電暈放電下的SF6氣體特征發射光譜與放電程度識別

趙 科，李玉杰，楊景剛，李洪濤，肖焓艷

（國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211100）

0 引言

SF6氣體具有優異的絕緣和滅弧性能，廣泛應用于氣體絕緣的輸變電設備中，如氣體絕緣組合電器、氣體絕緣輸電管道、斷路器、氣體絕緣變壓器等。目前，我國高壓電氣設備的SF6氣體使用量約占SF6總產量的80%。在生產制造、安裝和運行過程中，SF6氣體輸變電設備殘留雜質、外力所致的細小劃痕等易使設備產生局部高場強并引發局部放電，嚴重時可進一步發展為絕緣故障，給電氣設備的安全穩定運行埋下隱患［1］。根據電氣設備發生局部放電時伴隨產生的超聲波、光輻射、電磁波輻射和氣體分解等物理化學現象，當前局部放電檢的檢測方法主要有脈沖電流法、特高頻法、超聲波法和分解氣體法等，這些方法易受設備運行環境中的電磁、背景噪聲干擾，在一定程度上限制了其推廣與應用。發射光譜法通過檢測局部放電產生的光輻射信息進行放電識別與診斷，具有響應速度快、靈敏度高、抗電磁和聲信號干擾能力強［1］等優點，在輸變電設備的局部放電檢測領域得到廣泛關注［2］。

在SF6氣體放電與發射光譜信息關系研究方面，東京電力有限公司Fujii K 等［3］利用光譜儀檢測電暈放電下的SF6氣體發射光譜，主要集中在300～800 nm譜段，且正極性電暈和負極性電暈放電的發射光譜存在差異。日本名古屋大學Yoshida S 等［4］發現局部放電發展過程的三個瞬間中，560 nm 以上波長的SF6氣體發射光譜條紋圖像及其光譜分布差異較明顯。波蘭軍事工業大學Bartnik［5］利用極端紫外線輻射脈沖輻照SF6氣體，得到SF6氣體從紫外到可見光范圍內的光譜分布，其譜線主要由氟離子、氟原子和硫離子的輻射躍遷形成。西安交通大學任明等［6］研究不同放電類型下SF6氣體的光譜分布和光脈沖的統計特性，提出一種識別局部放電的三角聚類方法。中國科學院電工所李彥飛等［7-8］研究幾種典型的SF6氣體放電缺陷下的發射光譜，并根據光譜分布差異，對不同類型的放電缺陷進行模式識別。

在SF6氣體放電與光脈沖信號關系研究方面，英國索爾福德大學D.F.Binns 等［9］利用光電倍增管檢測了電暈放電下SF6氣體與SF6氣體/N2的光脈沖信號，并分析施加電壓和電極針尖的曲率半徑的影響。日本名古屋大學Naoki Hayakawa 等［10］通過高時間分辨電流、光脈沖、局部放電的發光圖像等信息，分析交流電壓下SF6/N2和C2F6/N2混合氣體局部放電的產生和發展機制。西安交通大學韓旭濤等［11］利用熒光光纖和特高頻傳感器，檢測氣體絕緣組合電器內部導桿尖刺缺陷和懸浮缺陷，指出熒光光纖法的靈敏度不低于甚至高于特高頻法。重慶大學唐炬等［12］采用熒光光纖傳感系統對常見的SF6氣體局部放電缺陷進行檢測，對不同放電類型下的光脈沖三維圖譜進行識別。

SF6氣體是電負性氣體，具有很強的捕捉自由電子的能力，這使得局部放電初期的光信號極其微弱。對于微弱光信號的檢測，目前多采用寬譜光信號增強的方式，即同時增大“紫外—可見光—紅外”全譜段范圍內的光信號，但該方式在增強光信號的同時也增強了本底噪聲，導致檢測信噪比低。為此，提出一種特征譜帶光信號增強的方式，選取可表征局部放電SF6氣體特征光譜，采用窄帶濾光片+光電倍增管的方式，增強特征譜段的光信號，提高信噪比。

首先模擬黃銅、不銹鋼、鋁等不同針電極材料下的工頻交流電暈放電，并檢測放電過程中的200～1 037 nm“紫外—可見光—近紅外”波段范圍內的發射光譜，識別SF6氣體電暈放電的特征譜帶。根據特征譜帶選取窄帶濾光片、光電倍增管、透鏡等光學器件并搭建光脈沖信號檢測平臺，以增強并檢測特征譜段的光信號響應。結合特征譜帶內光信號均方根的特點，將電暈放電分為三個區域：初始放電階段，光電倍增管基本檢測不到明顯的光脈沖信號；放電發展階段，光信號呈上升趨勢，放電程度逐漸加深；臨界擊穿階段，光信號上升趨勢放緩，針-板間隙有隨時被擊穿的可能。采用logistic 模型對電暈放電發展過程中的光信號均方值進行擬合和分析，提出識別放電嚴重程度的指標及閾值，并通過高氣壓下的電暈放電實驗驗證所提識別放電嚴重程度的指標及閾值。

