基于特征發(fā)射光譜的SF6電暈放電檢測(cè)

湯貝貝，韓 冬，李彥飛，張國強(qiáng)(1.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

SF6氣體絕緣電氣設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中因殘留物、制造缺陷等會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，而長時(shí)間的局部放電將造成設(shè)備的絕緣性能下降和老化。運(yùn)用局部放電檢測(cè)技術(shù)及時(shí)檢出局部放電的位置和信息，能有效預(yù)防危險(xiǎn)情況的發(fā)生，從而使電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

電力設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)常常伴隨著聲信號(hào)傳播、光輻射、熱效應(yīng)和氣體分解等現(xiàn)象。根據(jù)這些放電過程伴隨產(chǎn)生的物理和化學(xué)現(xiàn)象，局部放電檢測(cè)技術(shù)主要包括脈沖電流法[1]、超高頻法[2]、超聲信號(hào)檢測(cè)[3,4]、聲電聯(lián)合檢測(cè)法[5]、化學(xué)檢測(cè)法[6-9]以及光學(xué)檢測(cè)法[10-12]等。其中，局部放電伴隨產(chǎn)生的發(fā)射光輻射信息包含了氣體絕緣介質(zhì)及其分解產(chǎn)物的光譜特性，與放電過程、放電類型和放電嚴(yán)重程度等密切相關(guān)。利用發(fā)射光輻射信息進(jìn)行局部放電識(shí)別的光學(xué)檢測(cè)法具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛關(guān)注。

絕緣介質(zhì)因放電產(chǎn)生的發(fā)射光譜主要集中在“紫外-可見光-近紅外”譜段。清華大學(xué)趙文華等人[13]指出空氣電暈放電發(fā)射光譜中紫外區(qū)與紅外區(qū)輻射的強(qiáng)弱與放電電壓和電極距離有關(guān)。武漢大學(xué)傅中等人[14]測(cè)量了空氣交流電暈光譜特性，其特征波長上的光譜峰值大小可以作為判斷電暈放電強(qiáng)度的參考量。東京電力有限公司K.Fujii等人[15]發(fā)現(xiàn)空氣電暈放電的發(fā)射光譜主要集中在300～400 nm之間；SF6電暈放電的發(fā)射光譜主要集中在300～800 nm。波蘭奧波萊工業(yè)大學(xué)的L.Nagi等人[16]對(duì)空氣中不同電弧產(chǎn)生的發(fā)射光譜進(jìn)行了比較，描述了對(duì)應(yīng)特征峰。西安交通大學(xué)的任明等人[17]研究了SF6氣體中局部放電發(fā)出的光信號(hào)，進(jìn)行紫外、可見光和近紅外區(qū)域的多光譜局部放電診斷。

當(dāng)氣體絕緣電氣設(shè)備發(fā)生電暈放電或放電處于起始階段時(shí)，雖然夜間肉眼可觀察到微弱紫光，但由于放電能量低，導(dǎo)致光信號(hào)強(qiáng)度弱且易受雜散光干擾，不易測(cè)量，需進(jìn)行光信號(hào)響應(yīng)增強(qiáng)。為此，捷克工業(yè)大學(xué)J.Koller等人[18]利用光電倍增管和電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)檢測(cè)了單針電極和三針電極的空氣電暈放電光輻射強(qiáng)度。印度電力科學(xué)研究院Nageshwar等人[19]利用不同熒光光纖和光電倍增管測(cè)量了空氣和油局部放電信號(hào)，結(jié)果表明光信號(hào)能夠反映電暈局部放電缺陷。

