一、 研究概况 本研究《电晕放电下的SF6气体特征发射光谱与放电程度识别》（Characteristic emission spectrum and discharge degree identification of SF6 under corona discharge）由赵科、李玉杰、杨景刚、李洪涛、肖焓艳（通讯作者）合作完成，所有作者均来自国网江苏省电力有限公司电力科学研究院。该研究成果发表于中文核心期刊《山东电力技术》2023年第8期，隶属于第50卷（总第309期）。
二、 学术背景 本研究属于高电压与绝缘技术领域，具体聚焦于气体绝缘电气设备（Gas-Insulated Equipment, GIE）的局部放电（Partial Discharge, PD） 检测与诊断方向。 研究背景与动机： SF6（六氟化硫）气体因其卓越的绝缘与灭弧性能，被广泛应用于气体绝缘组合电器（GIS）、断路器等高压输变电设备中。然而，在设备制造、安装或运行过程中，可能因杂质、划痕等缺陷导致局部电场强度过高，从而引发局部放电。电晕放电是局部放电的典型形式，长期的微弱放电会逐渐导致绝缘材料老化，最终可能在正常运行电压下引发绝缘击穿故障，威胁电网安全。因此，对SF6气体绝缘设备内部的局部放电进行早期、灵敏、可靠的检测与程度评估至关重要。 当前主流的局部放电检测方法，如脉冲电流法、特高频（UHF）法、超声波法等，在实际运行环境中易受电磁干扰和背景噪声影响。相比之下，基于光辐射检测的发射光谱法（Optical Emission Spectroscopy, OES）具有响应快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，展现出良好的应用前景。 研究面临的挑战与目标： SF6气体具有极强的电负性（Electronegativity） ，能强烈吸附自由电子，这使得在低放电能量或高气压条件下，其放电产生的光信号极其微弱。传统的宽谱段光信号增强方式在放大有用信号的同时也放大了本底噪声，导致检测信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）低，难以有效捕捉放电初期特征。针对这一问题，本研究旨在探索一种基于特征谱带光信号增强的新型光学检测方法。具体研究目标为：1) 通过实验确定电晕放电下SF6气体的特征发射光谱（Characteristic Emission Spectrum） 波段；2) 基于该特征谱带搭建高信噪比的光脉冲信号检测平台；3) 分析放电发展过程中光信号的变化规律；4) 建立能够识别并量化放电严重程度的指标与判据，为SF6气体绝缘设备的早期绝缘故障预警提供新的技术参考。
三、 详细研究流程 本研究包含三个核心且连贯的步骤：特征光谱识别、检测平台搭建与信号增强、放电程度建模与验证。 步骤一：SF6气体电晕放电特征发射光谱的识别与分析 本步骤旨在通过光谱实验，找出最能表征SF6放电且受干扰小的特征光谱波段。 1. 研究对象与样本： 采用“针-板”电极结构模拟局部放电中的电晕放电。针电极材料分别选用黄铜、SUS304不锈钢和纯铝，以探究不同金属材料对放电光谱的影响。板电极统一为SUS304不锈钢。电极间距固定为10mm。实验气体为高纯度（99.999%）SF6，在0.1 MPa绝对气压下进行。 2. 实验装置与方法： 实验在密封气罐中进行，装置包括高压电源、实验气罐、光谱仪、光电倍增管（PMT）及上位机。使用MX2500+光谱仪（波长范围200-1037 nm，分辨率1 nm）采集放电产生的全波段发射光谱。通过工频交流高压电源对电极施加电压（最高至击穿），模拟从电晕到火花放电的全过程。 3. 数据处理： 光谱数据在采集后进行了扣除背景噪声和Savitzky-Golay平滑滤波处理，以去除基线漂移和随机噪声。 4. 关键发现与光谱特征识别： * 通过对比不同电极材料在电晕放电和火花放电下的光谱图，研究发现放电光谱主要集中在两个波段：紫外光275-350 nm波段和可见光420-510 nm波段。 * 紫外波段（275-350 nm）分析： 该波段的光谱信号受到两个主要因素的叠加影响。