1 實驗條件

圖1 為實驗裝置結構示意圖，主要包括高壓擊穿裝置、實驗氣罐、光譜儀、光電倍增管等模塊，可模擬電暈放電至火花放電擊穿的全放電過程。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental devices

局部放電故障模擬采用針-板電極模擬。針電極材料分別為黃銅、SUS304 不銹鋼和純鋁（直徑為3 mm，針尖部分長度為8 mm），板電極材料為SUS304 不銹鋼（直徑為80 mm，厚度為4 mm），針-板電極間距為10 mm。實驗氣罐體積約為1.7 L。此外，為避免外界光干擾，實驗系統已與外部光源隔離。

高壓擊穿裝置有兩種工作方式：1）設定最大值，使其以恒定的工頻交流電壓輸出；2）設定速率升壓，直至間隙被擊穿，自動降壓，然后繼續升壓，重復6次后停止加壓。對于工作方式1）來說，電壓保持時間最長為5min，可設定電壓最大值為100 kV，選取該工作方式進行電暈放電實驗。

光譜儀采用MX2500+光譜儀，用于檢測放電產生的光譜信息。光譜波長檢測范圍為200～1 037 nm，其中通道1 為200～650 nm，通道2 為650～1 037 nm；分辨率為1 nm；光子積分時間為10～60 000 ms。光脈沖信號檢測采用光電倍增管PMT2101，可檢測直流到80 MHz 的信號，通過50 Ω 射頻線輸出，含內置低通濾波器，光陰極材料為GaAsP，增益的數量級為106。光譜儀和光電倍增管的石英光纖頭裝有連接器，與針-電極尖端等高且水平距離約為20 cm。

上位機對光譜儀測量的光譜信息進行扣除背景噪聲和濾波處理，即設置光譜儀的模塊化程序扣除背景以排除光譜基線的飄移等干擾，然后再對測量數據進行Savitzky-Golay（S-G）平滑濾波。同時，為增強光脈沖信號的響應幅值，對光電倍增管測量的信號進行累加和濾波處理，即對10 個周期內相位相同的信號進行累加，取3 次檢測的均值作為最終統計結果，然后采用S-G 平滑方法對累加后的信號進行濾波。

實驗前對實驗氣罐進行清洗，以減小氣體雜質、水分等對實驗結果的干擾。首先，用無水乙醇清洗氣室內壁及針-板電極。然后，在實驗氣罐密封的條件下持續抽真空約30 min，再充入SF6氣體（純度：99.999%）靜置約20 min，如此循環洗氣3～4 次，進行充分清潔。清洗結束后，充入絕對氣壓0.1 MPa（絕對氣壓）的SF6氣體靜置10 h 后進行電暈放電實驗。實驗的環境溫度約為20 ℃，空氣相對濕度為10%～30%。

2 SF6氣體特征發射光譜

電暈放電和火花放電條件下的SF6氣體發射光譜分布如圖2 所示，其中施加電壓為36 kV。從光譜分布上看，不銹鋼針電極和鋁針電極下電暈放電的光譜主要集中在通道1 中的紫外275～350 nm 波段和可見光420～510 nm 波段，銅針電極電暈放電的光譜則主要為420～510 nm 波段。通道2 的650～1 037 nm波段內基本未檢測到光譜信號。

圖2 不同針電極材料的電暈放電光譜分布Fig.2 Emission spectrum of corona discharge with different needle-electrode materials

在275～350 nm 波段，308.87 nm 處的發射光譜主要為OH 自由基的譜峰［13-15］，由實驗罐體中殘余的微量水分電離產生，因此，308.87 nm 波長附近的相對光強與微水含量直接相關。雖然在每次實驗前均進行充分的抽真空及洗氣操作，但微水含量與空氣的相對濕度關系較大，因此每次實驗的微水含量不穩定。在以黃銅材料為針電極的電暈放電實驗中，實驗當日的空氣相對濕度較低，實驗氣罐中的微水含量較低，電離產生的OH 自由基較少，導致該波長的光強相對較弱。

圖2（b）中，不銹鋼材料主要成分Fe，C，Cr，Mn，Ni 等元素的譜線在紫外波段均有不同程度的分布［16］。這些元素的原子或離子光譜疊加，使得275～350 nm 波段表現為連續的帶狀分布。圖2（c）中，308.22 nm 和309.28 nm 處均有Al 原子的特征光譜，所以鋁針電極材料電暈放電光譜中309 nm 附近的光譜可能是OH 自由基和Al 原子的光譜疊加而成，從而使得該處的相對光強增大。

