CN104048926A - 一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，包括直流火焰泄漏电流测量装置、光谱测试装置、植被燃烧平台和PC机；直流火焰泄漏电流测量装置，用于测量植被燃烧时产生的火焰在平板电极装置中的泄漏电流；光谱测试装置，用于对火焰的光谱进行采集与分析；PC机，用于依据泄漏电流、火焰的高度和直径计算火焰的电导率并结合光谱测试装置的分析结果对植被进行检测。与现有技术相比，本发明提供的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，能够据不同植被的电导率和特征光谱的强度对植被进行分类和检测，有效提高了输电线路的山火防治力度。

Description

一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置

技术领域

本发明涉及一种植被检测装置，具体涉及一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置。

背景技术

架空输电线路的外绝缘是以空气作为绝缘介质，受大气条件影响，如风、雨、雷电、雪等常导致线路外绝缘失效而跳闸，这些跳闸故障一般发生在塔头或绝缘子串等位置，但线路下方发生的山火却会导致线路相地或相间发生放电而跳闸。极端高温和干旱天气条件下，森林易发大面积山火，当线路下方出现山火时，线路相地或相间间隙就会发生击穿，特别是山火经过多回线路共用的走廊时有可能引发多条线路跳闸，导致大面积停电事故。

现有的输电线路山火防治主要加强人工巡视和卫星监测，但这些措施主要偏重火点的监测与管理，同时由于人力和装置的时空分辨率限制，存在监测盲点，并不能有效防止山火对输电线路运行安全的威胁。通过输电线路的试验研究发现，控制植被可以有效防治输电线路发生山火跳闸；依据不同植被导致输电线路的跳闸特性不同，识别容易导致线路山火跳闸的植被，对加强线路下方植被的管理和危险分区具有意义。

综上，提供一种输电线路山火跳闸危险植被检测装置，用来检测不同植被对输电线路绝缘的危险程度，为输电线路的运行管理和勘测设计提供依据显得尤为重要。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，所述装置包括直流火焰泄漏电流测量装置、光谱测试装置、植被燃烧平台和PC机；

所述直流火焰泄漏电流测量装置，用于测量植被燃烧时产生的火焰在平板电极装置中的泄漏电流；

所述光谱测试装置，用于对所述火焰的光谱进行采集与分析；

所述PC机，用于依据所述泄漏电流、所述火焰的高度和直径计算所述火焰的电导率并结合所述光谱测试装置的分析结果对植被进行检测。

优选的，所述直流火焰泄漏电流测量装置包括直流电压发生器、金属网状电极、红外测温装置和泄漏电流采集装置；

优选的，所述直流电压发生器，用于输出负极性直流电压，从而所述泄漏电流采集装置采集正极性离子；

优选的，所述金属网状电极的数目为二；一块所述金属网状电极设置在与绝缘支柱底端相同的平面接地，另一块所述金属网状电极通过硬导线与绝缘支柱顶端相连；两块所述金属网状电极互相平行放置；

优选的，所述泄漏电流采集装置包括取样电阻和数据采集卡；

所述取样电阻连接于接地的所述金属网状电极和所述数据采集卡之间；所述采集卡将所述金属网状电极传输的电流信号发送到PC机；

优选的，所述光谱测试装置包括通过光纤连接的准直镜和微型光谱仪；所述准直镜将火焰的光谱进行聚集后通过光纤传输到微型光谱仪；

所述微型光谱仪用于测试所述植被的特征光谱的强度，并将所述特征光谱的强度发送到PC机；

优选的，所述植被包括等间距布置的长方形燃料条，每层长方形燃料条之间交叉布置；

优选的，所述火焰的电导率其中U为直流火焰泄漏电流测量装置的直流电压发生器输出的负极性直流电压。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，采用两块金属网状电极构成平板电极装置，可以减小电极对火焰形态的影响；

2、本发明技术方案中，采用直流电压发生器输出负极性直流电压，可以便于泄漏电流采集装置采集正极性离子；

3、本发明技术方案中，将待燃烧的植被材料加工成相同的长方形燃料条后设置为燃料垛，长方形燃料条分层设置，确保了植被燃烧的充分和试验的重复性；

4、本发明技术方案中，依据不同植被的电导率和特征光谱的强度对植被进行分类检测，便于对输电走廊附近的危险植被进行识别并采取差异化的防治措施；

5、本发明技术方案中，依据泄露电流来检测植被火焰的电导率，实现了对植被火焰电导率的快速的测量；

6、本发明技术方案中，采用红外测温装置对山火火焰的温度进行测量，实现了对植被火焰温度的非接触式测量，避免了对火焰的影响；

7、本发明技术方案中，采用微型光纤光谱对山火火焰的特征光谱进行采集，实现了对火焰电导率离子的非接触式检测。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置结构图；

