紫外電暈探測

一、       什么是電暈放電？

電暈放電（corona discharge）是由圍繞在高電壓導(dǎo)體周圍的流體電離造成的放電，此處最常見的流體就是空氣，此放電因在黑暗中狀似月暈而得名。

電暈放電時(shí)，在沿著導(dǎo)線或電極的表面可以看到光層（電暈），伴有咝咝聲，并產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。非導(dǎo)電介質(zhì)也有此現(xiàn)象，此因在高電壓下電場強(qiáng)度過大，導(dǎo)致非導(dǎo)電介質(zhì)被擊穿，絕緣體的電阻迅速下降，繼而使得一部分絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，而形成放電現(xiàn)象，常發(fā)生在高壓電線周圍或帶電體的尖端附近（尖端放電）。

電暈放電

二、電暈放電的危害

電暈現(xiàn)象就是帶電體表面在氣體或液體介質(zhì)中局部放電的現(xiàn)象，常發(fā)生在不均勻電場中電場強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)（例如高壓導(dǎo)線的周圍，帶電體的尖端附近）。其特點(diǎn)為：出現(xiàn)與日暈相似的光層，發(fā)出嗤嗤的聲音，產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。

均勻電場中，由于各點(diǎn)電場強(qiáng)度都是一樣的，當(dāng)施加穩(wěn)態(tài)電壓（直流、工頻交流），電場強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)，間隙就擊穿了。但日常很難見到均勻電場。對(duì)于稍不均勻的電場，日常見得很多。如球-球間隙，球-板間隙等，以球-球間隙為例，當(dāng)間隙距離小于1/4D時(shí)，其電場基本為均勻電場，當(dāng) D/4 ≤S≤ D/2 時(shí)，其電場為稍不均勻電場。

均勻電場的放電電壓也可用公式計(jì)算，公式為（單位為kV）：

24.44δs+6.08

δ—空氣相對(duì)密度；

s—間隙距離cm；

不均勻電場的差別就在于空氣間隙內(nèi)，各點(diǎn)的電場強(qiáng)度不均勻，在電力線比較集中的電極附近，電場強(qiáng)度最大，而電力線疏的地方，電場強(qiáng)度很小，如棒-棒間隙，是一對(duì)稱的不均勻電場，在電極的尖端處電力線最集中，電場強(qiáng)度也最大。

當(dāng)加上高壓后，會(huì)在電極附近產(chǎn)生空氣的局部放電——電暈放電，電壓再加高時(shí)，電暈放電更加強(qiáng)烈，致使間隙內(nèi)發(fā)生刷狀放電，而后就擊穿了（電弧放電）。如棒-板間隙，在尖電極附近電場強(qiáng)度最大，加上高壓后，電極附近先產(chǎn)生電暈放電，而板上的電力線很疏，不會(huì)產(chǎn)生電暈。

當(dāng)電壓足夠高時(shí)，棒極也將產(chǎn)生刷狀、火花放電，最后導(dǎo)致電弧放電（擊穿）。電暈多發(fā)生在導(dǎo)體殼的曲率半徑小的地方，因?yàn)檫@些地方，特別是尖端，其電荷密度很大。而在緊鄰帶電表面處，電場E與電荷密度σ成正比，故在導(dǎo)體的尖端處場強(qiáng)很強(qiáng)（即σ和E都極大）。

因此，在空氣周圍的導(dǎo)體電勢升高時(shí)，這些尖端之處能產(chǎn)生電暈放電。

通常均將空氣視為非導(dǎo)體，但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子，帶正電的導(dǎo)體會(huì)吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行徐徐中和。若帶電導(dǎo)體有尖端，該處附近空氣中的電場強(qiáng)度E可變得很高。當(dāng)離子被吸向?qū)w時(shí)將獲得很大的加速度，這些離子與空氣碰撞時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的離子，使空氣變成極易導(dǎo)電，同時(shí)借電暈放電而加速導(dǎo)體放電。因空氣分子在碰撞時(shí)會(huì)發(fā)光，故電暈時(shí)在導(dǎo)體尖端處可見亮光。

因此，電暈有許多不利影響：

1、       輸電線路上的電能損失；

2、       射頻(RF)產(chǎn)生的噪聲會(huì)干擾消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品；

