基于特征光谱的GIS尖端放电特性研究

王增彬, 陈义龙，孙帅，王流火，吴吉，李兴旺，吕鸿，卢启付

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 广东电网有限责任公司，广东 广州 510060)

气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)体积小、输送容量大、维护周期长，是电力系统中的核心变电装备之一[1]。因内部的绝缘缺陷导致GIS故障发生之前，一般均会产生局部放电，实现GIS局部放电的准确检测和有效诊断是及时发现GIS绝缘缺陷、预防GIS故障的重要保障。因此，GIS局部放电带电检测及在线监测技术成为研究的热点[2-5]。

GIS局部放电检测技术的2个核心问题是如何准确检测到局部放电信号以及如何准确判断局部放电的性质。经过长期研究，准确检测到局部放电信号的问题已经基本得到解决，采用超声波法、特高频法、脉冲电流法、SF6气体分解物检测法等方法检测GIS内部的微小局部放电信号均已有大量技术研究[6-12]，并在电力系统中得到广泛应用;但是，针对准确判断局部放电性质的问题，目前仍然没有得到圆满解决。GIS局部放电的诊断即判断局部放电的种类、位置、严重程度、发展趋势等，相关研究均是基于目前采用较为广泛的测试技术，包括超声波法、特高频法、SF6气体分解物检测法等。

超声波法可实现对部分局部放电种类(如沿面放电、颗粒放电)的有效检测和判断[11-12]。由于超声信号衰减大，通过幅值比较的方法可实现局部放电位置的初步判断，但由于采样频率低，局部放电可提取的特征参量少，因此在局部放电放电诊断中应用较少。

特高频检测法采样频率高，特征参量信息充足，对常见局部放电类型(尖端放电、悬浮放电、沿面放电、空穴放电、自由金属颗粒放电等)均有较好的检测灵敏度[5,8]。特高频信号频率高，在GIS中衰减相对较小，可以通过时差比较方法实现局部放电位置的定位；但该方法受到变电站电磁环境影响巨大，特别在GIS外壳电位不稳定的场合下局部放电检测和定位均十分困难。特高频方法的局部放电诊断均是基于特高频信号的统计特征而开展的，虽然已经有大量研究见诸报道[5,10]，但是除可对放电类型做出较为准确的判断外，对局部放电的发展程度、趋势的表征尚未形成定论，目前也没有具备相关功能的设备在现场应用。

SF6气体分解物检测法完美克服了特高频方法对电磁环境的依赖性，但对放电类型的判断仅限于是否属于绝缘材料相关放电，对局部放电位置的判断仅限于某个GIS气室[6-7]。同时，受到气室内气体扩散、吸附剂吸收、取气孔狭长等因素的影响，对局部放电分解物的检测具有很大的滞后性，甚至可能检测不到分解物，从而给局部放电的检测和诊断带来很大困难。

综上所述，目前尚没有成熟有效的方法从复杂的放电发展过程中提取出可以有效表征局部放电的不同放电阶段和不同危险等级的特征参量，因而实现对局部放电发展趋势的准确预测和评价仍然十分困难，亟需采用新的研究方法寻找不同局部放电发展阶段的特征参量，为局部放电的趋势诊断奠定基础。

局部放电的发生均伴随着光子的产生，对于敞开式的电力装备紫外光检测已经成为判断其是否存在放电的重要手段，并在电力系统中得到应用；但是，对于GIS等全封闭式电气设备，用光学方法进行局部放电的检测和诊断基本未见报道。作者及其科研团队率先提出了GIS局部放电的光学特征研究方法，并开展了大量工作，曾利用数值图像处理技术提出了基于灰度、方差和变异系数的介质阻挡放电评价指标[13-14]及电晕长度评价指标[15]，并利用可见光图像的灰度图分析了沿面放电的光学图像特征[16]。

尖端放电是GIS中一种常见的放电现象，通常的研究集中在电信号、电磁波和超声波，而未见有关光学信号方面的研究，也没有利用局部放电信号对金属尖端材质进行判断的技术方法，因此无法满足对尖端缺陷位置进行准确判断的需求。

本文在上述局部放电光学特征研究基础上，研究了SF6内不同电极材料下尖端放电的光谱特征，分析了放电发展过程中的光谱变化规律，提出了表征尖端放电发展程度的特征参量。

1 试验装置与方法

本文所采用的尖端放电试验装置如图1所示。

图1 试验电路示意图Fig.1 Schematic diagram of test circuit

图1采用针-板结构构成放电主体，试验腔室中充SF6气体，气体压力为0.5 MPa(绝对压力)，金属尖端曲率半径约为75 μm，尖板距离为2 mm。采用Maya 2000Pro型光谱仪(波长最小分辨率为0.45 nm ，电荷耦合元件型号S10420)测试放电光谱，采用透镜组聚集放电区域光强，将放电区域置于透镜焦点，测试探头置于另一透镜焦点，2个透镜焦距均为30 cm。试验装置及测试探头均置于暗室中，以防止外部环境对结果的影响。光纤探头一端接入光谱仪入射狭缝，放电发出的光由透镜组成像于光纤耦合入口区，光纤将信号传输到光谱仪中，由电荷耦合元件将光信号转换为电信号，通过计算机显示出来。试验以光谱仪能检测出明显的放电光信号且信号信噪比大于2为起始电压记录点，待放电稳定后连续记录10组数据。