420～510 nm 波段主要為SF6分子及其低氟硫化物分子形成的連續帶狀光譜［17-18］：一是在電場作用下，由于SF6分子內部價電子的能級躍遷，形成由量子化振動能級和旋轉能級在SF6分子基態電子能級上的疊加光譜；二是根據SF6電暈放電的三區域模型［19］，針尖處的SF6分子因電子碰撞發生電離，從而生成低氟硫化物SF5，SF4，SF2等。

以不銹鋼針電極為例，圖3 為施加電壓為14.5～26.5 kV 時，200～650 nm 波段內電暈放電的光譜分布。隨著施加電壓增大，電暈放電程度加深，275～350 nm 和420～510 nm 波段范圍內的光譜相對強度也逐漸增大，且420～510 nm 波段的光譜強度明顯增大。同時，施加電壓為14.5 kV 時，即初始電暈放電階段，光譜信號最早出現在420～510 nm 的可見光波段，隨著放電程度的加深，275～350 nm 波段開始檢測到信號。

圖3 不銹鋼針電極材料發射光譜與電暈放電施加電壓的關系Fig.3 Relationship of emission spectra and applied voltages with stainless steelt needle-electrode materials

總體來說，電極材料和微水含量對電暈放電光譜的影響主要集中在紫外波段；SF6及其低氟硫化物分子所形成的420～510 nm 波段光譜相對光強主要受放電強度的影響。因此，將420～510 nm 波段作為SF6電暈放電的特征譜帶，采用窄帶濾光片+光電倍增管的方式，即基于窄帶濾光片的提取光譜在增強該譜帶內光信號的同時濾除非特征譜帶的光信號，以分析特征譜帶光信號強度與放電程度之間的關系。

3 特征光譜響應增強及放電程度識別

3.1 特征光譜響應增強

圖1 中聚焦透鏡、光纖、濾光片和光電倍增管等構成特征光譜響應增強模塊。通過調整聚焦透鏡的位置對電暈放電產生的弱光進行聚焦，增強初始放電的光信號強度；光纖接收端放置在透鏡的焦點，另一端連接窄帶濾光片+光電倍增管組件，光信號通過光電倍增管的入射窗傳入光電陰極。聚焦透鏡的透過率如圖4 所示，對特征光譜具有良好的透過率。濾光片的波長為370～560 nm，對420～510 nm 特征譜帶的透過率約為90%。光電倍增管的光譜響應范圍為300～720 nm，實驗中光電倍增管的增益選為70，偏移為0.012。

圖4 聚焦透鏡的透過率曲線Fig.4 Transmission curve of focusing lens

電暈放電實驗中，施加電壓的范圍為0～38 kV，電壓間隔為2 kV。每個施加電壓下測量的光脈沖信號均按10 個周期進行累加，然后再利用式（1）分別計算光信號和施加電壓的均方根值，每個施加電壓下共計算100 組均方根值。光信號強度與施加電壓的關系如圖5 所示。

圖5 不同電極材料下光信號強度與施加電壓的關系Fig.5 Relationship of optical signals and applied voltages with different electrode materials

式中：xrms為均方根值；xi為采樣值。

由圖5 可知，根據光信號的均方根值判斷，放電可大致分為3 個區域：1）初始放電階段，施加電壓為0～10 kV，放電產生的光信號強度低，未達到光電倍增管的檢測限，光電倍增管基本檢測不到明顯的光脈沖信號；2）放電發展階段，施加電壓為12～32 kV，光信號呈上升趨勢，此時放電程度逐漸加深；3）臨界擊穿階段，施加電壓為32～38 kV，光信號上升趨勢放緩，有飽和趨勢，但這一階段的放電已較為嚴重，針-板間隙隨時有可能被擊穿。

3.2 放電程度識別

電暈放電發展的過程中，光信號均方根值隨施加電壓的變化趨勢與sigmoid 函數趨勢相近，因此采用logistic 模型對光信號的均方根值進行回歸分析和擬合［20］。logistics 模型的曲線成S 型，如式（2）所示。

式中：A1為x趨近于零時y的最小值；A2為x趨近于無窮時y的最大值；x0為曲線拐點；p與拐點處斜率有關。

3 種針電極材料下光信號均方根的擬合曲線如圖5 所示。設yA、yB、yC分別為銅、不銹鋼和鋁針電極的光信號均方根的擬合值，其logistic 擬合如式（3）—式（5）所示。

3 種電極材料下光信號的擬合參數如表1 所示，其中，R2為相關系數，計算如式（6）所示，R2取值在0～1 之間，R2越大說明擬合效果越好。由表1 可見，3 種針電極材料下的光信號擬合效果較好。

表1 不同電極材料下光信號的擬合參數Table 1 Fitting parameters of optical signals with different electrode materials

