王子頡，徐安恬，趙龍健，周小麗

(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

氣體絕緣全封閉組合電器(gas-insulated switchgear,GIS)具有結構緊湊、配置靈活、環(huán)境適應能力強、維護間隔長等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了大量的應用。然而在制造、運輸、安裝等環(huán)節(jié)可能帶入缺陷。這些缺陷使GIS在實際運行過程中發(fā)生局部放電，從而引起設備故障，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運行環(huán)境和絕緣結構通常很復雜，這些檢測方法在監(jiān)測時會受到各種干擾的嚴重影響，產(chǎn)生誤報和漏報。光學檢測法作為一種非電量檢測方法，具有一些明顯的優(yōu)勢。其一，不受電磁環(huán)境、設備震動的干擾，抗干擾性能強；其二，全封閉GIS的內(nèi)部不存在其他光源，檢測結果準確性高。隨著光學傳感器技術的進步，局部放電光學檢測具有良好的發(fā)展和應用前景，是未來局部放電檢測和監(jiān)測的重要的研究方向。

現(xiàn)有的局部放電光學檢測技術主要有直接探測、光學成像、光學—超聲波、光纖光柵等方法，常應用于高壓電纜、變壓器等電力設備[3,4]。已有文獻對于局部放電源的光學性質(如光譜)，以及光學信號的接收效率有深入的研究，但對于光學信號的傳播卻很少關注[5-7]。西安交通大學的韓旭濤等[8]利用仿真模型研究了傳播距離、GIS腔體結構、放電源位置和絕緣子對于可見光的輻射通量和接收光子數(shù)的影響。實際局部放電發(fā)生時，光學信號的光譜分布范圍大，橫跨紫外光和可見光，因而利用輻射通量作為檢測量更符合實際[9]。另外，缺陷類型對發(fā)光體形狀也有影響。本文設置了三種不同形狀的缺陷模型，以相對輻射通量作為標準，觀察GIS腔體中局部放電的傳播規(guī)律。

1 仿真設置

1.1 GIS腔體模型與檢測設置

本次仿真采用直筒型GIS進行建模，其結構近似為兩根同軸導體構成的系統(tǒng)，內(nèi)導體半徑為45 mm，外導體內(nèi)徑為190 mm，壁厚為8 mm，腔體長為1.5 m，如圖1所示。GIS腔體表面材料設置為鋁金屬表面，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，因此腔體中的光學介質的折射系數(shù)設置為1；腔體兩端設為吸收邊界。

圖1 仿真GIS模型、檢測面和檢測角示意圖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)部不同距離處設置檢測面。檢測面是垂直于腔體內(nèi)壁和內(nèi)導體的圓環(huán)形表面，其法線與腔體的軸線平行。從GIS腔體左端開始，每間隔250 mm設立一個檢測面，共設置五個檢測面，并依次命名為面0～4。面0為缺陷模型所在截面。具體結構如圖1所示。另外，檢測面采用完全透射體模型，不吸收或者折反射任何光線，對于傳播特性無影響。

相同檢測面上不同角度檢測到的光學信號會有差別；且直筒型GIS的結構具有軸對稱性。距離光源較遠的檢測面上輻射通量很小，設置檢測角意義不大?？紤]到以上幾個因素，本文中在檢測面1上設置了5個檢測角，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。每個檢測角附在腔體內(nèi)壁，具有半徑為10 mm的檢測面積，設置為完全透射體。

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)分別設置為點狀、柱狀和錐狀三種，示意圖如圖2所示。三種模型是根據(jù)不同電壓等級下，針板放電模型的發(fā)光形狀決定的。當放電電壓較低時，僅在針尖附近發(fā)生放電，此時光源近似球狀；隨著電壓升高，針板擊穿，會有密集的束狀放電，故近似柱狀光源；放電電壓更大時，電子束外擴，以針尖為頂點，板為底面發(fā)生錐狀電子流，因而近似錐狀光源。其中，點狀光源為半徑為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)導體表面，缺陷模型也設置在貼近表面的位置，或靠近內(nèi)導體表面，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。本文參考了文獻中以光通量作為觀測物理量的方式[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量。需要特別說明的是，實際的局部放電是一種隨機脈沖，且受到其他可變因素的影響，需要在嚴格的條件下才可能進行測定，一般會遠小于100 W，所以仿真中得到的輻射通量是基于實際輻射通量的相對值，稱為相對輻射通量(下同)。該參數(shù)不能反映實際情況的輻射通量的大小，但其變化趨勢能反映出光學信號在傳播過程中的變化，有助于總結規(guī)律。

綜上，本文利用直筒型GIS腔體，在兩個位置上，各設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個檢測面和5個檢測角的光斑以及相對輻射通量并進行分析討論。

