不同缺陷局部放电光学信号传播特性的仿真研究

王子颉，徐安恬，赵龙健，周小丽

(1.复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；2.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433)

引言

气体绝缘全封闭组合电器(gas-insulated switchgear,GIS)具有结构紧凑、配置灵活、环境适应能力强、维护间隔长等优点，在电力系统中得到了大量的应用。然而在制造、运输、安装等环节可能带入缺陷。这些缺陷使GIS在实际运行过程中发生局部放电，从而引起设备故障，甚至事故。

目前，主要有以下几种主流的局部放电检测方法：特高频电磁波法、超声波法、脉冲电流法[1,2]。但由于GIS运行环境和绝缘结构通常很复杂，这些检测方法在监测时会受到各种干扰的严重影响，产生误报和漏报。光学检测法作为一种非电量检测方法，具有一些明显的优势。其一，不受电磁环境、设备震动的干扰，抗干扰性能强；其二，全封闭GIS的内部不存在其他光源，检测结果准确性高。随着光学传感器技术的进步，局部放电光学检测具有良好的发展和应用前景，是未来局部放电检测和监测的重要的研究方向。

现有的局部放电光学检测技术主要有直接探测、光学成像、光学—超声波、光纤光栅等方法，常应用于高压电缆、变压器等电力设备[3,4]。已有文献对于局部放电源的光学性质(如光谱)，以及光学信号的接收效率有深入的研究，但对于光学信号的传播却很少关注[5-7]。西安交通大学的韩旭涛等[8]利用仿真模型研究了传播距离、GIS腔体结构、放电源位置和绝缘子对于可见光的辐射通量和接收光子数的影响。实际局部放电发生时，光学信号的光谱分布范围大，横跨紫外光和可见光，因而利用辐射通量作为检测量更符合实际[9]。另外，缺陷类型对发光体形状也有影响。本文设置了三种不同形状的缺陷模型，以相对辐射通量作为标准，观察GIS腔体中局部放电的传播规律。

1 仿真设置

1.1 GIS腔体模型与检测设置

本次仿真采用直筒型GIS进行建模，其结构近似为两根同轴导体构成的系统，内导体半径为45 mm，外导体内径为190 mm，壁厚为8 mm，腔体长为1.5 m，如图1所示。GIS腔体表面材料设置为铝金属表面，吸收系数为30%，镜面反射系数为20%，漫反射系数为50%，漫反射模型为双向反射分布函数(BRDF)。另外，腔体中填充的六氟化硫(SF6)等绝缘气体，其折射系数(1.000783)[10]和空气非常接近，因此腔体中的光学介质的折射系数设置为1；腔体两端设为吸收边界。

图1 仿真GIS模型、检测面和检测角示意图Fig.1 Diagram of GIS model,detection surface and detection angle

为了得到不同缺陷模型的光斑和变化规律，在GIS腔体内部不同距离处设置检测面。检测面是垂直于腔体内壁和内导体的圆环形表面，其法线与腔体的轴线平行。从GIS腔体左端开始，每间隔250 mm设立一个检测面，共设置五个检测面，并依次命名为面0～4。面0为缺陷模型所在截面。具体结构如图1所示。另外，检测面采用完全透射体模型，不吸收或者折反射任何光线，对于传播特性无影响。

相同检测面上不同角度检测到的光学信号会有差别；且直筒型GIS的结构具有轴对称性。距离光源较远的检测面上辐射通量很小，设置检测角意义不大。考虑到以上几个因素，本文中在检测面1上设置了5个检测角，分别和缺陷模型(位于面0)在径向的投影上相差0°、45°、90°、135°和180°，依次命名为A～E，如图1所示。每个检测角附在腔体内壁，具有半径为10 mm的检测面积，设置为完全透射体。

