空氣電暈放電發(fā)展過程的特征發(fā)射光譜分析與放電識別

李彥飛， 韓 冬*， 邱宗甲， 李 康， 趙義焜， 萬留杰， 張國強

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

引 言

輸變電設(shè)備在制造、 安裝和運行等過程中， 局部空氣放電是引起其絕緣劣化的重要因素之一。 放電故障往往伴隨產(chǎn)生多種物理和化學(xué)現(xiàn)象， 如超聲波、 放電中心區(qū)域的光輻射、 電磁波輻射和氣體分解等。 相應(yīng)地， 當前的放電故障檢測技術(shù)主要有超聲波法、 超高頻法、 脈沖電流法和分解氣體法等， 但這些方法易受到電磁、 聲等噪聲信號影響， 且較難獲取放電發(fā)展過程的相關(guān)物化特征[1]。 發(fā)射光譜法是近些年新興的檢測方法之一， 主要通過檢測局部放電產(chǎn)生的光輻射信息建立“發(fā)射光譜-局部放電”關(guān)系， 進行放電模式識別與診斷。 與其他檢測技術(shù)相比， 發(fā)射光譜檢測法具有響應(yīng)速度快、 靈敏度高、 抗電磁和聲信號干擾能力強[2]等優(yōu)點。 隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 輸變電設(shè)備的局部放電發(fā)射光譜檢測得到了廣泛關(guān)注[3]。

東京電力有限公司Fujii等[4]檢測了空氣、 SF6電暈放電的發(fā)射光譜， 空氣放電的光譜主要集中在300～400 nm之間； SF6則主要集中在300～800 nm， 且正極性電暈和負極性電暈的發(fā)射光譜有明顯不同。 清華大學(xué)趙文華等[5]利用發(fā)射光譜法研究了空氣尖-板電暈放電中電壓和電極間距對不同波長范圍內(nèi)放電光譜幅值的影響。 清華大學(xué)魏念榮等[6]研制的熒光光纖傳感器可檢測電機定子絕緣損壞的嚴重程度。 武漢大學(xué)傅中等[7]測量了交流電壓下190～900 nm范圍內(nèi)空氣的電暈放電光譜， 并指出紫外光光電探測設(shè)備可通過小于320 nm的特征波長來檢測電氣設(shè)備的電暈放電。

奧波萊工業(yè)大學(xué)Koziol等[8]的研究結(jié)果表明電極幾何形狀不同， 相應(yīng)的空氣放電發(fā)射光譜具有較大差異。 西安交通大學(xué)韓旭濤等[9]結(jié)合熒光光纖和GIS(Gas Insulated Switchgear)內(nèi)置特高頻傳感器， 檢測了GIS內(nèi)部導(dǎo)桿尖刺缺陷和懸浮缺陷的光信號和特高頻信號； 發(fā)現(xiàn)熒光光纖法的靈敏度不低于甚至高于特高頻法。 重慶大學(xué)唐炬等[10]利用熒光光纖傳感系統(tǒng)檢測了變壓器油局部放電， 結(jié)果表明光測法與超高頻法的檢測結(jié)果得到的脈沖具有相同的數(shù)量和相位分布。 西安交通大學(xué)任明等[11]研究了SF6氣體中不同放電類型下的光譜分布以及光脈沖在三個光譜波段內(nèi)的統(tǒng)計特性， 提出了一種適用于局部放電識別的三角聚類方法。 上述研究多集中在不同介質(zhì)、 放電類型、 檢測方法等的發(fā)射光譜對比方面。 實際上， 光輻射信息中包含著放電基本物理過程的物理化學(xué)參數(shù)， 能夠反映局部放電的嚴重程度[1, 6]， 更有助于加深對絕緣系統(tǒng)中放電發(fā)生和發(fā)展機理的認識[12]。 日本名古屋大學(xué)Yoshida等[12]經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)SF6局部放電發(fā)展過程中三個瞬間的條紋圖像及其發(fā)射光譜在560 nm以上的波長范圍內(nèi)有明顯差異。 然而， 空氣介質(zhì)從局部放電起始到臨界擊穿過程中的發(fā)射光譜變化規(guī)律鮮有報道。

電暈放電多由導(dǎo)體上的尖端或突起所致， 可視為典型的局部放電形式。 長時間的電暈放電將引起絕緣老化， 甚至導(dǎo)致設(shè)備在正常運行電壓下發(fā)生擊穿。 本文模擬了尖-板電極的電暈放電實驗， 檢測了從起始電暈放電-放電程度加深-臨界擊穿過程中的“紫外-可見-近紅外”波段的發(fā)射光譜。 一方面， 結(jié)合空氣放電機理， 通過發(fā)射光譜的譜線與特定分子、 原子、 離子的能級躍遷的關(guān)系， 分析了放電發(fā)展過程中激發(fā)輻射的粒子(包括原子、 離子、 分子和基團等)的主導(dǎo)譜線或譜帶及其形成機理。 另一方面， 統(tǒng)計分析了放電發(fā)展不同階段的光子總數(shù)及光子分布規(guī)律， 由此提出了可表征放電發(fā)展階段的發(fā)射光譜特征量。

