Ｖｏ１．５Ｏ ＮＯ．４ 工程与试验ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ Ｄｅｅ．２Ｏｌ０ 光纤式ＧＩＳ局部放电检测装置的研究 朱高峰，金光日，徐元哲，郑圣鹏 （东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林１３２０１２） 摘要：传统的ＧＩＳ局部放电检测的方法主要是电测法和声测法，这些方法很容易受到现场环境的干扰。本文通 过检测ＧＩＳ内电晕产生的紫外光实现其内部局部放电的在线监测，介绍了非接触式紫外光功率检测法的基本原理 及基于该方法的在线装置的基本构成和实现方法，并使用该实验装置对高压放电进行了模拟实验。结果表明，该 装置具有很高的灵敏度和响应速度，具有很好的应用前景。 关键词：局部放电；紫外光功率法；雪崩二极管 中图分类号：ＴＭ９３０．１２ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—３４０７．２０１０．０４．０２１ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ ＧＩＳ Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｇａｏｆｅｎｇ，Ｊ ｉｎ Ｇｕａｎｇｒｉ，Ｘｕ Ｙｕａｎｚｈｅ，Ｚｈｅｎｇ Ｓｈｅｎｇｐｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０１２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＧＩＳ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｅｎｖｉ－ ｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｃｏｒｒｅｃｔ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ＧＩＳ ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｅｍｉｔｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｒｏｎａ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＵＶ ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｑｕｉｃｋ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｈａｓ ｂｒｉｇｈｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ＵＶ ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ ｍｅｔｈｏｄ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ（ＡＰＤ） 但放电现象的长期存在，可以造成电力设备的绝缘 引 言 ＧＩＳ（Ｇａｓ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ）全称气体绝缘 组合电器设备，ＧＩＳ内部充以绝缘性能和灭弧性能 优异的六氟化硫气体作为绝缘和灭弧介质，具备占 劣化甚至击穿。因此，对ＧＩＳ进行局部放电检测， 可以及时了解设备的绝缘状况，对于设备安全运行 有着重要意义。目前，ＧＩＳ内部放电的监测方法和 装置主要是以电极法和超声波检测法为主［１ ］。由 于现场环境中的电磁信号非常严重，在对放电信号 进行检测时，信号会被电磁干扰信号湮没。对于某 地面积小、元件全部封闭、不受环境干扰、运行可靠 性高、易安装维护等优点，因此ＧＩＳ已经广泛应用 于现代电力系统。