CN101706548B - 一种电晕放电的光学检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电晕放电的光学检测装置，其大气紫外窗口波段成像检测光路包括依次设置的杂光罩、大气紫外窗口波段紫外镜头、大气紫外窗口波段带通紫外滤光片、紫外像增强器、光锥、CCD或CMOS面阵图像传感器、图象处理电路和和第一液晶显示屏。其日盲紫外波段非成像检测光路包括全发射镜、分光镜、日盲紫外带通滤光片、日盲紫外镜头、光电倍增管、信号处理电路模块和第二液晶显示屏，其主要特点是电晕检测的数据更加全面和可靠，有利于对电晕放电故障等级和放电程度进行分析。

Description

一种电晕放电的光学检测装置

技术领域

本发明涉及一种电力设备或输电线路中绝缘故障检测设备，尤其是涉及一种电晕放电的光学检测装置。

背景技术

电力设备或输电线路中残缺的绝缘体、被污秽绝缘部位、绝缘子串有效绝缘距离不够(如绝缘子串中含有零值、低值及破裙的绝缘子)、导线断股等都容易造成电晕放电，电晕放电会造成大量电能损失。而且电晕使空气发生化学反应，产生的臭氧会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀，从而造成线路故障。此外，电晕放电会产生高频脉冲电流，对无线电通讯造成干扰。随着输电电压的不断提高，对无线电通讯干扰延伸范围不断扩大。线路上电晕造成的无线电干扰已成为很麻烦的问题。

电晕放电所产生的电磁波有很大一部分属于200～400nm的紫外线，其中大部分波长在300～400nm，小部分波长在200～300nm，前者因为在大气中均匀散射，称为大气的“紫外窗口”；后者是因为在太阳光谱中有一段波长在200～300nm的电磁波被臭氧层强烈吸收，到达地面后的这个波段的太阳光是缺失的，因此后者这个波段称为日盲紫外波段。

俄罗斯利用大气紫外窗口波段进行检测，成功开发出的filin探伤仪，这种相机在夜晚使用效果很好。因为太阳光谱在300～400nm波段辐射非常强，会对电晕目标形成强烈干扰，因此虽然这种相机在夜间使用效果良好，但缺点却是不能在白天使用。

以色列和南非都利用日盲紫外波段进行检测，各自成功开发出DayCOR紫外照相机和CoroCAM紫外相机，因为这个波段避开了太阳光背景的干扰，所以在无论白天和黑夜都可使用。但是DayCOR相机和CoroCAM相机有着自身的缺点，那就是它们都不能很直接地获得电晕放电紫外光辐射强度的数据，不容易对电晕放电时紫外辐射强度进行定量分析，因此对电晕故障的强弱等级很难形成客观的评价。

此外，以色列DayCOR相机中一项非常关键的技术是采用了他们独有的日盲紫外化学滤光片，即采用特殊化学试剂制作而成的滤光片，其可见光背景透过率等于或低于10^-8。我们国内目前普遍使用的紫外滤光片属于真空干涉镀膜滤光片，工艺上一般只能达到可见光透过率为10^-4，要达到以色列的相机中紫外滤光片的水平非常困难。实验证明白天使用的紫外相机中如果采用我国的真空干涉镀膜滤光片背景噪声将非常大，甚至达到无法检测电晕紫外信号的程度。也就是说我国目前还不具备生产这种化学滤光片的能力，在利用日盲波段发展紫外成像检测技术上面临先天不足，很难象以色列和南非那样开发出白天使用的日盲波段的电晕紫外照相机。

最后，无论DayCOR、CoroCAM紫外照相机还是Filin探伤仪，都只是对电晕放电紫外中的某一个特征波段进行检测，要么是日盲紫外波段，要么是大气紫外窗口波段，都不能给出一个整体且全面的电晕紫外强度的评价，也就是不便于确定电晕放电的故障等级。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能同时对电晕放电中的大气紫外窗口波段和日盲紫外波段进行检测的光学检测装置，使电晕检测的数据更加全面和可靠，更加有利于电晕放电故障等级和放电程度的定量分析。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电晕放电的光学检测装置，其它包括大气紫外窗口波段成像检测光路和日盲紫外波段非成像检测光路，

