0 引言

气体绝缘开关设备(GIS)是电网设备的重要组成部分,但由于制造和装备过程中引入的缺陷等问题会导致局部放电,甚至造成危害。因此,对局部放电进行监测可预防此类事故的发生^[1-3]。

光测法作为高压电气设备监测的一种新型非电量检测法,具有良好的抗干扰性能,在国内外已引起关注,并开展了一些初步研究工作。该研究主要集中在荧光光纤传感器的结构设计^[4-6]、光学实验系统的搭建^[7-11]及空气（或绝缘油中）电晕光谱分析^[12-14]等方面。然而,目前并没有文献对光测法时光信号的传播过程和机理进行深入研究。作为光学检测需要解决的基本问题,如何选择合适的传感方式,以及如何通过布置传感器保证灵敏度和检测范围均需要引起关注。

局部放电时信号的传播特性是布置传感器策略的基础。针对GIS局部放电时辐射出的特高频电磁波信号,目前国内外已对其传播特性开展了相关研究,如日本九州工业大学的M. Hikita、K. Omori^[15-17],英国斯特莱斯克莱德大学的M. D. Judd^[18]等。我国已有高校对不同形状GIS模型中局放特高频信号进行了仿真计算^[19],设计了一种内置式超高频传感器^[20],并通过实验验证了仿真结果。

本文借鉴GIS中特高频电磁波信号的研究思想,通过tracepro光学仿真软件对局部放电光学信号的传播特性进行仿真研究。考虑到局部放电发出的各类信号在GIS中传播时均会有所衰减,同时会受内部一些特殊结构的影响而发生复杂的变化。因此,本文建立了T型GIS腔体的局放光学仿真模型,同时模拟了局放发生时光学信号的传播,以便更深刻地了解其传播特性。

1 GIS中局放光学信号原理及仿真设置

1.1 光学信号的辐照度及光源设置

光学局部放电信号的辐照度E_e表示传感器被辐射程度的量^[18],即单位面积上接收到的辐射通量数

${{E}_{\mathrm{e}}}=\mathrm{d}{{P}_{\mathrm{e}}}/\mathrm{d}S$ (1)

式中：S为光学传感器的接收面积;P_e为接收到的光辐射通量。

本文将局放光源设置为理想点光源,即以单位长度为半径作一球面,并假设光源在空间中各个方向发出的辐射通量均匀分布。即仿真设置的局放光源为一球型点光源,以光通量形式且垂直于表面向外发出光线。仿真设置局放光源发出的总光线数量为500 000,总辐射通量为100 W,设置局放光源的波长为紫外波段,即1~380 nm。

需特别说明,仿真中利用的点光源模型与实际局放的光功率参数有差别,所以本文提到的相对辐照度的概念是基于实际辐照度的一个相对值,并不能说明实际情况下辐照度的大小。虽然相对辐照度并不能说明实际情况下辐照度值的准确大小,但其变化趋势能反映实际的变化趋势。

1.2 GIS内部表明材料及仿真设置

由于局部放电光信号在很大程度上是通过GIS中各腔体内表面和导体表面进行传播和散射的,因此对相关的表面进行定性和定量的研究是光信号传播分析的重要环节。

本文利用的漫反射模型为双向反射分布函数(BRDF)^[19]。即描述材料对于不同角度的入射光线,在以入射点为中心的半球内各个单位立体角产生的辐亮度分布如图1所示。图中,θ_i、ϕ_i、ɷ_i分别为入射光的仰角、方位角、立体角,而θ_r、ϕ_r、ɷ_r分别为反射光的仰角、方位角、立体角。

BRDF的函数定义为

$f({{\theta }_{\mathrm{i}}},{{\phi }_{\mathrm{i}}},{{\theta }_{\mathrm{r}}},{{\phi }_{\mathrm{r}}})=\frac{\mathrm{d}L({{\theta }_{\mathrm{r}}},{{\phi }_{\mathrm{r}}})}{\mathrm{d}E({{\theta }_{\mathrm{i}}},{{\phi }_{\mathrm{i}}})}$ (2)

式中：dL为单位面上以一定方向反射的辐照度;dE为单位面上以一定方向入射的辐照度;BRDF的单位为球面度的倒数。1球面度表示为1 sr,故BRDF的单位为sr^-1。

另外,光信号传播同时需要满足以下条件

$\alpha +R+T=1$ (3)

