开关柜内设备大都处在空气中,在设备沿面空气发生电离放电时,根据电场强度(或电压差)的不同,会产生电晕、火花放电或弧光放电等。放电过程中,空气中的电子将通过不同形式释放出能量,其中包括光辐射。以棒一板电极为例,在电压还较低时,棒极处的场强可能已超过临界值,棒端附近即发生自持放电,离棒端稍远处,由于场强大为减小,故电离放电只能局限在棒极附近的空间,而不能扩展开去。该区内所形成的离子在复合时或被激发的气体分子在回到常态时将辐射出光子,其中除了可见光外大部分为紫外光,此时表现为电晕放电。外加电压升高时,若电极间距较小,则间隙可能被直接击穿而形成火花放电,若间距比较大,则在击穿前还存在一个过渡阶段,即刷形放电。刷形放电时,表现为从棒极散发出毛刷样式的密集细光束,若电压再升高时,则毛刷中的个别光束突发地前伸到达板极,间隙被击穿形成明亮火花,刷形放电转变成火花放电。当电源功率足够时,火花击穿迅即转变成电弧。可见火花放电和电弧放电是电晕放电恶化后更严重的放电,光辐射的性质相同,紫外辐射同样是增强的,两者的发展方向是一致的。图2.1是典型的电力设备电晕放电光谱,光谱大部分处于400nm以下的紫外区域,故可选择处于紫外区域作为检测放电的突破点。
典型电晕放电图谱
如图2.1所示,由于能级跃迁过程中的不连续性,电晕放电产生的光谱分布曲线是不连续的,它包含很多谱线,谱线高密度区域形成谱带。其中谱线非常狭窄,陡峭得像一条线,是原子能量跃迁辐射出来的,取决于原子的结构。谱带是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的,取决于分子的结构。因此,光谱随波长的分布特性表征了一定类型的原子和分子的特性。
有研究表明对空气中不同外加电压下尖板放电的电晕光谱进行了实测,如图2.2-2.4所示。
电晕光谱
上述测试结果中,电晕放电的光谱包括近紫外、可见光、红外3个谱段,既有连续谱,也有谱带和分离谱线,可知,放电过程中,不仅发生了分子的解离,而且还伴随有一定数量的原子电离。因此,空气中的电晕放电光谱包括分子光谱、原子和离子的发射光谱。在放电电压较低时,当尖一板距离不变,紫外区的辐射强度随电压的升高而增强,红外区的辐射强度随电压的升高而降低;而在电压不变的情况下,随着尖一板距离的增大红外区的辐射强度会提高,紫外辐射强度反而减弱。可见光区域对外加电压和气隙长度较不敏感。该研究说明紫外光对外加电压敏感,能用紫外辐射表征电压大小和放电强弱,因此,紫外光作为检测信号可用于高压设备的放电检测。
紫外光的波长范围是10nm-400nm,由图2.1典型放电光谱可知,其波长大部分在280nm-400nm的区域,也有小部分波长在230nm-280nm。太阳也是强烈的紫外辐射源,但由于波长小于280nm的部分被大气中的O3所吸收,所以能通过大气传输的只有280nm-400nm的紫外波段,低于280nm的波长区间称为“日盲”区。因此,为了实现在日照情况下对电气设备的放电检测,可利用这一段日盲区,采用特定的紫外线传感器,使之工作在185nm-260nm之间,从而去除其他频谱的干扰,可以得到比较理想的探测效果。

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