SF6是電氣設(shè)備中用量最大的氣體絕緣介質(zhì)，電負(fù)性強(qiáng)，具有很強(qiáng)捕捉自由電子的能力。如果采用寬光譜增強(qiáng)技術(shù)來提高低能量放電下的“紫外-可見光-近紅外”全譜段范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)，將同時(shí)增強(qiáng)本底噪聲和放電產(chǎn)生的光譜響應(yīng)信號(hào)，致使信噪比低。為此，本文提出了基于SF6特征發(fā)射光譜的窄帶光譜響應(yīng)增強(qiáng)方法，并搭建了相應(yīng)的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，旨在增強(qiáng)放電初期的微弱光信號(hào)，為早期局部放電預(yù)警及檢測(cè)提供參考。本文首先采用寬光譜光譜儀檢測(cè)了電暈放電下SF6的發(fā)射光譜，并選取了光譜強(qiáng)度較強(qiáng)的420～510 nm波段作為特征發(fā)射光譜。其次，根據(jù)該特征譜段初步選擇了三種窄帶濾光片、光纖探頭及光電倍增管等光學(xué)器件并搭建了檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)比分析了電暈放電下光信號(hào)的特性，確定了窄帶光譜響應(yīng)增強(qiáng)的方案。最后，與同條件下基于脈沖電流法的視在放電量進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，基于發(fā)射光譜法和脈沖電流法有相當(dāng)最低檢測(cè)限，為局部放電光學(xué)檢測(cè)法提供了一個(gè)可供參考的方案。

2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由工頻交流電源、氣體交換裝置和電暈放電發(fā)生裝置組成；檢測(cè)系統(tǒng)由局部放電檢測(cè)、寬光譜檢測(cè)和窄帶光譜響應(yīng)增強(qiáng)檢測(cè)平臺(tái)組成。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度為(30±10)%。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of experimental system

采用針-板電極模擬電暈放電。針電極材料為黃銅(直徑3 mm，針尖部分長度為8 mm)，板電極材料為SUS304不銹鋼(直徑為80 mm，厚度為4 mm)，針-板電極間距10 mm。實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)氣室進(jìn)行清洗，以減小氣體雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。首先，用無水乙醇(含量≥99.7%)清洗氣室內(nèi)壁及針-板電極，然后吹掃至氣室內(nèi)無水乙醇全部揮發(fā)。其次，在氣室密封的條件下，持續(xù)抽真空30 min，再充入SF6氣體(純度：99.999%)靜置約20 min，如此循環(huán)洗氣3～4次，充分清潔氣室。氣室清洗結(jié)束后，充入絕對(duì)氣壓100 kPa的SF6氣體靜置10 h后進(jìn)行電暈放電實(shí)驗(yàn)。

本文采用海洋光學(xué)的光譜儀(型號(hào)：MX2500+)對(duì)電暈放電下SF6的發(fā)射光譜進(jìn)行寬光譜檢測(cè)從而選取特征發(fā)射光譜譜段，光譜儀的波長采集范圍為200～1 037 nm(雙通道，通道1為200～650 nm，通道2為650～1 037 nm)，分辨率為1 nm，積分時(shí)間設(shè)置范圍為10 ms～60 s。采用保定天威公司的多通道數(shù)字局部放電分析儀(型號(hào)：TWPD-2E)對(duì)電暈放電產(chǎn)生的視在放電量進(jìn)行測(cè)量。為提供光信號(hào)相位參考，采用Tektronix公司的P6015A型高壓探頭測(cè)量了參考電壓信號(hào)，上升時(shí)間(典型值)為4 ns，帶寬為75 MHz，最大輸入電壓DC20 kV，單脈沖峰值40 kV。電壓和光信號(hào)檢測(cè)采用Tektronix公司的MSO3034混合信號(hào)示波器，帶寬300 MHz，最大采樣率2.5 GS/s。電暈放電實(shí)驗(yàn)過程中，用于光信號(hào)采樣的光纖置于放電氣室外，光纖探頭正對(duì)針電極尖端且距離電極約50 cm。

3 特征發(fā)射光譜選取

由于電暈放電的強(qiáng)度較弱，且SF6是強(qiáng)電負(fù)性氣體，因此光譜儀檢測(cè)的積分時(shí)間設(shè)置為9 s，并取三次同條件測(cè)量數(shù)據(jù)的均值作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。此外，為提高信噪比以及降低因光譜儀本身性能造成的光譜檢測(cè)基線漂移，分析前，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行扣除背景的處理；在此基礎(chǔ)上，采用Savitaky-Golay平滑方法對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波。脈沖電流法是測(cè)局部放電所形成的脈沖電流大小，以判斷絕緣局部放電的強(qiáng)弱程度，這種方法可以給出定量的結(jié)果，目前的規(guī)程中也給出了定量的指標(biāo)，因此，采用基于脈沖電流法的多通道數(shù)字局部放電分析儀的測(cè)量結(jié)果作為光學(xué)檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比。圖2為不同施加電壓下的視在放電量比較。當(dāng)外部施加電壓小于6 kV時(shí)，經(jīng)過校正之后局部放電分析儀始終存在3～5 pC的局部放電干擾值，推測(cè)可能是儀器本身帶來的誤差或者未施加電壓時(shí)環(huán)境中產(chǎn)生的干擾。當(dāng)施加電壓上升至7 kV時(shí)，數(shù)字局部放電分析儀上出現(xiàn)了重復(fù)、明顯的放電，因此，記錄7 kV為本文實(shí)驗(yàn)條件下的局部放電起始電壓。

