GIS中局部放電光信號傳播特性仿真研究

韓旭濤,劉澤輝,張亮,李軍浩,楊景剛

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安;2.江蘇省電力公司電力科學研究院,210003,南京)

當電力設備內部存在絕緣缺陷時,由于電場的局部畸變,會在局部發生擊穿,產生局部放電信號。局部放電既是引起絕緣劣化的主要原因,也是絕緣劣化的重要征兆。所以,通過檢測或監測電力設備中的局部放電信號,可以及時發現其內部絕緣缺陷,避免發生故障,保證電力設備安全運行[1-3]。當電力設備內部發生局部放電時,會向外輻射光信號,光檢測法通過檢測光信號而達到檢測局部放電的目的。局部放電光測法作為一種非電量檢測方法,不受電氣信號干擾,擁有廣闊的應用前景。氣體絕緣組合電器(GIS)為完全密封結構,所以光測法非常適用于其內部的局部放電檢測。

通過光測法檢測GIS中的局部放電,首先需要將光傳感器安全地植入GIS內部。將光傳感器和GIS內置特高頻傳感器相結合可有效解決這一難題[4]。目前,關于光測法大多為實驗室的研究,隨著光學傳感器的發展以及傳感器植入設備內部難題的解決,推動了光測法的現場應用。針對光測法的研究主要集中在光學傳感器研制[5-8]、缺陷模型光脈沖檢測[9-13]、光電信號關系分析[14-15]、光學檢測結果分析[16]以及局部放電光譜分析等方面[17-18],而對于GIS中光信號的傳播特性仍未有相關研究。

研究局部放電產生的光信號在GIS中的傳播規律,對于現場光測法的應用以及結果分析有著重要的意義。本文根據實際GIS結構尺寸建立模型,研究了不同距離、不同結構、不同放電源位置以及存在帶通氣孔的絕緣子條件下,光學傳感器處接收光信號的變化規律。

1 GIS中局部放電光測法

1.1 局部放電產生的光信號

局部放電的產生和發展極快,伴隨放電產生的光、電、聲等物理信號均為脈沖信號。同時,局部放電只發生在絕緣缺陷附近極小的空間內,因此局部放電產生的光信號可以認為是由點光源發出的。所以,仿真時可以用脈沖點光源模擬產生光信號的放電源。本文仿真設置的光源為同一時刻以球狀均勻向外輻射1 000個光子的點光源。

SF6氣體放電產生的光信號波長分布在200～800 nm范圍內,集中在300～500 nm范圍內,主要為紫外和可見光[19],而SF6氣體的吸收光譜為紅外范圍[20-21],所以局部放電產生的光信號在SF6氣體中傳播不會因吸收而發生衰減。

1.2 局部放電光測法的檢測量

光測法通過檢測局部放電產生的光信號來實現局部放電的檢測,但在實際中,最終測量和記錄的信號是經過光電轉換后的電信號。光電轉換是利用光電效應,通過光電轉換器件(常用光電倍增管)將光子轉換為電子,并最終形成電流信號的過程。所以,轉化過程存在如下對應關系

Q=kQv

(1)

式中:Q為電荷量,和電子數目相關;Qv為光量,當光子波長一定時,僅和光子數目相關;k為光電轉化系數。式(1)兩邊同時對t求導,可得到如下關系式

(2)

式中:I為電流;Φv為光通量,單位為lm。式(2)表明光測法中測量的電流主要與光信號的光通量相關,所以本文分析了光傳感器處接收到的光信號的光通量大小。

1.3 光測法的光傳感器

通過光測法檢測GIS中局部放電時,需要將光探測器(傳感器)植入GIS內部,目前已有的方法是將光傳感器和特高頻傳感器相結合,該方法在不影響GIS內部電場分布的條件下實現了光探測器的植入,為解決光傳感器的植入提供了思路[4]。根據該傳感器的形狀尺寸,設置圓盤形裝置來模擬光傳感器,圓盤安裝于GIS內部并在仿真過程中保持位置不變。

2 GIS中光信號傳播特性的仿真

由于GIS導桿、外殼、絕緣盆子等部件的線度遠大于所要研究的局部放電光信號的波長,所以仿真時不考慮光信號的波動特性,僅基于幾何光學對光信號的傳播特性進行仿真。本文利用COMSOL軟件建立模型,對GIS中局部放電光信號的傳播特性進行了仿真。

2.1 距離對光信號傳播特性的影響

如圖1所示,建立直線型GIS仿真模型,外殼直徑為34 cm,導桿直徑為10.8 cm,在導桿上設置5個放電源,兩兩間隔為25 cm,如圖1中點a～e所示。光傳感器的直徑為30 cm,高度為2 cm,內表面與GIS的內壁相齊平。仿真中設置光信號在絕緣子和外殼處發生漫反射。

