高 山,李玉杰,趙 科,李洪濤,劉建軍,肖晗艷,韓 冬

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211100; 2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所,北京 100190)

1 引言

局部放電導(dǎo)致的絕緣缺陷是SF6氣體絕緣電氣設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)最多的故障之一,利用局部放電檢測(cè)技術(shù),對(duì)電氣設(shè)備的故障識(shí)別及預(yù)警意義重大。根據(jù)局部放電伴隨產(chǎn)生的物理化學(xué)現(xiàn)象,目前檢測(cè)局部放電的技術(shù)方法主要包括特高頻法、脈沖電流法、超聲波法、分解氣體法和光學(xué)測(cè)量法等。

現(xiàn)場(chǎng)普遍采用特高頻方法進(jìn)行電氣設(shè)備的局部放電檢測(cè)。日本九州工業(yè)大學(xué)的Sriyono等人分析了特高頻傳感器位置對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅度的影響,確定了特高頻法的最佳檢測(cè)位置[1]。上海交通大學(xué)武昊等人通過(guò)改進(jìn)定向天線陣列的多重信號(hào)分類(lèi)算法,提高了特高頻法檢測(cè)的定位精度,降低了定位誤差[2]。西安交通大學(xué)朱明曉等人通過(guò)高斯平滑濾波算法提取特高頻檢測(cè)波形的不同參量,用于不同缺陷的有效分離[3]。然而,特高頻法易受電磁噪聲的影響,存在故障漏報(bào)及誤報(bào)的問(wèn)題。

放電過(guò)程中各分子、原子、離子等粒子因熱或電作用躍遷至激發(fā)態(tài),退激后形成的混合發(fā)射光譜與放電程度、放電類(lèi)型等密切相關(guān)[4,5]。光學(xué)測(cè)量法則是利用異常放電產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行放電缺陷感知。相較于現(xiàn)有技術(shù),光測(cè)法的抗電磁干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)置信度高,近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注?；跇O端紫外線輻射脈沖,波蘭軍事工業(yè)大學(xué)A.Bartnik等人研究了六氟化硫(SF6)分子的光譜分布,發(fā)現(xiàn)SF6的光譜范圍為紫外-可見(jiàn)光,主要由氟離子F II、氟原子F I和硫離子S II等產(chǎn)生的輻射躍遷形成[6]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所韓冬等人分析了局部放電條件下SF6發(fā)射光譜的特征,并對(duì)放電模式進(jìn)行了識(shí)別[7,8]。西安交通大學(xué)任明等人研究了局部放電下SF6的光脈沖信號(hào),分析了紫外-可見(jiàn)光-近紅外譜段的信號(hào)強(qiáng)度與放電類(lèi)別的關(guān)系[9]。重慶大學(xué)唐炬等人對(duì)常見(jiàn)局部放電缺陷下SF6光脈沖的φ-u-n三維圖譜進(jìn)行了識(shí)別[10]。西安交通大學(xué)韓旭濤等人利用熒光光纖和特高頻傳感器檢測(cè)和比較了尖刺缺陷和懸浮缺陷條件下的光脈沖和特高頻信號(hào)[11]。然而,受電氣設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、光學(xué)傳感器的安裝位置等因素影響,光測(cè)法易出現(xiàn)檢測(cè)暗區(qū),從而影響檢測(cè)效果和準(zhǔn)確度。

總體上,目前局部放電缺陷的識(shí)別多依賴(lài)單一檢測(cè)技術(shù)。實(shí)際上,目前的局部放電檢測(cè)技術(shù)各有利弊,檢測(cè)結(jié)果易受傳感器類(lèi)型和布置方式的影響,故障誤報(bào)、漏報(bào)情況較嚴(yán)重。若提取不同檢測(cè)方法的特征信息,建立不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)協(xié)同關(guān)系,可有望提升不同檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)兼容性,從而提高電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)和識(shí)別的置信度。

為此,本文在模擬尖刺放電缺陷的基礎(chǔ)上,利用光譜儀、光電倍增管和特高頻傳感器等對(duì)放電過(guò)程中SF6的發(fā)射光譜、時(shí)域光脈沖、特高頻等信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè),分析了SF6在放電條件下的光學(xué)-電學(xué)聯(lián)合特性,旨在為SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的局部放電多信號(hào)聯(lián)合分析及識(shí)別提供參考。

2 試驗(yàn)與檢測(cè)條件

放電與檢測(cè)平臺(tái)示意圖如圖1所示,主要由工頻交流電源、L型套管、光譜儀、光電倍增管、特高頻傳感器和示波器等組成。放電試驗(yàn)平臺(tái)主要包括工頻交流電源和試驗(yàn)罐。其中,工頻交流電源的額定電壓為100 kV,分壓比為1/10 000;試驗(yàn)罐的體積為120 L。放電試驗(yàn)中,工頻交流電源的升壓速率為0.5 kV/min。示波器用于顯示和記錄試驗(yàn)中的施加電壓、光電倍增管和特高頻傳感器的信號(hào)。

