趙 科，李玉杰，楊景剛，李洪濤，肖焓艷

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100）

0 引言

SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，廣泛應(yīng)用于氣體絕緣的輸變電設(shè)備中，如氣體絕緣組合電器、氣體絕緣輸電管道、斷路器、氣體絕緣變壓器等。目前，我國高壓電氣設(shè)備的SF6氣體使用量約占SF6總產(chǎn)量的80%。在生產(chǎn)制造、安裝和運(yùn)行過程中，SF6氣體輸變電設(shè)備殘留雜質(zhì)、外力所致的細(xì)小劃痕等易使設(shè)備產(chǎn)生局部高場強(qiáng)并引發(fā)局部放電，嚴(yán)重時(shí)可進(jìn)一步發(fā)展為絕緣故障，給電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患［1］。根據(jù)電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)伴隨產(chǎn)生的超聲波、光輻射、電磁波輻射和氣體分解等物理化學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)前局部放電檢的檢測方法主要有脈沖電流法、特高頻法、超聲波法和分解氣體法等，這些方法易受設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中的電磁、背景噪聲干擾，在一定程度上限制了其推廣與應(yīng)用。發(fā)射光譜法通過檢測局部放電產(chǎn)生的光輻射信息進(jìn)行放電識別與診斷，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗電磁和聲信號干擾能力強(qiáng)［1］等優(yōu)點(diǎn)，在輸變電設(shè)備的局部放電檢測領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注［2］。

在SF6氣體放電與發(fā)射光譜信息關(guān)系研究方面，東京電力有限公司Fujii K 等［3］利用光譜儀檢測電暈放電下的SF6氣體發(fā)射光譜，主要集中在300～800 nm譜段，且正極性電暈和負(fù)極性電暈放電的發(fā)射光譜存在差異。日本名古屋大學(xué)Yoshida S 等［4］發(fā)現(xiàn)局部放電發(fā)展過程的三個(gè)瞬間中，560 nm 以上波長的SF6氣體發(fā)射光譜條紋圖像及其光譜分布差異較明顯。波蘭軍事工業(yè)大學(xué)Bartnik［5］利用極端紫外線輻射脈沖輻照SF6氣體，得到SF6氣體從紫外到可見光范圍內(nèi)的光譜分布，其譜線主要由氟離子、氟原子和硫離子的輻射躍遷形成。西安交通大學(xué)任明等［6］研究不同放電類型下SF6氣體的光譜分布和光脈沖的統(tǒng)計(jì)特性，提出一種識別局部放電的三角聚類方法。中國科學(xué)院電工所李彥飛等［7-8］研究幾種典型的SF6氣體放電缺陷下的發(fā)射光譜，并根據(jù)光譜分布差異，對不同類型的放電缺陷進(jìn)行模式識別。

在SF6氣體放電與光脈沖信號關(guān)系研究方面，英國索爾福德大學(xué)D.F.Binns 等［9］利用光電倍增管檢測了電暈放電下SF6氣體與SF6氣體/N2的光脈沖信號，并分析施加電壓和電極針尖的曲率半徑的影響。日本名古屋大學(xué)Naoki Hayakawa 等［10］通過高時(shí)間分辨電流、光脈沖、局部放電的發(fā)光圖像等信息，分析交流電壓下SF6/N2和C2F6/N2混合氣體局部放電的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)制。西安交通大學(xué)韓旭濤等［11］利用熒光光纖和特高頻傳感器，檢測氣體絕緣組合電器內(nèi)部導(dǎo)桿尖刺缺陷和懸浮缺陷，指出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［12］采用熒光光纖傳感系統(tǒng)對常見的SF6氣體局部放電缺陷進(jìn)行檢測，對不同放電類型下的光脈沖三維圖譜進(jìn)行識別。

SF6氣體是電負(fù)性氣體，具有很強(qiáng)的捕捉自由電子的能力，這使得局部放電初期的光信號極其微弱。對于微弱光信號的檢測，目前多采用寬譜光信號增強(qiáng)的方式，即同時(shí)增大“紫外—可見光—紅外”全譜段范圍內(nèi)的光信號，但該方式在增強(qiáng)光信號的同時(shí)也增強(qiáng)了本底噪聲，導(dǎo)致檢測信噪比低。為此，提出一種特征譜帶光信號增強(qiáng)的方式，選取可表征局部放電SF6氣體特征光譜，采用窄帶濾光片+光電倍增管的方式，增強(qiáng)特征譜段的光信號，提高信噪比。

