特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法技术

一种特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法，该方法采用的诊断系统由远程激光共振拉曼测试系统（1）与旋转升降调节支架（19）构成。远程激光共振拉曼测试系统由主控制分析子系统（10）、可见光成像子系统（9）、紫外光源子系统（12）、卡式望远镜（21）、紫外光谱仪（4）及光学附件组成。通过对早期电晕放电的化学效应中产生的极其微量的臭氧、二氧化氮及一氧化氮气体分子进行激光共振拉曼光谱检测，实现对电晕放电的早期诊断。本发明专利技术通过可见光成像与激光共振拉曼光谱检测光路共用及自动对焦技术，完成远程可视化光谱检测操作，实现极高灵敏度的臭氧分子共振拉曼光谱探测及对一氧化氮及二氧化氮的拉曼光谱进行有效探测。

【技术实现步骤摘要】
特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法
本专利技术涉及一种特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法，采用了激光共振拉曼技术，属于光电测试

技术介绍
特高压输电指的是1000kV交流电压和正负800kV直流电压输电工程和技术。随着特高压电网的逐步建成，其运行的安全保障非常重要。在特高压电网事故中，绝缘事故发生的频率较高，尤其是在特高压强电场的作用下，电气设备的电晕放电是较易发生的事故，电晕放电是一种气体电离后的放电形式，是一种强大的电磁干扰源。电晕放电会造成电能损耗，对通信的干扰，缩短输电线路的使用寿命。为有针对性地减少电晕放电的危害，在线监测与诊断十分必要。特高压电网绝缘要求高、离地高度大、线路塔架跨度大，因此在线检测必需采用远程方法。目前，常用的电晕放电检测有红外成像法、紫外成像法、超声波探测仪等。电晕是一种发光的表面局部放电，由于空气局部高强度而产生电离，该过程引起微小的热量，红外成像法无法识别。电气设备发生局部放电或电晕时，会伴随辐射出紫外线，其波长范围在10-400nm。紫外成像法工作波段在240-280nm，可进行检测。但对于早期电晕放电而言，其强度极微弱，辐射的紫外线强度很小，对于远程检测的紫外成像仪，很难从背景干扰中通过紫外图像灰度差异判断出电晕放电紫外辐射。超声波探测仪通过对电晕放电产生噪声的超声波部分的探测，对电晕放电进行诊断，但远程的超声探测易受环境噪声影响，此外，早期电晕放电强度极弱，导致其超声波频段噪声强度极弱，很难被检测。公开号CN102331540公开了一种特高压输电线路电晕放电在线监测装置及方法，它是通过电晕放电后，监测放电发出的紫外光来分析判断，它可对特高压输电线路电晕放电后的进行监测，但其不能对早期电晕放电进行监测。
技术实现思路
本专利技术的目的是，为了解决早期电晕放电的远程在线检测难题，本专利技术提供一种基于激光共振拉曼光谱方法，用以对早期电晕放电的化学效应中产生的极其微量的臭氧、二氧化氮及一氧化氮气体分子进行检测，从而实现对电晕放电的早期诊断。本专利技术采用的激光共振拉曼光谱检测方法是一种极其灵敏的光谱方法，其采用与待测分子电子吸收峰频率一致或接近的激光对待测分子进行激发，待测分子产生的共振拉曼散射比受激拉曼散射强度大104-106倍，其灵敏度已达到单分子检测水平。此外，激光共振拉曼光谱检测采用的激光波长位于紫外段，可有效克服荧光对拉曼信号的干涉。本专利技术的技术方案是这样来实现的：本专利技术特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法通过特高压电晕放电早期诊断系统来实现。一种特高压电晕放电早期诊断系统由远程激光共振拉曼测试系统与旋转升降调节支架构成。