圖1 GIS光信號傳播特性仿真模型

以圖中a點和d點為例,20 ns內到達傳感器處的光子分布如圖2所示。圖中,每個點代表一個光子,點顏色的深淺表示光子從光源開始到達圓盤光程的長短,單位為cm。從圖中可以看出,光子在圓盤上的分布比較均勻,所以無論實際中光探測器具有何種形狀結構,可以認為最終接收到的光信號與圓盤整個面接收到的光信號呈正比例關系。對比不同位置的檢測結果可以看出,光源位于a處時,最終到達圓盤上的光子更多,且具有更短的光程。

(a)放電源a處

(b)放電源d處圖2 光傳感器處光子分布

當光源位于導桿上不同位置時,到達傳感器處的光子數和光通量會有明顯的差別,光子數和光通量隨時間的變化規律如圖3、圖4所示。

圖3 光傳感器處接收的光子數

圖4 光傳感器處接收的光通量

從圖3可以看出,隨著時間的增加,到達傳感器處的光子數逐漸增加,隨著光源距離的增加,到達光傳感器處的光子數明顯減小。從圖4可以看出,當光源距離光傳感器不同時,光傳感器接收到的光通量不同,隨著距離的增加,光傳感器處檢測到的最大光通量逐漸減小。

統計放電源位于點a～e時光傳感器處接收到的總光子數和最大光通量,結果如圖5所示,圖中的距離表示放電源到光傳感器中心的距離。從圖中可以看出,隨著距離的增加,光傳感器接收到的光子數和最大光通量都在減小。

圖5 不同距離下的最大光通量和總光子數

2.2 GIS結構對光信號傳播特性的影響

建立L型結構仿真模型如圖6所示,橫向氣室長110 cm,縱向氣室長100 cm,導桿和外殼直徑和圖1相同,光傳感器安裝于縱向氣室的中部,在橫向氣室的導桿上每間隔10 cm設置放電源。

放電源位于不同位置時,傳感器接收到的總的光子數和最大光通量如圖7所示,圖中距離為放電源與光傳感器表面的水平距離。可以看出,雖然隨著距離的增加,光傳感器接收到的總光子數有所減少,但是光傳感器處的光通量比較相近,最大值在i處,為13.7×10-6lm。

圖6 L型結構模型示意圖

圖7 L型結構下光傳感器處接收的光子數和光通量

對比圖6中j處和圖1中d處的結果,位于兩點的放電源和傳感器距離相同,圖6中j處檢測到的光子數和最大光通量為164和11.0×10-6lm,而圖1中d處的結果為294和19.9×10-6lm,L型結構下的檢測結果僅為直線型結構下的55.78%和55.28%,可以看出,由于L型結構的影響,檢測到的光子數和最大光通量都明顯減小。

如圖8所示,建立T型結構仿真模型,設置GIS橫向氣室長180 cm,縱向氣室長100 cm,傳感器位于縱向氣室中部。在橫向氣室上從左到右布置光源,每隔10 cm設置一放電源,至橫向氣室中部,仿真計算檢測傳感器處接收到的光信號的特征量。

圖8 T型結構模型示意圖

T型結構中,當光源位于不同位置時,傳感器測量得到的總光子數和最大光通量如圖9所示。從圖中可以看出,隨著距離的增加,到達光傳感器處的總光子數減少。當放電源位于g處時,光子數發生了突變,這是因為此時從放電源到傳感器基本已經不存在直接到達的傳播路徑,大多數的光子經過反射才能到達傳感器,衰減很大。

圖9 T型結構下光傳感器處接收的光子數和光通量

當放電源位于不同位置時,光傳感器處測得的光通量都較小,最大值出現在放電源位于i處,僅為6.9×10-6lm。對比圖9中的j處和圖6中的j處的結果,T型結構中的光子數和最大光通量分別為88和5.5×10-6lm,僅為直線型結構的29.93%和27.64%,光子數和最大光通量都明顯減小,這是因為此時有一部分光子傳播至T型結構的右端。

2.3 放電源位置對光信號傳播的影響

GIS中的缺陷除了出現在高壓導桿之外,某些缺陷也會出現在外殼處,比如自由金屬微粒和外殼尖刺缺陷,同時缺陷也會隨機出現在導桿或者外殼的不同位置。針對于此,對放電源位于外殼和導桿不同位置的情況進行了仿真,建立的模型如圖10所示。GIS為直線型結構,分別設置光源位于導桿和外殼內壁的四周,仿真計算放電源位置對光信號傳播的影響。其中,光源位于導桿上時,徑向正對檢測點;光源位于GIS內壁上時,徑向斜對檢測點。

