太赫茲波回波損耗在線檢測斷路器真空度

羅洪宏　張學敏　程義彬　張慧媛

摘要：針對在線檢測斷路器滅弧室真空度這一問題，依據太赫茲檢測技術原理，采用太赫茲波回波損耗在線檢測斷路器真空度。首先分析了連續波太赫茲回波損耗應用于真空度在線監測的理論基礎，而后利用FDTD仿真斷路器滅弧室不同壓強下的回波損耗，最后用四個不同真空度的真空泡進行太赫茲檢測實驗。實驗數據與仿真數據對比表明隨著真空度下降，太赫茲波譜的回波損耗逐漸增加，即利用連續波太赫茲成像技術所得到的回波損耗波譜能夠分辨真空度的變化情況，證明了本文所提出的真空度在線檢測方法具備可行性。

關鍵詞：斷路器;真空度;太赫茲;連續波;回波損耗

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.007

中圖分類號： TM933

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2022）04-0046-07

Online Detection of Vacuum Level of Circuit Breaker

Based on Terahertz Wave Return Loss

LUO Hong-hong ZHANG Xue-min CHENG Yi-bin ZHANG Hui-yuan

（1.Yuxi Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co.， Ltd.?Yuxi 653100， China;

2.School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract：For the online detection of vacuum degree in circuit breaker interrupter chamber， based on the principle of terahertz detection technology， the method of online detection of vacuum degree in circuit breaker using terahertz wave return loss is adopted， and the theoretical basis of continuous wave terahertz return loss applied to online vacuum degree monitoring is analyzed.?FDTD is used to simulate the return loss of circuit breaker interrupter at different pressures， and four vacuum bubbles with different vacuum degrees are used for terahertz detection experiments.?The comparison between the experimental data and the simulation data shows that as the vacuum level decreases， the return loss of the terahertz spectrum gradually increases， i.e.， the return loss spectrum obtained by using continuous wave terahertz imaging technology can distinguish the change of vacuum level， which proves the feasibility of the vacuum level online detection method proposed in this paper.

Keywords：circuit breaker; vacuum; terahertz; continuous wave; return loss

0引言

真空斷路器在線檢測對于電力系統安全穩定十分重要，目前采用的檢測方式主要集中于離線檢測，其檢測過程對斷路器自身會造成不可逆的創傷，為此亟需研究新的檢測技術。

真空度作為真空斷路器的重要參數，可進一步反應斷路器內部的壓強情況，進而實現斷路器在線檢測。同時，由于太赫茲波段的特殊性，THz對于氣體的輻射即真空度可以進行靈敏探測。

太赫茲波（Terahertz）起初于1974年由Fleming在描述光譜線頻率范圍是首次提出[1]，在太赫茲這一名字由來之前，通常將頻率位于0.1～10THz（波長0.03～3mm）范圍的電磁波頻段統稱為遠紅外射線，其位置在微波與紅外之間。具體位置可參考圖1所示[2]。在上世紀80年代以前，受于當時的技術限制，人們對于太赫茲波的產生和探測尚未找到合適方法，無法研究該波段的電磁輻射性質，從而在之后相當長的一段時期內，太赫茲波段很少受人關注，因此便成為了最后一個未被開發的電磁波段[3]。

近十幾年來，太赫茲輻射源和探測器的研究取得了很多的進展，極大地推動了太赫茲輻射的理論研究和應用研究。太赫茲波由于具有傳輸氣體的特性，常用于探測濃度不高的極化氣體，還可以監視空間中的空氣壓強[4-10]。

為此，本文擬將太赫茲技術引入斷路器真空度檢測中，利用其回波損耗的相關特性，實現斷路器在線監測。

1滅弧室真空度太赫茲檢測技術

1.1太赫茲與真空度

法國濱海大學的 Francis Hindle等[11]觀察到的實驗現象中發現入射光衰減強度與大氣壓強呈現線性相關的關系，如圖2所示。即意味著當大氣壓強越高時，入射光被空氣中的分子吸收能量，檢測到的能量強度也就越低。

清華大學王迎新等計算得到的10^-4～10³mbar 壓強下，吸收譜如圖3所示[12]。

分別在0.55THz、0.75THz、1.1THz、1.2THz、1.4THz處出現峰值。對比吸收峰的不同吸收強度發現，當壓力處于10³mbar時，吸收的強度最大，在壓力為10³～1.6mbar時，吸收的強度減小。但在低于0.12mbar后，曲線分布較為密集。眾所周知，空氣是一種混合氣體，其中包含大量雜質。空氣按其體積分數構成具體為：氮氣（N₂）約為78%，氧氣（O₂）約為21%，惰性氣體約占0.94%，二氧化碳（CO₂）約占0.03%，其他微量氣體和雜質約占0.03%，例如：臭氧（O₃），氧化氮（NO）等。對于潮濕空氣，根據空氣的濕度不同，空氣中按體積可含有0～4%的水蒸氣。