图2是：本发明实施例中植被火焰的泄漏电流与击穿电压的关系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

输电线路附近发生山火时，由于植被中在燃烧过程中发生的化学反应及其自身的碱金属盐会激发电离；若所述植被的火焰导电率越高，在山火条件下输电线路就越容易发生跳闸，而火焰中导电粒子在生成过程中会向外发出光谱，特别是碱金属盐以及炭黑颗粒等对带电粒子的数量影响最大，由于不同植被中无机盐的含量以及燃烧特性的不同，不同植被火焰的特征光谱的频段和强度有很大不同，因此通过植被火焰的特征光谱和泄漏电流，可以实现对危险植被的检测。

如图1所示，本实施例中危险植被检测装置包括直流火焰泄漏电流测量装置、光谱测试装置和植被燃烧平台；

①：直流火焰泄漏电流测量装置包括直流电压发生器、金属网状电极、红外测温装置和泄漏电流采集装置；

一块金属网状电极设置在与绝缘支柱底端相同的平面后接地，另一块金属网状电极通过硬导线与绝缘支柱顶端相连；两块金属网状电极互相平行放置，构成平板电极装置；如图1所示，与绝缘支柱底端连接的金属网状电极为铁板，与绝缘支柱顶端连接的金属网状电极为0.1m*0.1m的铁丝网；

直流电压发生器与绝缘支柱顶端的金属网状电极连接，用于输出负极性直流电压，便于泄漏电流采集装置采集正极性离子；

泄漏电流采集装置包括取样电阻和数据采集卡；取样电阻连接于接地的金属网状电极和数据采集卡之间；采集卡将金属网状电极传输的电流信号发送到PC机，PC机依据泄漏电流I、火焰的高度H和直径D计算火焰的导电率δ；

导电率δ的计算方法为：

火焰的电导率指的是火焰电子和离子特性的总体效果，反映了火焰中离子浓度和迁移率，则电导率为：δ＝e(μ_en_e+μ_in_i)，其中n_e和μ_e分别为电子的浓度和迁移率，n_i和μ_i分别为离子的浓度和迁移率；

在电场E作用下，火焰中电子和离子将做定向运动而产生电流，电流密度J与电场强度之间关系为：J＝δE＝eE(μ_en_e+μ_in_i)；

本实施例中当直流电压发生器输出负极性直流电压U，火焰的高度H为金属网状电极间的距离，火焰直径D已知的情况下，火焰的电导率为：

②：光谱测试装置包括通过光纤连接的准直镜和微型光谱仪；

准直镜将火焰的光谱进行聚集后通过光纤传输到微型光谱仪；

微型光谱仪用于测试植被的特征光谱的强度，并将特征光谱的强度发送到PC机；PC机依据不同植被的电导率和特征光谱的强度对植被进行分类；

由于不同植被中钾、钠等电离势低的碱金属离子以及挥发油含量不同，植被燃烧火焰的电导率也不同，同时火焰发射的特征光谱也有很大的不同，从而使得不同电导率下间隙的绝缘特性有很大的不同；

如图2所示，桉树叶、松针叶、杉树叶和木垛在输电线间隙条件下的击穿特性试验，树叶火焰中的击穿电压随着泄漏电流的增加发生明显下降；如图所示木垛火焰的泄漏电流值约为松针叶火焰的9.3％；光谱测量结果表明不同植被火焰中特征元素的光谱强度与火焰的泄露电流有很大的相关性，即特征光谱的强度越大，表明火焰中生成的导电粒子越多，火焰的电导率也越高，随着火焰电导率的增加，间隙的绝缘特性明显下降，如图所示松针叶火焰的击穿电压为木垛火焰的41.7％。因此依据不同植被的电导率和特征光谱的强度可以对输电线走廊附近的危险植被进行识别与分类。