式中：n為施加電壓次數，間隔為2 kV，n=20；yi為實際值為擬合值為均值。

結合電暈放電的實測數據及其放電特征，將初始值A1定義為光信號的基礎噪聲，A2定義為危險放電時光信號均方根的最大值。從圖5 中可以看出，當光信號的均方根值大于A1時，表明已發生局部放電并處于發展階段；當接近A2時，表明局部放電較嚴重，并呈現向擊穿放電發展的趨勢。以銅針電極為例，放電擊穿時的平均電壓為40 kV，如圖5（a）所示，當施加電壓為12 kV 時，光信號的均方根大于A1，說明發生了局部放電；當施加電壓為34 kV 及以上時，均方根值已接近A2的取值范圍，說明局部放電處于嚴重程度。

由于初始值A1為光信號的基礎噪聲，實際中，如果僅采用光信號的均方根值來判斷放電嚴重程度，可能會因為隨機噪聲大而造成誤判。因此，采用均方根+信噪比的聯合判定方式評價放電的嚴重程度。信噪比S/N的計算如式（7）所示，其中，VS為光信號電壓的均方根值，VN為噪聲電壓的均方根值。

施加電壓0～38 kV 時3 種電極材料下光信號的信噪比如圖6 所示，可以看出，S/N超過6 時，局部放電的光學信號能被檢測到。因此，可將S/N=6 設為第二閾值。

圖6 不同電極材料的信噪比Fig.6 Signal to noise ratios of different electrode materials

根據光信號的均方根及其信噪比，局部放電程度的聯合判定流程為：首先計算光信號的均方根值，將logistic 回歸擬合的A1作為衡量放電嚴重程度的第一閾值；若光信號的均方根大于閾值，則再計算信噪比是否大于第二閾值S/N，若同時滿足，則判斷局部放電開始處于發展階段，應引起注意；A2作為第三閾值，若光信號的均方根接近或大于A2，隨時可能發生間隙擊穿放電，為嚴重放電狀態，應預警。

4 實驗驗證

為驗證所提閾值的有效性，采用如圖7 所示的真型L 套管模型（容積約為120 L）進行電暈放電實驗。其中，針電極材料為鋁，板電極材料為不銹鋼，電極間距為10 mm；氣體的絕對壓力為0.3 MPa 和0.4 MPa，接近高壓SF6氣體絕緣設備的實際壓力；施加電壓范圍分別為0～50 kV 和0～60 kV，電壓間隔為6 kV。考慮到局部放電的不穩定性，每個施加電壓下各測100 組數據，取100 組數據的均值作為輸入，然后以A1、信噪比S/N=6 dB 和A2作為判斷放電程度的閾值。

圖7 實驗驗證平臺Fig.7 Experimental verification platform

氣壓0.3 MPa 下的擊穿電壓約為74 kV。如圖8（a）所示，施加電壓為16 kV 時，光信號的均方根及信噪比均有明顯增大，因此可選取16 kV 為注意值，施加電壓超過16 kV 時應密切注意；當施加電壓為50 kV 時光信號均方根值已開始與A2（A2=（231.84±8.66）mV）接近，判為嚴重放電。同樣地，如圖8（b）所示，氣壓0.4 MPa 下，施加電壓閾值為20 kV，當施加電壓超過該閾值時，應引起注意。

圖8 高氣壓下局部放電程度判斷的驗證Fig.8 Verification of partial discharge degree under high gas pressures

5 結論

結合SF6電離分解機理，探究電暈放電發展過程中的發射光譜特征及其成因，采用窄帶光增強的方式依此增強電暈放電特征譜帶的光信號。在此基礎上，提出用于識別局部放電嚴重程度的指標和閾值，并進行有效性驗證。主要結論如下：

1）電暈放電的發射光譜集中在紫外275～350 nm波段和可見光420～510 nm 波段。其中，275～350 nm波段主要為OH 自由基和金屬材料各元素光譜的疊加，420～510 nm 波段主要是SF6氣體及其低氟硫化物分子形成的連續帶狀光譜，可選取420～510 nm 波段作為SF6氣體電暈放電的特征譜帶。

2）根據特征譜帶內光信號均方根的特點，可將電暈放電分為3 個區域：初始放電階段，光電倍增管基本檢測不到明顯的光脈沖信號；放電發展階段，光信號呈上升趨勢，放電程度逐漸加深；臨界擊穿階段，光信號上升趨勢放緩，針-板間隙有隨時被擊穿的可能。

3）將logistic 回歸擬合中表征基礎噪聲的A1和光信號均方根的最大值A2以及信噪比作為判斷放電嚴重程度的指標。若局部放電過程中光信號的均方根大于A1且信噪比大于閾值，說明局部放電已處于發展階段，應引起注意；若光信號的均方根接近或超過A2，局部放電處于嚴重放電狀態，應及時預警。