2 仿真結果與分析

2.1 檢測面的光斑與相對輻射通量

圖3是缺陷模型在內(nèi)導體表面時，檢測面上的光斑分布。其中，每一行表示不同缺陷模型的光斑，括號內(nèi)的數(shù)字為該行顏色最深(即輻射照度最大，通過該區(qū)域的光線最多)區(qū)域所對應的數(shù)值；每一列表示不同距離檢測面上的光斑。從圖3中可以看出，三種缺陷模型在檢測面上的光斑各有特點。點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)域為藍色；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；不論在哪個距離的檢測面上，光斑和周圍其他區(qū)域的對比都非常明顯。錐狀模型僅在檢測面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)導體表面時，各個檢測面上的光斑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，檢測面上的光斑分布情況。點狀模型的光斑呈扇形，面積比在內(nèi)導體表面時的光斑更大；位于檢測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果。柱狀模型的光斑與內(nèi)導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雜：檢測面1上的光斑由圓弧形線條和“父”字形構成；檢測面2的光斑為“八”字形，檢測面3和4光斑均勻。和圖3中的光斑相比，點狀和錐狀缺陷模型的光斑都呈現(xiàn)了擴張的趨勢；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面上的相對輻射通量。與光斑變化趨勢一致，相對輻射通量隨著檢測距離增加而減小。此外，三種缺陷模型的相對輻射通量的變化也有差異。首先，點狀模型的兩條連線(圖5中內(nèi)導體點狀和外殼點狀)幾乎平行，距離很近，說明點狀模型在腔體截面的位置對相對輻射通量的變化規(guī)律影響甚微，且數(shù)值差異很小。其次，柱狀模型在兩個不同表面時，相對輻射通量的變化規(guī)律也很相似，但數(shù)值差異非常大，在內(nèi)導體表面時的數(shù)值超過在外殼內(nèi)表面的1.5倍。最后，錐狀模型在內(nèi)導體和外殼位置的變化規(guī)律差異較大，兩者的相對輻射通量的差值隨著檢測距離的增加而減小，甚至重合；說明錐狀模型的位置對于距離越近的檢測面影響越大，而對于距離遠的檢測面影響越小。

從相對輻射通量的數(shù)值上看，檢測面1上的數(shù)值落在15～35 W之間，多數(shù)在15～20 W，與仿真設置的100 W相對輻射通量相比而言，約減小了80%。隨著傳播距離增加，減小程度增大，檢測面4的相對輻射通量不到缺陷模型原始數(shù)值的5%。實際的局部放電情況受到各種因素的影響，輻射通量比仿真設置的數(shù)值更小，這就要求探測器具有較高的靈敏度，并且對于探測器位置設置提出了要求。后續(xù)的光學檢測裝置的探測器選取和位置可以參考仿真結果進行設計。

2.2 檢測角的相對輻射通量

圖6是位于檢測面1上得到的相對輻射通量與檢測角的關系。由于缺陷模型和GIS腔體的位置成軸對稱關系，因此僅考慮單側五個檢測角(A～E)。從數(shù)值大小來看，僅在內(nèi)導體表面的柱狀缺陷模型條件下，檢測角D的相對輻射通量接近120 mW；其他的相對輻射通量均小于80 mW；大部分的數(shù)據(jù)分布在20～40 mW之間。檢測角E上相對輻射通量的數(shù)值相比于其他檢測角都小，主要原因在于內(nèi)導體遮擋了缺陷模型的直射光。

從連線包圍的圖形來看，點狀模型的包圍圖形的面積相比與其他模型稍大，說明了該模型光學信號輻射范圍大；當點狀缺陷在內(nèi)導體表面上時，包圍圖形大部分在上方，而在外殼內(nèi)表面時的情況相反。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，缺陷位置對于檢測角有微弱的影響；缺陷在內(nèi)導體表面上時，連線圖形較窄較長檢測角A、E上的數(shù)值比C小，而當缺陷在外殼內(nèi)表面上時連線圖較扁較寬；檢測角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信號的傳播規(guī)律有相似性，也有差異。相似的地方在于，光學信號隨著傳播距離的增加而減弱，本文中三種缺陷在檢測面的相對輻射通量數(shù)值呈現(xiàn)非線性的下降過程。差異在于以下兩點：三種缺陷模型在檢測面上的光斑和檢測角數(shù)值連線各有特點；三種缺陷模型的光學信號隨著傳播距離增加而減弱的程度各不相同。

3 總結

我們建立了直筒型GIS腔體模型，設置了檢測面和檢測角來觀察并研究三種局部放電缺陷模型光學信號的傳播規(guī)律，主要結論如下：

1)不同缺陷模型的光學信號隨著傳播距離增加而逐漸減小，但檢測面上光斑、光學信號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)各個檢測面上的相對輻射通量受到直射光影響程度大；檢測面4上(橫向傳播距離近1 m)的相對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檢測角上的數(shù)值差異較?。辉谠驾椛渫繛?00 W條件下，檢測角的相對輻射通量主要分布在20～40 mW之間，個別條件下檢測角的數(shù)值會達到60 mW，甚至120 mW。

以上幾點有助于了解GIS腔體中不同缺陷局部放電光學信號的傳播規(guī)律，通過信號衰減和光斑等特征來設計檢測對象，增加缺陷模型的判定依據(jù)；另外，綜合考慮檢測距離、位置和設備靈敏度，為監(jiān)測系統(tǒng)設計提供參考。

本文研究主要建立在相對輻射通量這個參數(shù)上，除輻射通量以外，輻射照度、輻射強度、光線數(shù)量等參數(shù)也可以作為觀測和分析的標準，進行仿真研究。另外，通過在不同檢測面上設置不同檢測角，可能實現(xiàn)對于局部放電缺陷位置和類型的判別，但所需檢測角的個數(shù)和設置位置需要更進一步的研究。