首先模擬黃銅、不銹鋼、鋁等不同針電極材料下的工頻交流電暈放電，并檢測放電過程中的200～1 037 nm“紫外—可見光—近紅外”波段范圍內(nèi)的發(fā)射光譜，識別SF6氣體電暈放電的特征譜帶。根據(jù)特征譜帶選取窄帶濾光片、光電倍增管、透鏡等光學(xué)器件并搭建光脈沖信號檢測平臺，以增強(qiáng)并檢測特征譜段的光信號響應(yīng)。結(jié)合特征譜帶內(nèi)光信號均方根的特點(diǎn)，將電暈放電分為三個(gè)區(qū)域：初始放電階段，光電倍增管基本檢測不到明顯的光脈沖信號；放電發(fā)展階段，光信號呈上升趨勢，放電程度逐漸加深；臨界擊穿階段，光信號上升趨勢放緩，針-板間隙有隨時(shí)被擊穿的可能。采用logistic 模型對電暈放電發(fā)展過程中的光信號均方值進(jìn)行擬合和分析，提出識別放電嚴(yán)重程度的指標(biāo)及閾值，并通過高氣壓下的電暈放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提識別放電嚴(yán)重程度的指標(biāo)及閾值。

1 實(shí)驗(yàn)條件

圖1 為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括高壓擊穿裝置、實(shí)驗(yàn)氣罐、光譜儀、光電倍增管等模塊，可模擬電暈放電至火花放電擊穿的全放電過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental devices

局部放電故障模擬采用針-板電極模擬。針電極材料分別為黃銅、SUS304 不銹鋼和純鋁（直徑為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-板電極間距為10 mm。實(shí)驗(yàn)氣罐體積約為1.7 L。此外，為避免外界光干擾，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已與外部光源隔離。

高壓擊穿裝置有兩種工作方式：1）設(shè)定最大值，使其以恒定的工頻交流電壓輸出；2）設(shè)定速率升壓，直至間隙被擊穿，自動(dòng)降壓，然后繼續(xù)升壓，重復(fù)6次后停止加壓。對于工作方式1）來說，電壓保持時(shí)間最長為5min，可設(shè)定電壓最大值為100 kV，選取該工作方式進(jìn)行電暈放電實(shí)驗(yàn)。

光譜儀采用MX2500+光譜儀，用于檢測放電產(chǎn)生的光譜信息。光譜波長檢測范圍為200～1 037 nm，其中通道1 為200～650 nm，通道2 為650～1 037 nm；分辨率為1 nm；光子積分時(shí)間為10～60 000 ms。光脈沖信號檢測采用光電倍增管PMT2101，可檢測直流到80 MHz 的信號，通過50 Ω 射頻線輸出，含內(nèi)置低通濾波器，光陰極材料為GaAsP，增益的數(shù)量級為106。光譜儀和光電倍增管的石英光纖頭裝有連接器，與針-電極尖端等高且水平距離約為20 cm。

上位機(jī)對光譜儀測量的光譜信息進(jìn)行扣除背景噪聲和濾波處理，即設(shè)置光譜儀的模塊化程序扣除背景以排除光譜基線的飄移等干擾，然后再對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行Savitzky-Golay（S-G）平滑濾波。同時(shí)，為增強(qiáng)光脈沖信號的響應(yīng)幅值，對光電倍增管測量的信號進(jìn)行累加和濾波處理，即對10 個(gè)周期內(nèi)相位相同的信號進(jìn)行累加，取3 次檢測的均值作為最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果，然后采用S-G 平滑方法對累加后的信號進(jìn)行濾波。

實(shí)驗(yàn)前對實(shí)驗(yàn)氣罐進(jìn)行清洗，以減小氣體雜質(zhì)、水分等對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。首先，用無水乙醇清洗氣室內(nèi)壁及針-板電極。然后，在實(shí)驗(yàn)氣罐密封的條件下持續(xù)抽真空約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，進(jìn)行充分清潔。清洗結(jié)束后，充入絕對氣壓0.1 MPa（絕對氣壓）的SF6氣體靜置10 h 后進(jìn)行電暈放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度約為20 ℃，空氣相對濕度為10%～30%。

