王子頡，徐安恬，趙龍健，周小麗

(1.復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)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(qiáng)、維護(hù)間隔長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。然而在制造、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)可能帶入缺陷。這些缺陷使GIS在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(cè)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(yùn)行環(huán)境和絕緣結(jié)構(gòu)通常很復(fù)雜，這些檢測(cè)方法在監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)受到各種干擾的嚴(yán)重影響，產(chǎn)生誤報(bào)和漏報(bào)。光學(xué)檢測(cè)法作為一種非電量檢測(cè)方法，具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)。其一，不受電磁環(huán)境、設(shè)備震動(dòng)的干擾，抗干擾性能強(qiáng)；其二，全封閉GIS的內(nèi)部不存在其他光源，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性高。隨著光學(xué)傳感器技術(shù)的進(jìn)步，局部放電光學(xué)檢測(cè)具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，是未來(lái)局部放電檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的重要的研究方向。

現(xiàn)有的局部放電光學(xué)檢測(cè)技術(shù)主要有直接探測(cè)、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(xiàn)對(duì)于局部放電源的光學(xué)性質(zhì)(如光譜)，以及光學(xué)信號(hào)的接收效率有深入的研究，但對(duì)于光學(xué)信號(hào)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(duì)于可見(jiàn)光的輻射通量和接收光子數(shù)的影響。實(shí)際局部放電發(fā)生時(shí)，光學(xué)信號(hào)的光譜分布范圍大，橫跨紫外光和可見(jiàn)光，因而利用輻射通量作為檢測(cè)量更符合實(shí)際[9]。另外，缺陷類型對(duì)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(duì)輻射通量作為標(biāo)準(zhǔn)，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(cè)設(shè)置

本次仿真采用直筒型GIS進(jìn)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(zhǎng)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(cè)面和檢測(cè)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(cè)面。檢測(cè)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(kāi)始，每間隔250 mm設(shè)立一個(gè)檢測(cè)面，共設(shè)置五個(gè)檢測(cè)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(cè)面采用完全透射體模型，不吸收或者折反射任何光線，對(duì)于傳播特性無(wú)影響。

相同檢測(cè)面上不同角度檢測(cè)到的光學(xué)信號(hào)會(huì)有差別；且直筒型GIS的結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性。距離光源較遠(yuǎn)的檢測(cè)面上輻射通量很小，設(shè)置檢測(cè)角意義不大?？紤]到以上幾個(gè)因素，本文中在檢測(cè)面1上設(shè)置了5個(gè)檢測(cè)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(gè)檢測(cè)角附在腔體內(nèi)壁，具有半徑為10 mm的檢測(cè)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(diǎn)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(jí)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(shí)，僅在針尖附近發(fā)生放電，此時(shí)光源近似球狀；隨著電壓升高，針板擊穿，會(huì)有密集的束狀放電，故近似柱狀光源；放電電壓更大時(shí)，電子束外擴(kuò)，以針尖為頂點(diǎn)，板為底面發(fā)生錐狀電子流，因而近似錐狀光源。其中，點(diǎn)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(wàn)。本文參考了文獻(xiàn)中以光通量作為觀測(cè)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(cè)量。需要特別說(shuō)明的是，實(shí)際的局部放電是一種隨機(jī)脈沖，且受到其他可變因素的影響，需要在嚴(yán)格的條件下才可能進(jìn)行測(cè)定，一般會(huì)遠(yuǎn)小于100 W，所以仿真中得到的輻射通量是基于實(shí)際輻射通量的相對(duì)值，稱為相對(duì)輻射通量(下同)。該參數(shù)不能反映實(shí)際情況的輻射通量的大小，但其變化趨勢(shì)能反映出光學(xué)信號(hào)在傳播過(guò)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(gè)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(gè)檢測(cè)面和5個(gè)檢測(cè)角的光斑以及相對(duì)輻射通量并進(jìn)行分析討論。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)面的光斑與相對(duì)輻射通量