圖1 放電及光-電聯(lián)合檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

光-電聯(lián)合檢測(cè)主要包括利用光譜儀、光電倍增管和特高頻傳感器,同時(shí)還設(shè)置了高壓探頭提供參考電壓信號(hào)。光譜儀來(lái)自為美國(guó)海洋光學(xué)公司,型號(hào)為MX2500+,分辨率為1 nm,積分時(shí)間為10 ms～60 s,光譜范圍為200～1 037 nm,用于測(cè)量放電過(guò)程中各粒子形成的發(fā)射光譜信號(hào)。

實(shí)施欺凌行為的性別差異方面，男生在“對(duì)他人實(shí)施毆打、推搡等肢體暴力行為”和“脅迫他人或勒索財(cái)物”以及“嘲笑、取綽號(hào)、惡意評(píng)論過(guò)他人的生理特征等”三個(gè)行為方面顯著高于女生，而在“言語(yǔ)辱罵、當(dāng)面或背地里說(shuō)壞話”、“在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)惡意中傷他人、散播他人隱私、謠言等”、“故意孤立、排擠他人”方面，男生與女生之間并無(wú)顯著差異。

光電倍增管型號(hào)為T(mén)HORLABS公司的PMT2100系列,增益數(shù)量級(jí)106,可檢測(cè)到80 MHz的信號(hào),用于測(cè)量SF6放電特征發(fā)射光譜的時(shí)域光脈沖信號(hào)。特高頻傳感器型號(hào)為上海華乘電氣科技有限公司的PDS-USO2C,可收集電暈放電產(chǎn)生的特高頻電磁波(300 MHz～3 GHz),利用濾波器濾除980 MHz和750 MHz的干擾信號(hào)后,可獲得放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)。高壓探頭為T(mén)ektronix公司生產(chǎn)的P6015A型號(hào),上升時(shí)間(典型值)為4 ns,帶寬75 MHz,直流最大輸入電壓20 kV,單脈沖峰值40 kV,用于提供參考電壓信號(hào)。

尖刺放電試驗(yàn)的電極采用鋁針-不銹鋼板電極,電極間距為10 mm,圖2為模擬尖刺放電的電極結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 尖刺放電的電極結(jié)構(gòu)示意圖

為盡量減小雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)罐及電極進(jìn)行清洗。用無(wú)水乙醇擦拭試驗(yàn)罐內(nèi)壁和電極,然后進(jìn)行吹掃直至無(wú)水乙醇揮發(fā)。接著,組裝試驗(yàn)罐和電極并檢漏,如果不漏氣則持續(xù)抽真空至10 Pa以下,充入SF6氣體放置20 min,再次進(jìn)行抽真空操作。上述抽真空-洗氣步驟重復(fù)3～4次后,充入SF6氣體至0.1 MPa,室溫下靜置10 h后進(jìn)行試驗(yàn)。其中,無(wú)水乙醇的含量≥99.7%,SF6氣體的純度為99.999%。

3 光譜特性分析

針-板電極下SF6氣體的局部放電起始電壓約為18 kV,擊穿電壓約為42 kV。因此,設(shè)置尖刺放電施加電壓為20 kV、28 kV、32 kV、40 kV,分別檢測(cè)從初始局部放電至臨界擊穿的放電發(fā)展過(guò)程中的光學(xué)和電學(xué)信號(hào)。圖3為施加電壓分別為20 kV和40 kV時(shí)SF6發(fā)射光譜特征分布。由于尖刺放電下650～1 037 nm譜段未檢測(cè)到信號(hào),因此本文只列出200～650 nm譜段的發(fā)射光譜。

圖3 SF6發(fā)射光譜分布

由圖3可知,當(dāng)施加電壓增大時(shí),發(fā)射光譜的強(qiáng)度也逐漸增大。尖刺放電下SF6的發(fā)射光譜主要集中在400～500 nm范圍內(nèi),呈現(xiàn)出連續(xù)帶狀分布的分子光譜特征。此外,575 nm和630 nm附近也出現(xiàn)了特征譜峰,呈現(xiàn)的是線狀的原子光譜特征。

為減少噪聲的影響,提取尖刺放電下SF6特征發(fā)射光譜,對(duì)發(fā)射光譜信號(hào)進(jìn)行一階微分處理[12]。采樣波長(zhǎng)λk處的光譜強(qiáng)度一階微分絕對(duì)值如下:

