基于特征发射光谱的SF6电晕放电检测

汤贝贝，韩 冬，李彦飞，张国强(1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

1 引言

SF6气体绝缘电气设备在实际运行中因残留物、制造缺陷等会产生局部放电现象，而长时间的局部放电将造成设备的绝缘性能下降和老化。运用局部放电检测技术及时检出局部放电的位置和信息，能有效预防危险情况的发生，从而使电力设备安全稳定运行。

电力设备发生局部放电时常常伴随着声信号传播、光辐射、热效应和气体分解等现象。根据这些放电过程伴随产生的物理和化学现象，局部放电检测技术主要包括脉冲电流法[1]、超高频法[2]、超声信号检测[3,4]、声电联合检测法[5]、化学检测法[6-9]以及光学检测法[10-12]等。其中，局部放电伴随产生的发射光辐射信息包含了气体绝缘介质及其分解产物的光谱特性，与放电过程、放电类型和放电严重程度等密切相关。利用发射光辐射信息进行局部放电识别的光学检测法具有响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，近年来得到了广泛关注。

绝缘介质因放电产生的发射光谱主要集中在“紫外-可见光-近红外”谱段。清华大学赵文华等人[13]指出空气电晕放电发射光谱中紫外区与红外区辐射的强弱与放电电压和电极距离有关。武汉大学傅中等人[14]测量了空气交流电晕光谱特性，其特征波长上的光谱峰值大小可以作为判断电晕放电强度的参考量。东京电力有限公司K.Fujii等人[15]发现空气电晕放电的发射光谱主要集中在300～400 nm之间；SF6电晕放电的发射光谱主要集中在300～800 nm。波兰奥波莱工业大学的L.Nagi等人[16]对空气中不同电弧产生的发射光谱进行了比较，描述了对应特征峰。西安交通大学的任明等人[17]研究了SF6气体中局部放电发出的光信号，进行紫外、可见光和近红外区域的多光谱局部放电诊断。

当气体绝缘电气设备发生电晕放电或放电处于起始阶段时，虽然夜间肉眼可观察到微弱紫光，但由于放电能量低，导致光信号强度弱且易受杂散光干扰，不易测量，需进行光信号响应增强。为此，捷克工业大学J.Koller等人[18]利用光电倍增管和电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)检测了单针电极和三针电极的空气电晕放电光辐射强度。印度电力科学研究院Nageshwar等人[19]利用不同荧光光纤和光电倍增管测量了空气和油局部放电信号，结果表明光信号能够反映电晕局部放电缺陷。

SF6是电气设备中用量最大的气体绝缘介质，电负性强，具有很强捕捉自由电子的能力。如果采用宽光谱增强技术来提高低能量放电下的“紫外-可见光-近红外”全谱段范围内的光谱响应，将同时增强本底噪声和放电产生的光谱响应信号，致使信噪比低。为此，本文提出了基于SF6特征发射光谱的窄带光谱响应增强方法，并搭建了相应的光学检测系统，旨在增强放电初期的微弱光信号，为早期局部放电预警及检测提供参考。本文首先采用宽光谱光谱仪检测了电晕放电下SF6的发射光谱，并选取了光谱强度较强的420～510 nm波段作为特征发射光谱。其次，根据该特征谱段初步选择了三种窄带滤光片、光纤探头及光电倍增管等光学器件并搭建了检测平台，对比分析了电晕放电下光信号的特性，确定了窄带光谱响应增强的方案。最后，与同条件下基于脉冲电流法的视在放电量进行了比较，结果表明，基于发射光谱法和脉冲电流法有相当最低检测限，为局部放电光学检测法提供了一个可供参考的方案。

2 实验条件

实验及检测系统如图1所示。实验系统主要由工频交流电源、气体交换装置和电晕放电发生装置组成；检测系统由局部放电检测、宽光谱检测和窄带光谱响应增强检测平台组成。实验室环境温度为(23±2)℃，相对湿度为(30±10)%。