圖2 不同施加電壓下的視在放電量Fig.2 Apparent discharge under different applied voltages

圖3為局部放電起始電壓7 kV與施加電壓增加至13 kV時(shí)，SF6發(fā)射光譜在200～1 037 nm“紫外-可見-紅外光”的全譜段分布。在局部放電起始電壓下，光譜儀未檢測(cè)到明顯的光信號(hào)。隨著施加電壓的增大，放電強(qiáng)度加深，11 kV時(shí)，通道1開始檢測(cè)到放電信號(hào)。施加電壓為13 kV時(shí)，通道1檢測(cè)到在309 nm附近和420～510 nm譜段內(nèi)分別出現(xiàn)了較明顯的光信號(hào)；通道2始終未檢測(cè)到明顯的光信號(hào)。由此可見，光譜儀的檢測(cè)靈敏度低于基于脈沖電流法的局部放電分析儀的靈敏度，為及時(shí)檢測(cè)到缺陷的放電光信號(hào)，需對(duì)早期局部放電下的弱光信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。

圖3 SF6電暈放電發(fā)射光譜Fig.3 Spectrum of SF6 corona discharge

由圖3可知，309 nm附近的發(fā)射光譜近似為線狀光譜，主要為OH自由基產(chǎn)生[20]。盡管實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)對(duì)氣室進(jìn)行了充分的清洗，但仍無法避免微量水分的存在。水在電暈條件下會(huì)電離產(chǎn)生OH自由基[21]，反應(yīng)如下式所示：

e+H2O→e+H+OH

(1)

OH自由基由激發(fā)態(tài)A2Σ(ν′=0)通過式(2)被淬滅回到基態(tài)X2Π(ν″=0)躍遷發(fā)光，從而形成309 nm處的發(fā)射光譜。

OH(A2Σ+)→OH(X2Π)+hv

(2)

420～510 nm波段的發(fā)射光譜為帶狀光譜，主要是SF6氣體分子光譜[21]。根據(jù)Van Brunt提出SF6電暈放電的三區(qū)域模型[22-24]，針尖部位輝光區(qū)的局部電子溫度遠(yuǎn)比氣室的溫度要高，SF6的初始電離局限于電極附近的小區(qū)域，電子碰撞的過程如下式所示：

e+SF6→SF6-x+xF+ex≤6

(3)

在電場(chǎng)作用下，SF6分子振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)能級(jí)發(fā)生變化，引起了分子內(nèi)部?jī)r(jià)電子的能級(jí)躍遷，發(fā)射光譜中還包含了多個(gè)量子化振動(dòng)能級(jí)和旋轉(zhuǎn)能級(jí)在分子基態(tài)電子能級(jí)上的疊加光譜。因此，420～510 nm波段的帶狀光譜包括SF6分子和SF6-x的分子光譜。

隨著施加電壓的升高，SF6電離程度加深，分子中活性片段及硫的低氟化物逐漸增多，420～510 nm波段的發(fā)射光譜強(qiáng)度增加。因此，可將420～510 nm波段的帶狀光譜作為特征光譜，其光譜強(qiáng)度可以作為判別局部放電程度的指標(biāo)。

4 特征光譜響應(yīng)增強(qiáng)

本文采用聚焦透鏡、窄帶濾光片加光電倍增管的方式，局部增強(qiáng)420～510 nm特征譜段的光信號(hào)，同時(shí)抑制其他譜段的噪聲，以提高基于發(fā)射光譜法的局部放電檢測(cè)限。為描述方便，本節(jié)采用施加電壓為13 kV時(shí)特征光譜作為參考。

