一种无滤光片日盲紫外局部放电光谱探测装置及检测方法

本发明属于电力光学检测设备，具体涉及一种基于透镜轴向色差的无滤光片日盲紫外局部放电光谱探测装置及检测方法

背景技术：

1、高压电气设备局部放电会释放 200～280nm 日盲紫外光，通过检测该波段紫外信号可实现绝缘缺陷预警。200～280nm 属于日盲紫外区间，地面无太阳光干扰，不同波段紫外光对应不同绝缘故障：220～230nm为金属毛刺、悬浮颗粒引发的高危击穿放电；230～260nm为触头、套管沿面污秽放电；260～280nm为轻微低危电晕放电。现有检测设备仅能采集全波段混合光强，无法区分故障类型；采用滤光片分光会大幅衰减微弱放电信号，因此需要设备能够分别聚焦不同波段紫外光，实现故障分级判定。

2、目前行业主流检测方案分为两类：硅基紫外检测设备与色差分光式光谱检测装置。

3、第一类：硅基紫外检测设备。传统硅基紫外传感器禁带宽度窄，对日光紫外、可见光均存在响应，必须搭配窄带滤光片使用，这是本领域公知的。滤光片普遍存在三大固有缺陷：一是波段透过误差，导致检测精度下降；二是温漂衰减，在户外温度波动环境下性能不稳定；三是长期使用后透光波段发生偏移的老化现象。此外，滤光片本身会对微弱的放电紫外信号造成衰减，进一步降低设备探测灵敏度，且此类系统仅能采集全波段混合光强，无法区分不同类型局部放电对应的特征波段。

4、第二类：色差分光式光谱检测装置。专利cn104792697a公开了一种透镜色差式光谱测量装置，依靠透镜轴向色差实现光谱分辨，该装置设置前置针孔结构约束光束，适配400～1700nm 可见光、近红外波段通用光谱采集。该装置存在两个关键不适配：首先，针孔结构会大幅衰减光束能量，无法适配高压设备微弱局部放电紫外信号采集；其次，该专利采用普通光学透镜，无法透过200～280nm 日盲紫外光，无针对电力户外检测场景的适配优化，仍需额外增设滤光片抑制日光干扰。因此该类色差分光方案无法直接迁移至日盲紫外微弱局放检测场景。

5、综上，现有技术均无法在无滤光片、无针孔衰减结构的前提下，适配日盲紫外微弱放电信号的分波段检测，存在检测误差大、灵敏度不足、结构复杂、无法区分不同类型局部放电的缺陷，亟需一种结构精简、灵敏度高、可区分放电类型的新型日盲紫外局部放电探测装置。

技术实现思路

1、本发明旨在解决传统局部放电紫外检测依赖滤光片所带来的检测误差，以及现有色差分光光路因存在针孔结构而导致光损耗大、无法适配微弱日盲紫外信号检测的技术问题，提供一种基于透镜轴向色差的无滤光片日盲紫外局部放电光谱探测装置及检测方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种无滤光片日盲紫外局部放电光谱探测装置，包括：

4、熔融石英紫外聚光透镜；

5、轴向位移调节机构，用于承载并带动所述熔融石英紫外聚光透镜沿光轴方向前后平移；

6、日盲紫外探测器，固定设置于所述熔融石英紫外聚光透镜的后方，其感光面与所述熔融石英紫外聚光透镜的中心光轴垂直对齐；

7、主控处理电路板，分别与所述轴向位移调节机构和所述日盲紫外探测器电连接；

8、所述装置无滤光片、无前置针孔；

9、所述熔融石英紫外聚光透镜为唯一的光学分光元件，其对200～280nm日盲紫外波段光线具有高透过率；

10、所述轴向位移调节机构通过改变所述熔融石英紫外聚光透镜与所述日盲紫外探测器感光面之间的轴向间距，利用所述熔融石英紫外聚光透镜在200～280nm日盲紫外波段的轴向色差，使不同波长的紫外光依次聚焦于所述日盲紫外探测器的感光面上，实现无滤光片的分波段光谱探测；

11、所述日盲紫外探测器为algan型日盲紫外探测器，对波长大于280nm的光线无光电响应，以在取消滤光片后从电学层面抑制日光杂光干扰。

12、进一步地，所述轴向位移调节机构包括：至少一条直线导轨；滑块，滑动设置于所述直线导轨上；透镜夹持座，固定连接于所述滑块上，用于夹持所述熔融石英紫外聚光透镜，且所述透镜夹持座仅夹持所述熔融石英紫外聚光透镜的外缘，不遮挡其中心光路；传动丝杆，水平穿过所述滑块，并与所述滑块螺纹配合；微型步进驱动电机，其输出轴与所述传动丝杆同轴刚性连接，用于驱动所述传动丝杆旋转，从而带动所述滑块沿所述直线导轨做轴向平移；行程限位挡块，设置于所述直线导轨的两端，用于限制所述滑块的行程范围。