(1)

式中,I′(λk)為波長(zhǎng)λk處的光譜強(qiáng)度一階微分;I(λk)為波長(zhǎng)λk處的光譜強(qiáng)度。圖4為各施加電壓下光譜強(qiáng)度的一階微分絕對(duì)值。

圖4 不同施加電壓下的光譜強(qiáng)度一階微分絕對(duì)值

光譜項(xiàng)增寬是發(fā)光原子受所處環(huán)境物理狀態(tài)的影響引起譜線增寬現(xiàn)象。輻射原子(離子)的斯托克斯增寬主要發(fā)生在強(qiáng)大的非均勻外電場(chǎng)條件下或密度很大的運(yùn)動(dòng)電子或離子中[13]。本文的尖刺放電條件下,當(dāng)施加電壓增大時(shí),氣體放電強(qiáng)度增強(qiáng),由此將生成大量帶電離子。這些帶電離子對(duì)發(fā)光原子會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng),從而引起光譜譜線的斯塔克斯增寬或分裂。因此,當(dāng)高場(chǎng)強(qiáng)下的光譜譜線出現(xiàn)較明顯的增寬現(xiàn)象時(shí),意味著放電程度加深。

SF6特征光譜的形成主要由兩方面因素。①SF6分子在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部?jī)r(jià)電子的能級(jí)躍遷,伴隨著分子振動(dòng)態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的改變,形成帶狀分子譜帶,如反應(yīng)式(2)所示[13-15]。②高能電子撞擊SF6分子后,SF6分子會(huì)電離生成低氟硫化物和氟原子等粒子,如反應(yīng)式(3)和式(4)所示,被激發(fā)的粒子以光子形式退激后,形成帶狀分子光譜和線狀原子譜線組成的連續(xù)光譜[16-19]。也就是說(shuō),SF6特征光譜主要是由SF6分子及其低氟硫化物構(gòu)成。

(2)

SF6+e→SF5+F*+e

(3)

F*→F+hv

(4)

為便于比較,對(duì)上述SF6特征發(fā)射光譜的一階微分絕對(duì)值進(jìn)行了線性歸一化處理,將信號(hào)幅值變換至[0,1]區(qū)間,如下所示。

(5)

圖5為不同施加電壓下SF6特征光譜一階微分絕對(duì)值的歸一化比較。從圖5中可以看出,相較于其他譜段的特征光譜,492～512 nm譜段范圍內(nèi),即特征光譜492 nm和498～512 nm,光譜幅值隨施加電壓的增加明顯增大。

由于施加電壓40 kV已臨近放電擊穿電壓,根據(jù)氣體放電理論[20],激發(fā)態(tài)的SF6分子將以釋放光子的形式退激,進(jìn)而在空間中使更多SF6分子被激發(fā)或電離,如式(6)所示。

(6)

同時(shí),SF6正、負(fù)離子發(fā)生如反應(yīng)式(7)所示的輻射復(fù)合后,將輻射出更多的光子,進(jìn)一步加速SF6分子的電離。

(7)

因此,隨著施加電壓的升高,電暈放電由電子崩形式轉(zhuǎn)向流注形式,針-板電極放電通道中SF6的電離程度持續(xù)增加且進(jìn)一步發(fā)展。該放電過(guò)程反映在發(fā)射光譜上,492～512 nm譜段內(nèi)由SF6及其電離產(chǎn)生的低氟硫化物所構(gòu)成的特征光譜,其相對(duì)光強(qiáng)增大,且波長(zhǎng)范圍增寬。

4 光-電特性分析

4.1 特高頻信號(hào)

圖6為20 kV和40 kV時(shí)一個(gè)周期內(nèi)的特高頻原始信號(hào)。從圖6中可以看出,工頻交流尖刺放電下的特高頻信號(hào)主要集中在負(fù)半周期內(nèi)。隨著施加電壓的增大,特高頻信號(hào)的脈沖數(shù)、幅值和分布區(qū)間寬度均逐漸增大。

圖6 一個(gè)周期內(nèi)的特高頻原始信號(hào)

