不同缺陷局部放電光學(xué)信號傳播特性的仿真研究

王子頡，徐安恬，趙龍健，周小麗

(1.復(fù)旦大學(xué)先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200433)

引言

氣體絕緣全封閉組合電器(gas-insulated switchgear,GIS)具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強、維護間隔長等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。然而在制造、運輸、安裝等環(huán)節(jié)可能帶入缺陷。這些缺陷使GIS在實際運行過程中發(fā)生局部放電，從而引起設(shè)備故障，甚至事故。

目前，主要有以下幾種主流的局部放電檢測方法：特高頻電磁波法、超聲波法、脈沖電流法[1,2]。但由于GIS運行環(huán)境和絕緣結(jié)構(gòu)通常很復(fù)雜，這些檢測方法在監(jiān)測時會受到各種干擾的嚴重影響，產(chǎn)生誤報和漏報。光學(xué)檢測法作為一種非電量檢測方法，具有一些明顯的優(yōu)勢。其一，不受電磁環(huán)境、設(shè)備震動的干擾，抗干擾性能強；其二，全封閉GIS的內(nèi)部不存在其他光源，檢測結(jié)果準確性高。隨著光學(xué)傳感器技術(shù)的進步，局部放電光學(xué)檢測具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，是未來局部放電檢測和監(jiān)測的重要的研究方向。

現(xiàn)有的局部放電光學(xué)檢測技術(shù)主要有直接探測、光學(xué)成像、光學(xué)—超聲波、光纖光柵等方法，常應(yīng)用于高壓電纜、變壓器等電力設(shè)備[3,4]。已有文獻對于局部放電源的光學(xué)性質(zhì)(如光譜)，以及光學(xué)信號的接收效率有深入的研究，但對于光學(xué)信號的傳播卻很少關(guān)注[5-7]。西安交通大學(xué)的韓旭濤等[8]利用仿真模型研究了傳播距離、GIS腔體結(jié)構(gòu)、放電源位置和絕緣子對于可見光的輻射通量和接收光子數(shù)的影響。實際局部放電發(fā)生時，光學(xué)信號的光譜分布范圍大，橫跨紫外光和可見光，因而利用輻射通量作為檢測量更符合實際[9]。另外，缺陷類型對發(fā)光體形狀也有影響。本文設(shè)置了三種不同形狀的缺陷模型，以相對輻射通量作為標準，觀察GIS腔體中局部放電的傳播規(guī)律。

1 仿真設(shè)置

1.1 GIS腔體模型與檢測設(shè)置

本次仿真采用直筒型GIS進行建模，其結(jié)構(gòu)近似為兩根同軸導(dǎo)體構(gòu)成的系統(tǒng)，內(nèi)導(dǎo)體半徑為45 mm，外導(dǎo)體內(nèi)徑為190 mm，壁厚為8 mm，腔體長為1.5 m，如圖1所示。GIS腔體表面材料設(shè)置為鋁金屬表面，吸收系數(shù)為30%，鏡面反射系數(shù)為20%，漫反射系數(shù)為50%，漫反射模型為雙向反射分布函數(shù)(BRDF)。另外，腔體中填充的六氟化硫(SF6)等絕緣氣體，其折射系數(shù)(1.000783)[10]和空氣非常接近，因此腔體中的光學(xué)介質(zhì)的折射系數(shù)設(shè)置為1；腔體兩端設(shè)為吸收邊界。

圖1 仿真GIS模型、檢測面和檢測角示意圖Fig.1 Diagram of GIS model,detection surface and detection angle

為了得到不同缺陷模型的光斑和變化規(guī)律，在GIS腔體內(nèi)部不同距離處設(shè)置檢測面。檢測面是垂直于腔體內(nèi)壁和內(nèi)導(dǎo)體的圓環(huán)形表面，其法線與腔體的軸線平行。從GIS腔體左端開始，每間隔250 mm設(shè)立一個檢測面，共設(shè)置五個檢測面，并依次命名為面0～4。面0為缺陷模型所在截面。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。另外，檢測面采用完全透射體模型，不吸收或者折反射任何光線，對于傳播特性無影響。

相同檢測面上不同角度檢測到的光學(xué)信號會有差別；且直筒型GIS的結(jié)構(gòu)具有軸對稱性。距離光源較遠的檢測面上輻射通量很小，設(shè)置檢測角意義不大?？紤]到以上幾個因素，本文中在檢測面1上設(shè)置了5個檢測角，分別和缺陷模型(位于面0)在徑向的投影上相差0°、45°、90°、135°和180°，依次命名為A～E，如圖1所示。每個檢測角附在腔體內(nèi)壁，具有半徑為10 mm的檢測面積，設(shè)置為完全透射體。