所述的大气紫外窗口波段成像检测光路包括依次设置的杂光罩、大气紫外窗口波段紫外镜头、大气紫外窗口波段带通紫外滤光片、紫外像增强器、光锥、CCD或CMOS面阵图像传感器、图象处理电路和和第一液晶显示屏，所述的光锥设置在紫外像增强器的后端，

所述的日盲紫外波段非成像检测光路包括依次设置的全反射镜、分光镜、日盲紫外带通滤光片、日盲紫外镜头、光电倍增管、信号处理电路模块和第二液晶显示屏，所述的全反射镜设置在杂光罩内，全反射镜固定于大气紫外窗口波段紫外镜头前端的正中央，所述的全反射镜与大气紫外窗口波段检测光路的光轴成45°角，分光镜与日盲紫外波段检测光路的光轴成45°角，大气紫外窗口波段检测电路的光轴与日盲紫外波段检测光路的光轴相互平行。

它还包括有激光光源指向装置，所述的激光光源指向装置包括激光光源、目镜和窄带滤光片，所述的窄带滤光片设置在目镜的前端，所述的激光光源射出的可见激光光束对准所述的分光镜的中央位置，所述的可见激光光束穿过分光镜，经全反射镜的反射后照射到电晕源的背景物体上。

所述的紫外像增强器的响应波段为200nm～400nm，其光电阴极材料对波长400nm以下的紫外光敏感，而对波长为400nm～780nm的可见光不敏感。

所述的分光镜是对波长为500～700nm的可见光透射而对波长为200～300nm的紫外光反射的多层介质膜分光棱镜或者多层介质膜分光片。

目镜前端的窄带滤光片为让激光波长高比率透过而对其他波长的光低比率透过的真空干涉镀膜滤光片。

所述的大气紫外窗口波段带通紫外滤光片为400nm以上的背景光透过率等于或者低于10^-4数量级的真空干涉镀膜滤光片或者化学滤光片。

所述的日盲紫外带通滤光片为300nm以上的背景光透过率等于或者低于10^-4数量级的真空干涉镀膜滤光片或者化学滤光片。

光电倍增管的响应波段为150nm～320nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于光学检测装置有白天和晚上两种工作模式。当工作在夜间模式下，可同时对电晕放电所产生的日盲紫外波段和大气紫外窗口波段进行检测，双波段的电晕放电光学检测使电晕检测的数据更加全面和可靠，有利于电晕放电故障等级和放电程度的定量分析。

在白天工作模式下，激光光源的设置可以在背景物体表面上形成一个光斑，通过目镜及其窄带滤光片就可以用肉眼观察到激光瞄准的位置，也就是日盲紫外探测区域的中央位置。窄带滤光片让激光波长高比率透过，而让其他波长的光低比率透过，从而增加激光光斑与周围环境的明暗对比度，在通过目镜容易找到激光定位光斑的同时也让使用者能够清晰辨认背景物体，这样日盲紫外检测区域的中心位置就可以确定了。

结合我国光电器件的实际水平，同时为了克服Filin紫外探伤仪，以及DayCOR紫外照相机和CoroCAM紫外照相机各自的缺点，这里提出一种紫外双波段的电晕放电光学检测装置。这种光学检测装置在300～400nm波段进行成像检测，直观地给出火花大小和空间分布；同时在200～300nm采用光电倍增管(PMT)单元探测器直接进行紫外辐射强度探测，这是一种非成像的检测方式，可以直接给出日盲紫外辐射强度。这种光学检装置将成像检测和非成像检测结合起来，具有以下优点：

1)它将200～300nm及300～400nm两个波段的电晕放电紫外数据有机结合起来，基本覆盖电晕放电紫外全波段(200～400nm)，方便客户对电晕放电故障进行全面和客观的判断。

