GIS局部放电光学检测技术研究综述

作者与机构：本文作者为张涵博（第一作者，华北电力大学）、宋伟（国网河南省电力公司）、董曼玲、王胜辉（华北电力大学）、辛伟峰、詹振宇（国网河南省电力公司电力科学研究院）、蒋浩哲（平高集团有限公司）、律方成（通讯作者，华北电力大学）。本文于2025年发表在国内期刊《广东电力》第38卷第8期（对应英文标题为 Guangdong Electric Power，文章编号：1007-290x(2025)08-0131-12）。

论文主题：本文是一篇综述性论文，系统性地回顾与评述了气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear， GIS）局部放电（Partial Discharge, PD）光学检测技术的研究现状、关键问题、核心进展及未来展望，并着重探讨了融合光学与电学检测优势的光电联合检测技术的发展前景。

主要观点阐述：

观点一：光测法在GIS局部放电检测中具有抗干扰能力强、灵敏度高的独特优势，但单一检测方法存在局限性，需发展综合检测技术。 文章开篇即点明了研究背景与动机：GIS设备在电力系统中应用广泛，但其绝缘故障频发，尤其是特高压GIS故障率较高。传统的局部放电检测方法（如脉冲电流法、特高频法）均为基于电物理量的检测，存在数据不全、易受电磁干扰等问题，导致现场检测的误判率和漏判率较高。而局部放电过程必然伴随光辐射现象，基于光信号的检测方法作为一种非电学测量手段，具有灵敏度高和抗电磁干扰能力强的天然优势。然而，仅依赖单一的光学检测方法也受限于光谱选择性、光信号传播衰减以及光学感知技术尚未完全成熟等因素。因此，文章的核心论点在于，为了更全面、准确地掌握局部放电的发生与发展信息，亟需发展融合光、电两种特征参量的光电联合检测技术，以提高GIS绝缘缺陷现场检测的有效性和可靠性。

观点二：深入理解气体放电的光信号产生机理和光谱特性，是光学检测技术发展的理论基础与前提。 文章指出，认知光信号的产生机理是实现光学检测的基础。局部放电时，电场集中导致气体电离与复合，释放光子，形成流注放电。光辐射是气体放电的固有特性，与放电过程具有高同步性，其发光特征能反映放电类型、阶段乃至微观物理过程。多位学者通过流体模型仿真或实验研究，揭示了放电光信号的时空分布特征及其与放电机制（如雷电冲击与快速震荡冲击下的不同）的关联。在光谱特性研究方面，文章系统总结了空气与SF6气体放电发射光谱的差异。空气放电光谱主要集中在紫外波段（如OH基、NO基的特征谱线），而SF6气体放电光谱则覆盖从紫外到红外的更宽谱段。研究证实，光谱特性包含丰富信息：不同放电类型（电晕、火花、沿面放电）具有本征性光谱分布；放电电压大小影响光谱辐射强度；电极形状和材料、气体微水含量等因素也会在特定波段（如紫外或红外）影响光谱特征。特别是对于SF6气体，420~510 nm波段的发射光谱受各类因素影响较小，可作为特征谱带用于局部放电检测。这些基础研究为后续有针对性地选择光电转换元件（如针对特定波段的传感器）和利用光谱信息进行放电诊断与识别提供了关键依据。例如，有研究提出基于多重分型光谱或三角聚类方法的光谱分析技术，以提高不同类型缺陷的识别准确率。

观点三：GIS设备内部复杂结构导致光信号传播路径受阻并产生衰减，必须研究其传播特性以优化光学传感器的布局。 由于光沿直线传播，在结构复杂的GIS设备内部（存在L型、T型拐角、绝缘子、导杆等）会发生折射、反射和衰减，使得传感器接收到的光信号强度与放电源位置、GIS结构及传播距离密切相关。文章综述了该领域的研究进展。学者们主要采用TracePro、COMSOL等仿真软件建立GIS模型，研究了光信号在T型、L型等转折结构中的传播规律。仿真结果表明：探测距离增加会导致相对辐照度减小；光信号经过转折结构（尤其是T型）后衰减显著；绝缘子等内部结构会大幅减少到达相邻气室的光子数和光通量。部分研究通过实验验证了仿真结果的正确性，尽管实测信号强度通常略低于理想化的仿真结果。基于这些研究发现，文章总结了光学传感器布设的工程指导原则：在转折结构处安装传感器效果最佳；在长腔体中，传感器应置于中间位置或铺设长直光纤以增大有效检测距离；对于结构复杂的GIS，应选用收光角度较大的传感器（如螺旋状光纤、半球形光窗）以扩大接收范围。这些研究为光学检测技术的实际工程应用解决了“能否有效接收到信号”这一关键问题。