1 實驗部分

1.1 裝置和條件

圖1為實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 實驗電源經(jīng)接觸式調(diào)壓器后接入工頻試驗變壓器。 其中， 接觸式調(diào)壓器的額定電壓為380 V， 型號為TEDGC-15； 工頻試驗變壓器的額定電壓為0.38 kV/150 kV， 額定電流為30.5 A/0.1 A， 型號為YDTW-15/150。 為避免外界光干擾， 實驗系統(tǒng)已與外部光源隔離。 實驗室環(huán)境溫度約為19 ℃， 空氣相對濕度為10%。

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

采用針-板電極結(jié)構(gòu)模擬電氣設(shè)備的電暈放電缺陷。 針電極為直徑3 mm的不銹鋼針， 針尖鋒利圓潤； 板電極為直徑100 mm的銅板。 工頻交流電壓施加在針電極上， 板電極接地。

放電產(chǎn)生的光信號采用海洋光學(xué)型號為QE65000的光譜儀來采集， 光譜波長檢測范圍為200～980 nm。 光譜儀的積分時間如果設(shè)置太短， 不易從背景噪聲中識別提取有效信號； 設(shè)置太長則會降低設(shè)備響應(yīng)速度。 為此， 本文折中取積分時間為3 000 ms。 光譜儀的石英光纖頭裝有連接器， 與針電極尖端等高且水平距離為20 cm。

1.2 放電發(fā)展階段的主導(dǎo)譜帶及其成因

本文設(shè)置了5個施加電壓(12， 13.5， 14.8， 16和16.9 kV)， 電極間距為22.5 mm， 平均電場強度分別為5.33， 6， 6.58， 7.11和7.51 kV·cm-1。 文獻[13]指出， 空氣間隙不超過10 cm時， 棒-板氣隙在正極性下的直流平均擊穿場強約為7.5 kV·cm-1， 且工頻交流電壓擊穿電壓的峰值與正極性直流擊穿電壓相近[13]。 根據(jù)臨界平均擊穿場強， 將12， 13.5和14.8 kV的電暈放電歸為放電初期； 16 kV的電暈放電對應(yīng)于放電程度加深階段； 16.9 kV已達到臨界擊穿場強， 視為放電臨界擊穿階段。 圖2為5個施加電壓下的電場強度仿真圖。

圖2 5個施加電壓下的電場強度仿真圖

1.2.1 放電初期

對放電裝置從零開始施加電壓， 當電壓升高到12 kV時， 光譜分析儀開始接收到幅值較為明顯的發(fā)射光譜。 放電初期的平均場強雖低于臨界擊穿場強， 但大曲率針尖區(qū)域的局部場強達到了60～70 kV·cm-1， 如圖2(a)所示， 在空氣中足以引起碰撞電離、 電暈放電等現(xiàn)象。 圖3為施加電壓為12， 13.5和14.8 kV時電暈放電發(fā)射光譜。

由圖3可知， 該階段的發(fā)射光譜主要由氮氣分子N2的帶狀光譜組成， 分別為N2第二正帶系(second positive system， SPS)和N2第一正帶系(first positive system， FPS)。 光譜強度隨施加電壓的增大而增強， 也即對應(yīng)的活性粒子數(shù)量在增加。

圖3 放電初期的發(fā)射光譜

在早期的空氣放電中， 由于電極間輸入的電場能量相對較小， 由氮氣分子N2(C3Πg)向N2(B3Πg)躍遷產(chǎn)生的第二正帶系(SPS)是發(fā)射光譜中最強、 最清晰的譜帶， 光譜范圍為280～460 nm， 主要分布在紫外波段。 N2的第二正帶系(SPS)光譜所反映的輻射躍遷過程為

N2(C2Πg)=N2(B3Πg)+hν

(1)

躍遷概率A=(2.4-2.7)×107s-1[15]。

N2(C3Πg)和N2(B3Πg)是N2常見的兩個激發(fā)態(tài)。 N2(C3Πg)的能級較高(11.0 eV)， 而放電初期電子獲得的能量不足， 因此N2(C3Πg)無法直接激發(fā)產(chǎn)生， 主要通過如下電子逐級激發(fā)的途徑來生成[14]。

(2)

(3)

