图1 实验装置结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental device structure
摘要 该文通过实验模拟六氟化硫（SF6）气体绝缘电气设备的三种常见放电缺陷（电晕放电、火花放电以及沿面放电），并采用光谱仪检测上述放电缺陷下的200～1 037nm波段范围内的发射光谱。结果表明，电晕放电的发射光谱主要由带状光谱（OH自由基谱带，SF6和SFx分子谱带）和微弱的F原子线状谱组成；火花放电的发射光谱在电晕放电的基础上新增了硫原子、硫离子和氟离子的线状光谱；沿面放电的发射光谱与火花放电的轮廓相似，但由于沿面故障模拟模型中引入了铜元素，因此发射光谱中出现了铜原子和铜离子的线状谱。最后，根据电晕放电、火花放电和沿面放电的光谱特性差异，定义了两个特征物理量：Iratio和|I′nor(323.371nm)|，设计相应的放电识别算法。该算法的正确率为94.33%，可有效地识别实验中的SF6放电缺陷。
关键词：六氟化硫（SF6） 发射光谱 特征光谱 局部放电 放电识别
六氟化硫（SF6）绝缘电气设备的放电缺陷是引发设备故障的重要因素，严重影响着电力系统的稳定运行[1-2]，有必要对SF6绝缘电气设备的放电缺陷进行监测。当存在放电缺陷时，电气设备内部物质的离子、原子、分子等粒子在电能或热能作用下，会由低能态被激发到较高能态[3]。当粒子退激回低能态时，便会释放光子，从而形成发射光谱[4]。因此发射光谱与放电信息密切相关，近年来，随着光学技术的发展[5]，基于发射光谱法的放电故障检测受到了越来越多的关注[6]。
对于光辐射较强的空气放电，国内外学者已经对其发射光谱开展了广泛的研究。清华大学赵文华等[7]利用发射光谱法研究了电压和电极间距对空气电晕放电光谱幅值的影响。奥波莱工业大学M. Koziol等[8]研究了不同电极形状对空气放电发射光谱的影响，结果表明电极几何形状不同，相应的空气放电发射光谱具有较大差异。武汉大学傅中等[9]测量了交流电压下190～900nm范围内的空气电晕放电光谱，并指出紫外光光电探测设备可通过200～320nm波段检测电气设备的电晕放电。西南交通大学胡怡等[10]在实验室模拟了列车接触网与受电弓因振动引发的电弧放电，并根据电弧放电的发射光谱计算了弓网电弧的激发温度、转动温度、振动温度和电子密度。西安交通大学杨昊等[11]基于发射光谱诊断手段分析了染污绝缘子表面局部电弧的内部温度和电子密度随泄漏电流的变化。
相比而言，对于SF6放电发射光谱特性的报道较少，主要集中在光脉冲与放电的关系方面。西安交通大学任明等[12]根据SF6气体放电产生的光脉冲在紫外、可见光和近红外三个不同波段内的统计特性，提出了一种用于识别放电故障的三角聚类方法。沈阳工业大学李学斌等[13]测量了SF6/N2击穿时的发射光谱，利用电极材料中铝原子的发射光谱对击穿时的电子温度、电子密度等进行了分析。重庆大学唐炬等模拟了几种常见的SF6局部放电缺陷，并基于多重分形谱概率算法对不同放电类型下光脉冲的φ-u-n三维图谱进行了识别[14]。西安交通大学韩旭涛等[15]检测了GIS内部导杆尖刺缺陷和悬浮缺陷的光脉冲信号和特高频信号，发现光测法的灵敏度不低于甚至高于特高频法。实际上，较之宏观的光脉冲，SF6放电产生的发射光谱蕴含着更为丰富的微观信息。此外，SF6及其放电产物的光谱信息对放电发展与绝缘劣化程度的判别更具价值。为探究SF6放电与发射光谱谱线、光谱强度的关系，本文设置了三种放电缺陷（电晕放电、火花放电与沿面放电），并采集了相应放电缺陷的发射光谱。结合放电和SF6分解特性，分析了不同放电缺陷下SF6及其放电产物的混合光谱特性，并在混合光谱特性的基础上提出了一种识别放电缺陷类型的方法。本文的研究为基于发射光谱法的SF6绝缘电气设备的监测与诊断提供一定的参考。
图1为实验装置结构示意图。高压击穿装置有两种工作模式：①输出幅值恒定的工频交流电压；②以一定的速率升压直至试品击穿，击穿瞬间内置的电流保护动作，切断电源输入，并自动降压。当工作在模式①时，耐压时间的设定范围为1～600s，输出电压的幅值可在1～100kV间调节。光谱采集系统由光纤、光谱仪、上位机以及光谱采集软件组成。实验采用的光谱仪型号为海洋光学MX2500+，该光谱仪具有两个通道，第一个通道光谱采集范围为200～650nm，第二个通道为650～1 037nm，积分时间设置范围为10～60 000ms，分辨率为1nm。光纤头部还装有聚焦透镜，实验时聚焦透镜置于故障模拟腔外，且与针电极尖端等高且水平距离固定为10cm。故障模拟腔为密封性良好的透明石英玻璃罐，石英玻璃的下限截止波长在180～210nm范围内，因此石英玻璃对200～1 037nm波段的光具有良好的透过率。实验时故障模拟腔充有0.1MPa（绝对气压）的纯SF6气体。为保证实验气体的纯度，实验前首先对故障模拟腔持续抽真空30min，然后充入纯度为99.999 9%的SF6至0.1MPa，并静置10min，如此反复洗气三次。为避免外界光干扰，实验均在暗室中进行，环境温度约为20℃，湿度约为10%。