试验中针电极可采用不锈钢、钨钢、铜(黄铜，下同)、铝、石墨等5种材质，用以模拟GIS中可能出现的不同部位的尖端放电情况，平板电极采用不锈钢材质，其表面进行抛光处理，周围进行倒圆角加工。

2 放电特性光谱研究

在施加8 kV电压下，分别测试了不锈钢、钨钢、铜、铝、石墨等5种不同材质尖端放电光谱，用以分析不同材质尖端放电的特征波长。

2.1 不锈钢尖电极

测试出不锈钢针电极在SF6气体中电晕放电的发射光谱如图2所示，由图2可以发现，发射光谱集中在300～400 nm之间。

图2 不锈钢电极的放电发射光谱Fig.2 Discharge emission spectra of stainless steel electrode

对不锈钢针电极在同一电压下10组电晕放电光谱的特征波长数据进行整理，统计出光谱中强度最大的几个峰的中心波长值，整理得出不锈钢针在SF6气体中电晕放电光谱的特征波长，共计10个。查阅物理化学手册(CRC Handbook of Chemistry and Physics 84th)及Wavelengths and Transition Probabilities for Atoms and Atomic Ions(NSRDS-NBS-68)，可找出最接近标准里给出的对应元素(误差≤±0.45 nm)，见表 1。

表1 不锈钢尖端放电特征波长
Tab.1 Characteristic wavelengths of stainless steel tip discharge

序号实测特征波长/nm元素标准波长/nm1296.60296.68(FeI)2308.05308.07(NiI)3315.07314.99(WII)4336.25336.23(OII)5353.24352.98(FeI)6356.45356.54(FeI)7374.75374.95(OII)8379.32379.43(FeI)9398.48398.40(FeI)10404.85404.87(MnI)

注：FeI为铁元素一；NiI为镍元素一；WII为钨元素二；OII为氧元素二；MnI为锰元素一，其他表中所示元素依次类推。

2.2 钨钢针电极

测试出钨钢针电极在SF6气体中电晕放电的发射光谱如图 3所示，发射光谱集中在300～400 nm之间。

图3 钨钢电极放电发射光谱Fig.3 Emission spectra of tungsten electrode

对钨钢针电极在同一电压下10组电晕放电光谱的特征波长数据进行整理，统计出光谱中强度最大的几个峰的中心波长值，整理得出钨钢针在SF6气体中电晕放电光谱的特征波长，共计11个。查阅物理化学手册，可找出最接近标准里给出的对应元素(误差≤±0.45 nm)，见表 2。

表2 钨钢尖端放电特征波长
Tab.2 Characteristic wavelengths of tungsten tip discharge

序号实测特征波长/nm元素标准波长/nm1308.61308.49(WI)2313.23313.28(OIII)3314.61314.99(WII)4336.25336.23(OII)5351.40351.50(NiI)6354.61354.52(WI)7356.90356.54(FeI)8374.75374.95(OII)9377.95378.35(NiI)10379.32379.43(FeI)11398.48398.40(FeI)

2.3 铜针电极

测试出铜针电极在SF6气体中电晕放电的发射光谱如图4所示，最大特征谱出现在350 nm左右。

图4 铜电极放电发射光谱Fig.4 Discharge emission spectra of copper electrode

对铜针电极在同一电压下10组电晕放电光谱的特征波长数据进行整理，统计出光谱中强度最大的几个峰的中心波长值，整理得出铜针在SF6气体中电晕放电光谱的特征波长，共计8个。查阅物理化学手册，可找出最接近标准里给出的对应元素(误差≤±0.45 nm)，见表 3。

表3 铜尖端放电特征波长
Tab.3 Characteristic wavelengths of copper tip discharge

序号实测特征波长/nm元素标准波长/nm1314.61314.99(WII)2335.79335.44(WI)3352.78352.63(FeI)4356.45356.54(FeI)5374.30374.17(WI)6379.32379.43(FeI)7398.02398.40(FeI)8405.30404.87(MnI)

2.4 铝针电极

图 5为铝针电极在SF6气体中电晕放电发射光谱，在315 nm左右处特征波长强度明显大于上述3种材质的电极材料，但主要特征波长的分布范围与上述3种电极材料一致，均为300～400 nm。