圖3是缺陷模型在內(nèi)導(dǎo)體表面時(shí)，檢測(cè)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(hào)內(nèi)的數(shù)字為該行顏色最深(即輻射照度最大，通過(guò)該區(qū)域的光線最多)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的數(shù)值；每一列表示不同距離檢測(cè)面上的光斑。從圖3中可以看出，三種缺陷模型在檢測(cè)面上的光斑各有特點(diǎn)。點(diǎn)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?yàn)樗{(lán)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(gè)距離的檢測(cè)面上，光斑和周圍其他區(qū)域的對(duì)比都非常明顯。錐狀模型僅在檢測(cè)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(cè)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(shí)，各個(gè)檢測(cè)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(shí)，檢測(cè)面上的光斑分布情況。點(diǎn)狀模型的光斑呈扇形，面積比在內(nèi)導(dǎo)體表面時(shí)的光斑更大；位于檢測(cè)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(cè)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(cè)面1上的光斑由圓弧形線條和“父”字形構(gòu)成；檢測(cè)面2的光斑為“八”字形，檢測(cè)面3和4光斑均勻。和圖3中的光斑相比，點(diǎn)狀和錐狀缺陷模型的光斑都呈現(xiàn)了擴(kuò)張的趨勢(shì)；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(cè)面上的相對(duì)輻射通量。與光斑變化趨勢(shì)一致，相對(duì)輻射通量隨著檢測(cè)距離增加而減小。此外，三種缺陷模型的相對(duì)輻射通量的變化也有差異。首先，點(diǎn)狀模型的兩條連線(圖5中內(nèi)導(dǎo)體點(diǎn)狀和外殼點(diǎn)狀)幾乎平行，距離很近，說(shuō)明點(diǎn)狀模型在腔體截面的位置對(duì)相對(duì)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(gè)不同表面時(shí)，相對(duì)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(shí)的數(shù)值超過(guò)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(duì)輻射通量的差值隨著檢測(cè)距離的增加而減小，甚至重合；說(shuō)明錐狀模型的位置對(duì)于距離越近的檢測(cè)面影響越大，而對(duì)于距離遠(yuǎn)的檢測(cè)面影響越小。

從相對(duì)輻射通量的數(shù)值上看，檢測(cè)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(duì)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(cè)面4的相對(duì)輻射通量不到缺陷模型原始數(shù)值的5%。實(shí)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(cè)器具有較高的靈敏度，并且對(duì)于探測(cè)器位置設(shè)置提出了要求。后續(xù)的光學(xué)檢測(cè)裝置的探測(cè)器選取和位置可以參考仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 檢測(cè)角的相對(duì)輻射通量

圖6是位于檢測(cè)面1上得到的相對(duì)輻射通量與檢測(cè)角的關(guān)系。由于缺陷模型和GIS腔體的位置成軸對(duì)稱關(guān)系，因此僅考慮單側(cè)五個(gè)檢測(cè)角(A～E)。從數(shù)值大小來(lái)看，僅在內(nèi)導(dǎo)體表面的柱狀缺陷模型條件下，檢測(cè)角D的相對(duì)輻射通量接近120 mW；其他的相對(duì)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(cè)角E上相對(duì)輻射通量的數(shù)值相比于其他檢測(cè)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(lái)看，點(diǎn)狀模型的包圍圖形的面積相比與其他模型稍大，說(shuō)明了該模型光學(xué)信號(hào)輻射范圍大；當(dāng)點(diǎn)狀缺陷在內(nèi)導(dǎo)體表面上時(shí)，包圍圖形大部分在上方，而在外殼內(nèi)表面時(shí)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(duì)于檢測(cè)角有微弱的影響；缺陷在內(nèi)導(dǎo)體表面上時(shí)，連線圖形較窄較長(zhǎng)檢測(cè)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(shí)連線圖較扁較寬；檢測(cè)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(hào)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(hào)隨著傳播距離的增加而減弱，本文中三種缺陷在檢測(cè)面的相對(duì)輻射通量數(shù)值呈現(xiàn)非線性的下降過(guò)程。差異在于以下兩點(diǎn)：三種缺陷模型在檢測(cè)面上的光斑和檢測(cè)角數(shù)值連線各有特點(diǎn)；三種缺陷模型的光學(xué)信號(hào)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(cè)面和檢測(cè)角來(lái)觀察并研究三種局部放電缺陷模型光學(xué)信號(hào)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(hào)隨著傳播距離增加而逐漸減小，但檢測(cè)面上光斑、光學(xué)信號(hào)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(gè)檢測(cè)面上的相對(duì)輻射通量受到直射光影響程度大；檢測(cè)面4上(橫向傳播距離近1 m)的相對(duì)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(gè)檢測(cè)角上的數(shù)值差異較小；在原始輻射通量為100 W條件下，檢測(cè)角的相對(duì)輻射通量主要分布在20～40 mW之間，個(gè)別條件下檢測(cè)角的數(shù)值會(huì)達(dá)到60 mW，甚至120 mW。

以上幾點(diǎn)有助于了解GIS腔體中不同缺陷局部放電光學(xué)信號(hào)的傳播規(guī)律，通過(guò)信號(hào)衰減和光斑等特征來(lái)設(shè)計(jì)檢測(cè)對(duì)象，增加缺陷模型的判定依據(jù)；另外，綜合考慮檢測(cè)距離、位置和設(shè)備靈敏度，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

本文研究主要建立在相對(duì)輻射通量這個(gè)參數(shù)上，除輻射通量以外，輻射照度、輻射強(qiáng)度、光線數(shù)量等參數(shù)也可以作為觀測(cè)和分析的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行仿真研究。另外，通過(guò)在不同檢測(cè)面上設(shè)置不同檢測(cè)角，可能實(shí)現(xiàn)對(duì)于局部放電缺陷位置和類型的判別，但所需檢測(cè)角的個(gè)數(shù)和設(shè)置位置需要更進(jìn)一步的研究。