式中：α为吸收系数;R为反射系数;T为漫反射系数。

本文表面材料选取抛光并氧化的中等光滑的铝,其吸收系数为30%,镜面反射系数为20%,漫反射反射系数为50%。

1.3 GIS内部SF₆气体影响及仿真设置

本文设置的GIS内部SF₆气体的折射率为1.000 783(标准状态情况下,真空的折射率为1),对光信号的传播影响非常微弱。另外,SF₆气体吸收光谱的带宽非常窄^[21-22],在红外波段发生^[23](一个是中红外10.482~0.638 μm,另一个是16 μm附近),对于本文中的辐照度基本无影响,因此,在本文仿真条件下可忽略不计。

1.4 GIS整体结构及仿真设置

光学局放信号在传播过程中,会受到多个因素影响^[24],包括GIS结构、表面材料等。光学传感器放置的位置与角度不同,接收到的光信号会随着变化。根据实际T型GIS腔体,建立仿真模型如图2

图1 双向反射分布示意图 Fig.1 Bidirectional reflectance distribution schematic diagram

图2 T型GIS仿真模型示意图 Fig.2 T-type GIS simulation model diagram

所示。图中,GIS内导体半径为45 mm,外壳半径为190 mm,壁厚8 mm。T型GIS腔体水平部分总长2.25 m,垂直部分高1 m,GIS三端均开口,T型GIS仿真模型的整体示意图如图2(a)所示。放电源位置距离左端1 m,GIS中放电源位置图如图2(b)所示,其中x50、x95、x140、x185分别代表x轴正方向50 cm、95 cm、140 cm、185 cm处,y轴同理。距离左端每25 cm设置一个探测面,记为A处探测面;同样,在距离右端、上端每25 cm设置一个探测面,记为B处和C处探测面。同时,在B1和C1探测面上各设置8个探测点。C1探测面各探测点分布图如图2(c)所示,B1探测面各探测点分布图如图2(d)所示。其中探测面是垂直于腔体内壁和内导体的圆环形表面;探测点是附在腔体内壁、半径为10 mm的圆形表面,其法线垂直于腔体内壁,且指向内导体轴心。探测面和探测点采用完全透射体模型,对于局放源发出的光线不产生任何的吸收或折反射。后文探讨的对象是入射到这些探测面上的光线。

2 GIS中局放光学信号传播仿真分析

2.1 光学信号与放电位置、探侧距离的关系

根据上述仿真设置,各个探测面上的辐照度图如图3—图5所示。

由图3—图5可见,各探测面上辐照度的分布均不相同,但放电源固定在某一方向时,相同分支上(A、B、C)的光斑有相似性,且随着距离的增大,光斑逐渐变淡,分布逐渐均匀。这说明光学信号随着距离增加逐渐减弱,直射光作用逐渐减弱,反射光的作用逐渐成为主要作用。

由图3可见,当放电源位置在y轴正方向时,A、B、C三个位置探测面上的光斑变化均不相同。首先,A探测面上有明显的扇形光斑,光斑位置和放电源所在位置相同;随着放电源从靠近内导体到外壳的变化过程中,该扇形光斑面积逐渐增大,同时出现线条状光斑;线条状光斑推测是由于通过该区域的反射光线较为密集所致。其次,由于部分B探测面被垂直部分内导体遮挡,出现了柱状暗斑,光斑较亮区域主要在集中在两侧;当放电源位置逐渐靠近外壳时,也出现了线条状光斑。最后讨论C探测面上的辐照度图,即设置在T型GIS垂直部分探测面上的辐照度图,其类似于扇形,但与A探测面不同,C探测面的扇形光斑主要受外壳遮挡的影响而产生,且随着探测距离增加,扇形部分面积逐渐减小,光斑分布逐渐均匀,失去扇形特征。图4是放电源位置在y轴负方向时各探测面的辐照度图。情况与图2类似,A探测面的规律和上述相同,扇形光斑位置与图2情况呈上下对称,这是由于放电源对称设置所致。B探测面情况与图2情况大不相同,由于没有内导体的遮挡,B探测面上的光斑呈现扇形,规律和A探测面规律相似,但光斑亮度偏暗,这是由于B探测面距离放电源比A探测面更大所导致。C探测面的光斑受到了内导体水平部分

图3 放电源在y轴正方向时各个探测面上的辐照度图 Fig.3 Total irradiance map on each side when the PD source is in the positive direction of the y axis

图4 放电源在y轴负方向时各个探测面上的辐照度图 Fig.4 Total irradiance map on each detection plane when the PD source is in the negative direction of the y axis

图5 放电源在x轴正方向时各个探测面上的辐照度图 Fig.5 Total irradiance map on each detection plane when the PD source is in the positive direction of the x axis