图5 铝电极放电发射光谱Fig.5 Discharge emission spectra of aluminum electrode

对铝针电极在同一电压下10组电晕放电光谱的特征波长数据进行整理，统计出光谱中强度最大的几个峰的中心波长值，整理得出铜针在SF6气体中电晕放电光谱的特征波长，共计9个。查阅物理化学手册，可找出最接近标准里给出的对应元素(误差≤±0.45 nm)，见表 4。

表4 铝尖端放电特征波长
Tab.4 Characteristic wavelengths of aluminum tip discharge

序号实测特征波长/nm元素标准波长/nm1315.07314.99(WII)2336.25336.23(OII)3352.32352.46(NiI)4353.24352.98(FeI)5356.45356.54(FeI)6374.75374.95(OII)7379.32379.43(FeI)8398.02398.40(FeI)9404.85404.87(MnI)

2.5 石墨针电极

图6为石墨针电极在SF6气体中电晕放电发射光谱，在315 nm左右处特征波长强度与铝针电极的相当，但此处出现了2个相邻的特征波长，其主要特征波长同样集中在300～400 nm。

图6 石墨电极放电发射光谱Fig.6 Discharge emission spectra of graphite electrode

对石墨针电极在同一电压下10组电晕放电光谱的特征波长数据进行整理，统计出光谱中强度最大的几个峰的中心波长值，整理得出石墨针在SF6气体中电晕放电光谱的特征波长，共计9个。查阅物理化学手册，可找出最接近标准里给出的对应元素(误差≤±0.45 nm)，见表 5。

表5 石墨尖端放电特征波长
Tab.5 Characteristic wavelength of graphite tip discharge

序号实测特征波长/nm元素标准波长/nm1313.23313.28(OIII)2314.15314.14(WI)3335.79335.44(WI)4353.24352.98(FeI)5356.90356.54(FeI)6374.75374.95(OII)7379.32379.43(FeI)8398.48398.40(FeI)9405.30404.87(MnI)

2.6 基于特征波长的金属尖端材质分析

处于一定强度值电场中的金属尖刺会发生局部放电，进而产生等离子区域，区域内的大量粒子通过碰撞进行能量交换，部分粒子在能量的交换过程会被激发；但是，激发态的粒子寿命一般只有10-8s，因而随即会发生能级跃迁，大量光子便在跃迁过程中产生。由于粒子的激发态是不连续的固定能量状态，因此产生的光子具有固有的能量特征，即表现为该元素的特征放电光子波长。这些含有各个元素特征波长信息的光子通过光纤进入光谱仪入口，经过光谱仪内部光栅分光后成为按照波长长度大小分布的光谱。

表6为不同材料电极尖端放电特征波长对比，可见特征波长主要对应铁、钨、镍、锰、氧等元素，其中铁、钨、镍、锰的大量出现是由平板不锈钢电极的采用引起的，而氧元素则主要是由于SF6气体中的氧气杂质引起的，氧气电离的能量远低于SF6，因此在局部放电不太严重时，氧元素的电离特征比SF6明显得多。

表6 不同材料电极尖端放电特征波长对比
Tab.6 Comparison of characteristic wavelengths of discharge of different material tip electrodes

不同材料电极下实测特征波长/nm不锈钢钨钢铜铝石墨元素标准波长/nm296.60296.68(FeI)308.05308.07(NiI)308.61308.49(WI)313.23313.23313.28(OIII)314.15314.14(WI)315.07314.61314.61315.07314.99(WII)335.79335.79335.44(WI)336.25336.25336.25336.23(OII)351.40351.50(NiI)352.32352.46(NiI)352.78352.63(FeI353.24353.24353.24352.98(FeI)354.61354.52(WI)356.45356.90356.45356.45356.90356.54(FeI)374.30374.17(WI)374.75374.75374.75374.75374.95(OII)377.95378.35(NiI)379.32379.32379.32379.32379.32379.43(FeI)398.48398.48398.02398.02398.48398.40(FeI)404.85405.30404.85405.30404.87(MnI)

由于本文采用的平板电极为不锈钢，同时不锈钢、钨钢、铜、铝中均含有铁元素，所以如356.90 nm〔FeI(356.54 nm)〕、379.32 nm〔FeI(379.43 nm)〕及398.48 nm〔FeI(398.40 nm)〕为5种材料所共有的特征波长。

铁和镍是不锈钢尖端的主要成分，296.60 nm〔FeI(296.68 nm)〕、308.05 nm〔NiI(308.07 nm)〕为不锈钢电极尖端放电特有的特征波长，可以作为判断是否为不锈钢材质部位放电的依据。