其中，挥发油指的是植被在燃烧过程生成的电离势低的炭黑颗粒。

③：为了确保植被燃烧的充分和试验的重复性，将待燃烧的植被材料加工成相同的长方形燃料条后布置为燃料垛，长方形燃料条分层设置，包括：

每层中的长方形燃料条等间距布置，每层间的长方形燃料条交叉布置。

本实施例中危险植被检测装置通过ZVI控制箱接入220kV交流电；其中：

直流电压发生器采用100kV直流电压发生器；

绝缘支柱上设置有110kV的支柱绝缘子；

硬导线直径为2cm；

取样电阻的阻值为1000Ω；

数据采集卡采用型号为NI6210的采集卡；

微型光谱仪为海洋光学HR400光纤光谱仪；

红外测温装置采用镭泰RAYR3i1MSCU红外测温装置对温度进行测量；

燃料垛为21*21*10cm的燃料垛。

按照图1所示危险植被检测装置的结构进行连接，点燃燃料垛后打开直流电压发生器；当直流电压发生器缓慢升压至40kV时，利用红外测温装置对火焰的温度进行测量，利用直流火焰泄漏电流测量装置采集电流信号，利用海洋光学HR400光纤光谱仪采集植被火焰的特征光谱；最后PC机结合植被火焰的电气特性和特征光谱特性，对容易导致输电线路山火跳闸的植被进行检测。

本发明中光谱测试装置的另一个优选实施例为：

光谱测试装置包括准直透镜和圆台形透镜，准直透镜用于接收火焰光源并将光束经准直后传导至圆台形透镜，准直透镜与火焰光源的距离等于准直透镜的焦距；圆台形透镜位于准直透镜和光纤之间以将光束导入光纤，圆台透镜的底部尺寸与准直透镜的尺寸一致，使得准直光全部进入所述圆台透镜；且圆台透镜的长度与锥度的配合使光束在圆台形透镜中经多次全反射后最终到达圆台形透镜的出光面；圆台透镜的出光面为经过散射处理的出光面，光纤与出光面的距离设置为使出光面的每个点都有散射光进入所述光纤的距离。

本发明中光谱测试装置的另一个优选实施例为：

光谱测试装置包括探测器，光源调制电路，A/D数据采集模块、数字锁定放大器和数据发送模块；探测器为高探测灵敏度、低噪声水平、带有前置放大功能的雪崩光电二极管APD或高探测灵敏度、低噪声水平、带有前置放大功能的光电倍增管PMT，以实现对微弱光信号的探测；数字锁定放大器连接A/D数据采集模块，用于对探测光纤采集到微弱信号进行数字化锁定放大提取；数据发送模块将光谱信传输给外部PC机，以供外部PC机进行离线分析。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述装置包括直流火焰泄漏电流测量装置、光谱测试装置、植被燃烧平台和PC机；

所述直流火焰泄漏电流测量装置，用于测量植被燃烧时产生的火焰在平板电极装置中的泄漏电流；

所述光谱测试装置，用于对所述火焰的光谱进行采集与分析；

所述PC机，用于依据所述泄漏电流I、所述火焰的高度H和直径D计算所述火焰的电导率δ并结合所述光谱测试装置的分析结果对植被进行检测。

2.如权利要求1所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述直流火焰泄漏电流测量装置包括直流电压发生器、金属网状电极、红外测温装置和泄漏电流采集装置。

3.如权利要求2所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述直流电压发生器，用于输出负极性直流电压U，从而所述泄漏电流采集装置采集正极性离子。

4.如权利要求2所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述金属网状电极的数目为二；一块所述金属网状电极设置在与绝缘支柱底端相同的平面接地，另一块所述金属网状电极通过硬导线与绝缘支柱顶端相连；两块所述金属网状电极互相平行放置。

5.如权利要求2所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述泄漏电流采集装置包括取样电阻和数据采集卡；

所述取样电阻连接于接地的所述金属网状电极和所述数据采集卡之间；所述采集卡将所述金属网状电极传输的电流信号发送到PC机。

6.如权利要求1所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述光谱测试装置包括通过光纤连接的准直镜和微型光谱仪；所述准直镜将火焰的光谱进行聚集后通过光纤传输到微型光谱仪；

所述微型光谱仪用于测试所述植被的特征光谱的强度，并将所述特征光谱的强度发送到PC机。

7.如权利要求1所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述植被包括等间距布置的长方形燃料条，每层长方形燃料条之间交叉布置。

8.如权利要求1所述的一种基于光谱分析的输电线路山火跳闸危险植被检测装置，其特征在于，所述火焰的电导率其中U为直流火焰泄漏电流测量装置的直流电压发生器输出的负极性直流电压。