(a)左視圖

(b)剖面圖圖10 放電源位置示意圖

放電源位于高壓導桿四周不同位置時,傳感器接收到的光子數和光通量隨時間的變化曲線分別如圖11和圖12所示。統計光傳感器處接收到的總光子數和最大光通量如表1所示。

圖11 放電源位于導桿四周時光傳感器處接收的光子數

圖12 放電源位于導桿四周時光傳感器處檢測的光通量

表1 放電源位于導桿四周時檢測點接收到的光信號

從以上結果可以看出,當放電源位于正對光傳感器的a點時,光傳感器接收到的光子數最多,光通量最大,a處的最大光通量約是其他各處的3倍多。當放電源位于c處時,接收到的光子數和最大光通量略大于b、d處。處于對稱位置的b、d,檢測到的結果相差不大,產生差異的原因主要是因為在外殼處發生的漫反射具有隨機性。

放電源位于外殼四周時,傳感器處接收到的光子數和光通量如圖13、圖14所示。統計得到不同位置的總光子數和最大光通量如表2所示。

圖13 放電源位于外殼四周時光傳感器處接收的光子數

圖14 放電源位于外殼四周時光傳感器處檢測的光通量

由以上結果可以看出,當放電源位于GIS外殼不同位置時,傳感器檢測結果比較相似,到達傳感器的光子數和光通量相差不大。這說明只要放電源至檢測點距離相等時,放電源的位置對檢測點接收光信號并不會有影響。

表2 光源位于GIS內壁四周時檢測點接收到的光信號

2.4 帶通氣孔的絕緣子對光信號傳播的影響

GIS相鄰氣室之間用盆式(或盤式)絕緣子隔開,絕緣子分為帶通氣孔絕緣子和不帶通氣孔絕緣子。對于不帶通氣孔的絕緣子,因為其完全不透光,因此不做研究,只研究帶通氣孔的盤式絕緣子對相鄰氣室光傳播的影響。

如圖15所示,設置絕緣子兩側氣室長度都為100 cm,檢測點位于左側氣室中部。盆式絕緣子上均勻分布6個通氣孔,孔直徑為6 cm,絕緣子厚為5 cm。

圖15 帶通氣孔絕緣子的GIS模型示意圖

設置放電源在右側氣室盆式絕緣子上(圖15中的a處),光線的路徑如圖16a所示,經統計共有41個光子到達檢測點,光通量最大值為4.16×10-6lm,在相同距離下,不存在絕緣子時的光子數為295,可以看出,由于絕緣子的存在,光子數衰減為原來的13.90%。設置光源在右側氣室,距離絕緣子50 cm(圖15中的b處),光線的路徑如圖16b所示,計算得到僅僅12個光子到達檢測點,光通量最大值為2×10-6lm。

(a)放電源位于a處

(b)放電源位于b處圖16 光信號路徑圖

檢測結果表明,雖然光線可以通過帶通氣孔的絕緣子從相鄰氣室到達檢測點,但是到達檢測點的總光子數和光通量會大大減小,大大降低了傳感器對相鄰氣室光信號的檢測靈敏度。

3 結 論

本文根據GIS中局部放電光信號的特點以及實際GIS的結構特征,建立仿真模型,研究了不同距離、不同GIS結構、不同放電源位置以及存在帶通氣孔絕緣子的條件下,光學傳感器接收光子數和光通量的變化規律。得到以下結論。

(1)當光源至檢測點距離增加時,光學傳感器接收的總光子數和最大光通量均會減小。

(2)當傳播距離相同時,L型結構中傳感器接收的光子數和光通量約為直線型結構的55%,T型結構約為直線型結構的35%。

(3)當放電源位于導桿四周不同位置時,傳感器正對放電源時檢測到的總光子數和最大光通量最大,其他角度下檢測結果相似;放電源位于外殼四周時,傳感器檢測到的光信號相差不大。

(4)當光信號通過帶通氣孔的盆式絕緣子時,相同距離下傳感器接收的光子數僅為不存在絕緣子時的14%,光信號明顯減弱。

以上結果表明,光測法的檢測范圍有限,受到GIS結構、距離和GIS部件影響較大。但是,光測法抗干擾能力強,靈敏度較高,在單一氣室內,檢測局部放電具有足夠的優勢。所以,現場使用光傳感器對GIS中的局部放電信號進行檢測或者監測時,應將其安裝在關鍵氣室的中部位置,以盡可能的提高其檢測有效性。

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