在空氣的主要成分中，水蒸氣這類的極性分子對太赫茲波有很強的吸附能力。對比Martin vanExter等人使用太赫茲光譜儀測量的水蒸氣的吸收光譜如圖4 [13]所示。

那么當我們使用THz-TDS技術對真空度進行檢測時，實際上是以檢測到該壓強下的水蒸氣濃度為基準。

1.2連續太赫茲波回波損耗成像

連續波太赫茲成像技術發展較早，早在20 世紀70年代，連續太赫茲波成像裝置發射源作為一種氣體激光器，太赫茲光譜探測器則是輻射熱探測計[14-21]。連續太赫茲成像的原理是持續的光源比脈沖光源能產生更高的輻射強度和功率，實質上是一種強度成像。

連續太赫茲波的產生可利用半導體激光器，半導體激光器結構小，重量輕，價格相對低廉且發射頻段可調，在對物體成像的時候，按照電磁波對物體的內部缺陷或損壞邊緣的散射效應，物體中太赫茲波電磁場的強度分布會有所不同，而且反射到物體上的太赫茲波所生成的回波損耗圖像可顯示出強度上的差異，我們據此便可以得出物體內部的形狀，缺陷或損壞位置。

2仿真分析

2.1太赫茲反射仿真

下面從仿真層面驗證太赫茲應用于真空滅弧室真空度檢測的可行性，仿真采用FDTD Solutions軟件，計算原理為利用時域有限差分法，在計算時將空間網格化，用差分法將場的偏微分方程及邊界條件離散化，最后由時域信號得到寬頻帶的穩態結果。在FDTD Solutions軟件上搭建的模型如圖5所示，太赫茲脈沖依次經外部空氣、真空滅弧室陶瓷外殼、滅弧室內部真空、金屬屏蔽罩入射真空滅弧室，太赫茲波最后經金屬屏蔽罩反射后返回。

設定陶瓷外殼厚度1cm，真空0.5cm，太赫茲脈沖波頻率0.5THz，波長599.585um，波從y軸正方向入射，電場強度為x方向，波源距離陶瓷外殼0.3cm。在邊界條件的選取上，y方向即波的入射方向采用PML邊界條件，x方向采用周期邊界條件，光源的初始電場強度為1。

設定最外層的陶瓷材料為三氧化二鋁，陶瓷外殼的最大厚度為2cm，從陶瓷外殼內界面到金屬屏蔽罩的距離1cm，在光源入射處設置監視器，設置仿真時間足夠長，在監視器中獲得的脈沖波形如圖6所示。

由圖6可見，仿真的時間加長，光源處的監視器記錄到的第4個脈沖為太赫茲依次經外部空氣、真空滅弧室陶瓷外殼、滅弧室內部真空后，經金屬屏蔽罩反射后返回的脈沖波形，之后的幾個幅值較小的脈沖均為波在滅弧室內部多次折反射的結果。

2.2太赫茲回波損耗仿真

下面對真空滅弧室內真空度的變化時，太赫茲回波損耗的變化規律進行仿真分析。根據大氣折射率n與壓強P的關系，在FDTD Solutions中用真空介質中折射率的變化來模擬真空滅弧室中不同的真空度變化，脈沖頻率設置在0.5THz，當滅弧室內氣體壓強從高真空逐漸增加至一個標準大氣壓時，仿真得到的太赫茲回波信號的損耗如圖7所示。

圖7分別表示滅弧室內折射率為1（壓強0kPa）、1.0001（壓強34.5973kPa）、1.00015（壓強51.8924kPa）、1.00029（壓強100.306kPa）時太赫茲信號的回波損耗，將區間細分，并將折射率換算到大氣壓強下，最終得到不同壓強下太赫茲信號的回波損耗如表1所示。

從表1可得，隨著大氣壓強的增加即真空度的不斷下降，從完全真空到1標準大氣壓，太赫茲信號的回波損耗逐漸增加，由此可見，利用THz技術在滅弧室真空度的在線監測理論上是可行的，利用太赫茲信號的回波損耗這一特征參量可檢測滅弧室中真空度的變化。

考慮到滅弧室內部壓強通常處于1.33×10^-5～1.33×10^-2Pa的高真空范圍之內。國家的電力設備訂貨標準規定，滅弧室的存儲使用年限為20年，每年滅弧室的平均漏氣率不得大于0.5%。達到合格標準的真空滅弧室其內部壓強要處于10^-5Pa的范圍。一般情況下滅弧室真空度最低為6.6×10^-2Pa，實際上，當真空度低于1.33×10^-1Pa時需要對滅弧室進行調換或者維修。這是因為，斷路器使用年限增加，內部元件會發生損耗，使得滅弧室內部氣體分子逐漸增加，真空度就會下降。

根據以上電力系統市場中的實際情況，模擬真空度按照程度從低到高依次選取1.3×10^-1Pa、6.6×10^-2Pa、1.3×10^-2Pa、6.6×10^-3Pa、1.3×10^-3Pa、6.6×10^-4Pa、1.3×10^-4Pa 7個壓強。利用FDTD仿真系統得到各個真空度下太赫茲信號回波損耗的仿真圖如圖8所示。