1.2 局部放電缺陷模型

在本文仿真中，將局部放電的缺陷模型(即放電光源)分別設(shè)置為點狀、柱狀和錐狀三種，示意圖如圖2所示。三種模型是根據(jù)不同電壓等級下，針板放電模型的發(fā)光形狀決定的。當(dāng)放電電壓較低時，僅在針尖附近發(fā)生放電，此時光源近似球狀；隨著電壓升高，針板擊穿，會有密集的束狀放電，故近似柱狀光源；放電電壓更大時，電子束外擴，以針尖為頂點，板為底面發(fā)生錐狀電子流，因而近似錐狀光源。其中，點狀光源為半徑為1 mm的球體，表面發(fā)光；柱狀光源底面半徑為1 mm，高為3 mm，側(cè)面發(fā)光；錐狀光源底面半徑為3 mm，高為3 mm，錐面發(fā)光。由于缺陷常常發(fā)生在外殼內(nèi)表面和內(nèi)導(dǎo)體表面，缺陷模型也設(shè)置在貼近表面的位置，或靠近內(nèi)導(dǎo)體表面，或靠近外殼內(nèi)壁。

圖2 局部放電缺陷模型Fig.2 Defect models of partial discharge

三種光源的參數(shù)設(shè)置均相同，以垂直表面的方式發(fā)光，輻射通量為100 W，總光線數(shù)為50萬。本文參考了文獻中以光通量作為觀測物理量的方式[8]，考慮到局部放電光譜涵蓋紫外光成分，因此將輻射通量作為本仿真中的觀測量。需要特別說明的是，實際的局部放電是一種隨機脈沖，且受到其他可變因素的影響，需要在嚴格的條件下才可能進行測定，一般會遠小于100 W，所以仿真中得到的輻射通量是基于實際輻射通量的相對值，稱為相對輻射通量(下同)。該參數(shù)不能反映實際情況的輻射通量的大小，但其變化趨勢能反映出光學(xué)信號在傳播過程中的變化，有助于總結(jié)規(guī)律。

綜上，本文利用直筒型GIS腔體，在兩個位置上，各設(shè)置了三種缺陷模型的仿真光源。在缺陷模型光源參數(shù)相同的條件下，觀察4個檢測面和5個檢測角的光斑以及相對輻射通量并進行分析討論。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 檢測面的光斑與相對輻射通量

圖3是缺陷模型在內(nèi)導(dǎo)體表面時，檢測面上的光斑分布。其中，每一行表示不同缺陷模型的光斑，括號內(nèi)的數(shù)字為該行顏色最深(即輻射照度最大，通過該區(qū)域的光線最多)區(qū)域所對應(yīng)的數(shù)值；每一列表示不同距離檢測面上的光斑。從圖3中可以看出，三種缺陷模型在檢測面上的光斑各有特點。點狀模型的光斑呈扇形，中間區(qū)域偏紅，兩端偏綠，非扇形區(qū)域為藍色；隨著距離增加，光斑逐漸變淡，和其他區(qū)域的差異逐漸變小。柱狀模型的光斑呈紅色的“又”字形；不論在哪個距離的檢測面上，光斑和周圍其他區(qū)域的對比都非常明顯。錐狀模型僅在檢測面1上留下了尖弧形的光斑和模糊的扇形光斑；隨著距離增加，檢測面上的光斑變成均勻分布，且整體變淡。

圖3 缺陷模型在內(nèi)導(dǎo)體表面時，各個檢測面上的光斑Fig.3 Light spots on detection surface (defect models near the inner conductor surface)

圖4是缺陷模型在外殼內(nèi)表面時，檢測面上的光斑分布情況。點狀模型的光斑呈扇形，面積比在內(nèi)導(dǎo)體表面時的光斑更大；位于檢測面下方還有一條明顯的光斑輪廓線，這是由于腔體多次反射形成的結(jié)果。柱狀模型的光斑與內(nèi)導(dǎo)體表面情況大不相同，呈圓弧狀，與其他區(qū)域差異明顯；在檢測面1上還有面積較大的扇形光斑。錐狀模型光斑圖形最為復(fù)雜：檢測面1上的光斑由圓弧形線條和“父”字形構(gòu)成；檢測面2的光斑為“八”字形，檢測面3和4光斑均勻。和圖3中的光斑相比，點狀和錐狀缺陷模型的光斑都呈現(xiàn)了擴張的趨勢；柱狀模型的光斑和周圍的差異一直很鮮明。

圖5展示了上述各種情況下檢測面上的相對輻射通量。與光斑變化趨勢一致，相對輻射通量隨著檢測距離增加而減小。此外，三種缺陷模型的相對輻射通量的變化也有差異。首先，點狀模型的兩條連線(圖5中內(nèi)導(dǎo)體點狀和外殼點狀)幾乎平行，距離很近，說明點狀模型在腔體截面的位置對相對輻射通量的變化規(guī)律影響甚微，且數(shù)值差異很小。其次，柱狀模型在兩個不同表面時，相對輻射通量的變化規(guī)律也很相似，但數(shù)值差異非常大，在內(nèi)導(dǎo)體表面時的數(shù)值超過在外殼內(nèi)表面的1.5倍。最后，錐狀模型在內(nèi)導(dǎo)體和外殼位置的變化規(guī)律差異較大，兩者的相對輻射通量的差值隨著檢測距離的增加而減小，甚至重合；說明錐狀模型的位置對于距離越近的檢測面影響越大，而對于距離遠的檢測面影響越小。