和垂直部分的遮挡,光斑主要的成因是反射光。

当放电源位于x轴正方向时,辐照度图如图5。A探测面的规律依然和前文相同,只是扇形光斑位于侧面。B探测面规律和A探测面基本相似,但由于受到垂直部分内导体的影响,部分光斑被遮挡,且随着放电源位置距离内导体距离增大,被遮挡的部分逐渐减小。C探测面上的光斑受到内导体和外壳的双重影响,呈现扇形光斑,且一部分光斑被遮挡;随着探测距离的增加,光斑面积逐渐减小。

综上所述,光斑的分布受放电源位置和结构的影响,呈现出不同的形状,且面积也不同;光斑的强弱和均匀度受到探测距离的影响,随着距离的增加,光斑逐渐变淡,分布逐渐均匀。

2.2 光学信号与探测距离的关系

图6为不同局放源位置时各探测面(A、B、C)的相对辐照度值,其中,图6(a)、(b)、(c)代表局放源在x轴正方向时,各探测面测得的平均相对辐照度值曲线,图6(d)、(e)、(f)代表局放源在y轴正方向时,各探测面测得的平均相对辐照度值曲线,图6(g)、(h)、(i)代表局放源y轴负方向时,各探测面测得的平均相对辐照度值曲线。

由图6可见,A、B、C三个位置中,A位置探测面的平均相对辐照度值最大、其次是C位置,B位置最小。同时,随着探测距离增加,相对辐照度值逐渐减小。造成这一现象的原因是由于T型结构的遮挡作用,以及探测距离对光学信号的衰减作用。另外,放电源无论在什么方向上,95、140位置时的相对辐照度值普遍比50、185稍大,即当放电源距离内导体和外壳稍远时,探测面上的相对辐照度值较大,而靠近内导体或外壳时的值较小。

2.3 光学信号与探测角度的关系

图7(a)、(b)、(c)分别是放电源在x轴正方向、y轴正方向、y轴负方向时B1面上各探测点的相对辐照度值。图8(a)、(b)、(c)分别是放电源在x轴正方向、y轴正方向、y轴负方向时C1面上各探测点的相对辐照度值。B1面纵坐标最大值是70,C1面纵坐标最大值是160。

首先,由图7、图8可见,放电源在y轴上时,探测点相对辐照度值的连线具有一定的对称性;而放电源在x轴上时,并没有对称性。造成这一现象的原因有两点,一是放电源位置设置的不同,二是T型结构中部件的遮挡。其次,从探测角度看,不同角度的值大小不同,主要是因为在B1面和C1面

图6 不同局放源位置时各探测面的相对辐照度值 Fig.6 Relative irradiance value on different PD sources in detection planes

上,放电源直射出来的光影响程度较大,所以能被直接照射到的探测点上相对辐照度值较大,而被部件遮挡或直射光较弱的探测点的值较小。在距离放电源较远的探测面,或者没有直射光影响的探测点（如放电源在y+185时,C1面探测点）,各探测点的相对辐照度值相差并不大。最后,放电源到内导

图7 B1面上各个探测点的相对辐照度值 Fig.7 Relative irradiance value on detection plane B1

体距离不同对于探测点上的相对辐照度值也会有影响,其中放电源在95、140时,相对辐照度连线比较接近;而在50或185时会出现最大或最小的情况。造成这一现象的原因是直射光的影响偏大。

3 结论

1）T型GIS中发生局放时,其光学信号受到部件结构、探测面距离、探测角度以及放电源的影响。

图8 C1面上各个探测点的相对辐照度值 Fig.8 Relative irradiance value on detection plane C1

部件的遮挡使探测面的光斑产生暗区,减弱了探测面和探测点的光学信号强度。

2）经过T型转角后,探测面位置距离放电源越远,光学信号越弱,以x50为放电源,距离放电源75 cm的平均相对辐照度是50 cm时的44.31%。

3）探测角度不同时,放电源直射出来的相对辐照度值较大,而被部件遮挡或者直射光较弱的探测点的值较小。以T型转角上的C1探测面,x50为放电源为例,当探测角度为270°时相对辐照度值最大,225°时最小,仅为前者的39.02%。

4）本文设计的局放光源是理性情况下的点光源,与实际的局放源发光情况有一定差异,需在后续的研究中继续处理,后续可以讨论不同结构放电发光体对于光学信号在GIS中传播的影响。

5）本文设计的T型GIS模型三端均为开口,即通过三端开口发射到腔体外的光线全部被吸收,不发生折反射从而对腔体内探测面或探测点产生影响。实际情况下,绝缘子的材质不同,粗糙度不同、厚度不同,均是影响光学信号传输的因素。需要在后续的研究中继续讨论分析。

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