GIS中點(diǎn)狀放電源光學(xué)信號(hào)傳播特性的仿真研究

徐安恬，周小麗，崔剛剛，劉木清

(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

近年來(lái)，電能方面的需求的增加，對(duì)供電安全有了更高的要求。截至2018年11月，建成和核準(zhǔn)在建特高壓工程線路長(zhǎng)度達(dá)到3.35萬(wàn)km，變電(換流)容量超過3.4億kVA(kW)[1]。在高電壓等級(jí)電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)中，GIS憑借結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、安裝方便、維護(hù)間隔時(shí)間長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中得到了大量的使用。但是在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝等過程中出現(xiàn)的絕緣缺陷會(huì)使GIS發(fā)生故障[2]，并直接影響與其關(guān)聯(lián)的上下游電力設(shè)施，甚至有可能造成大范圍停電和安全事故。

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

本文利用TracePro軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬GIS內(nèi)部存在一個(gè)點(diǎn)狀放電源的情況。當(dāng)點(diǎn)狀放電源位于腔體內(nèi)不同的位置時(shí)，對(duì)放電源產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)傳播特性展開研究，收集并分析檢測(cè)面和檢測(cè)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，探究放電源位置與檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，為光學(xué)傳感器的布置方案提供參考。

1 GIS設(shè)備建模

1.1 罐體結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際GIS設(shè)備罐體進(jìn)行簡(jiǎn)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(rèn)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(shè)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(diǎn)狀，設(shè)置為半徑1 mm的球體，位于針尖處，起到模擬實(shí)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(shuō)明的是，仿真的光源模型與實(shí)際局部放電的光功率參數(shù)有差別，所以本文在檢測(cè)面或者檢測(cè)角上得到的值是基于實(shí)際輻照度的一個(gè)相對(duì)值，稱為相對(duì)輻照度(下同)。雖然相對(duì)輻照度不能說(shuō)明輻照度值的實(shí)際大小，但其變化趨勢(shì)能反映出實(shí)際的變化趨勢(shì)并有助于總結(jié)規(guī)律。

1.3 檢測(cè)面和檢測(cè)角設(shè)置

為了得到放電源放電時(shí)不同位置的光信號(hào)樣式和光通量大小，需要在光線路徑不同距離和角度處設(shè)置檢測(cè)面和檢測(cè)點(diǎn)。本文中，檢測(cè)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(gè)檢測(cè)面都是一個(gè)趨于平面的薄圓柱體。z坐標(biāo)分別為90、0、-90，分別命名為檢測(cè)面1～3，如圖3所示。

圖3 檢測(cè)面設(shè)置示意圖Fig.3 Detection interface setting

每一個(gè)檢測(cè)面上設(shè)置3個(gè)檢測(cè)角，每?jī)蓚€(gè)檢測(cè)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(cè)面和檢測(cè)點(diǎn)采用完全透射體模型，對(duì)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(cè)角，采用以下命名規(guī)則：短杠前一個(gè)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(gè)數(shù)字代表具體位置，從上到下依次是1、2、3。如檢測(cè)角2-2的坐標(biāo)是(77.5,-45,0)。

2 光檢測(cè)仿真參數(shù)設(shè)置

在罐子中共選取27個(gè)橫截面，每?jī)蓚€(gè)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(gè)橫截面用過圓心的半徑劃分，每隔30°設(shè)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(fù)半軸旋轉(zhuǎn)，即從上往下看為逆時(shí)針方向。其中30°與330°對(duì)稱，60°與300°對(duì)稱，90°與270°對(duì)稱，120°與240°對(duì)稱，150°與210°對(duì)稱；在每條半徑上，每隔20 mm設(shè)置一個(gè)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(biāo)為(0, 44)，z坐標(biāo)從-135變化到125的情況，分析檢測(cè)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(duì)位于坐標(biāo)(0, 44, 95)的點(diǎn)狀放電源的輻照度分析圖，從左至右依次是檢測(cè)面1、檢測(cè)面2和檢測(cè)面3，并且坐標(biāo)軸設(shè)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(biāo)(0, 44, 95)Fig.5 Irradiance analysis——discharge source coordinate(0, 44, 95)

從光斑圖像上來(lái)看，隨著檢測(cè)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(lán)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(diǎn)狀放電源——坐標(biāo)(0, 44, 95)總光通量表

這說(shuō)明隨著距離的增加，直射光部分對(duì)于檢測(cè)面的影響逐漸減小，檢測(cè)面接收到的光信號(hào)逐漸減弱，同時(shí)反射光的影響逐漸加強(qiáng)，使光斑均勻。

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

圖6 放電源z坐標(biāo)對(duì)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(cè)面1-3的曲線分別在橫坐標(biāo)即放電源z坐標(biāo)為95、5和-85的時(shí)候達(dá)到峰值，結(jié)合罐體仿真模型來(lái)分析，檢測(cè)面1-3的z坐標(biāo)分別是90、0和-90，即放電源與檢測(cè)面最接近時(shí)，檢測(cè)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(shì)，即隨著放電源與檢測(cè)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(huì)大于右側(cè)，分析原因應(yīng)是，當(dāng)放電源z坐標(biāo)小于檢測(cè)面時(shí)，放電源發(fā)出光線主要被錐電極連接桿所遮擋，當(dāng)放電源z坐標(biāo)大于檢測(cè)面時(shí)，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(biāo)為(0, 65)，y坐標(biāo)變化的情況，分析檢測(cè)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(duì)檢測(cè)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(biāo)(0, 0, 65)、(0, 24, 65)、(0, 44, 65)、(0, 64, 65)和(0, 84, 65)的情況，并且坐標(biāo)軸設(shè)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(cè)面1Fig.7 Irradiance analysis(surface 1)

從光斑圖像上來(lái)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(cè)面1總光通量表

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

圖8 放電源y坐標(biāo)對(duì)檢測(cè)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(duì)于z坐標(biāo)確定的放電源來(lái)說(shuō)，隨著放電源y坐標(biāo)的增大，與中心的距離增加，檢測(cè)面上的總光通量逐漸減少。在距離小于44 mm時(shí)，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(shí)，總光通量曲線變化較大，有明顯的下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，我們探究了放電源位置與檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

當(dāng)放電源與檢測(cè)面最接近時(shí)，檢測(cè)面總光通量最大。

處于相同xy坐標(biāo)、不同z坐標(biāo)的點(diǎn)狀放電源，在放電參數(shù)相同的情況下，隨著放電源與檢測(cè)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(shì)。

而且在z坐標(biāo)改變量相同的情況下，峰值左側(cè)的總光通量會(huì)大于右側(cè)。即當(dāng)放電源z坐標(biāo)小于檢測(cè)面時(shí)，放電源發(fā)出光線主要被錐電極連接桿所遮擋，當(dāng)放電源z坐標(biāo)大于檢測(cè)面時(shí)，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(biāo)、不同y坐標(biāo)的點(diǎn)狀放電源，在放電參數(shù)相同的情況下，隨著放電源y坐標(biāo)的增大，與中心的距離增加，檢測(cè)面上的總光通量逐漸減少。在距離小于44 mm時(shí)，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(shí)，總光通量曲線變化較大，有明顯的下降趨勢(shì)。

本文的研究?jī)H針對(duì)點(diǎn)狀放電源得出初步結(jié)論，在實(shí)際的放電過程中，還有很多其他形狀的絕緣缺陷，關(guān)于其他絕緣缺陷的放電表現(xiàn)，還需進(jìn)一步的研究。