1.2 局部放电缺陷模型

在本文仿真中，将局部放电的缺陷模型(即放电光源)分别设置为点状、柱状和锥状三种，示意图如图2所示。三种模型是根据不同电压等级下，针板放电模型的发光形状决定的。当放电电压较低时，仅在针尖附近发生放电，此时光源近似球状；随着电压升高，针板击穿，会有密集的束状放电，故近似柱状光源；放电电压更大时，电子束外扩，以针尖为顶点，板为底面发生锥状电子流，因而近似锥状光源。其中，点状光源为半径为1 mm的球体，表面发光；柱状光源底面半径为1 mm，高为3 mm，侧面发光；锥状光源底面半径为3 mm，高为3 mm，锥面发光。由于缺陷常常发生在外壳内表面和内导体表面，缺陷模型也设置在贴近表面的位置，或靠近内导体表面，或靠近外壳内壁。

图2 局部放电缺陷模型Fig.2 Defect models of partial discharge

三种光源的参数设置均相同，以垂直表面的方式发光，辐射通量为100 W，总光线数为50万。本文参考了文献中以光通量作为观测物理量的方式[8]，考虑到局部放电光谱涵盖紫外光成分，因此将辐射通量作为本仿真中的观测量。需要特别说明的是，实际的局部放电是一种随机脉冲，且受到其他可变因素的影响，需要在严格的条件下才可能进行测定，一般会远小于100 W，所以仿真中得到的辐射通量是基于实际辐射通量的相对值，称为相对辐射通量(下同)。该参数不能反映实际情况的辐射通量的大小，但其变化趋势能反映出光学信号在传播过程中的变化，有助于总结规律。

综上，本文利用直筒型GIS腔体，在两个位置上，各设置了三种缺陷模型的仿真光源。在缺陷模型光源参数相同的条件下，观察4个检测面和5个检测角的光斑以及相对辐射通量并进行分析讨论。

2 仿真结果与分析

2.1 检测面的光斑与相对辐射通量

图3是缺陷模型在内导体表面时，检测面上的光斑分布。其中，每一行表示不同缺陷模型的光斑，括号内的数字为该行颜色最深(即辐射照度最大，通过该区域的光线最多)区域所对应的数值；每一列表示不同距离检测面上的光斑。从图3中可以看出，三种缺陷模型在检测面上的光斑各有特点。点状模型的光斑呈扇形，中间区域偏红，两端偏绿，非扇形区域为蓝色；随着距离增加，光斑逐渐变淡，和其他区域的差异逐渐变小。柱状模型的光斑呈红色的“又”字形；不论在哪个距离的检测面上，光斑和周围其他区域的对比都非常明显。锥状模型仅在检测面1上留下了尖弧形的光斑和模糊的扇形光斑；随着距离增加，检测面上的光斑变成均匀分布，且整体变淡。

图3 缺陷模型在内导体表面时，各个检测面上的光斑Fig.3 Light spots on detection surface (defect models near the inner conductor surface)

图4是缺陷模型在外壳内表面时，检测面上的光斑分布情况。点状模型的光斑呈扇形，面积比在内导体表面时的光斑更大；位于检测面下方还有一条明显的光斑轮廓线，这是由于腔体多次反射形成的结果。柱状模型的光斑与内导体表面情况大不相同，呈圆弧状，与其他区域差异明显；在检测面1上还有面积较大的扇形光斑。锥状模型光斑图形最为复杂：检测面1上的光斑由圆弧形线条和“父”字形构成；检测面2的光斑为“八”字形，检测面3和4光斑均匀。和图3中的光斑相比，点状和锥状缺陷模型的光斑都呈现了扩张的趋势；柱状模型的光斑和周围的差异一直很鲜明。

图5展示了上述各种情况下检测面上的相对辐射通量。与光斑变化趋势一致，相对辐射通量随着检测距离增加而减小。此外，三种缺陷模型的相对辐射通量的变化也有差异。首先，点状模型的两条连线(图5中内导体点状和外壳点状)几乎平行，距离很近，说明点状模型在腔体截面的位置对相对辐射通量的变化规律影响甚微，且数值差异很小。其次，柱状模型在两个不同表面时，相对辐射通量的变化规律也很相似，但数值差异非常大，在内导体表面时的数值超过在外壳内表面的1.5倍。最后，锥状模型在内导体和外壳位置的变化规律差异较大，两者的相对辐射通量的差值随着检测距离的增加而减小，甚至重合；说明锥状模型的位置对于距离越近的检测面影响越大，而对于距离远的检测面影响越小。