2 SF6氣體特征發(fā)射光譜

電暈放電和火花放電條件下的SF6氣體發(fā)射光譜分布如圖2 所示，其中施加電壓為36 kV。從光譜分布上看，不銹鋼針電極和鋁針電極下電暈放電的光譜主要集中在通道1 中的紫外275～350 nm 波段和可見光420～510 nm 波段，銅針電極電暈放電的光譜則主要為420～510 nm 波段。通道2 的650～1 037 nm波段內(nèi)基本未檢測到光譜信號。

圖2 不同針電極材料的電暈放電光譜分布Fig.2 Emission spectrum of corona discharge with different needle-electrode materials

在275～350 nm 波段，308.87 nm 處的發(fā)射光譜主要為OH 自由基的譜峰［13-15］，由實(shí)驗(yàn)罐體中殘余的微量水分電離產(chǎn)生，因此，308.87 nm 波長附近的相對光強(qiáng)與微水含量直接相關(guān)。雖然在每次實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行充分的抽真空及洗氣操作，但微水含量與空氣的相對濕度關(guān)系較大，因此每次實(shí)驗(yàn)的微水含量不穩(wěn)定。在以黃銅材料為針電極的電暈放電實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)當(dāng)日的空氣相對濕度較低，實(shí)驗(yàn)氣罐中的微水含量較低，電離產(chǎn)生的OH 自由基較少，導(dǎo)致該波長的光強(qiáng)相對較弱。

圖2（b）中，不銹鋼材料主要成分Fe，C，Cr，Mn，Ni 等元素的譜線在紫外波段均有不同程度的分布［16］。這些元素的原子或離子光譜疊加，使得275～350 nm 波段表現(xiàn)為連續(xù)的帶狀分布。圖2（c）中，308.22 nm 和309.28 nm 處均有Al 原子的特征光譜，所以鋁針電極材料電暈放電光譜中309 nm 附近的光譜可能是OH 自由基和Al 原子的光譜疊加而成，從而使得該處的相對光強(qiáng)增大。

420～510 nm 波段主要為SF6分子及其低氟硫化物分子形成的連續(xù)帶狀光譜［17-18］：一是在電場作用下，由于SF6分子內(nèi)部價(jià)電子的能級躍遷，形成由量子化振動(dòng)能級和旋轉(zhuǎn)能級在SF6分子基態(tài)電子能級上的疊加光譜；二是根據(jù)SF6電暈放電的三區(qū)域模型［19］，針尖處的SF6分子因電子碰撞發(fā)生電離，從而生成低氟硫化物SF5，SF4，SF2等。

以不銹鋼針電極為例，圖3 為施加電壓為14.5～26.5 kV 時(shí)，200～650 nm 波段內(nèi)電暈放電的光譜分布。隨著施加電壓增大，電暈放電程度加深，275～350 nm 和420～510 nm 波段范圍內(nèi)的光譜相對強(qiáng)度也逐漸增大，且420～510 nm 波段的光譜強(qiáng)度明顯增大。同時(shí)，施加電壓為14.5 kV 時(shí)，即初始電暈放電階段，光譜信號最早出現(xiàn)在420～510 nm 的可見光波段，隨著放電程度的加深，275～350 nm 波段開始檢測到信號。

圖3 不銹鋼針電極材料發(fā)射光譜與電暈放電施加電壓的關(guān)系Fig.3 Relationship of emission spectra and applied voltages with stainless steelt needle-electrode materials

總體來說，電極材料和微水含量對電暈放電光譜的影響主要集中在紫外波段；SF6及其低氟硫化物分子所形成的420～510 nm 波段光譜相對光強(qiáng)主要受放電強(qiáng)度的影響。因此，將420～510 nm 波段作為SF6電暈放電的特征譜帶，采用窄帶濾光片+光電倍增管的方式，即基于窄帶濾光片的提取光譜在增強(qiáng)該譜帶內(nèi)光信號的同時(shí)濾除非特征譜帶的光信號，以分析特征譜帶光信號強(qiáng)度與放電程度之間的關(guān)系。

3 特征光譜響應(yīng)增強(qiáng)及放電程度識別

3.1 特征光譜響應(yīng)增強(qiáng)