图1 实验系统图Fig.1 Diagram of experimental system

采用针-板电极模拟电晕放电。针电极材料为黄铜(直径3 mm，针尖部分长度为8 mm)，板电极材料为SUS304不锈钢(直径为80 mm，厚度为4 mm)，针-板电极间距10 mm。实验前需要对气室进行清洗，以减小气体杂质对实验结果的干扰。首先，用无水乙醇(含量≥99.7%)清洗气室内壁及针-板电极，然后吹扫至气室内无水乙醇全部挥发。其次，在气室密封的条件下，持续抽真空30 min，再充入SF6气体(纯度：99.999%)静置约20 min，如此循环洗气3～4次，充分清洁气室。气室清洗结束后，充入绝对气压100 kPa的SF6气体静置10 h后进行电晕放电实验。

本文采用海洋光学的光谱仪(型号：MX2500+)对电晕放电下SF6的发射光谱进行宽光谱检测从而选取特征发射光谱谱段，光谱仪的波长采集范围为200～1 037 nm(双通道，通道1为200～650 nm，通道2为650～1 037 nm)，分辨率为1 nm，积分时间设置范围为10 ms～60 s。采用保定天威公司的多通道数字局部放电分析仪(型号：TWPD-2E)对电晕放电产生的视在放电量进行测量。为提供光信号相位参考，采用Tektronix公司的P6015A型高压探头测量了参考电压信号，上升时间(典型值)为4 ns，带宽为75 MHz，最大输入电压DC20 kV，单脉冲峰值40 kV。电压和光信号检测采用Tektronix公司的MSO3034混合信号示波器，带宽300 MHz，最大采样率2.5 GS/s。电晕放电实验过程中，用于光信号采样的光纤置于放电气室外，光纤探头正对针电极尖端且距离电极约50 cm。

3 特征发射光谱选取

由于电晕放电的强度较弱，且SF6是强电负性气体，因此光谱仪检测的积分时间设置为9 s，并取三次同条件测量数据的均值作为统计结果。此外，为提高信噪比以及降低因光谱仪本身性能造成的光谱检测基线漂移，分析前，还需要对信号进行扣除背景的处理；在此基础上，采用Savitaky-Golay平滑方法对光信号进行滤波。脉冲电流法是测局部放电所形成的脉冲电流大小，以判断绝缘局部放电的强弱程度，这种方法可以给出定量的结果，目前的规程中也给出了定量的指标，因此，采用基于脉冲电流法的多通道数字局部放电分析仪的测量结果作为光学检测结果的对比。图2为不同施加电压下的视在放电量比较。当外部施加电压小于6 kV时，经过校正之后局部放电分析仪始终存在3～5 pC的局部放电干扰值，推测可能是仪器本身带来的误差或者未施加电压时环境中产生的干扰。当施加电压上升至7 kV时，数字局部放电分析仪上出现了重复、明显的放电，因此，记录7 kV为本文实验条件下的局部放电起始电压。

图2 不同施加电压下的视在放电量Fig.2 Apparent discharge under different applied voltages

图3为局部放电起始电压7 kV与施加电压增加至13 kV时，SF6发射光谱在200～1 037 nm“紫外-可见-红外光”的全谱段分布。在局部放电起始电压下，光谱仪未检测到明显的光信号。随着施加电压的增大，放电强度加深，11 kV时，通道1开始检测到放电信号。施加电压为13 kV时，通道1检测到在309 nm附近和420～510 nm谱段内分别出现了较明显的光信号；通道2始终未检测到明显的光信号。由此可见，光谱仪的检测灵敏度低于基于脉冲电流法的局部放电分析仪的灵敏度，为及时检测到缺陷的放电光信号，需对早期局部放电下的弱光信号进行增强。

图3 SF6电晕放电发射光谱Fig.3 Spectrum of SF6 corona discharge

由图3可知，309 nm附近的发射光谱近似为线状光谱，主要为OH自由基产生[20]。尽管实验前已经对气室进行了充分的清洗，但仍无法避免微量水分的存在。水在电晕条件下会电离产生OH自由基[21]，反应如下式所示：

e+H2O→e+H+OH

(1)