从相对辐射通量的数值上看，检测面1上的数值落在15～35 W之间，多数在15～20 W，与仿真设置的100 W相对辐射通量相比而言，约减小了80%。随着传播距离增加，减小程度增大，检测面4的相对辐射通量不到缺陷模型原始数值的5%。实际的局部放电情况受到各种因素的影响，辐射通量比仿真设置的数值更小，这就要求探测器具有较高的灵敏度，并且对于探测器位置设置提出了要求。后续的光学检测装置的探测器选取和位置可以参考仿真结果进行设计。

2.2 检测角的相对辐射通量

图6是位于检测面1上得到的相对辐射通量与检测角的关系。由于缺陷模型和GIS腔体的位置成轴对称关系，因此仅考虑单侧五个检测角(A～E)。从数值大小来看，仅在内导体表面的柱状缺陷模型条件下，检测角D的相对辐射通量接近120 mW；其他的相对辐射通量均小于80 mW；大部分的数据分布在20～40 mW之间。检测角E上相对辐射通量的数值相比于其他检测角都小，主要原因在于内导体遮挡了缺陷模型的直射光。

从连线包围的图形来看，点状模型的包围图形的面积相比与其他模型稍大，说明了该模型光学信号辐射范围大；当点状缺陷在内导体表面上时，包围图形大部分在上方，而在外壳内表面时的情况相反。柱状缺陷的连线图形是三种缺陷中最不规则的。锥状缺陷的连线图形近似半椭圆形，缺陷位置对于检测角有微弱的影响；缺陷在内导体表面上时，连线图形较窄较长检测角A、E上的数值比C小，而当缺陷在外壳内表面上时连线图较扁较宽；检测角A、E上的数值比C大。

从上述仿真中可以看出，不同形状的缺陷模型局部放电光学信号的传播规律有相似性，也有差异。相似的地方在于，光学信号随着传播距离的增加而减弱，本文中三种缺陷在检测面的相对辐射通量数值呈现非线性的下降过程。差异在于以下两点：三种缺陷模型在检测面上的光斑和检测角数值连线各有特点；三种缺陷模型的光学信号随着传播距离增加而减弱的程度各不相同。

3 总结

我们建立了直筒型GIS腔体模型，设置了检测面和检测角来观察并研究三种局部放电缺陷模型光学信号的传播规律，主要结论如下：

1)不同缺陷模型的光学信号随着传播距离增加而逐渐减小，但检测面上光斑、光学信号的减小程度随着缺陷模型不同而不同，可作为判断缺陷类型的依据之一。

2)各个检测面上的相对辐射通量受到直射光影响程度大；检测面4上(横向传播距离近1 m)的相对辐射通量衰减为缺陷模型初始值的10%以下。

3)不同缺陷模型在各个检测角上的数值差异较小；在原始辐射通量为100 W条件下，检测角的相对辐射通量主要分布在20～40 mW之间，个别条件下检测角的数值会达到60 mW，甚至120 mW。

以上几点有助于了解GIS腔体中不同缺陷局部放电光学信号的传播规律，通过信号衰减和光斑等特征来设计检测对象，增加缺陷模型的判定依据；另外，综合考虑检测距离、位置和设备灵敏度，为监测系统设计提供参考。

本文研究主要建立在相对辐射通量这个参数上，除辐射通量以外，辐射照度、辐射强度、光线数量等参数也可以作为观测和分析的标准，进行仿真研究。另外，通过在不同检测面上设置不同检测角，可能实现对于局部放电缺陷位置和类型的判别，但所需检测角的个数和设置位置需要更进一步的研究。