圖3中，SF6特征光譜譜帶的強(qiáng)度從420 nm開始逐漸上升，到510 nm左右達(dá)到極值。因此，本文初步選擇了三種窄帶濾光片，編號(hào)為濾光片A、濾光片B和濾光片C，其波長范圍分別為480～520 nm，412～569 nm和360～580 nm。

聚焦透鏡的透過率曲線如圖4所示，對(duì)420～510 nm波段具有良好的透過率。

圖4 聚焦透鏡的透過率曲線Fig.4 Transmittance curve of focusing lens

光電倍增管的光譜響應(yīng)范圍為300～720 nm，可覆蓋特征光譜420～510 nm波段，可檢測(cè)從直流到80 MHz的信號(hào)，配有內(nèi)置的低通濾波器(250 kHz、2.5 MHz和80 MHz)，由數(shù)據(jù)線連接電腦供電并控制。實(shí)驗(yàn)中光電倍增管的增益選為70，偏移為0.012。

為增強(qiáng)光信號(hào)的響應(yīng)幅值，本文對(duì)光電倍增管測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行累加和濾波處理。累加即對(duì)相位相同的10個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行累加，取三次檢測(cè)的均值作為最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果；濾波處理即采用Savitaky-Golay平滑方法對(duì)累加后的信號(hào)進(jìn)行濾波。

圖5為施加電壓13 kV時(shí)一個(gè)周期內(nèi)采用濾光片C的測(cè)量結(jié)果，其中正弦實(shí)線為參考電壓信號(hào)。一個(gè)周期內(nèi)能明顯觀測(cè)到在正負(fù)半周各有一個(gè)信號(hào)，且正半周信號(hào)幅值明顯較大，可以將正半周幅值作為光電倍增管檢測(cè)結(jié)果的特征參考值。

圖5 施加電壓為13 kV時(shí)濾光片C的光信號(hào)Fig.5 Optical signal of filter C with applied voltage of 13 kV

進(jìn)一步降低施加電壓，發(fā)現(xiàn)7 kV為使用光倍增管最低能檢測(cè)到放電光信號(hào)的電壓值，圖6所示為不同濾光片的測(cè)量結(jié)果,加濾光片A時(shí)，信號(hào)幅值很小，檢測(cè)結(jié)果不理想；加濾光片B和C時(shí)，均能檢測(cè)到有效信號(hào)；不加濾光片時(shí)，噪聲信號(hào)也被大幅度倍增，進(jìn)一步降低電壓時(shí)可能造成有效信號(hào)被湮沒。

圖6 施加電壓7 kV時(shí)光信號(hào)波形圖Fig.6 Signal waveform with applied voltage of 7 kV

5 局部起始電壓下的弱光信號(hào)檢測(cè)對(duì)比

由于所檢測(cè)的光信號(hào)相對(duì)微弱，光電倍增管的內(nèi)部噪聲以及測(cè)量時(shí)背景光干擾都可能對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成較大的影響，因此在檢測(cè)時(shí)需要盡可能避免噪聲的干擾，對(duì)于光電倍增管內(nèi)部的噪聲來源，主要有光電流引起的散粒噪聲、暗電流引起的噪聲以及其他雜散噪聲。未施加放電電壓時(shí)，光電倍增管輸出的原始噪聲信號(hào)如圖7所示。

圖7 未施加電壓時(shí)光電倍增管噪聲信號(hào)Fig.7 Photomultiplier tube noise signal without applied voltage

為了便于從數(shù)值上對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算原始數(shù)據(jù)噪聲及檢測(cè)到的光信號(hào)幅值。計(jì)算如式(4)所示。

H=Hmax-Hmin

(4)

式中，H為幅值；Hmax為最大值；Hmin為最小值。表1為原始數(shù)據(jù)未施加電壓以及施加電壓7 kV時(shí)的信號(hào)幅值。A、B、C分別代表濾光片A、濾光片B、濾光片C，WU代表不加濾光片。

表1 原始數(shù)據(jù)噪聲及7 kV時(shí)信號(hào)幅值Tab.1 Original data noise and signal amplitude at 7 kV

表1為4種情形下原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)的噪聲、信號(hào)幅值比較。通過計(jì)算，噪聲值的順序?yàn)閃U>B>C>A，信號(hào)值的順序?yàn)閃U>C>B>A。采用濾光片A的信號(hào)值最小；采用濾光片B噪聲較大、信號(hào)較?。徊捎脼V光片C的噪聲最小而信號(hào)值相對(duì)較大；而不加濾光片時(shí)噪聲最大、信號(hào)也最大。

