用于紫外檢測的反射式人工氣候箱研制與應用

                  引言
                   
                  由于特高壓輸電線路具有電壓高、鐵塔高、線路長、**緣子串長、**緣子片數多、沿線地理環境復雜等許多特點,所以傳統的巡檢方法很難再適用于特高壓輸電線路[1,2]。紫外檢測作為一種新的遠程檢測技術,可以靈敏地發現導致輸電線路設備產生異常放電的缺陷與故障[3-7],但是紫外檢測容易受到許多因素的影響,例如檢測距離、大氣濕度、氣溫、氣壓、背景干擾等[8-13]。文獻[]中提到紫外光傳播距離與大氣條件有很大關系,而不僅僅是受限于點光源測量中的距離平方反比關系;文獻[9]利用軟件計算得出有霧的天氣會造成大氣紫外透射比的大幅度下降;文獻[10]則研究了雨霧對紫外光傳輸的影響,認為降雨對紫外光的衰減作用較大?,F有文獻對大氣條件影響測量的研究存在不足,特別是討論溫、濕
                   
                  度條件時多數研究的是對放電本身的影響而不是對光信號傳播的衰減作用[11-13]。在利用紫外檢測技術巡檢線路設備前,需要研究這些因素對于檢測結果的影響,以保證檢測結果的正確性以及數據的橫向與縱向的可比性。
                   
                  特高壓輸電線路設備的巡檢要求檢測儀器具有比較長的檢測距離,通??梢赃_到50~100m。為了保證實際中的檢測儀器在遠距離下檢測的有效性,需要進行長距離的人工氣候校正實驗。校正實驗需要測定距離以及不同氣象條件對檢測儀器測試結果的影響,并得到相應的校正數據。影響紫外檢測的氣象條件較多,為了得到較為準確的數據需要進行大量的實驗操作,如果使用傳統的大型人工氣候室來滿足測試距離的要求,則會因氣象參數調節緩慢而嚴重影響實驗效率,進而無法滿足實驗要求。針對該類實驗的需求,設計制造了利用多次反射方式的人工氣候箱,它折疊了觀測對象到檢測儀器之間所需的觀測通道,在保證足夠測試距離的條件下大大縮小了實驗所占用的空間尺寸。由于實驗箱空間體積很小,且實驗箱內調節氣象條件達到平衡所需的時間較短,故而有利于高效快速地進行多種氣象條件下的長距離檢測實驗。本反射式實驗箱制造成本低,實驗時的能耗少,調整不同氣象參數后所需要的穩定時間很短,實驗速度快、可以滿足50~100m 的長距離實驗需求,它為今后在不同氣象條件下進行長距離檢測實驗開創了一條新的道路。
                   
                   
                  本文**先簡要介紹了反射式實驗箱的結構特征。隨后為了驗證多次反射的可行性以及所選反射鏡材料的合理性,在實驗箱中進行了固定氣象條件下改變檢測距離的實驗,與無反射直接測量的結果對比而計算了所用反射鏡的實際反射率,并作出校正曲線,為后續的氣象參數實驗和反射鏡參數的改進提供依據。
                   
                  1 反射式實驗箱的結構特征
                   
                  完整的實驗箱主要由反射式實驗箱本體、人工氣候調節器、反射鏡位置控制器以及控制各部分參數的電腦與軟件4個部分組成。人工氣候調節器可采用傳統人工氣候室所用裝置,不再贅述。
                   
                  反射式實驗箱本體的結構較為靈活,可根據具體實驗來設計滿足要求的結構,它的主要參數包括:光路長度、觀測通道直徑、反射鏡的反射角度和表面鍍膜特性。實驗中通過綜合考慮各種參數的作用和相互關系來設計出合理的結構。
                   
                  光路長度指從箱體入射窗口到出射窗口的距離,該長度加上試品到入射窗口的距離就是實際儀器的檢測距離。若反射鏡位置設計合理,就可使光路距離可變,從而滿足實驗中改變檢測距離的需求。
                   