2)利用200～300nm波段检测的电晕紫外辐射强度数据，可以方便地对电晕放电过程中发出的日盲紫外进行直接的定量分析。

3)它不仅能够在夜间使用，而且还可以在白天使用。夜间使用时200～300nm波段非成像检测及300～400nm成像检测同时使用；白天工作时，只使用200～300nm进行非成像检测，能直接获得电晕放电紫外强度的数据。

4)它对大气紫外窗口波段带通滤光片的可见光透过率要求较低，一般可见光透过率为10^-4数量级或稍低时，即可满足300～400nm波段夜间检测的要求；而所使用的日盲紫外带通滤光片在300nm以上的背景光透过率为10^-4数量级或稍低时，也可满足日盲紫外的非成像检测要求。因此在我国具有很强的技术方案可实现性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：一种电晕放电的光学检测装置，它包括大气紫外窗口波段成像检测光路20和日盲紫外波段非成像检测光路21。

大气紫外窗口波段检测光路包括依次设置的杂光罩3、大气紫外窗口波段紫外镜头4、大气紫外窗口波段带通紫外滤光片6、紫外像增强器7、光锥8、CCD或CMOS面阵图像传感器9、图象处理电路10和和第一液晶显示屏11，光锥8设置在紫外像增强器7的后端，紫外像增强器7的前端为光电阴极71，大气紫外窗口波段检测光路的光轴20。

日盲紫外波段检测光路包括依次设置的全反射镜2、透可见光反射紫外光的分光镜12、日盲紫外带通滤光片13、日盲紫外镜头14、光电倍增管15、信号处理电路模块16和第二液晶显示屏17，全反射镜2设置在杂光罩3内，全反射镜2固定于大气紫外窗口波段紫外镜头4前端的正中央，全反射镜2与大气紫外窗口波段成像检测光路的光轴20成45°角，分光镜12与日盲紫外波段检测光路的光轴21成45°角，大气紫外窗口波段检测光路光轴20和日盲紫外波段检测光路的光轴21是相互平行，因此全反射镜2与分光镜12也是相互平行。

它还包括有激光光源指向装置，激光光源指向装置包括激光光源、目镜和窄带滤光片，激光光源18射出的可见激光光束对准分光镜12的中央位置，可见激光光束穿过分光镜12，经全反射镜2的反射后照射到电晕源的背景物体1上。目镜5和窄带滤光片51设置在大气紫外窗口波段紫外镜头4上，窄带滤光片51设置在目镜5的前端。

紫外像增强器的响应波段为200nm～400nm，其光电阴极材料对波长400nm以下紫外光敏感，而对波长为400nm～780nm的可见光不敏感。

分光镜12是对500～700nm可见光透射而对200～300nm紫外光反射的多层介质膜分光棱镜或者多层介质膜分光片。

目镜5前端的窄带滤光片51为让激光波长高比率透过，而让其他波长的光低比率透过的真空干涉镀膜滤光片。

大气紫外窗口波段带通紫外滤光片6为400nm以上背景光透过率等于或者低于10^-4数量级的真空干涉镀膜滤光片或者化学滤光片。

日盲紫外带通滤光片13为300nm以上背景光透过率等于或者低于10^-4数量级的真空干涉镀膜滤光片或者化学滤光片。

光电倍增管15的响应波段为150～320nm。

工作原理：当工作在夜间模式时，大气紫外窗口波段成像检测光路20和日盲紫外波段非成像检测光路21同时工作。来自紫外电晕源及背景1的光进入杂光罩3，光的一部分经过杂光罩3中央的全反射镜2向下反射到日盲紫外波段非成像检测光路21。光的另一部分经过大气紫外窗口波段紫外镜头4，穿过大气紫外窗口波段带通紫外滤光片6，进入紫外像增强器7，紫外像增强器7一方面将能量增益放大，另一方面将紫外光图像转换成可见光图像，转换和增强后的可见光图像经过光锥8耦合到CCD或CMOS面阵图像传感器9的光敏面，将光学图像转换成电学图像信息，然后经过后端的图像处理电路10对图像进行各种算法处理以及图像文件管理，算法处理如图像增强、降噪、图像或视频编解码，图像文件管理如图像或视频文件的存储、删除、回放等功能，最后显示到第一液晶显示屏11上面。