远程激光共振拉曼测试系统固定安装在旋转升降调节支架上，可通过操作旋转升降调节支架进行远程激光共振拉曼测试系统的升降调节及旋转调节，从而灵活地改变主光轴的方向。远程激光共振拉曼测试系统由主控制分析子系统、可见光成像子系统、紫外光源子系统、卡式望远镜、紫外光谱仪及光学附件组成。可见光成像子系统包含面阵CCD、驱动及成像输出电路及显示屏，用于对电晕放电监测区域的远距离可见光成像。紫外光源子系统包含高重频超短脉冲激光器、倍频晶体组件、PCF（光子晶体光纤）耦合器、PCF、紫外窄带滤光片及扩束镜，所述高重频超短脉冲激光器，发出的脉冲激光经过倍频晶体组件，经过PCF耦合器进入PCF，得到紫外超连续谱脉冲激光输出，再经紫外窄带滤光片，得到波长为λ1的紫外脉冲激光，再经扩束镜扩束。紫外光源子系统用于产生紫外谱段某一波长的脉冲激光；紫外光源子系统产生的激光束与卡式望远镜光轴重合，该光轴为远程激光共振拉曼测试系统主光轴。卡式望远镜，即卡塞格林望远镜，它的核心组件是主镜、次镜和次镜电动伺服机构。其中主镜为中心开孔镀银凹面反射镜，次镜为镀银凸面反射镜，次镜电动伺服机构可带动次镜沿主光轴前后移动。卡式望远镜用于对紫外光源子系统输出的脉冲激光进行远程聚焦及对共振拉曼光谱信号的采集。光学附件包括圆孔耦合器、光纤、紫外可见分束镜及分束镜；分束镜与主光轴成45度角放置，镀有波长为λ1(即激发臭氧产生共振激光拉曼效应所需的激光波长)的高透膜及紫外可见高反膜；次光轴与主光轴垂直；紫外可见分束镜与分束镜平行放置，与次光轴夹角为45度，次光轴与紫外可见分束镜交点为A；紫外可见分束镜镀有紫外谱段高透膜及可见谱段高反膜；圆孔耦合器与面阵CCD关于紫外可见分束镜共轭对称，即A点到圆孔耦合器的距离等于A点到面阵CCD的距离；圆孔耦合器中心孔直径与光纤外径相等。主控制分析子系统，含有控制硬件及主机软件，用于控制紫外光谱仪、可见光成像子系统、高重频超短脉冲激光器及次镜电动伺服机构的工作；接收面阵CCD的输出数字图像并进行分析；接收紫外光谱仪的输出光谱信号并进行分析。当需要对特高压电晕放电进行早期诊断时，按以下步骤进行检测：(1)粗调操作旋转升降调节支架进行远程激光共振拉曼测试系统的升降调节及旋转调节，改变主光轴的方向，使其目测初步对准电晕放电监测区域。主控制分析子系统发出指令，启动驱动及成像输出电路，使面阵CCD开始工作。可见光成像子系统通过卡式望远镜对其视场范围内的物体进行远距离可见光谱段数字成像，视场范围内的物体发出的可见谱段光线依次经过主镜、次镜、分束镜、紫外可见分束镜反射，成像于面阵CCD。面阵CCD输出的数字图像，一路被主控制分析子系统接收，另一路同时输出在显示屏上实时显示。(2)细调及自动对焦观察显示屏上的实时图像，同时微调旋转升降调节支架，改变主光轴的方向，使电晕放电监测区域准确显示在显示屏上，即使电晕放电监测区域准确成像到面阵CCD上。此时，主控制分析子系统接收面阵CCD输出的数字图像，对其实时进行快速傅立叶变换，随后进行实时频域分析。同时，主控制分析子系统发出控制指令，启动次镜电动伺服机构，带动次镜沿主光轴前后移动。在移动的过程中，对实时数字图像的实时频域分析同步进行，当频域中的高频分量占总频域分布的比例最高时，即面阵CCD输出的数字图像细节最丰富时，则处在合焦状态，即远距离处的电晕放电监测区域通过卡式望远镜成像的合焦平面与面阵CCD完全重合。此时，主控制分析子系统发出控制指令，停止次镜电动伺服机构的工作。(3)紫外脉冲激光远程聚焦主控制分析子系统发出指令，启动高重频超短脉冲激光器，发出的脉冲激光经过倍频晶体组件，经过PCF耦合器进入PCF，得到紫外超连续谱脉冲激光输出，再经紫外窄带滤光片，得到波长为λ1（即激发臭氧产生共振激光拉曼效应所需的激光波长）的紫外脉冲激光，再经扩束镜（表面镀有波长为λ1的增透膜）扩束，从卡式望远镜的主镜的中心孔穿进。再经次镜及主镜的镀银反射面反射后，聚焦于远距离的激光聚焦点。激光聚焦点为电晕放电监测区域与主光轴的交点。