可以看出，隨著真空度的提升，壓強下降，介電系數降低，太赫茲信號的回波損耗會有所降低，但是能夠看到回波損耗差距不是十分明顯，尤其是真空度提升10-1Pa時，損耗之間的差距更是減少到只有零點零零幾。這是因為仿真的真空程度很高，低級的真空度能量損耗已經在較小的范圍，同時由于計算機內存條件的限制，仿真模型尺寸已經按比例縮小，損耗也會相應地縮小。如果可以將發射功率調整到一定程度的話，是能夠看出每個真空度之間的能量損耗變化的。

3實驗驗證

在連續波太赫茲系統探測真空斷路器的真空度中，由于真空滅弧室內觸頭周圍有金屬屏蔽罩，且滅弧室內結構較復雜分層較多，采用透射式結構探測得到的波形使得后續數據的分析難度加大，因此常常使用反射式結構來根據反射回的太赫茲信號來檢測真空度的變化。試驗選擇4個真空度分別為0.5×10^-2Pa、1×10^-2Pa、0.5×10^-1Pa和1×10^-1Pa的真空泡作為對比，單個真空泡實物如圖9所示。

進一步搭建的反射式連續波太赫茲探測系統，如圖10所示。

其中太赫茲信號發射源收發一體，發出的為頻率可調的連續太赫茲波，同時可實時接收從真空滅弧室金屬屏蔽罩內反射回的太赫茲信號，并將數據傳輸到矢量網絡分析儀中進一步分析。真空泵和真空計用來改變真空滅弧室內氣體壓強來模擬斷路器中真空度的下降。

圖11為矢量網絡分析儀中接收到的連續太赫茲波的回波損耗信號，其中，圖11（a）～（d）分別為滅弧室內氣體壓強為1×10^-1Pa、0.5×10^-1Pa、1×10^-2Pa和0.5×10^-2Pa時的回波損耗信號。

由圖11可見，隨著滅弧室內氣體壓強從1×10^-1Pa下降到1×10^-2Pa時，真空度逐漸增加，滅弧室內部氣體分子越來越稀疏，雜質越來越少，使得波在傳輸過程中損耗逐漸減小，損耗值從171.05mW下降到163.55mW。波形中波峰為反射回來后測量到的損耗值，前半部分與后半部分是重復的，且含有多個波峰，這是因為所采用太赫茲信號發射器在一個周期內發射出的波是連續的，前后兩部分為同一個周期內的波形。4個真空泡在不同壓強下，通過的太赫茲波會有時間延遲和振幅衰減，由于不同空氣壓強具有不同的色散特性，據此可以很好地區分出不同壓強的空氣。

將仿真數據與實驗數據進行對比分析，如圖12所示。

從回波損耗對比曲線圖中可以發現，隨著壓強的增加，真空度下降，仿真與實際實驗對于太赫茲信號的回波損耗都會隨之增加。表明連續波太赫茲光譜技術可以作為測量真空度的一種新方法。由于限于實驗室條件，真空泵無法使滅弧室達到高真空度，但是能夠看出，二者都趨于一個平緩增加的趨勢，而且當真空度提升一個10-1Pa時，回波損耗率的差距會進一步縮小。但是與實際實驗回波損耗率相比，仿真損耗率數值比較小，分析原因可能是：

1）由于仿真環境一般是理想狀態，實際實驗過程中會有很多干擾因素，雖然邊界條件設為周期性邊界條件是為了模擬周圍環境，但是環境中會存在著噪聲以及溫度、濕度等的變化，還是會造成一定的誤差;

2）在進行仿真時，限于計算機條件，將真空斷路器進行了一定比例的縮小，信號傳輸路程減少，損耗率也會變小;

3）理想狀態下，太赫茲信號在接觸到金屬屏蔽罩后會全部反射回探測器中，但實際上，由于真空斷路器的表面是圓弧形的，會發生一定的散射，從而有一部分信號會從屏蔽罩兩邊繞過，這也是實際時域波形數據中，后續存在著一些雜亂無章的波形的原因。

值得說明的是，本文實驗是在穩定實驗室條件下進行的，即室溫、干燥且無噪聲干擾的環境下，若在現場中測試會有真空泡表面光滑程度、溫度、濕度等差異會影響實驗結果的精確度。如要應用到實際市場中，需模擬現場條件繼續進行更多的實驗來確定各個真空度范圍下的THz光譜。

4結論

本文提出了一種應用太赫茲回波損耗在線確定真空度的方法，比目前市場上的帶電檢測方法有著更好的精度，同時成本更低。從以上理論分析與實驗結果可以發現，在不同壓強下，波通過氣室時存在回波損耗，且呈現出規律的特性，表明利用太赫茲技術可以有效準確地在線檢測氣體濃度，對于斷路器滅弧室真空度的在線故障檢測有著很好的實用價值空間。

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（編輯：溫澤宇）