                  觀測通道指試品上放電產生的光信號傳到檢測儀器所需的通道,實驗距離、試品尺寸以及檢測儀器口徑不同,所需的通道直徑也不盡相同。通道直徑
                   
                  決定反射鏡的尺寸和通道的體積,通道直徑越大,反

                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                  圖1 反射率與入射角度的關系
                   
                  Fig.1 Reflectivityvs.incidentangle
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                  圖2 反射式實驗箱本體的結構
                   
                  Fig.2 Structureofreflectiveartificialclimatebox
                   
                  射鏡制造就越困難,實驗箱調節氣象條件所需的時間也就越長,故不宜使用過大的通道直徑。
                   
                  反射鏡是反射式實驗箱**重要的部分,因為反射次數可能較多,所以在檢測儀器檢測頻率范圍內反射率應盡可能提高。反射率和入射角度有很大的關系,例如某種鍍膜特性下,入射角從0°改變為45°
                   
                  時,高 反 射 率 區 的 上 限 截 止 波 長 (如 取 反 射 率
                   
                  99.95%處的波長由310nm 改變為280nm,減小了約30nm,見圖1所示。
                   
                  2 實驗儀器、設置與實驗方法
                   
                  本文的實驗在一臺長1m 的實驗箱中進行,該實驗箱本體為3層支架結構、每層支架由3根截面為10cm×10cm、長度均為1m 的矩形管組成,管端面標號的排列方式如圖2所示。
                   
                  通過安裝合適的反射鏡,可以將這些管道互相串聯成為完整的觀測通道,其光路為:放電點
                   
                  → 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→紫外檢測儀器。除A 和 A′位置以外,每個管道端部都裝有反射鏡,鏡面光線的中心入射角為45°。其中 A′、A′、A′、A′和 A′這 5個位置的反射鏡可通過旋轉離開
                  光路,讓放電光信號可從相應的窗口射出以供檢測,
                  從而改變觀測光路的長度。實驗箱內光路的總長度
                        ,若放電點設置在距 A1 1m 處,則可觀察
                    9m                                            
                  的**大距離為       。在     、 、 、     位置,
                                      10m     A′ A′ A′ A′   A′
                                                                 
                  對應的觀測距離分別為   、、、     。  
                                                2468         10m      
                      實驗所用的檢測儀器為清華大學深圳研究生院
                  能源電工實驗室研制的紫外電暈檢測儀。該儀器的
                  輸出為一系列脈沖信號,這些脈沖在時間位置上與
                  被觀測的放電電流的脈沖一一對應,在脈沖的峰值
                  以及面積上與放電電流的脈沖峰值和面積分別具有
                                                                         
                  統計對應關系14-17 。放電電流脈沖的面積即放電
                  量,將儀器分析與記錄檢測到的每個脈沖的面積記
                   
                  作視在光放電量   ,用以表征相對放電強弱。  
                                                                           
                      實驗所用的觀測對象為棒板電極的電暈源,棒
                       
                  電極頭端部加工成直徑10mm 的半球形,板電極為
                   
                  直徑 250mm 的圓平板,距棒電極頭端部     ,
                                                            100mm
                  棒電極頭端部豎直向下安裝。在棒電極上施加40
                   
                  kV 交流電壓,實驗中,只檢測電暈放電中正電暈部
                   
                  分的信號。                                            
                                                               
                      實驗箱 A1 面距棒電極頭端部       ,檢測儀器緊
                                                              1m        
                  靠出射端面的觀測窗口進行測量。所用的觀測窗口
                   
                      、 、 、     ,對應的檢測距離分別為  、
                                 
                    A′ A′ A′ A′ A′                            
                                                                 
                  、、       。實驗時依次在各觀測窗口測定記
                  468       10m                                        
                  錄下一定數量(一般 50次)的正電暈的視在光放
                   