经全反射镜2反射的光向下入射到分光镜12，分光镜12透可见光但反射紫外光，然后穿过日盲紫外滤光片13和紫外镜头14，入射到光电倍增管15，光电倍增管15输出电流信号，然后经过信号处理电路模块16转换成电压信号、放大滤波、A/D转换，数字信号处理等一系列过程，获得日盲紫外辐射强度，通过第二液晶显示屏17将电晕放电产生的日盲紫外的辐射强度显示出来。

在全反射镜2左侧的物方空间上，大气紫外窗口波段成像检测光路20、日盲紫外波段非成像检测光路21、指向装置的激光束三者具有光学同轴的特点。

工作在夜间模式时，无需启动激光光源18和指向装置。这是因为来天空微弱的300～400nm的紫外光(由于空气散射或者月光反射的太阳光等)经过背景物体(如绝缘子，导线等)的表面反射之后，经过像增强器7的能量放大，也能在第一液晶显示屏11上显示出背景物体的轮廓。如果实在看不清背景，辅助一个能发出300～400nm波段内的功率可调的紫外灯对背景物体进行照明。通过功率的调节使得紫外灯功率照射到背景物体上的300～400nm的光达到一个合适的程度，进而使得电晕紫外火花和背景都能看清楚。

需要说明的是光电阴极71采用对波长400nm以下的紫外光敏感而对波长为400nm～780nm的可见光不敏感碲化铯材料，加上窗口材料的选择，可以使得像增强器的响应范围在200nm～400nm，这样就会降低大气紫外窗口带通滤光片6的对可见光背景抑制的制作要求，因为目前普遍应用的真空干涉镀膜紫外滤光片在可见光波段透过率很难低于10^-4。根据实际经验，电晕紫外火花能量非常微弱，如果光电阴极对可见光波段也响应，一旦紫外滤光片的可见光背景透过不低于10^-4，那么夜间天空中的月光、星光及建筑物灯光等可见光背景就很可能淹没掉电晕紫外信号，甚至使得电晕紫外火花成像完全不可见。如果光电阴极71本身对400nm以上的可见光不敏感，相当于光电阴极71本身对可见光有一定的抑制作用，再加上紫外滤光片对可见光的抑制，就可以使得可见光背景干扰大大降低，系统信噪比得到极大提高。

在白天工作模式时，只启动日盲紫外波段非成像检测光路21，这是因为白天太阳光光谱中300nm以上波段的光很强，对于大气紫外窗口波段带通紫外滤光片6背景透过率为10^-4的真空干涉镀膜紫外滤光片来说，无法抑制太阳光中300nm以上紫外光和400nm以上可见光背景对紫外电晕火花成像的干扰，因此大气紫外窗口波段成像检测光路20在白天阳光下将无法检测到紫外电晕火花。

此外因为日盲紫外波段检测光路21属是非成像检测技术，这就需要对被检测的区域有一个明确指向装置，以便确定检测区域的中心位置，这里采用激光光源和指向装置的方式。

具体来说，白天工作模式的实施过程为：

通过开关关断像增强器7、图像处理电路10以及液晶显示11的电源，实际上停止了大气紫外波段成像检测光路20的工作。只启动日盲紫外波段非成像检测光路21。

来自物方1(紫外电晕源及背景)的光进入杂光罩3，一部分经过杂光罩3中央的全反射镜2向下反射到日盲紫外光路。射到分光镜12，因为分光镜12对紫外光是反射的，因此来自物方的紫外光经分光镜12反射，穿过日盲紫外滤光片13和紫外镜头14，入射到光电倍增管15，然后信号处理电路模块16的处理，在第二液晶显示屏17上显示日盲紫外电晕火花的强度。