钨是钨钢尖端的主要成分，308.61 nm〔WI(308.49 nm)〕、354.61 nm〔WI(354.52 nm)〕为钨钢电极尖端放电特有的特征波长，可以作为判断是否为钨钢材质部位放电的依据。

黄铜中含有一定含量的铁元素，352.78 nm〔FeI(352.63 nm)〕为铜电极尖端放电的特有特征波长，可以作为判断是否为铜材质部位放电的依据。

铝和石墨除表现出一些与以上电极相同的特征谱线外，由于铝和石墨本身电子激发较困难，因此使平板电极中一些元素特征被凸显出来，如：352.32 nm〔Ni(352.46 nm)〕为铝电极尖端放电特有的特征波长；314.15 nm〔WI(314.14 nm)〕为石墨电极尖端放电特有的特征波长。

由于部分特有特征波长存在与其相近的光谱，实际判断中可能存在混淆，因此应结合其他特征波长进行交叉判断，从而保障判断的准确性。如：发现308.05 nm〔NiI(308.07 nm)〕波长光谱时，进一步观察是否存在404.85 nm〔MnI(404.87 nm)〕特征波长，以消除308.61 nm〔WI(308.49 nm)〕波长可能带来的干扰。

3 放电程度特征参量研究

根据SF6气体中的尖端放电特征光谱的比较分析结果，λ1=356.54 nm、λ2=379.43 nm、λ3=398.40 nm是5种电极材料尖端放电中共有的特征波长，因此，通过施加不同电压模拟不同的放电程度，系统研究不同电压下λ1、λ2及λ3强度的变化规律，以获得能够表征尖端放电发展程度的特征参量。

本文中光谱仪对λ1、λ2及λ3的量子转换效率分别为66.4%、64%和70%。将5种电极材料下尖端放电光谱中λ1、λ2及λ3对应的强度进行了平均，并按照量子转换效率进行了修正，结果见表 7。

表7 不同电压等级下的特征波长光谱强度
Tab.7 Spectral intensity of characteristic wavelengths under different voltages

电压/kV波长/nm强度均值/103强度折算值/1037356.54 0.4440.669379.43 0.2090.327398.40 0.8300.1198356.54 1.0131.525379.43 0.4670.730398.40 0.1850.26410.4356.54 2.2523.391379.43 1.0291.607398.40 0.3940.563

特征波长光谱强度随电压强度变化规律如图 7所示，可见3个特征波长光谱强度均随施加电压的增加而增大，但356.54 nm特征波长的光谱强度增大速度最快，而398.40 nm特征波长的光谱强度增大速度最慢。

图7 不同电压等级下的特征波长光谱强度Fig.7 Spectral intensity of characteristic wavelengths under different voltages

由于光谱强度受电极大小影响很大，因此光谱强度的绝对值无法作为评价放电强度的普适性参量。本文通过研究3个特征波长的两两相对光发射强度随电压变化曲线，找出尖端放电严重程度识别的方法。

随着施加电压的增加，激发金属电子的能量逐渐增大，使更多的电子进入更高的激发态，表现为产生光子能量的增大，即特征波长更小的光子含量增加。因此，以施加的电压值为横坐标，分别以λ2/λ1、λ3/λ2及λ3/λ1相对光谱强度(光谱强度的比值)为纵坐标，尖端放电在特定波长下相对光谱强度随电压变化的趋势曲线如图 8所示。可见，随着电压等级的增加，λ2/λ1、λ3/λ2及λ3/λ1相对强度均呈下降趋势，即随着电压等级的增加，能量较大光子的比例逐渐增大，放电程度和相对光谱强度之间有很好的对应关系，从而通过相对光谱强度可以反映出放电的发展程度。

图8 不同电压等级下的特征波长相对强度Fig.8 Relative intensity of characteristic wavelengths under different voltages

4 结论

本文研究了不锈钢、钨钢、铜、铝、石墨等5种不同材质尖端放电光谱特性，发现了反映尖端放电金属材质的特征光谱，提出了尖端放电发展程度的表征参量，为尖端放电的准确诊断提供了新的思路和可行路线，并得出以下结论：

a) 局部放电的光谱特征可以反映出放电的电极材料、发展程度等关键信息，光谱特征分析是研究局部放电的有效方法；

b) 不锈钢、钨钢、铜、铝、石墨等5种不同材质尖端放电光谱均具有其特有的特征波长，基于表6所示的特征波长可以判断发生尖端放电的金属材质，进而为分析发生局部放电的具体位置提供依据；

c)λ1=356.54 nm、λ2=379.43 nm、λ3=398.40 nm是GIS内可能存在的几种金属尖端放电的普适性特征波长；

d)λ2/λ1、λ3/λ2及λ3/λ1相对光谱强度(光谱强度的比值)随放电程度增加而减小，通过相对光谱强度数值可以表征放电的发展程度，对于判断尖端放电严重程度具有重要意义。