從相對輻射通量的數(shù)值上看，檢測面1上的數(shù)值落在15～35 W之間，多數(shù)在15～20 W，與仿真設(shè)置的100 W相對輻射通量相比而言，約減小了80%。隨著傳播距離增加，減小程度增大，檢測面4的相對輻射通量不到缺陷模型原始數(shù)值的5%。實際的局部放電情況受到各種因素的影響，輻射通量比仿真設(shè)置的數(shù)值更小，這就要求探測器具有較高的靈敏度，并且對于探測器位置設(shè)置提出了要求。后續(xù)的光學(xué)檢測裝置的探測器選取和位置可以參考仿真結(jié)果進行設(shè)計。

2.2 檢測角的相對輻射通量

圖6是位于檢測面1上得到的相對輻射通量與檢測角的關(guān)系。由于缺陷模型和GIS腔體的位置成軸對稱關(guān)系，因此僅考慮單側(cè)五個檢測角(A～E)。從數(shù)值大小來看，僅在內(nèi)導(dǎo)體表面的柱狀缺陷模型條件下，檢測角D的相對輻射通量接近120 mW；其他的相對輻射通量均小于80 mW；大部分的數(shù)據(jù)分布在20～40 mW之間。檢測角E上相對輻射通量的數(shù)值相比于其他檢測角都小，主要原因在于內(nèi)導(dǎo)體遮擋了缺陷模型的直射光。

從連線包圍的圖形來看，點狀模型的包圍圖形的面積相比與其他模型稍大，說明了該模型光學(xué)信號輻射范圍大；當(dāng)點狀缺陷在內(nèi)導(dǎo)體表面上時，包圍圖形大部分在上方，而在外殼內(nèi)表面時的情況相反。柱狀缺陷的連線圖形是三種缺陷中最不規(guī)則的。錐狀缺陷的連線圖形近似半橢圓形，缺陷位置對于檢測角有微弱的影響；缺陷在內(nèi)導(dǎo)體表面上時，連線圖形較窄較長檢測角A、E上的數(shù)值比C小，而當(dāng)缺陷在外殼內(nèi)表面上時連線圖較扁較寬；檢測角A、E上的數(shù)值比C大。

從上述仿真中可以看出，不同形狀的缺陷模型局部放電光學(xué)信號的傳播規(guī)律有相似性，也有差異。相似的地方在于，光學(xué)信號隨著傳播距離的增加而減弱，本文中三種缺陷在檢測面的相對輻射通量數(shù)值呈現(xiàn)非線性的下降過程。差異在于以下兩點：三種缺陷模型在檢測面上的光斑和檢測角數(shù)值連線各有特點；三種缺陷模型的光學(xué)信號隨著傳播距離增加而減弱的程度各不相同。

3 總結(jié)

我們建立了直筒型GIS腔體模型，設(shè)置了檢測面和檢測角來觀察并研究三種局部放電缺陷模型光學(xué)信號的傳播規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)不同缺陷模型的光學(xué)信號隨著傳播距離增加而逐漸減小，但檢測面上光斑、光學(xué)信號的減小程度隨著缺陷模型不同而不同，可作為判斷缺陷類型的依據(jù)之一。

2)各個檢測面上的相對輻射通量受到直射光影響程度大；檢測面4上(橫向傳播距離近1 m)的相對輻射通量衰減為缺陷模型初始值的10%以下。

3)不同缺陷模型在各個檢測角上的數(shù)值差異較??；在原始輻射通量為100 W條件下，檢測角的相對輻射通量主要分布在20～40 mW之間，個別條件下檢測角的數(shù)值會達到60 mW，甚至120 mW。

以上幾點有助于了解GIS腔體中不同缺陷局部放電光學(xué)信號的傳播規(guī)律，通過信號衰減和光斑等特征來設(shè)計檢測對象，增加缺陷模型的判定依據(jù)；另外，綜合考慮檢測距離、位置和設(shè)備靈敏度，為監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

本文研究主要建立在相對輻射通量這個參數(shù)上，除輻射通量以外，輻射照度、輻射強度、光線數(shù)量等參數(shù)也可以作為觀測和分析的標準，進行仿真研究。另外，通過在不同檢測面上設(shè)置不同檢測角，可能實現(xiàn)對于局部放電缺陷位置和類型的判別，但所需檢測角的個數(shù)和設(shè)置位置需要更進一步的研究。