同时，打开激光光源18让它出射可见的准直激光光束对准分光镜12的中央位置，因为分光镜12对可见光是透过的，因此激光束能够穿过分光镜12，然后经全反射镜2的反射照射到电晕源1的背景物体上，这样就在背景物体(如绝缘子等)表面上形成一个光斑，通过目镜5及其前面的窄带滤光片51就可以肉眼观察到激光瞄准的位置，也就是日盲紫外探测区域的中央位置。窄带滤光片51让激光波长高比率透过，而让其他波长的光低比率透过，从而增加激光光斑与周围环境的明暗对比度，在通过目镜5容易找到激光定位光斑的同时也让使用者能够清晰辨认背景物体，这样日盲紫外检测区域的中心位置就可以确定了。装置在使用的过程中，用户可以方便地将激光束指向任意感兴趣的位置，并且可以通过紫外镜头14的视场以及成像距离初略估计出日盲紫外火花来自于以激光光斑为中心多大半径的区域。

全反射镜2位于大气紫外窗口波段紫外镜头4前端的正中央，在全反射镜2左侧的物方空间上，大气紫外窗口波段成像检测光路20与日盲紫外波段非成像检测光路21具有光学同轴的特点。在全反射镜2左侧的物方空间上，指向装置的激光束也与前两个光路同轴，因此双波段检测区域的中心位置是重合的，日盲紫外波段检测区域的中心位置也与激光指向位置重合。即在全反射镜2左侧的物方空间上，大气紫外窗口波段成像检测光路20、日盲紫外波段非成像检测光路21、指向的激光光束18三者具有同轴的特点，这样就解决了整个装置检测区域的中心定位问题。

此外，光电倍增管15的响应波段为150～320nm，在日盲紫外波段以外具有响应率低的特点，这样也是为了降低背景光的干扰，提高信噪比。

Claims (7)

1.一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于它包括大气紫外窗口波段成像检测光路和日盲紫外波段非成像检测光路，

所述的大气紫外窗口波段成像检测光路包括依次设置的杂光罩、大气紫外窗口波段紫外镜头、大气紫外窗口波段带通紫外滤光片、紫外像增强器、光锥、CCD或CMOS面阵图像传感器、图象处理电路和第一液晶显示屏，所述的光锥设置在紫外像增强器的后端，

所述的日盲紫外波段非成像检测光路包括依次设置的全反射镜、分光镜、日盲紫外带通滤光片、日盲紫外镜头、光电倍增管、信号处理电路模块和第二液晶显示屏，所述的全反射镜设置在杂光罩内，全反射镜固定于大气紫外窗口波段紫外镜头前端的正中央，所述的全反射镜与大气紫外窗口波段成像检测光路的光轴成45°角，分光镜与日盲紫外波段非成像检测光路的光轴成45°角，大气紫外窗口波段成像检测光路的光轴与日盲紫外波段非成像检测光路的光轴相互平行；

它还包括有激光光源指向装置，所述的激光光源指向装置包括激光光源、目镜和窄带滤光片，所述的窄带滤光片设置在目镜的前端，所述的激光光源射出的可见激光光束对准所述的分光镜的中央位置，所述的可见激光光束穿过分光镜，经全反射镜的反射后照射到电晕源的背景物体上。

2.根据权利要求1所述的一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于所述的紫外像增强器的响应波段为200nm～400nm，其光电阴极材料对波长400nm以下的紫外光敏感，而对波长为400nm～780nm的可见光不敏感。

3.根据权利要求1所述的一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于所述的分光镜是对波长为500～700nm的可见光透射而对波长为200～300nm的紫外光反射的多层介质膜分光棱镜或者多层介质膜分光片。

4.根据权利要求1所述的一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于目镜前端的窄带滤光片为让激光波长的光高比率透过而对其他波长的光低比率透过的真空干涉镀膜滤光片。

5.根据权利要求1所述的一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于所述的大气紫外窗口波段带通紫外滤光片为波长为400nm以上的背景光透过率等于或者低于10-4数量级的真空干涉镀膜滤光片或者化学滤光片。

6.根据权利要求1所述的一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于所述的日盲紫外带通滤光片为波长为300nm以上的背景光透过率等于或者低于10-4数量级的真空干涉镀膜滤光片或者化学滤光片。 

7.根据权利要求1所述的一种电晕放电的光学检测装置，其特征在于光电倍增管的响应波段为150nm～320nm。 

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