GIS中點狀放電源光學信號傳播特性的仿真研究

徐安恬，周小麗，崔剛剛，劉木清

(1.復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433；2.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433)

引言

近年來，電能方面的需求的增加，對供電安全有了更高的要求。截至2018年11月，建成和核準在建特高壓工程線路長度達到3.35萬km，變電(換流)容量超過3.4億kVA(kW)[1]。在高電壓等級電網(wǎng)的大規(guī)模建設中，GIS憑借結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、安裝方便、維護間隔時間長等諸多優(yōu)點在電力系統(tǒng)中得到了大量的使用。但是在設計、制造、運輸、安裝等過程中出現(xiàn)的絕緣缺陷會使GIS發(fā)生故障[2]，并直接影響與其關聯(lián)的上下游電力設施，甚至有可能造成大范圍停電和安全事故。

因此在運行過程中，能對GIS內(nèi)部的局部放電進行有效檢測并且準確定位具有重要的意義。除了目前常用的超聲波檢測法和特高頻檢測法[3-6]，抗干擾性能更強的光學檢測法是新興的檢測手段[7，8]。

本文利用TracePro軟件進行仿真實驗，模擬GIS內(nèi)部存在一個點狀放電源的情況。當點狀放電源位于腔體內(nèi)不同的位置時，對放電源產(chǎn)生的光學信號傳播特性展開研究，收集并分析檢測面和檢測點上的數(shù)據(jù)，探究放電源位置與檢測數(shù)據(jù)之間的關系，為光學傳感器的布置方案提供參考。

1 GIS設備建模

1.1 罐體結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際GIS設備罐體進行簡化并建模，得到如圖1所示的模型。其中，左圖為模型外部樣式，從上至下依次可見球頭螺栓、連接高壓桿、上蓋板、側(cè)蓋板、通氣口堵頭、下蓋板等部件，右圖為隱藏外殼后的內(nèi)部樣式，可見高壓端支撐桿、接地端支撐桿、上下柱體和兩柱之間的放電部分。

罐體內(nèi)膽高度為300 mm，內(nèi)半徑為90 mm，管壁厚度為5 mm。其中填充默認為空氣，折射率為1。罐體表面材料選取拋光并氧化的中等光滑的鋁，其吸收系數(shù)30%，鏡面反射系數(shù)20%，漫反射系數(shù)50%，漫反射模型為雙向反射分布函數(shù)(BRDF)。

圖1 GIS罐體仿真模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 GIS body simulation model structure

1.2 放電源設置

放電部分由錐電極連接桿、盤電極和放電源組成，如圖2所示。其中放電源形狀為點狀，設置為半徑1 mm的球體，位于針尖處，起到模擬實際GIS內(nèi)部絕緣缺陷放電的作用。

圖2 局部放電模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Partial discharge simulation structure

放電源以光通量形式且垂直于表面向外發(fā)出光線，發(fā)出的總光線數(shù)量為250 000條，總光通量為100 W。需要特別說明的是，仿真的光源模型與實際局部放電的光功率參數(shù)有差別，所以本文在檢測面或者檢測角上得到的值是基于實際輻照度的一個相對值，稱為相對輻照度(下同)。雖然相對輻照度不能說明輻照度值的實際大小，但其變化趨勢能反映出實際的變化趨勢并有助于總結(jié)規(guī)律。

1.3 檢測面和檢測角設置

為了得到放電源放電時不同位置的光信號樣式和光通量大小，需要在光線路徑不同距離和角度處設置檢測面和檢測點。本文中，檢測面是垂直于上下蓋板的圓環(huán)面，位于xy平面上，半徑為90 mm，厚度為1 mm，即每個檢測面都是一個趨于平面的薄圓柱體。z坐標分別為90、0、-90，分別命名為檢測面1～3，如圖3所示。

圖3 檢測面設置示意圖Fig.3 Detection interface setting

每一個檢測面上設置3個檢測角，每兩個檢測角之間相距120°，附在腔體內(nèi)壁，其法線垂直于腔體內(nèi)壁，且指向罐體中心，橫截面半徑為10 mm，厚度為5 mm。用以探究放電源光線在不同方向上的區(qū)別，得到更精確的光通量變化規(guī)律。檢測面和檢測點采用完全透射體模型，對于放電源發(fā)出的光線不產(chǎn)生任何的吸收或者折反射。

本文中，為了更清楚地區(qū)分檢測角，采用以下命名規(guī)則：短杠前一個數(shù)字代表列，1是x=0,y=90列，2是x=77.5,y=-45列，3是x=-77.5,y=-45列；短杠后一個數(shù)字代表具體位置，從上到下依次是1、2、3。如檢測角2-2的坐標是(77.5,-45,0)。

2 光檢測仿真參數(shù)設置

在罐子中共選取27個橫截面，每兩個橫截面之間相距10 mm，從放電部分貼近上蓋板開始，直到放電部分貼近下蓋板為止。

將每個橫截面用過圓心的半徑劃分，每隔30°設置一條半徑，共有12條半徑。仿真順序如圖4所示，從y軸開始，向x負半軸旋轉(zhuǎn)，即從上往下看為逆時針方向。其中30°與330°對稱，60°與300°對稱，90°與270°對稱，120°與240°對稱，150°與210°對稱；在每條半徑上，每隔20 mm設置一個放電源，放電源分別距離中心0 mm、24 mm、44 mm、64 mm、84 mm。