(4)激光共振拉曼分析大气层高度1km以下，臭氧的含量极低、而一氧化氮、二氧化氮的含量和大气的污染程度有关，在污染程度大的地方，含量相对高些；在污染程度低的地方，含量很低。本专利技术主要通过对激光聚焦点处的臭氧分子检测，辅以对一氧化氮、二氧化氮分子的检测来对早期电晕放电进行诊断。臭氧分子、一氧化氮分子、二氧化氮分子对应的特征斯托克斯拉曼频移不同，对波长为λ1的激光激发波长而言，臭氧分子对应的斯托克斯拉曼散射波长为λ2；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种特高压电晕放电早期诊断系统，包括旋转升降调节支架，其特征在于，还包括远程激光共振拉曼测试系统；所述远程激光共振拉曼测试系统包括：主控制分析子系统，含有控制硬件及主机软件，用于控制紫外光谱仪、高重频超短脉冲激光器及次镜电动饲服机构的工作；接收面阵CCD 的输出数字图像并进行分析；接收紫外光谱仪的输出光谱信号并进行分析；可见光成像子系统；用于对电晕放电监测区域的远距离可见光成像；紫外光源子系统；用于产生紫外谱段某一波长的脉冲激光；卡式望远镜，用于对紫外光源子系统输出的脉冲激光进行远程聚焦及对共振拉曼光谱信号的采集；紫外光谱仪，用于对测试点激光共振拉曼散射信号进行光谱分析；以及，光学附件。

【技术特征摘要】
1.一种特高压电晕放电早期诊断系统，包括旋转升降调节支架，其特征在于，还包括远程激光共振拉曼测试系统；所述远程激光共振拉曼测试系统包括主控制分析子系统、可见光成像子系统、紫外光源子系统、卡式望远镜和紫外光谱仪；所述可见光成像子系统，包含面阵CCD、驱动及成像输出电路及显示屏；所述紫外光源子系统，包含高重频超短脉冲激光器、倍频晶体组件、PCF耦合器、PCF、紫外窄带滤光片及扩束镜；所述高重频超短脉冲激光器，发出的脉冲激光经过倍频晶体组件，经过PCF耦合器进入PCF，得到紫外超连续谱脉冲激光输出，再经紫外窄带滤光片，得到波长为λ1的紫外脉冲激光，再经扩束镜扩束，再穿过卡式望远镜，形成远程激光共振拉曼测试系统主光轴；所述卡式望远镜的核心组件是主镜、次镜和次镜电动伺服机构；所述特高压电晕放电早期诊断系统的激光共振拉曼诊断方法包括以下步骤：(1)粗调操作旋转升降调节支架进行远程激光共振拉曼测试系统的升降调节及旋转调节，改变主光轴的方向，使其目测初步对准电晕放电监测区域；主控制分析子系统发出指令，启动驱动及成像输出电路，使面阵CCD开始工作；可见光成像子系统通过卡式望远镜对其视场范围内的物体进行远距离可见光谱段数字成像，视场范围内的物体发出的可见谱段光线依次经过主镜、次镜、分束镜、紫外可见分束镜反射，成像于面阵CCD；面阵CCD输出的数字图像，一路被主控制分析子系统接收，另一路同时输出在显示屏上实时显示；(2)细调及自动对焦观察显示屏上的实时图像，同时微调旋转升降调节支架，改变主光轴的方向，使电晕放电监测区域准确显示在显示屏上，即使电晕放电监测区域准确成像到面阵CCD上；此时，主控制分析子系统接收面阵CCD输出的数字图像，对其实时进行快速傅立叶变换，随后进行实时频域分析；同时，主控制分析子系统发出控制指令，启动次镜电动饲服机构，带动次镜沿主光轴前后移动；在移动的过程中，对实时数字图像的实时频域分析同步进行，当频域中的高频分量占总频域分布的比例最高时，即面阵CCD输出的数字图像细节最丰富时，则处在合焦状态，即远距离处的电晕放电监测区域通过卡式望远镜成像的合焦平面与面阵CCD完全重合；此时，主控制分析子系统发出控制指令，停止次镜电动饲服机构的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：万雄，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网江西省电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11