图1 实验装置结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental device structure
本文采用针-板间隙模拟电晕放电和火花放电，其几何结构参数如图2所示。其中，电极间距为10mm，针电极的尖端的曲率半径约为0.3mm，其材料为铝。当模拟电晕放电时，高压击穿装置工作在模式①；光谱仪的积分时间设为9 000ms，以增加光信号强度的积累。当模拟火花放电时，高压击穿装置工作在模式②下，在电流保护动作前，针-板间隙间会发生数次火花放电。由于火花放电光强较大，同时为了快速捕捉光谱信息，设置光谱仪的积分时间为100ms。火花放电的平均击穿电压为38.6kV。
图2 针-板电极几何结构示意图
Fig.2 Schematic diagram of the geometry of the needle plate electrode
沿面放电的模拟装置与电晕放电装置仅在电极结构上不同。如图3a所示，两块黄铜材料的板-板电极夹持双酚A环氧树脂圆柱绝缘块，绝缘块侧面粘贴有一根直径为0.2mm、长为20mm的细铜丝，以此来模拟实际电气设备绝缘部分表面附着的金属碎屑引发沿面闪络的现象。板电极的尺寸与图2所示的板电极相同，绝缘块的几何尺寸如图3b所示。绝缘块上下表面镀铜粉以实现等电位，由此避免因绝缘块与板电极间的气隙放电。板-板电极间的施加电压由工作于模式②下的高压击穿装置提供，光谱仪的积分时间也设为100ms。沿面闪络的平均电压为21.1kV。
图3 沿面放电缺陷模型示意图
Fig.3 Schematic diagram of the creeping discharge defect model
实验共测得300个光谱样本，电晕放电、火花放电与沿面放电各100个。SF6属于强电负性气体，发生电晕放电时，会吸附电子，抑制电子能量的积累，因此发出的光信号较微弱。为了提高电晕光谱的信噪比，在扣除其背景噪声后，采用Savitzky-Golay平滑方法（窗口宽度为31,阶数为2）进行滤波处理。Savitzky-Golay滤波器是一种基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法[16]，被广泛地应用于光谱数据平滑去噪。这种滤波器在滤除噪声的同时可以保证光谱信号的形状、宽度不变。对于火花与沿面放电，光谱较强，信噪比较高，仅对其进行了扣除背景的操作。
针-板电极间隙中电场强度分布极不均匀，针尖附近的电场强度较高。当施加电压达一定大小时，针尖处的电子电离系数a可达到相当大的数值从而形成蓝紫色的电晕层，而其他区域的场强较低，a很小[17]。图4为施加电压为32kV时，SF6气氛中电晕放电200～650nm波段内的发射光谱图。从图中可以看到，以308.642nm为代表的谱段（260～347nm[18]）和420～510nm波长范围内的谱段最为突出。
图4 SF6气氛中200～650nm波段内电晕放电的发射光谱
Fig.4 Emission spectrum of corona discharge in the 200～650nm band in SF6 atmosphere
260～347nm的谱段为自由基OH辐射产生，由故障模拟腔内的微量水分放电所致。水分子在电场作用下发生式（1）～式（3）反应，分解产生OH等自由基[19]。
（1）
（2）
（3）
电子在电场的作用下不断积累能量，与水分子发生式（1）描述的碰撞反应，解离产生OH自由基。根据能量的不同，针尖附近的OH自由基以基态OH(X2P)和激发态OH(A2S+)的形式存在；部分基态OH(X2P)还有可能与高能电子再次碰撞，发生反应（2），达到激发态OH(A2S+)。激发态的OH(A2S+)短暂存在后，经反应（3）描述的过程释放出光子，以发光的形式猝灭回到基态，由此产生了308.642nm附近的自由基发射谱带。
420～510nm波段为SF6分子光谱[20]。在电场作用下，分子内的电子总是处于一定的运动状态，同时分子中还存在着各原子核的相对振动以及整个分子的转动。由于电晕放电时的输入能量较低，SF6可吸附电子并将其动能吸收，引起SF6分子内部价电子的能级跃迁。电子能级跃迁时总是伴随有分子振动态、转动态的改变。这样，SF6分子在电晕放电中就呈现出420～510nm的带状光谱。
除200～650nm波段外，在650～1 037nm波段也检测到了微弱的光谱信息。如图5所示，电压为32kV时650～1 037nm波段的发射光谱主要由强度较低的线状谱组成。这主要与SF6分子在高能电子的撞击下逐级分解出的氟原子有关，即[21]
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
图5 SF6气氛中650～1050nm波段内的电晕放电发射光谱