局部放電相位分布(Phase Resolved Partial Discharge,PRPD)譜圖是我國(guó)目前使用最廣泛判斷局部放電類(lèi)型和嚴(yán)重程度的方式之一[21]。圖7為施加電壓為20 kV、32 kV和40 kV時(shí),采樣任意5個(gè)周期特高頻信號(hào)疊加后的PRPD圖。由圖7可知,尖刺放電下的特高頻PRPD譜圖主要位于270°附近。施加電壓較低時(shí),270°附近開(kāi)始出現(xiàn)信號(hào),呈散點(diǎn)狀。當(dāng)放電進(jìn)一步發(fā)展時(shí),240°～300°附近信號(hào)密度明顯增大,呈簇狀分布;同時(shí)90°附近也開(kāi)始出現(xiàn)散點(diǎn)狀信號(hào),但信號(hào)幅值沒(méi)有明顯變化。當(dāng)尖刺放電發(fā)生至臨界擊穿時(shí),270°附近的信號(hào)幅值和密度均出現(xiàn)了明顯增大,90°附近信號(hào)幅值和密度變化不大。這說(shuō)明當(dāng)270°附近出現(xiàn)信號(hào)時(shí),表明發(fā)生了放電;當(dāng)90°和270°附近同時(shí)出現(xiàn)信號(hào)時(shí),表明放電進(jìn)一步加劇;當(dāng)270°附近信號(hào)幅值和密度持續(xù)增長(zhǎng)時(shí),需引起注意。

圖7 特高頻信號(hào)的PRPD譜圖

4.2 光脈沖信號(hào)

與特高頻信號(hào)比較,利用光電倍增管檢測(cè)時(shí)域光脈沖信號(hào)。圖8為一個(gè)周期內(nèi)光脈沖原始信號(hào)。

圖8 一個(gè)周期內(nèi)的光脈沖原始信號(hào)

類(lèi)似地,分析施加電壓分別為20 kV、32 kV和40 kV光脈沖信號(hào)的PRPD譜圖如圖9所示。由圖9可知,與特高頻信號(hào)不同,放電初期,光脈沖信號(hào)即同時(shí)出現(xiàn)在正、負(fù)半周,主要分布在90°和270°附近。當(dāng)施加電壓進(jìn)一步增大時(shí),光脈沖信號(hào)密度增加,光子數(shù)由散點(diǎn)變?yōu)榇貭?信號(hào)分布區(qū)域也逐漸擴(kuò)大。然而,受光電器件放大增益的影響,施加電壓對(duì)光脈沖信號(hào)幅值影響較小,無(wú)明顯變化。

圖9 光脈沖信號(hào)的PRPD譜圖

由光脈沖信號(hào)的特征來(lái)看,由于信號(hào)幅值的變化不大,可通過(guò)信號(hào)脈沖數(shù)以及相位分布判斷放電的發(fā)展程度。正、負(fù)半周如檢測(cè)到信號(hào),即可認(rèn)為發(fā)生了放電;當(dāng)脈沖數(shù)密集程度加重,信號(hào)分布從90°和270°附近逐漸向整個(gè)相位空間擴(kuò)散時(shí),說(shuō)明放電程度加劇,應(yīng)引起重視。

三種檢測(cè)方法各有優(yōu)勢(shì),發(fā)射光譜可了解放電過(guò)程中分子、原子、離子等粒子的變化發(fā)展,特高頻和光脈沖信號(hào)則可提供與放電密切相關(guān)的時(shí)域、頻域、相位等信息。表1為尖刺放電各階段中發(fā)射光譜、特高頻和光脈沖信號(hào)特性的比較。若結(jié)合光、電檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì),綜合診斷放電缺陷,可提高局部放電模式識(shí)別的準(zhǔn)確度和置信度。

表1 放電不同階段的光-電特性綜合比較

5 結(jié)論

本文利用針-板電極模擬了尖刺放電缺陷,并采用光譜儀、光電倍增管和特高頻傳感器分別檢測(cè)了發(fā)射光譜、光脈沖和特高頻信號(hào),得出結(jié)論如下:

(1)尖刺放電下SF6發(fā)射光譜主要集中在400～500 nm譜段,主要由SF6分子及其電離產(chǎn)生的低氟硫化物形成,且光譜強(qiáng)度隨著施加電壓的增加而增大。當(dāng)放電程度加深時(shí),SF6的特征光譜項(xiàng)出現(xiàn)了斯托克斯增寬,意味著SF6電離程度加劇。

(2)光脈沖信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)在正、負(fù)半周,隨施加電壓的增大信號(hào)脈沖數(shù)增多,但信號(hào)幅值受施加電壓的影響較小,無(wú)明顯變化。

(3)特高頻信號(hào)主要集中在270°附近。當(dāng)施加電壓增大時(shí),特高頻信號(hào)的密度和幅值明顯增大,呈簇狀分布;同時(shí)90°附近也開(kāi)始出現(xiàn)散點(diǎn)狀信號(hào)。

后續(xù)研究將集中在不同條件下的局部放電光學(xué)-電學(xué)聯(lián)合檢測(cè)特點(diǎn)和方法,以及高氣壓下微弱光信號(hào)的響應(yīng)增強(qiáng)方法等方面,從而建立基于多維信息融合的放電模式識(shí)別與診斷依據(jù)。