本报告基于发表于《绝缘材料》期刊2025年10月第58卷第10期，由贺浩原（武汉大学）、潘成（武汉大学）、秦少瑞（国网安徽省电力有限公司电力科学研究院）、姚雨杭（武汉大学）、朱庆东（国网山东省电力公司电力科学研究院）、唐炬（武汉大学）共同完成的研究论文《基于SiPM传感的油中局部放电多光谱检测技术》。
本研究隶属于电气工程领域的电气设备状态监测与故障诊断方向，具体聚焦于电力变压器等油浸式设备的绝缘状态评估。油浸式设备内部若存在绝缘缺陷，易引发局部放电（Partial Discharge， PD），PD是绝缘劣化的主要征兆与诱因。因此，对油中PD进行有效检测与诊断，对保障电网安全至关重要。传统的PD检测方法，如特高频法、高频电流法、超声波法，在实际应用中易受电磁干扰或灵敏度限制。相比之下，光学检测法具有高灵敏度和抗电磁干扰的优势。近年来，硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier Tube， SiPM）作为一种新型固态光电探测器件，以其高光子探测效率、低工作电压、小体积等优异性能，为光学检测PD提供了新的技术路径。然而，先前关于SiPM传感的研究多集中于气体绝缘设备（如GIS），其在油浸式设备中的应用特性尚不明确。鉴于此，本研究旨在系统性地开展两项核心工作：其一，将基于SiPM的光学检测法与常规高频电流传感器（High Frequency Current Transducer， HFCT）在油中PD检测的灵敏度上进行对比，明确SiPM传感器的优势区间；其二，利用SiPM结合滤光片，深入研究油中PD的多光谱特性，探索光谱信息在缺陷类型识别和放电严重程度诊断方面的应用潜力，为开发基于多光谱光测法的绝缘诊断新方法提供实验依据与理论基础。
详细研究流程如下：
1. 实验平台与方法建立 研究团队搭建了完整的油中局部放电检测实验平台。该平台主要包括高压回路和PD信号检测系统两部分。高压回路由变压器、保护电阻和电容分压器构成，用于产生可控的高压。PD信号检测系统的核心是SiPM传感器（采用湖北京邦科技的JAMP评估板，光谱响应范围250-950 nm）和高频电流传感器（HFCT），采集的信号由高速数字示波器记录。为了模拟实际设备中的典型绝缘缺陷，研究设计了两种电极模型：针-板电极用于模拟“金属突出物缺陷”，板-悬浮螺母电极用于模拟“悬浮带电体缺陷”。一个关键的创新点是，考虑到油中实验需求，团队利用3D打印技术为SiPM传感器制作了专用的密封装置，该装置前端设计有圆形凹槽，可装配玻璃片（用于常规光测）或不同波段的滤光片（用于多光谱研究），从而有效保护传感器并实现光谱分离。研究选用了四种滤光片，将待测光信号划分为四个波段：紫色波段（350-480 nm）、绿色波段（480-577 nm）、橙色波段（577-622 nm）、红色波段（622-770 nm）。
2. SiPM与HFCT检测特性对比实验 此流程旨在定量评估SiPM传感器在不同检测距离下，针对不同缺陷类型的PD检测灵敏度，并与HFCT进行对比。实验采用逐步升压法，寻找并记录两种传感器首次检测到PD信号时的起始电压（PDIV）。随后，在固定测试电压下（针板放电4.0 kV，悬浮放电4.6 kV），改变SiPM传感器与缺陷模型之间的距离（针板放电：40、50、60 cm；悬浮放电：50、55、60 cm），采集一个工频周期内的PD脉冲信号，对比分析两种传感器检测到的PD脉冲数量和信号的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），以此评判其检测效果优劣。
3. 基于SiPM的多光谱特性研究实验 此流程旨在探究不同因素（电压等级、检测距离、缺陷类型）下，油中PD光信号在不同光谱波段的分布规律。研究选用针板缺陷作为主要对象，在固定检测距离（30 cm）下，分别施加6 kV、7 kV、8 kV的电压，并在SiPM传感器前依次装配四种滤光片，采集各波段下的PD信号。通过分析相位分辨局部放电谱图（Phase-Resolved Partial Discharge Pattern， PRPDP），统计各波段内的放电幅值分布、放电次数分布以及各波段放电次数占总放电次数的比例。此外，还研究了检测距离（固定7 kV电压，比较30 cm与20 cm距离）和缺陷类型（固定7 kV电压和30 cm距离，比较针板放电与悬浮放电）对多光谱特性的影响。
本研究获得的主要结果如下：
1. SiPM与HFCT检测特性对比结果 对于针板放电：当检测距离为40 cm时，SiPM的PDIV（2.7 kV）低于HFCT（3.0 kV），且在4.0 kV测试电压下，SiPM一个周期内捕获的PD脉冲数（26个）多于HFCT（19个），信噪比更高。距离增至50 cm时，两者PDIV相同（3.0 kV），脉冲数相当（SiPM: 21个， HFCT: 25个），检测效果持平。距离增至60 cm时，HFCT的PDIV（3.0 kV）低于SiPM（3.3 kV），且捕获的脉冲数更多（HFCT: 27个， SiPM: 19个），HFCT检测效果更优。由此得出结论：对于针板放电，检测距离小于50 cm时，SiPM传感器的检测效果优于HFCT。