3、       產(chǎn)生的臭氧和氮氧化物氣體的對(duì)生活在輸電線路附近的人們有不利影響；

4、       對(duì)線路、變壓器或絕緣體的損壞會(huì)加劇問題的產(chǎn)生，導(dǎo)致更多的功率損失和可能發(fā)生的電弧狀況；

5、       產(chǎn)生的紫外線還會(huì)對(duì)某些動(dòng)物造成困擾。

如果輸電線路系統(tǒng)的組件正在經(jīng)歷電暈而問題沒有得到解決，則由此產(chǎn)生的損壞可能導(dǎo)致附近導(dǎo)體放電或電弧。電弧會(huì)對(duì)輸電系統(tǒng)造成重大損害，并導(dǎo)致過熱，從而導(dǎo)致潛在的故障。電暈放電可以通過改善絕緣性、使用電暈環(huán)，以及采用圓滑的導(dǎo)線截面并設(shè)計(jì)足夠大的截面面積來避免。

三、幾種用于探測和減少電暈影響的技術(shù)

1、聲學(xué)傳感器和射頻傳感器可以探測到電暈產(chǎn)生的噪聲，但電暈的精確定位是困難的。

2、熱圖像可以用來定位傳輸線或變壓器上的“熱點(diǎn)”，但是當(dāng)熱成像儀發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，電弧已經(jīng)對(duì)其造成了嚴(yán)重?fù)p壞。

3、探測和定位電暈的可靠和精確的方法是使用紫外線（UV）成像，它可以探測到與電暈事件區(qū)域內(nèi)，電子和離子重組相關(guān)的極低水平的深紫外線。

雖然在這個(gè)過程中也產(chǎn)生了可見光，但由太陽產(chǎn)生的環(huán)境可見光量比電暈產(chǎn)生的可見光量大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。波長小于300nm的太陽光，即深紫外線，被地球的臭氧層吸收。非常敏感的日盲圖像增強(qiáng)器只對(duì)這種較深的紫外光敏感，并且可以在全白天工作，同時(shí)仍能探測和定位微弱的紫外線電暈輻射。

四、探測方案

典型的紫外電暈成像儀如圖1所示。紫外成像系統(tǒng)包括紫外線鏡頭、日盲圖像增強(qiáng)器、CMOS相機(jī)與像增強(qiáng)器耦合器件，以及圖像處理電子學(xué)設(shè)備。

可見光成像光路常與紫外光路部分共用。可見光成像系統(tǒng)包括可見光透鏡、CMOS或CCD可見光相機(jī)，以及圖像處理電子設(shè)備等組成。可見和紫外圖像在一個(gè)整體視頻中顯示，允許檢查員在視野中檢測電暈，并通過現(xiàn)場與顯示圖像的比較來確定其精確位置。一些成像系統(tǒng)可以包括一個(gè)熱成像儀，它可以幫助確定損傷的嚴(yán)重程度。

                          圖Ⅰ 典型的紫外電冕成像系統(tǒng)配置

五、       相關(guān)產(chǎn)品

1、       MCP像增強(qiáng)器：英國Photek 是一家專業(yè)生產(chǎn)像增強(qiáng)器、超快 PMT、條紋相機(jī)管、真空粒子探測器以及單光子計(jì)數(shù)相機(jī)系統(tǒng)的廠家。其像增強(qiáng)器最大口徑可達(dá)150mm，最多可做到 3級(jí)MCP 連用。

                                                   像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)圖

主要特點(diǎn)：

> 口徑：18、25、40、75、150mm可選，并接受其他尺寸的批量定制

> 波長覆蓋紫外、日盲、可見和近紅外

> 單、雙、三層MCP可選，以滿足不同增益需求（三層增益超百萬倍）

> 強(qiáng)磁場環(huán)境下特殊封裝可選

> 磁聚焦器可選

> 不同縮比可選

> 最短門寬可達(dá)200ps

> 主要應(yīng)用：電暈探測、紫外預(yù)警、弱光探測、微光夜視、時(shí)間分辨測試、條紋相機(jī)、分幅相機(jī)

陰極響應(yīng)曲線                        入射窗透過率曲線

2、       單光子成像相機(jī)：Photek 生產(chǎn)的光子計(jì)數(shù)相機(jī)基于多 MCP 的高度增益而設(shè)計(jì)的，其消除了由于 CCD 等設(shè)備帶來的模擬噪聲，噪聲可以低至 2cps/cm2，是極其微弱信號(hào)的好選擇，同時(shí)配有 IFS32 分析軟件，可以實(shí)現(xiàn)兩種類型的光子計(jì)數(shù)成像方式和多區(qū)域信號(hào)分析。

3、相機(jī)：先鋒科技提供多種相機(jī)方案，包括世界著名的英國Andor公司的科學(xué)級(jí)CCD和sCMOS相機(jī)、日本ArtRay和加拿大Lumenera公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)相機(jī)。

英國Andor的iKon系列CCD相機(jī)參數(shù)：

日本ArtRay的USB3.0 CMOS相機(jī)參數(shù)：

加拿大Lumenera公司的INFINITY系列高性能相機(jī)參數(shù)：