GIS中点状放电源光学信号传播特性的仿真研究

徐安恬，周小丽，崔刚刚，刘木清

(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

近年来，电能方面的需求的增加，对供电安全有了更高的要求。截至2018年11月，建成和核准在建特高压工程线路长度达到3.35万km，变电(换流)容量超过3.4亿kVA(kW)[1]。在高电压等级电网的大规模建设中，GIS凭借结构紧凑、配置灵活、安装方便、维护间隔时间长等诸多优点在电力系统中得到了大量的使用。但是在设计、制造、运输、安装等过程中出现的绝缘缺陷会使GIS发生故障[2]，并直接影响与其关联的上下游电力设施，甚至有可能造成大范围停电和安全事故。

因此在运行过程中，能对GIS内部的局部放电进行有效检测并且准确定位具有重要的意义。除了目前常用的超声波检测法和特高频检测法[3-6]，抗干扰性能更强的光学检测法是新兴的检测手段[7，8]。

本文利用TracePro软件进行仿真实验，模拟GIS内部存在一个点状放电源的情况。当点状放电源位于腔体内不同的位置时，对放电源产生的光学信号传播特性展开研究，收集并分析检测面和检测点上的数据，探究放电源位置与检测数据之间的关系，为光学传感器的布置方案提供参考。

1 GIS设备建模

1.1 罐体结构

根据实际GIS设备罐体进行简化并建模，得到如图1所示的模型。其中，左图为模型外部样式，从上至下依次可见球头螺栓、连接高压杆、上盖板、侧盖板、通气口堵头、下盖板等部件，右图为隐藏外壳后的内部样式，可见高压端支撑杆、接地端支撑杆、上下柱体和两柱之间的放电部分。

罐体内胆高度为300 mm，内半径为90 mm，管壁厚度为5 mm。其中填充默认为空气，折射率为1。罐体表面材料选取抛光并氧化的中等光滑的铝，其吸收系数30%，镜面反射系数20%，漫反射系数50%，漫反射模型为双向反射分布函数(BRDF)。

图1 GIS罐体仿真模型结构图Fig.1 GIS body simulation model structure

1.2 放电源设置

放电部分由锥电极连接杆、盘电极和放电源组成，如图2所示。其中放电源形状为点状，设置为半径1 mm的球体，位于针尖处，起到模拟实际GIS内部绝缘缺陷放电的作用。

图2 局部放电模拟结构图Fig.2 Partial discharge simulation structure

放电源以光通量形式且垂直于表面向外发出光线，发出的总光线数量为250 000条，总光通量为100 W。需要特别说明的是，仿真的光源模型与实际局部放电的光功率参数有差别，所以本文在检测面或者检测角上得到的值是基于实际辐照度的一个相对值，称为相对辐照度(下同)。虽然相对辐照度不能说明辐照度值的实际大小，但其变化趋势能反映出实际的变化趋势并有助于总结规律。

1.3 检测面和检测角设置

为了得到放电源放电时不同位置的光信号样式和光通量大小，需要在光线路径不同距离和角度处设置检测面和检测点。本文中，检测面是垂直于上下盖板的圆环面，位于xy平面上，半径为90 mm，厚度为1 mm，即每个检测面都是一个趋于平面的薄圆柱体。z坐标分别为90、0、-90，分别命名为检测面1～3，如图3所示。

图3 检测面设置示意图Fig.3 Detection interface setting

每一个检测面上设置3个检测角，每两个检测角之间相距120°，附在腔体内壁，其法线垂直于腔体内壁，且指向罐体中心，横截面半径为10 mm，厚度为5 mm。用以探究放电源光线在不同方向上的区别，得到更精确的光通量变化规律。检测面和检测点采用完全透射体模型，对于放电源发出的光线不产生任何的吸收或者折反射。

本文中，为了更清楚地区分检测角，采用以下命名规则：短杠前一个数字代表列，1是x=0,y=90列，2是x=77.5,y=-45列，3是x=-77.5,y=-45列；短杠后一个数字代表具体位置，从上到下依次是1、2、3。如检测角2-2的坐标是(77.5,-45,0)。

2 光检测仿真参数设置

在罐子中共选取27个横截面，每两个横截面之间相距10 mm，从放电部分贴近上盖板开始，直到放电部分贴近下盖板为止。

将每个横截面用过圆心的半径划分，每隔30°设置一条半径，共有12条半径。仿真顺序如图4所示，从y轴开始，向x负半轴旋转，即从上往下看为逆时针方向。其中30°与330°对称，60°与300°对称，90°与270°对称，120°与240°对称，150°与210°对称；在每条半径上，每隔20 mm设置一个放电源，放电源分别距离中心0 mm、24 mm、44 mm、64 mm、84 mm。