N2的第一正帶系(FPS)光譜所反映的輻射躍遷過程為

(4)

躍遷概率A=(0.8～2.5)×105s-1[15]。

第一正帶系的躍遷概率比第二正帶系小2～3個數(shù)量級， 因此在強度上較小。

1.2.2 放電程度加深階段

當施加電壓升高至16 kV時， 針尖處的局部場強最大值已達80 kV·cm-1， 放電進一步增強。 此時放電機理發(fā)生了變化， 發(fā)生能級躍遷的粒子種類更加豐富， 由此產(chǎn)生了帶狀光譜與線狀光譜相互交疊的復(fù)雜譜線， 光譜范圍也由放電初期的280～460nm擴展至200～980 nm。 這一階段的發(fā)射光譜如圖4所示。 其中分子輻射的帶狀光譜范圍標注在光譜上方， 譜帶中強峰所在位置由向下箭頭標注； 原子或離子輻射的線狀光譜標注于對應(yīng)譜峰頂點附近。

圖4 放電加深(U=16 kV)階段的發(fā)射光譜

230～275 nm波段范圍內(nèi)的譜帶強度較放電初期大幅增加， 該波段由NO分子輻射產(chǎn)生， 為該階段強度最顯著的譜帶。 NO分子的發(fā)射光譜主要是激發(fā)態(tài)的NO(A2Σ+)向基態(tài)NO(X2Π)躍遷時產(chǎn)生， 即

NO(A2Σ+)→NO(X2Π)+hν

(5)

其中NO(A2Σ+)主要由下面的碰撞反應(yīng)生成[16]

(6)

(7)

1.2.3 放電臨界擊穿階段

施加電壓繼續(xù)升高至16.9 kV時， 針尖處的局部電場強度接近85 kV·cm-1， 平均擊穿場強已達臨界擊穿場強。 此時放電呈現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象， 相應(yīng)地， 發(fā)射光譜整體強度隨時間有間歇性的波動。 圖5中的兩組曲線對應(yīng)16.9 kV下不同時刻捕捉到的發(fā)射光譜圖， 兩組曲線輪廓相近， 強度卻相差一倍左右。

圖5 放電臨界擊穿階段(U=16.9 kV)的發(fā)射光譜圖

該階段的發(fā)射光譜強度急劇增加， 且強度最高值出現(xiàn)在500.715和777.202 nm處， 分別對應(yīng)氮離子N+(500.732 nm[17])和氧原子O(777.417 nm[17])的輻射譜線， 這意味著微觀放電過程再次發(fā)生改變。

500.715 nm處的譜峰在放電后期很強， 與777.202 nm處氧原子產(chǎn)生的譜峰強度接近， 是一個值得關(guān)注的特征峰。 經(jīng)查詢文獻， 銅板電極中的銅原子和銅離子均沒有500 nm附近發(fā)射光譜線； 不銹鋼針電極包含的元素雖然比較混雜， 但我們在鋁針電極放電實驗的譜線中也檢測到了500.715 nm的譜線， 由此可排除電極材料的影響。 根據(jù)文獻[17]， N+在500.715 nm附近有500.148， 500.515， 500.732和501.062 nm等譜線。 因此初步判定該譜線由N+輻射產(chǎn)生。 這表明， 在臨界擊穿條件下， 高能態(tài)的N+粒子數(shù)量相對較大。

由于電子的能量在放電間隙中呈隨機分布， 在電場強度較低時， 激發(fā)形成高能態(tài)氧原子的電子數(shù)量比例較小。 當放電間隙的能量達到一定閾值后， 氧元素的發(fā)射譜線才占據(jù)主導(dǎo)地位， 這主要由O(9.15～15.78 eV)發(fā)生躍遷而輻射產(chǎn)生。 在放電發(fā)展后期觀察到的777.202 nm處的光譜線是其中之一， 其躍遷為

2s22p3(4So)3s→2s22p3(4So)3p

(8)

2 結(jié)果與討論

2.1 最大發(fā)射光譜強度的分布特征

圖6為14.8， 16和16.9 kV下的發(fā)射光譜的對比， 分別對應(yīng)放電初期、 放電程度加深、 臨界擊穿三個階段。 放電初期的光譜強度最大值出現(xiàn)在336.907 nm處， 對應(yīng)N2的輻射躍遷； 放電程度加深階段， 光譜強度最大值出現(xiàn)在239.687 nm處， 對應(yīng)NO的輻射躍遷； 臨界擊穿階段， 光譜強最大值出現(xiàn)在500.715或777.202 nm處(兩者相差不多)， 分別對應(yīng)N+和O的輻射躍遷。