采用同樣的方法對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。噪聲值WU>C>B>A，信號(hào)值WU>C>B>A。濾波后的加裝濾光片A、濾光片B、濾光片C和不加濾光片的噪聲與信號(hào)值的特征與原始數(shù)據(jù)類似。

表2 濾波后數(shù)據(jù)噪聲及7 kV時(shí)信號(hào)幅值Tab.2 Data noise and signal amplitude after filtering at 7 kV

檢測(cè)時(shí)所測(cè)光信號(hào)幅值和檢測(cè)前未對(duì)實(shí)驗(yàn)氣室施加電壓噪聲值的比值SNR可用式(5)表示。

(5)

式中，Hsignal為所測(cè)光信號(hào)幅值；Hnoise為在對(duì)實(shí)驗(yàn)氣室施加電壓前的環(huán)境噪聲及光電倍增管內(nèi)部的噪聲幅值。

圖8為加不同濾光片所檢測(cè)光信號(hào)在濾波前后的SNR值計(jì)算結(jié)果，通過對(duì)比原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)可知，濾光片C的SNR值均最大，加濾光片C檢測(cè)的SNR值比不加濾光片時(shí)提高了8.5%左右，能保證測(cè)量結(jié)果在噪聲較小時(shí)光信號(hào)幅值較大。

圖8 不同濾光片濾波前后SNR值Fig.8 SNR values before and after filtering with different filters

實(shí)驗(yàn)初始階段將三種濾光片的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將不加濾光片的測(cè)量結(jié)果作為對(duì)照組，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行累加，將10個(gè)工頻周期內(nèi)結(jié)果累加到單個(gè)周期，從而獲得累加后較強(qiáng)的信號(hào)值，然后取三次結(jié)果的平均值進(jìn)行濾波處理，最后將噪聲和信號(hào)值及濾波后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在初始局部放電時(shí)采用濾光片C檢測(cè)弱光信號(hào)的效果最好。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用光學(xué)透鏡+光纖+濾光片+光電倍增管的測(cè)量方案可以較好地應(yīng)用于SF6電暈放電檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得最低檢測(cè)限和脈沖電流法的檢測(cè)結(jié)果基本相當(dāng)。

6 結(jié)論

本文基于發(fā)射光譜原理對(duì)SF6電暈放電進(jìn)行檢測(cè)與分析，結(jié)合SF6電暈放電特性，確定其特征發(fā)射光譜分布，提出了基于發(fā)射光譜原理的窄帶濾光法光電倍增管檢測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)分析可以得出以下結(jié)論：

(1)利用寬譜光譜儀檢測(cè)SF6電暈放電的發(fā)射光譜，初步判斷SF6特征發(fā)射光譜譜段為420～510 nm，根據(jù)特征發(fā)射光譜選擇濾光片并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用濾光片C檢測(cè)性能較好。

(2)實(shí)驗(yàn)條件下，不改變透鏡位置，將光譜儀檢測(cè)換成濾光片配合光電倍增管檢測(cè)，結(jié)果表明光譜儀可檢測(cè)到信號(hào)最低值為11 kV，而采用文中提出方案最低可檢測(cè)7 kV，這與脈沖電流法檢測(cè)結(jié)果基本相當(dāng)。

本文所提的窄帶濾光法光電倍增管檢測(cè)方法可為局部放電的光學(xué)檢測(cè)提供借鑒。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)懸浮放電、沿面放電等氣體絕緣設(shè)備的典型放電缺陷進(jìn)行研究，對(duì)比所提方法的檢測(cè)有效性，并對(duì)比不同放電類型的光電信號(hào)差異以識(shí)別放電模式。對(duì)于實(shí)際檢測(cè)的應(yīng)用，后續(xù)工作需要針對(duì)局部放電光信號(hào)的捕捉能力，對(duì)光線傳播路徑和放電產(chǎn)生光強(qiáng)等進(jìn)行仿真和模擬，試驗(yàn)分析不同條件下檢測(cè)效果，從而進(jìn)一步提出檢測(cè)位置和檢測(cè)探頭布置的優(yōu)化方案，以達(dá)到實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用的目的。