                  電量       ,求取其平均值,記作反射檢測的平均視在光
                                                                       
                  放電量       。為了驗證反射式實驗箱的效果,還需
                           
                            ref                                            
                  檢測相同距離下不經過反射的視在光放電量,每個
                   
                  距離下同樣采取多次測量求取平均值的辦法,得到
                   
                  直接檢測的平均視在光放電量         。          
                                       
                                                        dir              
                      實驗中使用校正系數和平均近似反射率來表征
                  反射實驗箱的特性。校正系數 的計算公式為 上式可以得出
                   
                   

                   
                    dir   。 ()
                   
                  ref  
                       
                   
                  校正參數 表征從反射式實驗箱獲得的檢測數據換算到直接檢測數據的對應關系。不管反射式實驗箱內部結構如何,只要利用事先測得的校正系數,就都能將實驗箱觀測得到的數據換算成為直接檢測的數據。
                   
                  反射鏡的實際反射率對于實驗十分重要。如前文所述,實驗箱會使用較多的反射鏡(本文所用實驗箱安裝有16面反射鏡),而光信號在反射鏡上的衰減十分明顯。假設單面反射鏡的反射率為90%,則16次反射 后 剩 余 的 光 信 號 能 量 只 有 入 射 時 的
                   
                  18.53%,不利于測量;若反射率能達到99.68%,則
                   
                  能保留下95%的能量,這時反射鏡對實驗的影響可以忽略不計。選擇合適的鍍膜參數可以制造出特定
                                         
                  波長范圍內的高反射率鏡片,本實驗中使用的反射
                   
                  鏡的光學特性如圖3所示。其中波長<280nm 的
                   
                  部分反射率>99.95%,能夠保證在日盲波段(波長
                   
                          )實現高反射率。        
                    240~280nm            
                      在實際使用中,反射鏡的高反射率波段即高反
                       
                  波段不能保證與檢測儀器的工作波段一致,所以反
                   
                  射效果可能達不到預期。故需要計算實際反射率來
                   
                  評估鏡片參數的選擇是否合適。        
                           
                      根據文獻[ ],視在光放電量     與檢測儀器檢
                         
                            14          
                                         
                  測到的光子個數成正比。待測光信號的帶寬較窄,
                   
                  信號源、反射鏡以及檢測儀器的頻率特性對于測量
                   
                  結果的影響較小,可以加以忽略進而得到視在光放
                   
                  電量   與檢測儀接收到的光能量近似成正比。故
                     
                                         
                  可以利用校正系數   近似估計出反射鏡的平均反
                     
                  射率。計算公式為            
                               
                                         
                                。     ()
                            ref ≈dirα    
                  式中, 為反射鏡的平均反射率;   為反射次數。從
                                             
                                / 。   ()
                                 
                      α                
                      ref Qdir =      
                    根據式()的原理,可以計算出觀測通道中新增
                                               
                  反射鏡的平均反射率α。計算公式為      
                        ref,   dir, α 。     ()
                                 
                          w2   w1              
                  其中 , , 分別是在     w1   w2 號觀測窗
                    ref A′   ref A′       A′     A′  
                    w1     w2                      
                  口檢測到的視在光放電量; 是這兩個觀測窗口之間增加的反射鏡片數。故對應的新增反射鏡的平均反射率為
                   
                            。 ()
                      w1
                  α w2      
                  ref,   ref,    
                  3 應用實驗與結果討論
                   
                  實驗時的氣溫約為 26.2°C,相對濕度約為
                   
                  66.8%,氣壓約為0.1MPa。實驗結果如表1和表
                   

                  2所示。表1的校正系數 以及近似反射率α 分別由式(1)和式(3)計算得出,表2的新增反射鏡組的
                  平均反射率  由式()計算得出。數據中 2m 觀測
                            α                                    
                  距離下無反射鏡反射,     經過了 次反射,    
                                    4m                   6m  
                  過了 次反射,   經過 12 次反射,   經過了 16
                            8m               10m        
                  次反射。每一個觀測窗口相對上一窗口新增4面反
                  射鏡,故定義每新增的4面反射鏡為一個反射鏡組,
                    到   之間新增鏡組序號為  ,         之間新增
                  A′ A′               1A′   A′      
                                                           