圖1 中聚焦透鏡、光纖、濾光片和光電倍增管等構(gòu)成特征光譜響應(yīng)增強(qiáng)模塊。通過調(diào)整聚焦透鏡的位置對電暈放電產(chǎn)生的弱光進(jìn)行聚焦，增強(qiáng)初始放電的光信號強(qiáng)度；光纖接收端放置在透鏡的焦點(diǎn)，另一端連接窄帶濾光片+光電倍增管組件，光信號通過光電倍增管的入射窗傳入光電陰極。聚焦透鏡的透過率如圖4 所示，對特征光譜具有良好的透過率。濾光片的波長為370～560 nm，對420～510 nm 特征譜帶的透過率約為90%。光電倍增管的光譜響應(yīng)范圍為300～720 nm，實(shí)驗(yàn)中光電倍增管的增益選為70，偏移為0.012。

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

電暈放電實(shí)驗(yàn)中，施加電壓的范圍為0～38 kV，電壓間隔為2 kV。每個(gè)施加電壓下測量的光脈沖信號均按10 個(gè)周期進(jìn)行累加，然后再利用式（1）分別計(jì)算光信號和施加電壓的均方根值，每個(gè)施加電壓下共計(jì)算100 組均方根值。光信號強(qiáng)度與施加電壓的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 不同電極材料下光信號強(qiáng)度與施加電壓的關(guān)系Fig.5 Relationship of optical signals and applied voltages with different electrode materials

式中：xrms為均方根值；xi為采樣值。

由圖5 可知，根據(jù)光信號的均方根值判斷，放電可大致分為3 個(gè)區(qū)域：1）初始放電階段，施加電壓為0～10 kV，放電產(chǎn)生的光信號強(qiáng)度低，未達(dá)到光電倍增管的檢測限，光電倍增管基本檢測不到明顯的光脈沖信號；2）放電發(fā)展階段，施加電壓為12～32 kV，光信號呈上升趨勢，此時(shí)放電程度逐漸加深；3）臨界擊穿階段，施加電壓為32～38 kV，光信號上升趨勢放緩，有飽和趨勢，但這一階段的放電已較為嚴(yán)重，針-板間隙隨時(shí)有可能被擊穿。

3.2 放電程度識別

電暈放電發(fā)展的過程中，光信號均方根值隨施加電壓的變化趨勢與sigmoid 函數(shù)趨勢相近，因此采用logistic 模型對光信號的均方根值進(jìn)行回歸分析和擬合［20］。logistics 模型的曲線成S 型，如式（2）所示。

式中：A1為x趨近于零時(shí)y的最小值；A2為x趨近于無窮時(shí)y的最大值；x0為曲線拐點(diǎn)；p與拐點(diǎn)處斜率有關(guān)。

3 種針電極材料下光信號均方根的擬合曲線如圖5 所示。設(shè)yA、yB、yC分別為銅、不銹鋼和鋁針電極的光信號均方根的擬合值，其logistic 擬合如式（3）—式（5）所示。

3 種電極材料下光信號的擬合參數(shù)如表1 所示，其中，R2為相關(guān)系數(shù)，計(jì)算如式（6）所示，R2取值在0～1 之間，R2越大說明擬合效果越好。由表1 可見，3 種針電極材料下的光信號擬合效果較好。

表1 不同電極材料下光信號的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of optical signals with different electrode materials

式中：n為施加電壓次數(shù)，間隔為2 kV，n=20；yi為實(shí)際值為擬合值為均值。

結(jié)合電暈放電的實(shí)測數(shù)據(jù)及其放電特征，將初始值A(chǔ)1定義為光信號的基礎(chǔ)噪聲，A2定義為危險(xiǎn)放電時(shí)光信號均方根的最大值。從圖5 中可以看出，當(dāng)光信號的均方根值大于A1時(shí)，表明已發(fā)生局部放電并處于發(fā)展階段；當(dāng)接近A2時(shí)，表明局部放電較嚴(yán)重，并呈現(xiàn)向擊穿放電發(fā)展的趨勢。以銅針電極為例，放電擊穿時(shí)的平均電壓為40 kV，如圖5（a）所示，當(dāng)施加電壓為12 kV 時(shí)，光信號的均方根大于A1，說明發(fā)生了局部放電；當(dāng)施加電壓為34 kV 及以上時(shí)，均方根值已接近A2的取值范圍，說明局部放電處于嚴(yán)重程度。

由于初始值A(chǔ)1為光信號的基礎(chǔ)噪聲，實(shí)際中，如果僅采用光信號的均方根值來判斷放電嚴(yán)重程度，可能會因?yàn)殡S機(jī)噪聲大而造成誤判。因此，采用均方根+信噪比的聯(lián)合判定方式評價(jià)放電的嚴(yán)重程度。信噪比S/N的計(jì)算如式（7）所示，其中，VS為光信號電壓的均方根值，VN為噪聲電壓的均方根值。