但是，随着电力技术的不断发展， 些电磁干扰信号，虽然可以通过接地、隔离、屏蔽、信 号处理等措施进行抑制，但对于随机脉冲干扰信号 效果有限。此外，超高频法（ＵＨＦ）在超高频范围 ＧＩＳ的运行电压等级不断提高，设备局部放电引发 的事故日益严重，严重影响电力系统的运行安全。 图ｌ所示电晕是局部放电的一种低能量放电现 象，虽然电晕放电初期不会引起绝缘的穿透性击穿， （３００ＭＨｚ一３０００ＭＨｚ）内提取放电产生的电磁信 号Ｌ３］，检测系统受电磁干扰小，可以大大提高ＧＩＳ 放电检测的可靠性和灵敏度，但超高频装置价格昂 ［收稿日期］２ｏｌＯ—ｌｏ一２６ ［作者简介］朱高峰（１９８３一），男，山西长治人，在读硕士研究生，主要研究方向：检测技术与自动化装置。 ・ ６５ ・ １：程与试验 贵，ｒ大范围使用。 图１气体放电伏安特性曲线 本文利用紫外光纤作为信号传输通道，结合紫 外光功率检测法，实现对ＧＩＳ局部放电的实时监 测。光纤作为信号传输通道，具有信号损耗低、重量 轻、可绕性好、不受电磁干扰以及绝缘等优点，所以 ５ ４ ３ 嘿杂骤 ２ ｌ Ｏ 该检测装置较传统的检测方法具有更快速直观、不 受高频电磁信号干扰、灵敏度高的特点。 ２局部放电紫外光功率检测原理 ２．１ 电晕放电强度与紫外光谱强度的相关性 当ＧＩｓ在高压工作时，由于电场强度的不同，会产 生轫致辐射［ 。在该区域中存在粒子的电离和激励， 同时也存在粒子从激发态跃迁到低能态或基态，该过 程会产生大量的光辐射。通过光谱分析发现，放电光 谱包括近紫外线、可见光和红外光３个频段。随着电 压的增强，电晕放电的光谱中的紫外区显著增加，放电 产生的紫外线波长位于２８０ｎｍ－－４００ｎｍ之间。 通过图２可以看出紫外光谱与电晕放电强度之 间的关系，紫外光辐射强度随着放电强度增加而显 著增加，因此可以通过检测单位时间内电晕放电产 生的紫外光子的数量来衡量电晕放电强度。 ｘｌ０ ３００ ４００ ５０（）６００ ７（）０ ８ｏｏ 波长（ｎｍ） （ａ）Ｕ＝６ｋＶ ・ ６６ ・ ３（１ｏ ４０Ｏ ５０ｏ ６ｏｏ ７ｏ０ ８０ｏ 波长（ｎｍ） （ｂ）Ｕ＝８ｋＶ 图２不同电压下电晕放电光谱 ２．２紫外传感器检测原理 通过检测紫外光脉冲的强度来检测绝缘破坏部 位的放电能量。根据等离子物理学原理，有 ‘ ： Ｐ＝＝Ｊ Ｐ ｄＶ＝Ｊ １．５７×１０一”ｎ：ｚ有效￣／ Ｖ（１） ｎ 一ｎ ｅｘｐ（ ／ ） （２） 一 ｅｘｐ（一｝，２７ ｌ Ｄ） （３） ，二—彳 Ｄ＝＝： Ｖ／ ｅ （４） ∞ 其中，Ｐ为绝缘表面气体放电时轫致辐射功率， 为远离绝缘子处的电子密度，拳为空间电位， 。 为绝缘子电位， 。为德拜长度， 为空间电荷点与 绝缘子的距离， 为到达紫外探测器的所有辐射点 的体积分轮廓。整理可得： Ｐ：＝：Ｊ１．５７×１０～ｖ ” ｅｘｐ（２ｅ￣ｏｅｘｐ（一ｌ Ｉ Ｄ）／ ）ｚ有效 Ｖ （５） 电晕放电过程中产生的紫外光在气体中传播 时，会被吸收和散射，吸收过程会使辐射光衰减，由 基本辐射传输方程可得： ｊ （Ｌ）一Ｊ （０）ｅｘｐ（～Ｊ 志 ｚ） （６） 其中，ｊ （Ｌ）为探测器位置辐射强度，Ｊ （Ｏ）辐射 起点的辐射强度，ｋ 为气体质量吸收系数，Ｌ为辐射 光传播路径，ｐ为气体物质密度。 考虑到辐射光衰减时到达探测器并被探测器吸 收的轫致辐射功率为： ＰＬ＝Ａ Ｊｌ・５７Ｘ１０－４￣ｎ ２ｅｘｐ（２Ｐ丸ｅｘｐ （一ｌ Ｉ Ｄ）／￣／ ）ｚ有效￣／ ｅｘｐ（一Ｊｏ＇－ｋ￣ｐｄｔ） Ｖ （７） 由此，可通过检测紫外光的功率来计算电晕放 电的能量。当ＧＩＳ中绝缘老化或破坏时，电晕电场 会增强，相应的紫外辐射也会增强，紫外探测器获得 一个相应变化信号，通过检测该信号可以分析出 ＧＩＳ中电晕放电的情况。 朱高峰，等：光纤式ＧＩＳ局部放电检测装置的研究 一０．００３９ ，可见耦合效率相当低，所以需要设计透 ３实验与分析 整个实验装置包括三个部分（如图４所示）：光 镜耦合系统增加耦合效率（如图５所示）。 学信号接收及传输单元，紫外传感器及信号处理单 元和数据采集分析单元。硬件结构如图３所示。 图３ 系统硬件结构图 ３．