                  鏡組序號為  ,依此類推。                              
                                                                     
                      直接檢測的平均視在光放電量 dir 與檢測距離
                                                                 
                   的關系如圖4所示。從圖中可以看出,直接檢測
                  的平均視在光放電量   和檢測距離 呈良好的距
                                    dir                                
                  離平方反比關系即diraL-2,其中系數=104
                   
                    · 這表明實驗過程中氣象條件以及電暈源放
                     
                  C m                                              
                  μ                                                    
                  電保持穩定,對測試結果沒有明顯影響。          
                          、 中校正系數以及平均反射率隨著反射次
                             
                        12                                          
                  數的增加呈逐步上升的趨勢。檢測距離為8m 和
                   
                   
                  10m 時的數據有所波動,可能是這兩種距離下反射
                   
                                                                       
                                                                       
                  次數較多,信號衰減較大,測量誤差增大所致。      
                         
                      校正系數增加表明隨著反射次數的增加,檢測
                       
                  儀器接收到的信號逐步衰減。在           觀測窗經由 16
                                 
                                              A′            
                                                                   
                  次反射后校正系數接近于     ,即經過反射鏡保留下
                                        10                          
                  來的光信號能量約為入射時的10%。            
                               
                      平均反射率隨反射次數增加而增加,表明每一
                  片反射鏡的實際反射率各不相同,參考表2反射鏡
                  組的平均反射率可以看出,實際反射率逐片上升,**
                   
                  后4片的實際反射率甚**接近100%。造成這一現
                   
                  象的主要原因是反射鏡的高反波段與檢測儀器的工
                   
                                                                       
                  作波段稍不匹配。由于實驗所用儀器的光波長響應
                   
                  范圍比反射鏡的高反射率范圍稍寬,隨著反射次數
                   
                  的增加,反射鏡高反區以外的光強逐片衰減,所以經
                  過幾次反射后這部分的光線已經變得十分微弱。在
                   
                  反射次數少時,儀器輸出包含有較多高反區以外的
                   
                  光線分量,因而比較接近儀器直接檢測的結果,使校
                  正系數較??;在反射次數較多時,高反區以外的光線
                   
                  分量很小,與儀器直接檢測的結果相差較大,使校正
                   
                  系數增大。與此同時,隨著反射次數的增加,高反區
                   
                  以外的光強逐片衰減,高反區光線的分量逐漸增大,
                   
                  反射鏡上損耗的光強逐步減少,即反射率逐片提高,
                   
                  平均近似反射率作為總體反射效率的表征,也就隨
                   
                  著反射次數的增加而逐漸增大。                          
                                             
                      從這個角度考慮,可以通過給檢測儀器加裝濾
                       
                  光片的方法限制其光響應范圍,從而與反射鏡的高
                   
                  反射率波段吻合,使得實際反射率更加接近設計參
                   
                  數,以便對測量的影響盡量小。                          
                      此外,**后   片反射鏡的平均反射率很高,接近
                         
                                                                     
                  100%,與預計的反射率十分接近。這表明所采用的             ,   ,              
                       
                  反射鏡鍍膜參數比較合理,能夠實現很高的反射率,


                                   
                                         
                        )反射鏡的平均反射率較高,隨著反射次數的
                                       
                  增加,校正系數以及平均反射率呈上升趨勢。
                   
                        )反射鏡平均反射率隨著反射次數增加而升
                                       
                  高的主要原因是鏡面高反射率波段與檢測儀器的光
                   
                  波長響應范圍不很匹配,應當對檢測儀的響應波段
                   
                  做出適當的調整。          
                             
                        )反射式實驗箱在實驗中表現良好,利用校正
                                       
                  系數可以把實驗箱的觀測結果還原到直接檢測的結
                   
                  果上去。                

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