圖6 放電不同階段光譜對比圖

圖7為放電不同階段的光譜強度分量的歸一化對比， 即三階段對應(yīng)的336.907， 239.687和500.715 nm處的光譜強度與三者光譜強度總和之比。 239.687， 336.907和500.715 nm這三個特征波長處的光譜相對強度在放電不同階段有明顯差異， 可標識空氣放電的嚴重程度。

圖7 不同階段三個特征波長處的歸一化光譜強度

2.2 光子總數(shù)變化

圖8為200～980 nm全波段范圍內(nèi)的光子總數(shù)隨電壓變化的折線圖。 某一波段內(nèi)的光子數(shù)為

(9)

式(9)中，λ為波長， nm；I(λ)表示波長λ處的光譜強度，N為從λ1到λ2波段內(nèi)的光子總數(shù)。

圖8 全波段光子數(shù)隨電壓變化折線圖

A點到C點對應(yīng)于放電初期， 隨著電壓的升高， 光子總數(shù)持續(xù)增加， 但增長幅度較緩， 微觀參數(shù)和放電反應(yīng)機理并未發(fā)生質(zhì)的變化。 電壓升至16 kV時， 光子總數(shù)發(fā)生第一次跳變， 數(shù)值明顯大于放電起始階段， 且光譜形狀發(fā)生改變。 這是因為電壓升高導(dǎo)致電極尖端電離過程增強， 帶電粒子運動速度增大， 碰撞電離迅猛發(fā)展， 進入自持放電階段。 當施加電壓為16.9 kV時， 光子總數(shù)呈間歇性的爆發(fā)狀態(tài)， 發(fā)生第二次跳變， 光譜形狀再次改變， 開始轉(zhuǎn)入流注形式的放電階段。 此后， 稍微增加施加電壓， 空氣間隙便可擊穿。

2.3 光子分布特征

空氣電暈放電的200～980 nm光譜范圍內(nèi)， 200～380 nm為紫外波段， 380～780 nm為可見光波段， 780～980nm為近紅外波段。 我們對各波段的光子數(shù)進行了歸一化處理， 即上述三個波段內(nèi)的光子數(shù)與全波段光子總數(shù)之比。 圖9為放電不同階段的發(fā)射光譜分波段(紫外、 可見光、 紅外波段)的歸一化光子數(shù)比較。

圖9 不同放電階段在三個波段內(nèi)的歸一化光子數(shù)

三個波段的相對光子數(shù)對不同的放電發(fā)展階段具有較好的區(qū)分度， 差異主要體現(xiàn)在紫外波段和可見光波段， 近紅外波段的比例差異相對較小。 圖10為降維處理(忽略近紅外波段)后， 不同放電階段的光譜在紫外波段和可見光波段積分的占比。 放電初期紫外波段的光子數(shù)占優(yōu)， 放電臨界擊穿階段可見光波段的光子數(shù)占優(yōu)。 隨著放電程度的加深， 在200～780 nm范圍內(nèi)， 紫外波段的光子比例逐漸減小， 可見光波段的光子比例逐漸增加。 因此， 可通過紫外與可見光范圍內(nèi)的光子分布特征對比判斷放電的發(fā)展程度。

圖10 不同放電階段在兩個波段內(nèi)的歸一化光子數(shù)

3 結(jié) 論

利用針-板電極實驗?zāi)M了空氣絕緣電氣設(shè)備缺陷處放電發(fā)展的過程， 結(jié)合空氣放電理論， 探究了不同放電階段發(fā)射光譜的特點， 并分析了特征發(fā)射光譜的形成原因。 主要結(jié)論如下：

(1)放電發(fā)展過程， 不同階段對應(yīng)的發(fā)射光譜有較大差異， 可通過發(fā)射光譜解讀該階段的主導(dǎo)活性物種。 放電初期、 放電加深、 放電臨界擊穿三個階段中強度占優(yōu)的譜峰或譜帶分別由N2， NO與O和N+輻射躍遷所致， 這由放電間隙的能量所決定。

(2)放電初期的光譜強度最大值出現(xiàn)在336.907 nm處； 放電程度加深階段的光譜強度最大值出現(xiàn)在239.687 nm處； 臨界擊穿階段的光譜強最大值出現(xiàn)在500.715或777.202 nm處。 這三個或四個特征波長處的相對光強對不同放電階段具有良好的區(qū)分度。

(3)不同放電階段的“紫外-可見光-近紅外”波段的相對光子數(shù)分布有較明顯的差異， 可以反映放電的發(fā)展程度。 放電特征參數(shù)與發(fā)射光譜強度、 光子總數(shù)、 光子分布等參數(shù)的關(guān)聯(lián)性將作為下一步的研究重點， 以期建立定量的放電識別判據(jù)。