Fig.5 Emission spectrum of corona discharge in the 650～1050nm band in SF6 atmosphere
分解产生的F原子在气隙中受其外界能量的激发，外层电子会跃迁到不同的高能态，经短暂停留后再次回到低能态，释放光子，由此产生了并观察到的一系列FⅠ谱线[22]（以罗马数字Ⅰ标识中性原子发射的谱线）。这表明电晕放电时，针电极附近的辉光区中存在F原子。
此外，从反应式（4）～式（8）可以看到在生成F原子的同时伴随有低氟硫化物
（x=1,2,3,4,5）产生。文献[23]中报道在298～600nm存在分子谱带[23]，因此推测图4所示的发射光谱中也叠加特征谱带。
持续电晕放电导致的绝缘劣化或者过电压会使针板间隙形成持续发展的电子崩并迅速转为流注放电，流注横越电极间隙，形成高度电离的丝状放电通道，即出现火花放电现象。由于放电通道的不连续性和等离子体分布的不均匀性，火花放电的状态是不稳定的[24]。图6展示了4个不同时刻的火花放电光谱，它们尽管轮廓相似，谱峰一致，但强度却具有较大差异。此处对100个火花放电光谱样本的平均结果（相同波长处的光谱强度相加后除以样本数）进行论述。图7和图8展示了火花放电的平均谱图，前者为200～650nm波段，后者为650～1 037nm波段。
图6 4个不同的火花放电光谱样本
Fig.6 Four spectrum samples of different spark discharge
如图7和图8所示，与电晕放电相比，火花放电时200～1 037nm全波段范围内都有较强的光谱响应。
在200～650nm范围内，火花放电新增了很多由氟离子、硫离子形成的线状谱，即，FⅡ谱线和SⅡ谱线（以罗马数字Ⅱ标识一次电离的离子发射的谱线），且线状谱的强度更加显著。这意味着火花放电形成了高度电离的通道，通道中除了反应式（4）～式（8），主要还包含如下反应：
（1）在反应式（8）的基础上，电子与低氟化物SF碰撞，进一步分解产生S原子，即[21]
图7 SF6气氛中火花放电的发射光谱（200～650nm）
Fig.7 Emission spectrum of spark discharge in SF6 atmosphere(200～650nm)
图8 SF6气氛中火花放电的发射光谱（650～1037nm）
Fig.8 Emission spectrum of spark discharge in SF6 atmosphere （650～1037nm）
（9）
（2）生成的氟原子和硫原子被高能电子进一步撞击，获得足够的能量而发生电离，形成氟离子和硫离子，即[21]
（10）
（11）
在650～1037nm波段，火花放电时的F原子谱线不仅强度更高，而且种类更多。这表明反应式（4）～式（8）更加激烈，生成了更多的中性F原子。此外，文献[25]报道了铝元素在308.215nm和309.288nm处的发射谱线，而实验中所用针电极材料为金属铝，由此推测发射光谱中包含Al原子的发射光谱，只是被OH自由基所产生的带状光谱所掩盖。
绝缘材料表面附着的金属丝处于悬浮电位，在电场作用下其两端积累了大量感应电荷，该感应电荷将加强端部的电场强度，当其端部附近的电场强度超过SF6气体的绝缘强度时就会形成悬浮放电，甚至形成贯通绝缘材料两端导体的放电通道导致沿面放电。沿面放电的发射光谱也具有不稳定的特性，本节仍对其平均光谱进行讨论。
当悬浮电位引发沿面放电时，650～1037nm波段内的光谱分布与火花放电的基本一致，不再详细讨论。对于200～650nm波段，SF6气氛中沿面放电的发射光谱如图9所示，沿面放电的发射光谱与火花放电的具有局部差异，沿面放电在324.953 nm、327.663 nm和589.039nm处有强度明显的谱峰，而火花放电下的发射光谱中并没有。查文献可知，324.953 nm和327.663 nm处的谱峰是铜元素的灵敏线[23, 26]，且589.039nm为铜离子[26]谱峰，因此推测这三个谱峰由绝缘材料表面的细铜丝中的铜原子和铜离子辐射产生。此外，尽管固体绝缘材料参与了沿面放电，但实验中没有直接观测到相关的发射光谱信息。这可能是本文实验中活化的绝缘材料成分较少，其发射光谱被强烈连续光谱所掩盖。
图9 SF6气氛中沿面放电的发射光谱（200～650nm）
Fig.9 Emission spectrum of spark discharge in SF6 atmosphere (200～650nm)
为了实现放电缺陷的自动识别，在上述发射光谱形貌及其特征谱线形成机理分析的基础上，提出了刻画不同放电缺陷发射光谱特征的物理量，并依据这两个物理量设计了识别三种放电类型的算法。
由于火花、沿面放电样本的光谱强度存在较大分散性，因此将测得的300个光谱样本的光谱强度按式（12）各自归一化，以此来消除相同放电缺陷下样本的分散性。
（12）