OH自由基由激发态A2Σ(ν′=0)通过式(2)被淬灭回到基态X2Π(ν″=0)跃迁发光，从而形成309 nm处的发射光谱。

OH(A2Σ+)→OH(X2Π)+hv

(2)

420～510 nm波段的发射光谱为带状光谱，主要是SF6气体分子光谱[21]。根据Van Brunt提出SF6电晕放电的三区域模型[22-24]，针尖部位辉光区的局部电子温度远比气室的温度要高，SF6的初始电离局限于电极附近的小区域，电子碰撞的过程如下式所示：

e+SF6→SF6-x+xF+ex≤6

(3)

在电场作用下，SF6分子振动和旋转能级发生变化，引起了分子内部价电子的能级跃迁，发射光谱中还包含了多个量子化振动能级和旋转能级在分子基态电子能级上的叠加光谱。因此，420～510 nm波段的带状光谱包括SF6分子和SF6-x的分子光谱。

随着施加电压的升高，SF6电离程度加深，分子中活性片段及硫的低氟化物逐渐增多，420～510 nm波段的发射光谱强度增加。因此，可将420～510 nm波段的带状光谱作为特征光谱，其光谱强度可以作为判别局部放电程度的指标。

4 特征光谱响应增强

本文采用聚焦透镜、窄带滤光片加光电倍增管的方式，局部增强420～510 nm特征谱段的光信号，同时抑制其他谱段的噪声，以提高基于发射光谱法的局部放电检测限。为描述方便，本节采用施加电压为13 kV时特征光谱作为参考。

图3中，SF6特征光谱谱带的强度从420 nm开始逐渐上升，到510 nm左右达到极值。因此，本文初步选择了三种窄带滤光片，编号为滤光片A、滤光片B和滤光片C，其波长范围分别为480～520 nm，412～569 nm和360～580 nm。

聚焦透镜的透过率曲线如图4所示，对420～510 nm波段具有良好的透过率。

图4 聚焦透镜的透过率曲线Fig.4 Transmittance curve of focusing lens

光电倍增管的光谱响应范围为300～720 nm，可覆盖特征光谱420～510 nm波段，可检测从直流到80 MHz的信号，配有内置的低通滤波器(250 kHz、2.5 MHz和80 MHz)，由数据线连接电脑供电并控制。实验中光电倍增管的增益选为70，偏移为0.012。

为增强光信号的响应幅值，本文对光电倍增管测量到的信号进行累加和滤波处理。累加即对相位相同的10个周期内的信号进行累加，取三次检测的均值作为最终统计结果；滤波处理即采用Savitaky-Golay平滑方法对累加后的信号进行滤波。

图5为施加电压13 kV时一个周期内采用滤光片C的测量结果，其中正弦实线为参考电压信号。一个周期内能明显观测到在正负半周各有一个信号，且正半周信号幅值明显较大，可以将正半周幅值作为光电倍增管检测结果的特征参考值。

图5 施加电压为13 kV时滤光片C的光信号Fig.5 Optical signal of filter C with applied voltage of 13 kV

进一步降低施加电压，发现7 kV为使用光倍增管最低能检测到放电光信号的电压值，图6所示为不同滤光片的测量结果,加滤光片A时，信号幅值很小，检测结果不理想；加滤光片B和C时，均能检测到有效信号；不加滤光片时，噪声信号也被大幅度倍增，进一步降低电压时可能造成有效信号被湮没。

图6 施加电压7 kV时光信号波形图Fig.6 Signal waveform with applied voltage of 7 kV

5 局部起始电压下的弱光信号检测对比

由于所检测的光信号相对微弱，光电倍增管的内部噪声以及测量时背景光干扰都可能对检测结果造成较大的影响，因此在检测时需要尽可能避免噪声的干扰，对于光电倍增管内部的噪声来源，主要有光电流引起的散粒噪声、暗电流引起的噪声以及其他杂散噪声。未施加放电电压时，光电倍增管输出的原始噪声信号如图7所示。

