一项关于GIS盆式绝缘子表面微弱放电光学检测方法的创新研究

本研究由罗远、齐波、杨霄、刘京喜、张一、杨卓栋、李成榕共同完成，他们均来自华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室。该研究成果于2024年10月发表在学术期刊《电网技术》（Power System Technology）第48卷第10期上。

本研究的学术背景聚焦于高压输变电设备的状态监测与故障诊断领域，具体是气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear， GIS）的局部放电检测技术。GIS以其优越的绝缘性能和紧凑结构在电力系统中广泛应用，但其内部绝缘子的表面缺陷可能导致微弱放电，若不及时发现，可能发展成沿面闪络或击穿等严重事故。目前，脉冲电流法、特高频（UHF）法等电信号检测手段以及超声波法等非电信号检测法已被用于GIS局放检测。其中，光测法作为一种非侵入式的非电检测方法，在GIS内部弱光环境下显示出独特的潜力，因为它能直接捕捉放电伴随的光现象。然而，将光测法实际应用于GIS在线监测面临两大关键挑战：一是盆式绝缘子表面放电光信号在复杂的GIS腔体结构（包含导杆、外壳、绝缘子）内受到多次反射、折射和吸收，其传播规律尚不明确；二是基于此规律，用于检测光信号的光学传感器（如光电倍增管）的最佳布置位置和参数要求缺乏指导。因此，本研究旨在通过仿真与试验相结合的方式，系统揭示GIS内盆式绝缘子表面缺陷放电光信号的传播规律，提出光学传感器的优化布置方案，并评估光测法对微弱放电的检测灵敏度，以期为光学传感器在GIS内部缺陷放电在线监测中的实际应用提供理论基础和技术参考。

本研究的工作流程系统而严谨，主要包括四个核心部分：仿真模型准确性验证、光信号传播规律仿真研究、试验验证与传感器布置方法确定，以及光测法与电测法灵敏度对比。在研究过程中，团队采用了220kV GIS试验腔体作为研究对象，并引入了关键的研究工具：基于蒙特卡洛算法的非序列光线追迹仿真软件（用于模拟光信号传播）、375nm波长的LED光源（用于验证仿真）、Hamamatsu CR316-01型光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT，用于检测光信号）以及LDs-6局部放电检测仪（用于脉冲电流法对比）。

首先，研究团队通过对比仿真与LED模拟试验来验证光线追迹模型的准确性。 他们在GIS盆式绝缘子表面预设了多个位置（沿径向和角度分布）放置375nm的LED光源，模拟不同位置的放电点。同时，在仿真软件中建立了1:1比例的GIS三维模型，设置了与实际材料（铝制外壳、环氧树脂绝缘子）对应的光学参数（吸收率、镜面反射率、漫反射率），并将放电光源简化为波长375nm的球状点光源。在固定观察窗位置（即PMT安装处）设置探测面，分别计算各光源点到达探测面的仿真光通量。同步进行试验，用PMT测量对应位置LED光源的光功率，并将PMT输出的电压信号通过已知增益换算为光功率。为便于比较，对仿真和试验结果分别进行归一化处理。分析显示，仿真与试验结果在所有测试角度（0°， 45°， 90°， 135°， 180°）上呈现出高度一致的变化趋势，归一化结果的平均偏差最大不超过7.6%，证明了所建立的光线追迹仿真模型能够可靠地模拟光信号在GIS内部的复杂传播行为，为后续的规律研究奠定了基础。

紧接着，基于已验证的仿真模型，团队系统地研究了放电光信号在GIS内部的传播规律。 他们在仿真模型中设置了三个不同距离的探测面（F1、F2、F3，分别距绝缘子表面400mm、250mm、100mm），并在盆式绝缘子表面定义了正面（朝向探测面）、侧面（与探测面成90°）、背面（背向探测面）三个典型区域的放电光源位置（A1模拟高压尖刺，A2模拟固定金属颗粒，A3模拟接地尖刺）。通过仿真计算不同位置光源到达不同距离探测面的光通量，获得了光信号强度随传感器（探测面）距离变化的规律。结果表明：对于布置在绝缘子正面和侧面的缺陷，其发出的光信号到达探测面的光通量随探测距离的增大而明显衰减。例如，从F3（最近）到F2，正面光源的光通量平均衰减了85.5%；从F2到F1（最远），又平均衰减了60.2%。然而，对于布置在背面的缺陷，由于高压导杆和盆式绝缘子本体的严重遮挡，直射光线难以到达最近的F3探测面，其光信号强度未呈现简单的随距离增大而衰减的规律。相反，光线主要依靠腔体内壁的多次反射传播，使得位于中间距离的F2探测面有时能接收到比F1或F3更强的反射光信号。这一发现至关重要，因为它揭示了不能简单地认为传感器离放电点越近信号就越强，尤其是在存在复杂遮挡结构的情况下。