圖4 放電源位置變化示意圖Fig.4 Discharge source position changing

3 仿真結(jié)果分析

考慮光源xy坐標為(0, 44)，z坐標從-135變化到125的情況，分析檢測面1-3上的光斑樣式、光通量大小以及變化規(guī)律。

圖5是針對位于坐標(0, 44, 95)的點狀放電源的輻照度分析圖，從左至右依次是檢測面1、檢測面2和檢測面3，并且坐標軸設置相同，顏色變化可以直觀表現(xiàn)光通量變化。

圖5 輻照度分析圖——放電源坐標(0, 44, 95)Fig.5 Irradiance analysis——discharge source coordinate(0, 44, 95)

從光斑圖像上來看，隨著檢測面離光源位置距離的增加，光斑顏色逐漸從紅色黃色變?yōu)榫G色藍色，輪廓逐漸模糊，分布更加均勻。比較總光通量值可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值隨著距離增加急劇下降，如表1所示。

表1 點狀放電源——坐標(0, 44, 95)總光通量表

這說明隨著距離的增加，直射光部分對于檢測面的影響逐漸減小，檢測面接收到的光信號逐漸減弱，同時反射光的影響逐漸加強，使光斑均勻。

同樣的，可以得到其他橫截面上xy坐標為(0, 44)的點狀放電源的輻照度分析圖。綜合27個橫截面的檢測數(shù)據(jù)，以放電源z坐標為橫坐標，以檢測面的總光通量為縱坐標作圖，如圖6所示。

圖6 放電源z坐標對總光通量的影響Fig.6 Influence of Z coordinate of discharge source on the luminous flux

可以看到，檢測面1-3的曲線分別在橫坐標即放電源z坐標為95、5和-85的時候達到峰值，結(jié)合罐體仿真模型來分析，檢測面1-3的z坐標分別是90、0和-90，即放電源與檢測面最接近時，檢測面總光通量最大。

三條曲線總體都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，即隨著放電源與檢測面之間的距離增加，總光通量逐漸減少，而且在改變量相同的情況下，峰值左側(cè)的總光通量會大于右側(cè)，分析原因應是，當放電源z坐標小于檢測面時，放電源發(fā)出光線主要被錐電極連接桿所遮擋，當放電源z坐標大于檢測面時，發(fā)出光線主要被盤電極所遮擋，而盤電極的遮擋作用比錐電極連接桿更明顯。

考慮光源xz坐標為(0, 65)，y坐標變化的情況，分析檢測面1-3上的光斑樣式、光通量大小以及變化規(guī)律。

圖7是針對檢測面1的輻照度分析圖，從圖7(a)至圖7(e)依次是放電源坐標(0, 0, 65)、(0, 24, 65)、(0, 44, 65)、(0, 64, 65)和(0, 84, 65)的情況，并且坐標軸設置相同，顏色變化可以直觀表現(xiàn)光通量變化。

圖7 輻照度分析圖——檢測面1Fig.7 Irradiance analysis(surface 1)

從光斑圖像上來看，隨著放電源離罐體中心距離的增加，紅色占據(jù)的比例迅速下降，中心以下部分逐漸變?yōu)辄S色綠色。比較總光通量值可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值隨著放電源離中心距離的增加而下降，如表2所示。

表2 檢測面1總光通量表

同樣的，可以得到檢測面2和3上xz坐標為(0, 65)的點狀放電源的輻照度分析圖。以放電源y坐標為橫坐標，以檢測面的總光通量為縱坐標作圖，如圖8所示。

圖8 放電源y坐標對檢測面總光通量的影響Fig.8 Influence of Y coordinate of discharge source on the luminous flux

可以看到，對于z坐標確定的放電源來說，隨著放電源y坐標的增大，與中心的距離增加，檢測面上的總光通量逐漸減少。在距離小于44 mm時，總光通量曲線變化不大，數(shù)值下降很緩慢；在距離大于44 mm時，總光通量曲線變化較大，有明顯的下降趨勢。

4 結(jié)論

通過大量的仿真實驗，我們探究了放電源位置與檢測數(shù)據(jù)之間的關系。

當放電源與檢測面最接近時，檢測面總光通量最大。

處于相同xy坐標、不同z坐標的點狀放電源，在放電參數(shù)相同的情況下，隨著放電源與檢測面之間的距離增加，總光通量逐漸減少,總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

而且在z坐標改變量相同的情況下，峰值左側(cè)的總光通量會大于右側(cè)。即當放電源z坐標小于檢測面時，放電源發(fā)出光線主要被錐電極連接桿所遮擋，當放電源z坐標大于檢測面時，發(fā)出光線主要被盤電極所遮擋，而盤電極的遮擋作用比錐電極連接桿更明顯。

處于相同z坐標、不同y坐標的點狀放電源，在放電參數(shù)相同的情況下，隨著放電源y坐標的增大，與中心的距離增加，檢測面上的總光通量逐漸減少。在距離小于44 mm時，總光通量曲線變化不大，數(shù)值下降很緩慢；在距離大于44 mm時，總光通量曲線變化較大，有明顯的下降趨勢。

本文的研究僅針對點狀放電源得出初步結(jié)論，在實際的放電過程中，還有很多其他形狀的絕緣缺陷，關于其他絕緣缺陷的放電表現(xiàn)，還需進一步的研究。