１光学系统设计 光学系统主要包括滤光片、透镜耦合系统、紫外 光纤传输通道３个部分（如图４所示）。 兰一 （１）紫外滤光片 为使接收紫外光信号时不受系统通带外可见光 和其他频率光的干扰，整个光学系统前端使用透紫 外滤光片。滤光片的选择需要在最大抑制背景信号 和最大透过信号两条件之间折衷考虑。其中信号光 透过率必选大于１０ ，背景光深截止要大于９０Ｄ （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）。本实验选用国产的透紫外滤光 片，其中心波长为２８５ｎｍ，半波宽度为１５ｎｍ，２８５ｎｍ 处的透过率大于３０ ，可见光截止深度为ｌ０ ～ １Ｏ一，完全满足本实验的要求。 （２）空间光一光纤耦合单元 空间光与光纤的耦合主要有两种方式（如图５ 所示）：直接耦合和聚光后耦合。直接耦合的耦合效 率很低。设光源发光功率为Ｐ，即在立体光锥角Ｑ 一４ｎ范围内，光功率为Ｐ，那么半顶角为ａ的立体 光锥角为Ｑｉ一４７ｃ ｓｉｎ。（ａ／２），在这个范围内接收的 光能量为Ｐ；＝Ｐ ｓｉｎ。（ａ／２），其集光效率为： 一ｓｉｎ。（ａ／２） 直接耦合时，假设接收距离Ｒ一４０ｍｍ，用 ｄ￣１ｍｍ的光纤进行传输，接收的立体光锥角ａ— ａｒｃｔｇ（Ｏ．５／４０），由公式可得耦合效率Ｔｌ—ｓｉｎ （ａ／２） 《丰＃： 图５ 空间光一光纤耦合示意图 经过耦合透镜会聚的光束，只要在光纤的数值 孔径角范围内，就可以被光纤接收。假设当ａ为 ３０。，根据该方案，其耦合效率．ｒ）一ｓｉｎ （ａ／２）一 ６．７ ，可见，耦合效率得到了极大的提高。 ３．２传感器设计及信号处理电路 （１）紫外传感器及前置放大电路 传感器选用日本滨松公司生产的￥９ｏ７３型雪崩 光电二极管（ＡＰＤ），该二极管在紫外波段具有很好 的灵敏度，具有信号增益大，响应时间短等优点，特 别适合于探测微弱光信号。光电探测器与前置放大 电路构成光电转换一前置放大电路，采用集成放大 器进行设计。如图６所示的电流一电压转换电路， 其中，反馈电阻Ｒｆ决定电流一电压转换系数，调节 Ｒ 可方便得到所需放大倍数。 （２）主放大电路 由于放电信号频率很高，在放大时应选择宽带 高频放大器，并且由于输出的电流信号较小，应采用 低偏置电流的ＦＥＴ输入放大器。如图所示主放大 电路采用两级比例放大电路。 图６电流一电压转换及主放大电路 ３．３信号采集分析 信号处理部分采用虚拟仪器（ＬａｂＶｉｅｗ）来实 现。虚拟仪器是一种基于计算机系统的数字化测量 ・ ６７ ・ 工程与试验 测试仪器，能够充分利用现有的计算机资源，通过软 件来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据 ４ 结束语 的显示三部分物理功能。普通仪器的全部功能以及 一些在普通仪器上无法实现的特殊功能，通过数据 本文以紫外传感器作为检测手段，用紫外光纤 采集卡可以很方便地将处理过的信号采集到ＰＣ 作为传输通道，实现了对ＧＩＳ内部局部放电信号的 中，通过ＬａｂＶｉｅｗ强大的软件功能，可以实现信号 远程实时监测。实验表明，利用紫外光作为特征量 的数字滤波、数据显示与存储、灵活的自定义功能。 对局部放电进行检测，可以较早地发现设备绝缘缺 在实验室中，利用６ｋＶ的高压电进行放电测试，图７ 陷，比传统方法更加直观和灵敏，并且几乎不受现场 为在Ｉ．ａｂＶｉｅｗ中经过滤波处理后的放电波形，图８ 环境的电磁信号干扰。在电压等级不断提高的情况 显示了系统长时间运行的实时检测结果。通过实验 下，光学检测方法的安全性和可靠性等优点将更为 证明了系统具有较高的灵敏度和实用性。 突出，应用前景广阔。 参考文献 ［１］ 王昌长，李福祺．电气设备的在线监测与故障诊断 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９６． Ｅ２］Ｒａｔｎｅｓｈ Ｋｕｍａｒ，Ｒ．Ｓ．Ｇｏｒａｙａｎ，Ｂ．Ｐ．Ｓｉｎｇｈ．Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎ Ａ ３－Ｐｈａｓｅ Ｇａｓ—Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ ［ｃ］．ｔｈｅ １２ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔ— ａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，Ａｕｇｕｓｔ，２００１：４４９— 图７ ＬａｂＶＩＥＷ中显示的放电波形 ４５２． ［３］王国利，单平，袁鹏。等．变压器局部放电超高频电磁波 的传播特性Ｉ－ｊ］．高电压技术，２００２，２８（１２）：２６—２８． ［４］孙杏凡．等离子体及其应用［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，１９８２． ［５］ ＺＨＡＯ Ｗｅｎｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｘｕｄｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｉｐ—ｐｌａｎｅ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ［Ｊ］．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ，２００３，２３（５）：９５５～９５７． ［６］王文春，刘东平，吴彦．空气中电晕放电高能电子密度 沿反应器分布的光谱研究［Ｊ］．分子科学报，１９９９，１５ （３）：１２５—１２８． 图８实时检测结果 （上接第２ｌ页） 通过实验可以得知，泡沫铝的强度确实会随着 ［２］Ｂｌａｚｙ Ｊ Ｓ，Ｍａｒｉｅ—Ｌｏｕｉｓｅａ Ａ，Ｆｏｒｅｓｔａ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｆｏｒｍ— 温度的升高而降低，而且降低的幅度还不可以忽略。 ａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｆｏａｍｓ ｕｎｄｅｒ ｐｒｏｐｏｒ— 因此，在泡沫铝的工程应用中，尤其是在高温和温度 ｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｎｏｎ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｍｕｈｉ—ａｘｉａｌ ｌｏａｄｉｎｇ：ｓｔａｔｉｓｔｉ— 剧烈变化的环境下，必须要考虑这一问题。 ｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２００４，４６：２１７—２４４． 参考文献 ［３］高洪吾，刘宇，田臻，等．泡沫铝的孔隙率对压缩性能的 影响［Ｊ］．中国料科技与设备，２００６，（３）：７３—７６． Ｅ４］ Ｗａｎｇ Ｍ，ＨＵ Ｈ Ｆ，ｗｕ Ｘ Ｐ．Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ［１］Ｐａｐｋａ Ｓ Ｄ，Ｋｙｒｉａｋｉｄｅｓ Ｓ．Ｉｎ—ｐｌａｎｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｒｅｐｏｎｓｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］． ａｎｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｏｆ ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ ＥＪ］．Ｊ Ｍｅｃｈ Ｐｈｙ Ｓｏｌｉｄｓ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００６，４ｌ（１０）：１９４９— １９９４，４２（１Ｏ）：１４９９—１５３２． １９５８． ・ ６８ ・