一是在308.87 nm附近出现的谱峰，经分析为OH自由基的发射谱线，其强度与实验气罐内残留的微量水分含量直接相关，因此该波段信号不稳定。二是电极材料本身的原子/离子发射谱线（如Al、Fe、Cr等元素的特征谱线），使得该波段光谱呈现与电极材料相关的带状分布。结论：该波段受环境微水和电极材料影响显著，不适合作为稳定的放电特征谱带。 * 可见光波段（420-510 nm）分析： 该波段的光谱在不同电极材料下均稳定出现，且其强度与施加电压（即放电强度）呈强正相关。研究表明，此波段的光谱主要由SF6分子及其电离分解产生的低氟硫化物分子（如SF5, SF4, SF2等） 的连续带状光谱构成，反映了SF6气体在放电过程中的本征物理化学变化。 * 最终识别： 基于以上分析，研究确定420-510 nm可见光波段为SF6气体电晕放电的特征光谱带。该波段信号主要反映放电本身强度，受外部因素干扰小，适合作为后续信号增强与识别的目标。
步骤二：特征光谱响应增强与检测平台搭建 基于步骤一识别的特征谱带，本步骤构建了一个针对性的高信噪比光脉冲信号检测系统。 1. 增强策略与平台构建： 摒弃宽谱段增强方式，提出 “窄带滤光片+光电倍增管（PMT）” 的特征谱带增强方案。具体搭建的光学检测模块包括：聚焦透镜、光纤、窄带滤光片（中心波长针对420-510 nm，透过率~90%）和光电倍增管（PMT2101）。 2. 工作原理： 放电产生的光被透镜聚焦后，由光纤传导至窄带滤光片。滤光片仅允许特征谱带（420-510 nm）的光通过，极大地滤除了来自其他波段（如受干扰的紫外光、近红外背景光）的噪声。通过的光信号随后被高灵敏度的光电倍增管转换为电脉冲信号并进行放大（增益设置为70）。 3. 信号采集与处理： 对PMT输出的光脉冲信号，研究采用了相位同步累加和平滑滤波的数据处理方法。即在每个电压等级下，对10个工频周期内相位相同的信号进行累加平均，并重复3次取均值，最后进行Savitzky-Golay平滑滤波，以进一步抑制随机噪声，提取稳定的信号特征。 4. 初步结果（光信号与电压关系）： 在0-38 kV施加电压下，测量并计算了特征谱带内光脉冲信号的均方根（RMS）值。结果显示，根据光信号RMS的变化趋势，电晕放电过程可划分为三个区域： * 区域I（初始放电阶段，0-10 kV）： 光信号强度极低，低于PMT的检测下限，基本无法检测到有效脉冲。 * 区域II（放电发展阶段，12-32 kV）： 光信号RMS值随电压升高而显著上升，表明放电活动加剧。 * 区域III（临界击穿阶段，32-38 kV）： 光信号RMS值上升趋势放缓并趋于饱和，但此时放电已非常剧烈，间隙随时可能被击穿。
步骤三：放电程度识别模型建立与实验验证 基于步骤二获取的增强后光信号数据，本步骤旨在建立定量评估放电严重程度的数学模型，并在更接近实际工况的条件下进行验证。 1. 数学模型拟合： 观察到光信号RMS值随电压变化的S型曲线与Logistic函数形态高度相似。因此，研究采用Logistic模型对三种电极材料下的实验数据进行非线性回归拟合，得到了拟合公式（如式(3)-(5)）及关键参数。 2. 识别指标与阈值确立： 从Logistic拟合曲线中提取出三个关键物理量作为放电程度判据： * 阈值A1（起始阈值/注意阈值）： 对应曲线下渐近线，表征系统的基础噪声水平。当光信号RMS值 超过A1，提示已开始出现可检测的局部放电。 * 阈值A2（危险阈值/预警阈值）： 对应曲线上渐近线，表征放电趋于饱和、接近击穿时的最大光信号水平。当光信号RMS值 接近或超过A2，表明放电已非常严重，存在极高的击穿风险，需立即预警。 * 辅助判据信噪比（SNR=6 dB）： 为防止因随机噪声波动导致的误判，增设信噪比判据。只有当光信号RMS值超过A1 且 信噪比同时 大于6 dB 时，才判定为有效放电发展阶段，应予以关注。 3. 高气压验证实验： 为验证上述判据在实际高压设备条件下的有效性，研究升级了实验平台，采用真型L套管模型（容积~120L），在更高的SF6气压（0.3 MPa和0.4 MPa）下重复了针-板电晕放电实验。 4. 验证结果： 在高气压实验中，应用了从常压实验（0.1 MPa）中推导出的基于Logistic模型的A1、A2阈值及SNR判据。结果表明： * 在0.3 MPa气压下，当施加电压达到16 kV时，光信号RMS和SNR均满足“超过A1且SNR>6 dB”的条件，可设定为“注意值”。当电压升至50 kV时，光信号RMS值已接近A2，可判定为“严重放电”。 * 在0.4 MPa气压下，相应的“注意值”电压阈值为20 kV。 * 验证实验成功地将基于常压小尺寸模型建立的放电程度识别指标，应用于更高气压、更大容积的模拟设备中，证明了该方法的有效性和一定的普适性。