然后，研究进入试验验证与最优布置方案确定阶段。 团队在真实的220kV GIS试验腔体中，用金属细丝模拟了与仿真对应的三种缺陷（高压尖刺、固定金属颗粒、接地尖刺），并将其布置在绝缘子表面的正面、侧面和背面。将PMT传感器依次布置在与仿真探测面F1、F2、F3相对应的三个位置，同时使用LDs-6局放仪监测放电量以进行标定。通过逐步升压，测量了PMT在不同布置点检测到各类缺陷放电时的最小可测放电量（即检测灵敏度）。试验数据完美印证了仿真揭示的规律：对于正面和侧面缺陷，PMT布置在较近的F3和中间距离的F2位置时灵敏度更高（放电量检测下限更低），且信号强度随距离增加而衰减；对于背面缺陷，PMT布置在中间距离的F2位置时，对多数缺陷的检测效果最佳，甚至优于最近的F3位置。综合所有缺陷类型的平均检测灵敏度，布置在内壁中部（F2位置）的PMT表现最为均衡和优越。此外，根据试验中能够检测到的最小光信号对应的PMT输出电压（0.12V）和PMT的系统增益，研究推算出用于检测此类微弱放电的光学传感器，其最小可检测光强应优于1.43×10^-11 W。同时，基于SF6气体放电光谱特性的已有研究，指出传感器的有效检测波长应覆盖300-550nm，且响应时间需小于局部放电单次脉冲的持续时间。

最后，为彰显光测法的优势，研究团队进行了一项关键对比试验，探索其对微弱放电的检测灵敏度。 他们在环氧树脂试样表面放置了微米级的金属微粒，模拟更微弱、更早期的绝缘缺陷。在背景噪声仅为3pC的实验室环境下，同时使用PMT（布置于最优的F2位置）和LDs-6局放仪进行检测。结果表明：当电压升至4.2kV时，PMT已能清晰检测到成群的微小放电脉冲（信噪比达6.4），而此时的局放仪仅显示背景噪声，未能识别出放电；直到电压进一步升至6.4kV，放电量增大到5.3pC时，局放仪才开始检测到信号。这直接证明，对于盆式绝缘子表面由微米级金属微粒引发的初始微弱放电，光测法的检测灵敏度显著高于传统的脉冲电流法。研究还指出，光测法能捕捉到更宽的放电相位信息，有助于更全面地分析放电特性。

基于上述系统的仿真与试验工作，本研究得出了明确的结论：1）光线追迹仿真方法可用于可靠研究GIS内部放电光信号的传播规律。2）绝缘子正面和侧面缺陷的光信号强度随检测距离增大而衰减，背面缺陷则因遮挡无此规律，这为多传感器定位放电区域提供了初步判据。3）提出了光学传感器（以PMT为例）应用于GIS放电检测的具体要求：检测波长范围300-550nm，最小检测光强优于1.43×10^-11 W，响应时间短于局放脉冲宽度；最优布置位置为GIS腔体内壁的中部区域。4）光测法对微弱放电的检测灵敏度高于脉冲电流法，具备检测早期绝缘缺陷的潜力。

本研究的科学价值在于首次通过仿真与试验紧密结合的方式，系统阐明了GIS盆式绝缘子表面（而非单纯气体间隙）这一关键故障部位放电光信号的复杂传播机制，特别是揭示了背面缺陷光信号传播的特殊性。其应用价值在于为开发基于光学原理的GIS内置式在线监测系统提供了直接的传感器选型参数和明确的安装位置指导，推动了光测法从实验室研究走向工程实用化。研究的亮点突出体现在：研究对象的针对性（聚焦于故障率高、光信号传播复杂的盆式绝缘子表面缺陷）；研究方法的创新性（采用LED光源验证仿真模型，结合蒙特卡洛光追迹仿真与真实放电试验，相互印证）；结论的实践指导性（不仅给出了规律，更明确了传感器的具体性能指标和“内壁中部”这一最优布置位置）；以及性能验证的直观性（通过微米级颗粒放电试验，直接对比并证明了光测法在灵敏度上的优势）。此外，研究还通过建立含中心导杆的GIS模型进行补充仿真，证明了在无中心导杆的试验腔体上得出的规律对于真实GIS结构具有参考价值，增强了结论的普适性。这些工作为提升GIS设备状态感知的精准性和早期预警能力提供了新的技术路径。