式中，lk为第k个采样波长；l为采样波长总点数；Inor(lk)为归一化后波长lk处的光谱强度；Iori(lk)为归一化前波长lk处的光谱强度；Imin和Imax分别为归一化前该样本中光谱强度的最小值和最大值。每个光谱样本分别经式（12）线性变换后，其最高光谱强度变为1，最低光谱强度变为0。
图10为电晕放电、火花放电和沿面放电下350.828nm和494.698nm处的归一化后的光谱强度对比，图中不同放电缺陷下两波长处的光谱响应以圆点（·）标记。在电晕放电时，SF6放电主要为SF6分子内部价电子的能级跃迁，因此494.698nm的SF6分子谱线强度高于350.828nm的FⅡ谱线强度。火花放电和沿面放电则呈现相反的规律，这是因为放电能量增大后350.828nm的FⅡ谱线响应较494.698nm的SF6分子谱线响应更强。
由此，本文定义这两个波长处光谱强度的比值为Iratio，即
（13）
当Iratio＞1则为电晕放电，Iratio＜1则为火花放电或沿面放电。
图10 三种放电缺陷下350.828nm与494.698nm处归一化光谱强度对比
Fig.10 Comparison of normalized spectral intensity at 350.828nm and 494.698nm under three discharge defects
火花放电和沿面放电的光谱轮廓整体十分相似，可依靠其局部差异来区分：沿面放电存在324.953nm的Cu原子线状光谱峰，而火花放电则不存在。线状光谱的特点是波带很窄，光谱强度较高，用一阶微分可以较好地刻画这一差异，即沿面放电下324.953nm谱线附近一阶微分的绝对值大于火花放电下的。
为防止突变的光谱噪声引起极端微分值，微分求解前对光谱进行了滤波（Savitzky～Golay滤波方法，窗口宽度为31，阶数为2）。
324.953nm谱线附近的一阶离散微分采用前向差分方法，则采样波长lk处的一阶微分绝对值为
（14）
计算结果表明，323.371nm处（位于Cu I 324.953nm谱峰的上升沿）的归一化微分绝对值|
(323.371nm)|在两种放电下具有较明显的差异。图11为火花放电和沿面放电光谱的归一化微分|(323.371nm)|对比。由图11可知，沿面放电下，|(323.371nm)|的值在0.01～0.12之间，而火花放电下该值的范围约为0～0.03。因此可以在0.01与0.03之间设定一个阈值m，如果判别量|(323.371nm)|＞m，该放电为沿面放电，反之为火花放电。
图11 火花放电与沿面放电光谱归一化后的一阶微分绝对值（注：1atm=101325Pa）
Fig.11 The normalized first～order differential absolute value of spark discharge and creeping discharge spectra
综上所述，Iratio与|(323.371nm)|这两个特征物理量可以用来自动识别电晕放电、火花放电和沿面放电，识别流程如图12所示。
对实验测得的300个光谱样本（每种放电缺陷各100个样本）进行识别。判别量|(323.371nm)|的阈值m的取值范围为0.01～0.03。辨识结果见表1，m取0.02时识别正确率最高，可以达到94.33%。这表明，本算法可以较为准确地识别三种常见的放电缺陷。
图12 放电缺陷类型识别算法框图
Fig.12 Flow chart of discharge defect type recognition algorithm
表1 阈值m取不同值时放电识别的正确率
Tab.1 The correct rate of discharge recognition when the threshold m takes different values
阈值m正确率(%)阈值m正确率(%) 0.01081.000.02194.00 0.01184.330.02293.00 0.01286.670.02392.33 0.01389.330.02491.33 0.01490.670.02589.33 0.01592.330.02689.00 0.01693.330.02788.33 0.01793.000.02887.67 0.01894.000.02987.33 0.01993.670.03087.33 0.02094.33
本文通过实验模拟了SF6气氛中电晕放电、火花放电以及悬浮电位引发的沿面闪络现象，并以发射光谱法作为检测手段，探究了不同放电类型的发射光谱特点，得出结论如下：
1）电晕放电的发射光谱特征谱段为260～347nm波段和420～510nm的波段，前者由少量的水蒸气分解产生的OH自由基辐射产生，后者为SF6本身的分子光谱；在650～1 037nm波段内包含微弱的F原子光谱信息。
2）火花放电的发射光谱在200～1 037nm全波段内均有较强的响应，其混合光谱由硫原子S、氟原子F、硫离子S+、氟离子F+线状光谱，OH自由基、SF6和分子的带状光谱等组成。