13、进一步地，所述行程限位挡块限制所述滑块的有效调节行程为0～10mm，所述微型步进驱动电机的最小步进调节精度为5μm。

14、进一步地，所述熔融石英紫外聚光透镜的外缘套设有硅胶防滑框，并通过所述硅胶防滑框与所述透镜夹持座软性夹持配合。

15、进一步地，所述装置还包括探测器夹持座，所述日盲紫外探测器通过所述探测器夹持座刚性固定，且所述日盲紫外探测器的位置在探测过程中保持静止。

16、进一步地，所述主控处理电路板存储有波长-间距标定公式，所述标定公式为二次多项式：λ = a·d² + b·d + c；其中，λ为入射日盲紫外光的波长，d为所述熔融石英紫外聚光透镜与所述日盲紫外探测器感光面之间的轴向间距，a、b、c为预先标定的固定拟合常数。

17、本发明还提供一种基于上述任一项技术方案所述的无滤光片日盲紫外局部放电光谱探测装置的检测方法，包括以下步骤：

18、s1、光路标定：使用多个已知波长的标准单色日盲紫外光源，依次照射所述探测装置，通过所述轴向位移调节机构连续改变所述熔融石英紫外聚光透镜与所述日盲紫外探测器感光面之间的轴向间距，记录每个标准波长对应的光强峰值时的轴向间距，拟合得到波长-间距标定曲线；

19、s2、现场对准与信号采集：将所述探测装置对准待测高压电气设备的绝缘缺陷区域，采集局部放电产生的日盲紫外光；

20、s3、透镜轴向扫描与波长反演：通过所述轴向位移调节机构驱动所述熔融石英紫外聚光透镜轴向平移，同步采集所述日盲紫外探测器的输出光强信号，捕捉光强峰值对应的轴向间距，代入步骤s1得到的标定曲线，反演得到局部放电紫外光的特征波长；

21、s4、故障分级预警：根据步骤s3反演得到的特征波长所在的波段区间，判断局部放电的故障类型，并输出相应的预警信号。

22、进一步地，步骤s1中，所述标准单色日盲紫外光源的波长选自220nm、245nm、260nm、270nm和280nm中的至少三种，所述拟合采用最小二乘法。

23、进一步地，步骤s4中，所述故障类型的判断依据为：特征波长在220～230nm区间时，判定为金属悬浮颗粒高危放电；特征波长在230～260nm区间时，判定为触头沿面污秽放电；特征波长在260～280nm区间时，判定为低危电晕放电。

24、进一步地，在步骤s4之后还包括步骤s5：自动复位与循环检测，完成单次信号采集、波长反演与故障判定后，控制所述轴向位移调节机构将所述熔融石英紫外聚光透镜复位至标定基准间距，并在预设检测周期后重复执行步骤s2至s4。

25、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:

26、1、本发明采用熔融石英紫外聚光透镜搭配algan日盲紫外探测器，构建了“光学选通+电学屏蔽”两级杂光抑制体系。熔融石英透镜高效透过220～280nm的局放特征紫外光，而algan探测器对280nm以上的日光杂光无响应，两者协同作用，使得装置在户外强光环境下也能稳定工作，完全取消了传统方案中必需的窄带滤光片，从根本上消除了滤光片带来的波段误差、温漂衰减和老化偏移等问题。

27、2、本发明取消了现有色差光谱设备中必备的前置针孔结构。透镜夹持座仅夹持透镜外缘，中心光路完全通透无遮挡，避免了针孔对微弱放电紫外光的能量损耗，极大地提升了微弱局放信号的检测灵敏度。

28、3、本发明建立了熔融石英透镜在日盲紫外波段的波长-间距二次多项式标定公式。通过简单的轴向位移扫描，即可根据光强峰值对应的透镜间距，精确反演出局部放电紫外光的特征波长，实现了对不同放电类型的定量识别和故障分级预警，检测精度高，波长反演误差可控制在0.8nm以内。

29、4、本发明采用透镜移动、探测器固定的布局，简化了后端信号接线，避免了线缆拉扯造成的信号干扰。同时，整个装置光路结构极为精简，仅由石英透镜、位移滑台和日盲探测器三部分同轴组成，整机体积小巧，便于集成和安装，尤其适合高压开关柜、gis等狭小空间的应用场景。此外，单次检测完成后装置可自动复位并按预设周期循环执行检测，实现全天候无人值守在线监测。