图4 放电源位置变化示意图Fig.4 Discharge source position changing

3 仿真结果分析

考虑光源xy坐标为(0, 44)，z坐标从-135变化到125的情况，分析检测面1-3上的光斑样式、光通量大小以及变化规律。

图5是针对位于坐标(0, 44, 95)的点状放电源的辐照度分析图，从左至右依次是检测面1、检测面2和检测面3，并且坐标轴设置相同，颜色变化可以直观表现光通量变化。

图5 辐照度分析图——放电源坐标(0, 44, 95)Fig.5 Irradiance analysis——discharge source coordinate(0, 44, 95)

从光斑图像上来看，随着检测面离光源位置距离的增加，光斑颜色逐渐从红色黄色变为绿色蓝色，轮廓逐渐模糊，分布更加均匀。比较总光通量值可以发现，数值随着距离增加急剧下降，如表1所示。

表1 点状放电源——坐标(0, 44, 95)总光通量表

这说明随着距离的增加，直射光部分对于检测面的影响逐渐减小，检测面接收到的光信号逐渐减弱，同时反射光的影响逐渐加强，使光斑均匀。

同样的，可以得到其他横截面上xy坐标为(0, 44)的点状放电源的辐照度分析图。综合27个横截面的检测数据，以放电源z坐标为横坐标，以检测面的总光通量为纵坐标作图，如图6所示。

图6 放电源z坐标对总光通量的影响Fig.6 Influence of Z coordinate of discharge source on the luminous flux

可以看到，检测面1-3的曲线分别在横坐标即放电源z坐标为95、5和-85的时候达到峰值，结合罐体仿真模型来分析，检测面1-3的z坐标分别是90、0和-90，即放电源与检测面最接近时，检测面总光通量最大。

三条曲线总体都呈现先上升后下降的趋势，即随着放电源与检测面之间的距离增加，总光通量逐渐减少，而且在改变量相同的情况下，峰值左侧的总光通量会大于右侧，分析原因应是，当放电源z坐标小于检测面时，放电源发出光线主要被锥电极连接杆所遮挡，当放电源z坐标大于检测面时，发出光线主要被盘电极所遮挡，而盘电极的遮挡作用比锥电极连接杆更明显。

考虑光源xz坐标为(0, 65)，y坐标变化的情况，分析检测面1-3上的光斑样式、光通量大小以及变化规律。

图7是针对检测面1的辐照度分析图，从图7(a)至图7(e)依次是放电源坐标(0, 0, 65)、(0, 24, 65)、(0, 44, 65)、(0, 64, 65)和(0, 84, 65)的情况，并且坐标轴设置相同，颜色变化可以直观表现光通量变化。

图7 辐照度分析图——检测面1Fig.7 Irradiance analysis(surface 1)

从光斑图像上来看，随着放电源离罐体中心距离的增加，红色占据的比例迅速下降，中心以下部分逐渐变为黄色绿色。比较总光通量值可以发现，数值随着放电源离中心距离的增加而下降，如表2所示。

表2 检测面1总光通量表

同样的，可以得到检测面2和3上xz坐标为(0, 65)的点状放电源的辐照度分析图。以放电源y坐标为横坐标，以检测面的总光通量为纵坐标作图，如图8所示。

图8 放电源y坐标对检测面总光通量的影响Fig.8 Influence of Y coordinate of discharge source on the luminous flux

可以看到，对于z坐标确定的放电源来说，随着放电源y坐标的增大，与中心的距离增加，检测面上的总光通量逐渐减少。在距离小于44 mm时，总光通量曲线变化不大，数值下降很缓慢；在距离大于44 mm时，总光通量曲线变化较大，有明显的下降趋势。

4 结论

通过大量的仿真实验，我们探究了放电源位置与检测数据之间的关系。

当放电源与检测面最接近时，检测面总光通量最大。

处于相同xy坐标、不同z坐标的点状放电源，在放电参数相同的情况下，随着放电源与检测面之间的距离增加，总光通量逐渐减少,总体呈现先上升后下降的趋势。

而且在z坐标改变量相同的情况下，峰值左侧的总光通量会大于右侧。即当放电源z坐标小于检测面时，放电源发出光线主要被锥电极连接杆所遮挡，当放电源z坐标大于检测面时，发出光线主要被盘电极所遮挡，而盘电极的遮挡作用比锥电极连接杆更明显。

处于相同z坐标、不同y坐标的点状放电源，在放电参数相同的情况下，随着放电源y坐标的增大，与中心的距离增加，检测面上的总光通量逐渐减少。在距离小于44 mm时，总光通量曲线变化不大，数值下降很缓慢；在距离大于44 mm时，总光通量曲线变化较大，有明显的下降趋势。

本文的研究仅针对点状放电源得出初步结论，在实际的放电过程中，还有很多其他形状的绝缘缺陷，关于其他绝缘缺陷的放电表现，还需进一步的研究。