观点四：局部放电光学感知技术的核心在于提高微弱光信号的检测信噪比，主流技术路线包括光电倍增管、荧光光纤和硅光电倍增管。 针对局部放电初期光信号微弱且在传播中衰减的问题，文章综述了三种主流的微弱光信号感知技术。 1. 基于光电倍增管（PMT）的光学感知技术：PMT具有响应快、增益高、噪声低的优点。自上世纪90年代起，国内外研究便证明了其在GIS局部放电实验室检测中的可行性，对多种缺陷（如微粒、尖端、沿面放电）均有较高检出灵敏度，且能检测传统电学方法难以检测的辉光放电。多光谱检测系统（使用多个针对不同波段的PMT）的研究进一步表明，不同波段的光脉冲统计特征（如偏斜度、陡峭度）可用于评估放电强度与过程。然而，PMT存在尺寸大、需高工作电压、易受强光烧损、电磁干扰等问题，与GIS设备融合安装困难，限制了其现场应用，目前多用于实验室研究。 2. 基于荧光光纤的光学感知技术：荧光光纤纤芯掺有荧光物质，可有效接收各个方向的入射光，不受普通光纤数值孔径的限制，且具有柔韧、易于铺设的优点。研究表明，荧光光纤可用于GIS腔体内的放电检测，并能通过分析光信号特征辨识缺陷类型。其检测灵敏度与光纤直径、形状（如长直状与螺旋状）、数量及铺设位置有关。光纤长度增加可增大检测范围，但也会增加传输损耗，因此需要在实际应用中进行优化选型和布设。 3. 基于硅光电倍增管（SiPM）的光学感知技术：SiPM是一种固态半导体探测器，集成了大量微单元，具有单光子探测能力。与PMT相比，SiPM在具备相近检测灵敏度（实验对比证明其PRPD图谱与PMT高度一致）的同时，还具有尺寸小、工作电压低、对磁场不敏感、成本低等显著优势。研究显示，SiPM在信噪比、脉冲分辨率和线性度等方面与脉冲电流法（HFCT）特性相当。基于SiPM的双光谱传感器设计，还能同时识别放电类型和评估放电程度。然而，当前基于SiPM的研究大多处于实验室阶段，其在复杂现场环境下的长期工作稳定性、抗干扰能力和检测范围等实际问题仍需进一步探索和验证。

观点五：光电联合检测技术能够融合光、电检测方法的优势，是提高GIS局部放电检测准确性与可靠性的重要发展方向。 鉴于单一检测方法（无论是光测法还是传统电测法）均存在局限性，文章重点介绍了光电联合检测技术的现状。该技术通过同时获取局部放电的光信号和电信号（如特高频UHF信号），进行多物理量、多源信息融合分析，旨在实现优势互补，提高缺陷检出率、类型识别准确率，并有望实现放电定位和放电量标定。研究进展包括：构建荧光光纤与特高频天线联合检测系统，并基于D-S证据理论等数据融合方法进行缺陷识别，识别率可达较高水平；设计光电复合传感器，例如将柔性馈电螺旋天线（UHF）与加载荧光光纤的SiPM结合，或将荧光光纤植入GIS内置特高频传感器中，形成一体化内置传感器。实验证明，这些复合传感器的光学部分不影响原有电学部分的性能，且对某些放电类型的检测效果优于单一特高频法。这类集成化、内置式的传感器方案，为光电联合检测技术的工程化应用提供了可行的技术路径。

观点六：尽管光学检测技术取得显著进展，但仍面临挑战，未来研究需在光谱数据库完善、传播模型优化、传感器工程应用及标准化等方面持续深入。 文章在总结部分肯定了光学检测技术的潜力与已取得的成果，同时指出了当前研究的不足与未来发展方向： 1. 光谱特性方面：现有光谱特征库尚不足以覆盖所有复杂的放电情况。未来需开展更细致、多场景的实验研究，并关注环保型混合气体的放电光谱特性，建立更全面精确的光谱数据库。 2. 光信号传播特性方面：当前认知主要基于仿真，与实际工况存在差异。未来需结合大量实验数据，优化光信号在复杂GIS结构及不同表面条件下的传播模型，为传感器布置提供更精准的指导。 3. 光学传感器方面：实验室性能良好的传感器在现场应用时，面临安装困难、长期稳定性与可靠性不足的问题。未来需从传感器设计与GIS结构优化两方面着手，例如在设备制造阶段预留传感器接口，实现“感传一体”的融合制造，提升工程应用的可行性。 4. 标准化与数据处理方面：目前缺乏统一的局部放电光学检测标准。未来应推动标准建立，并借助大数据与人工智能技术，提升海量光学检测数据的分析与处理能力，从而实现更精准、实时的故障诊断与预警。

论文的意义与价值： 本文系统性地梳理了GIS局部放电光学检测技术从基础理论（产生机理、光谱特性）到关键技术（传播特性、感知技术），再到集成应用（光电联合检测）的完整技术链条和研究脉络。它不仅为相关领域的研究人员提供了全面的文献综述和技术发展路线图，清晰地指出了各项技术的优势、局限及适用场景，而且通过对光电联合检测这一前沿方向的着重阐述，为未来GIS设备状态监测技术的研究与工程实践指明了重要的发展方向——即通过多物理量信息融合，突破单一检测手段的瓶颈，最终实现GIS设备绝缘状态更精准、更可靠的智能感知与诊断，对保障电网安全稳定运行具有重要的理论指导意义和应用参考价值。