图7 未施加电压时光电倍增管噪声信号Fig.7 Photomultiplier tube noise signal without applied voltage

为了便于从数值上对结果进行分析，计算原始数据噪声及检测到的光信号幅值。计算如式(4)所示。

H=Hmax-Hmin

(4)

式中，H为幅值；Hmax为最大值；Hmin为最小值。表1为原始数据未施加电压以及施加电压7 kV时的信号幅值。A、B、C分别代表滤光片A、滤光片B、滤光片C，WU代表不加滤光片。

表1 原始数据噪声及7 kV时信号幅值Tab.1 Original data noise and signal amplitude at 7 kV

表1为4种情形下原始数据和滤波后数据的噪声、信号幅值比较。通过计算，噪声值的顺序为WU>B>C>A，信号值的顺序为WU>C>B>A。采用滤光片A的信号值最小；采用滤光片B噪声较大、信号较小；采用滤光片C的噪声最小而信号值相对较大；而不加滤光片时噪声最大、信号也最大。

采用同样的方法对滤波后的数据进行计算，计算结果见表2。噪声值WU>C>B>A，信号值WU>C>B>A。滤波后的加装滤光片A、滤光片B、滤光片C和不加滤光片的噪声与信号值的特征与原始数据类似。

表2 滤波后数据噪声及7 kV时信号幅值Tab.2 Data noise and signal amplitude after filtering at 7 kV

检测时所测光信号幅值和检测前未对实验气室施加电压噪声值的比值SNR可用式(5)表示。

(5)

式中，Hsignal为所测光信号幅值；Hnoise为在对实验气室施加电压前的环境噪声及光电倍增管内部的噪声幅值。

图8为加不同滤光片所检测光信号在滤波前后的SNR值计算结果，通过对比原始数据和滤波后数据可知，滤光片C的SNR值均最大，加滤光片C检测的SNR值比不加滤光片时提高了8.5%左右，能保证测量结果在噪声较小时光信号幅值较大。

图8 不同滤光片滤波前后SNR值Fig.8 SNR values before and after filtering with different filters

实验初始阶段将三种滤光片的测量结果进行对比，并将不加滤光片的测量结果作为对照组，将实验结果进行累加，将10个工频周期内结果累加到单个周期，从而获得累加后较强的信号值，然后取三次结果的平均值进行滤波处理，最后将噪声和信号值及滤波后的结果进行对比，在初始局部放电时采用滤光片C检测弱光信号的效果最好。

以上实验结果可以看出，采用光学透镜+光纤+滤光片+光电倍增管的测量方案可以较好地应用于SF6电晕放电检测，实验测得最低检测限和脉冲电流法的检测结果基本相当。

6 结论

本文基于发射光谱原理对SF6电晕放电进行检测与分析，结合SF6电晕放电特性，确定其特征发射光谱分布，提出了基于发射光谱原理的窄带滤光法光电倍增管检测系统，通过实验分析可以得出以下结论：

(1)利用宽谱光谱仪检测SF6电晕放电的发射光谱，初步判断SF6特征发射光谱谱段为420～510 nm，根据特征发射光谱选择滤光片并进行实验，综合对比发现，采用滤光片C检测性能较好。

(2)实验条件下，不改变透镜位置，将光谱仪检测换成滤光片配合光电倍增管检测，结果表明光谱仪可检测到信号最低值为11 kV，而采用文中提出方案最低可检测7 kV，这与脉冲电流法检测结果基本相当。

本文所提的窄带滤光法光电倍增管检测方法可为局部放电的光学检测提供借鉴。后续将进一步对悬浮放电、沿面放电等气体绝缘设备的典型放电缺陷进行研究，对比所提方法的检测有效性，并对比不同放电类型的光电信号差异以识别放电模式。对于实际检测的应用，后续工作需要针对局部放电光信号的捕捉能力，对光线传播路径和放电产生光强等进行仿真和模拟，试验分析不同条件下检测效果，从而进一步提出检测位置和检测探头布置的优化方案，以达到实际检测应用的目的。