对于悬浮放电：当检测距离为50 cm时，SiPM的PDIV（2.2 kV）低于HFCT（2.4 kV），且在4.6 kV测试电压下，SiPM捕获的PD脉冲数（52个）显著多于HFCT（37个）。距离增至55 cm时，两者PDIV相同（2.4 kV），脉冲数相近（SiPM: 36个， HFCT: 34个），效果持平。距离增至60 cm时，HFCT的PDIV（2.4 kV）低于SiPM（2.6 kV），且捕获的脉冲数更多（HFCT: 40个， SiPM: 29个）。由此得出结论：对于悬浮放电，检测距离小于55 cm时，SiPM传感器的检测效果优于HFCT。 这些结果清晰地表明，SiPM传感器在近距离检测中具有更高的光学灵敏度优势，但随着检测距离增加，光信号在油中的衰减导致其优势减弱甚至逆转。
2. 多光谱特性研究结果 （1）不同电压等级的影响（针板放电，30 cm）：在6、7、8 kV三个电压等级下，各波段的PD放电幅值和放电次数均随电压升高而增加。在所有电压下，350-480 nm（紫色）波段的放电数量占比均最高，达到90%以上，表明油中PD的光辐射能量主要集中于此波段。一个重要的发现是，480-577 nm（绿色）波段的放电数量占比随电压等级升高而显著增加。而577-622 nm（橙色）和622-770 nm（红色）波段占比很小且变化规律不明显。此外，当电压高于7 kV时，紫色波段PD信号幅值达到约3.3V后趋于饱和，说明SiPM传感器在该波段高光强下可能出现饱和现象。
（2）不同检测距离的影响（针板放电，7 kV）：对比30 cm和20 cm的检测结果发现，随着距离减小，各波段检测到的PD幅值有所增加。更重要的是，光谱分布比例发生变化：350-480 nm波段放电数量占比随距离减小而减小，而480-577 nm波段占比随距离减小而增加。这表明光信号不同波段在油中的衰减特性可能存在差异。
（3）不同缺陷类型的影响（7 kV，30 cm）：对比针板放电和悬浮放电发现，悬浮放电下各波段的PD放电幅值和放电数量均高于针板放电。光谱分布上，与针板放电相比，悬浮放电在350-480 nm波段的放电数量占比减小，而在480-577 nm和577-622 nm波段的占比均有所增加。这一差异为区分不同缺陷类型提供了关键的光谱指纹特征。
上述多光谱特性的发现，尤其是特定波段（如480-577 nm）的占比变化与电压等级（反映放电强度）、检测距离、缺陷类型存在系统性关联，构成了本研究的重要科学依据。
研究结论： 1. 检出特性方面：SiPM传感器对油中PD具有高灵敏度，但其优势受检测距离制约。对于针板放电和悬浮放电，其检测效果优于HFCT的临界距离分别为50 cm和55 cm。这为在实际设备中部署SiPM传感器时的安装位置提供了重要参考。 2. 多光谱特性与应用潜力方面：油中PD光信号具有显著的多光谱分布特征。350-480 nm是PD光辐射的主波段。480-577 nm波段放电数量占比的升高，可以作为局部放电加剧（电压升高时）或距离传感器更近的一个指示性特征。不同缺陷类型（针板放电与悬浮放电）呈现出可区分的多光谱“指纹”，例如悬浮放电在较长波长波段（480-622 nm）的占比相对更高。这些发现证明，多光谱信息在油中局部放电的类型识别和严重程度诊断方面具备重要的应用潜力。
研究的亮点与价值： 1. 研究对象的创新性：首次系统地将SiPM传感技术应用于油浸式设备绝缘缺陷的PD检测研究，拓展了该技术的应用场景。 2. 对比研究的系统性：通过控制变量法，定量对比了SiPM与主流电测法（HFCT）在不同距离、不同缺陷模型下的检测性能，明确了SiPM的优势区间与局限，结论清晰可靠。 3. 多光谱分析的深度：超越了简单的“有光/无光”检测，通过引入滤光片，实现了对油中PD光信号光谱维度的精细化解析。发现了光谱比例与放电强度、缺陷类型之间的内在联系，为开发基于多光谱特征的智能诊断算法奠定了坚实的实验基础。 4. 工程实用化探索：采用3D打印技术制作传感器密封装置，考虑了油中应用的实际情况，体现了从实验室研究向工程应用过渡的思路。
其他有价值内容：论文在引言部分详细综述了PD检测的各种方法及其优缺点，以及SiPM在气体绝缘设备PD检测中的前期应用，为本研究提供了充分的学术背景支撑。实验部分对电极模型、滤光片参数、实验步骤的描述非常详尽，具有很好的可重复性。结果分析中不仅展示了典型波形图，还通过统计图表（PRPDP谱图、占比饼图）直观地呈现了数据规律，增强了论证的说服力。这些内容共同构成了一篇方法严谨、数据翔实、结论明确的优秀学术论文。