四、 主要研究结果 1. 明确了SF6电晕放电的稳定特征光谱带为420-510 nm可见光波段。 该波段光谱主要由SF6及其分解产物的分子辐射贡献，强度与放电强度直接相关，且受电极材料和微量水分的影响相对较小，为后续针对性检测提供了明确的谱段目标。 2. 成功构建了基于窄带滤光片的特征光谱增强检测平台，显著提升了信噪比。 通过选择性增强420-510 nm波段信号并滤除干扰噪声，实现了对微弱放电光信号的有效捕捉。实验观测到了放电发展三个阶段的清晰光信号演变规律。 3. 建立了基于Logistic模型拟合和信噪比联合判定的放电程度定量识别方法。 该方法将抽象的光信号强度转化为三个具体的量化阈值（A1、A2、SNR），能够明确区分“无显著放电”、“放电发展阶段”和“临界击穿/严重放电”三种状态，实现了对局部放电严重程度的初步量化评估。 4. 在高气压模拟实验中验证了识别方法的有效性。 将从小尺度实验中建立的判据应用于更接近工程实际的L套管模型，结果证实该方法能够在不同气压下设定合理的放电预警阈值，为工程应用提供了实验依据。
五、 结论与价值 本研究针对SF6气体绝缘设备局部放电光信号微弱、检测信噪比低的难题，提出并验证了一套完整的“特征光谱识别-选择性信号增强-放电程度量化评估”光学检测新方法。 * 科学价值： 深化了对SF6气体在电晕放电条件下发射光谱特性，特别是特征谱带成因（SF6分子及低氟硫化物辐射）的认识。创新性地将Logistic生长模型引入到放电光信号演化过程的拟合与分析中，为利用光学信号动态特征评估绝缘劣化进程提供了新的分析思路。 * 应用价值： 所提出的“窄带滤光片+光电倍增管”增强方案具有原理清晰、系统相对简单、抗干扰能力强的优点，为开发适用于SF6气体绝缘设备的在线或带电检测光学传感器提供了技术路径。建立的放电程度识别指标（A1， A2， SNR）为制定设备绝缘状态预警标准提供了潜在的定量参考依据，有助于实现从“有无放电”的定性判断到“放电严重程度”的初步定量评估的跨越，对于提升高压电气设备状态检修水平和电网运行可靠性具有重要意义。
六、 研究亮点 1. 方法创新性： 突破了传统宽谱增强导致信噪比低的局限，创造性提出并实践了 “特征谱带选择性增强” 的策略。通过精准定位420-510 nm特征波段并采用窄带光学滤波，实现了在源头上优化信噪比。 2. 诊断深度突破： 不仅实现了放电检测，更向前推进至 “放电程度识别” 。通过分析光信号RMS的演变规律并建立Logistic数学模型，提出了具有明确物理意义的定量阈值，实现了对放电发展阶段的初步划分和严重程度预警。 3. 研究系统性： 工作流程完整闭环，从基础光谱分析（第一步）到检测技术开发（第二步），再到诊断模型建立与验证（第三步），逻辑严谨，层层递进，形成了从机理到应用的研究链条。 4. 验证贴近工程实际： 在完成基础原理性实验后，主动在更大容积、更高气压的真型L套管模型上进行了验证实验，增强了研究成果向实际工程应用过渡的说服力。
七、 其他有价值内容 本研究在实验设计和分析中也体现了一些值得借鉴的细节： * 考虑了材料影响： 实验设计包含了黄铜、不锈钢、铝三种常见电极材料，系统分析了材料对光谱的影响，明确了特征谱带的普适性，增强了结论的可靠性。 * 严谨的数据处理： 采用了相位同步累加、多次平均、S-G滤波等多种信号处理手段，确保了在微弱信号条件下数据的稳定性和可重复性。 * 明确了局限性： 研究在讨论中指出了紫外波段信号受微水含量影响的不稳定性，这种对方法边界条件的清晰阐述体现了研究的客观性。未来研究可进一步探索如何排除或利用这种影响。