電壓范圍為4.2

57、V10V，輸出電壓為±12V，輸入電壓由設(shè)計(jì)的+5V直流電壓提供，圖3-22為±12V的直流電壓電路圖。圖3-21 +5V直流電壓電路圖圖3-22 ±12V的直流電壓電路圖寬帶放大器OPA4350的輸入電壓為±2.5V的直流電壓，可以分別采用三端穩(wěn)壓器LM317和LM337來(lái)獲得±2.5V，。LM317和LM337的輸入電壓范圍相同，都為1.2V33V，其輸出電壓±2.5V滿(mǎn)足運(yùn)放OPA4350供電的需要。+12V輸入來(lái)獲得+2.5V的直流電壓，電路圖如圖3-23。而采用-12V為輸入電壓，將圖3-23中LM317換為L(zhǎng)M337可獲得-2.5V直流電壓。圖3-23 +2.5V的直流電壓電路圖PMT是靈敏度很高的探測(cè)器，其輸出信號(hào)為高頻脈沖信號(hào)，供電電壓的變化對(duì)其增益影響很大，因此需要對(duì)電源進(jìn)行處理，減小電源紋波和噪聲對(duì)PMT測(cè)量的干擾。在硬件電路調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，各電壓器件獲得的直流電壓會(huì)受