施加電壓0～38 kV 時(shí)3 種電極材料下光信號的信噪比如圖6 所示，可以看出，S/N超過6 時(shí)，局部放電的光學(xué)信號能被檢測到。因此，可將S/N=6 設(shè)為第二閾值。

圖6 不同電極材料的信噪比Fig.6 Signal to noise ratios of different electrode materials

根據(jù)光信號的均方根及其信噪比，局部放電程度的聯(lián)合判定流程為：首先計(jì)算光信號的均方根值，將logistic 回歸擬合的A1作為衡量放電嚴(yán)重程度的第一閾值；若光信號的均方根大于閾值，則再計(jì)算信噪比是否大于第二閾值S/N，若同時(shí)滿足，則判斷局部放電開始處于發(fā)展階段，應(yīng)引起注意；A2作為第三閾值，若光信號的均方根接近或大于A2，隨時(shí)可能發(fā)生間隙擊穿放電，為嚴(yán)重放電狀態(tài)，應(yīng)預(yù)警。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提閾值的有效性，采用如圖7 所示的真型L 套管模型（容積約為120 L）進(jìn)行電暈放電實(shí)驗(yàn)。其中，針電極材料為鋁，板電極材料為不銹鋼，電極間距為10 mm；氣體的絕對壓力為0.3 MPa 和0.4 MPa，接近高壓SF6氣體絕緣設(shè)備的實(shí)際壓力；施加電壓范圍分別為0～50 kV 和0～60 kV，電壓間隔為6 kV?？紤]到局部放電的不穩(wěn)定性，每個(gè)施加電壓下各測100 組數(shù)據(jù)，取100 組數(shù)據(jù)的均值作為輸入，然后以A1、信噪比S/N=6 dB 和A2作為判斷放電程度的閾值。

圖7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺Fig.7 Experimental verification platform

氣壓0.3 MPa 下的擊穿電壓約為74 kV。如圖8（a）所示，施加電壓為16 kV 時(shí)，光信號的均方根及信噪比均有明顯增大，因此可選取16 kV 為注意值，施加電壓超過16 kV 時(shí)應(yīng)密切注意；當(dāng)施加電壓為50 kV 時(shí)光信號均方根值已開始與A2（A2=（231.84±8.66）mV）接近，判為嚴(yán)重放電。同樣地，如圖8（b）所示，氣壓0.4 MPa 下，施加電壓閾值為20 kV，當(dāng)施加電壓超過該閾值時(shí)，應(yīng)引起注意。

圖8 高氣壓下局部放電程度判斷的驗(yàn)證Fig.8 Verification of partial discharge degree under high gas pressures

5 結(jié)論

結(jié)合SF6電離分解機(jī)理，探究電暈放電發(fā)展過程中的發(fā)射光譜特征及其成因，采用窄帶光增強(qiáng)的方式依此增強(qiáng)電暈放電特征譜帶的光信號。在此基礎(chǔ)上，提出用于識別局部放電嚴(yán)重程度的指標(biāo)和閾值，并進(jìn)行有效性驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

1）電暈放電的發(fā)射光譜集中在紫外275～350 nm波段和可見光420～510 nm 波段。其中，275～350 nm波段主要為OH 自由基和金屬材料各元素光譜的疊加，420～510 nm 波段主要是SF6氣體及其低氟硫化物分子形成的連續(xù)帶狀光譜，可選取420～510 nm 波段作為SF6氣體電暈放電的特征譜帶。

2）根據(jù)特征譜帶內(nèi)光信號均方根的特點(diǎn)，可將電暈放電分為3 個(gè)區(qū)域：初始放電階段，光電倍增管基本檢測不到明顯的光脈沖信號；放電發(fā)展階段，光信號呈上升趨勢，放電程度逐漸加深；臨界擊穿階段，光信號上升趨勢放緩，針-板間隙有隨時(shí)被擊穿的可能。

3）將logistic 回歸擬合中表征基礎(chǔ)噪聲的A1和光信號均方根的最大值A(chǔ)2以及信噪比作為判斷放電嚴(yán)重程度的指標(biāo)。若局部放電過程中光信號的均方根大于A1且信噪比大于閾值，說明局部放電已處于發(fā)展階段，應(yīng)引起注意；若光信號的均方根接近或超過A2，局部放電處于嚴(yán)重放電狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)預(yù)警。