3）沿面放电的发射光谱与火花放电光谱的轮廓相似，但由于沿面故障模拟模型中引入了铜元素，因此在324.953nm、327.663nm和589.039nm处出现了强度显著的Cu I和Cu II线状谱。
4）根据三种放电的光谱特征定义了两个特征物理量Iratio和|(323.371nm)|，并依据这两个特征量设计了算法，结果表明该放电识别算法的正确率为94.33%。
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Spectroscopy Analysis of Emission Spectrum Characteristics and Discharge Recognition of SF6 Gas Discharge
Abstract This paper simulated three common discharge defects of sulfur hexafluoride (SF6) gas insulated electrical equipment (corona discharge, spark discharge, and creeping discharge), and a spectrometer was used to detect the emission spectrum in the range of 200～1 037nm. The results show that, the emission spectrum of the corona discharge is mainly composed of band spectrum （OH radical band, SF6 and SFx molecular band） and weak line spectrum of fluoride atom; On the basis of corona discharge, the emission spectrum of the spark discharge has newly added linear spectra of sulfur atom, sulfur ion and fluoride ion; the outline of the emission spectrum under the creeping discharge is similar to the spark discharge. However, due to the introduction of copper in the creeping discharge, the linear spectra of copper atom appear in the emission spectrum. Finally, according to the difference in the spectral characteristics of the corona discharge, spark discharge and creeping discharge, this paper defines two characteristic physical quantities: Iratio and|I′nor(323.371nm)|, and designs the corresponding discharge recognition algorithm. The accuracy of the algorithm is 94.33%, which can effectively identify SF6 discharge defects in the experiment.
keywords：Sulfur hexafluoride(SF6), optical emission spectroscopy, characteristic spectrum, partial discharge, discharge recognition
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210307
中图分类号：TM855
李彦飞 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断。E-mail：liyf@mail.iee.ac.cn
韩 冬 女，1975年生，副研究员，硕士生导师，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断。E-mail：donghan@mail.iee.ac.cn（通信作者）
国家自然科学基金（51877203）和中国科学院科研仪器设备研制项目（YJKYYQ20200012）资助。
收稿日期 2021-03-05
改稿日期 2021-07-13
（编辑 郭丽军）