六氟化硫气体中局部放电的多光谱检测与诊断技术研究

Each process of partial discharge (PD) in SF6 gas from initial ionization to charge dissipation is accompanied with photon emissions, which implies abundant characteristic information upon the spectral features. By using these features, both the type and the severity of PD can be evaluated precisely. Based on this principle, this research proposes a new approach that combines the low light detection and multispectral analysis in PD diagnosis with the significant advantages of optical methods in terms of confidence, characterization and interference immunity. For this purpose, this research proposal intends to start with the basic properties of photon emissions produced by various types of PDs for revealing the mechanisms underlying the spectral features and their evolutions and verifying the sensitive spectral regions characterizing the PD type and PD severity; then, the PD light multispectral sensor will be developed based on silicon opt-semiconductor. In this regard, the light coupling, compensation and feature extraction methods will be fully investigated to realize the multispectral optical detection. With the acquired knowledge on the basic properties of the light emission and the proposed multispectral sensor technology, the specific characteristic subspaces and judgement boundaries will be established for multispectral diagnosis of PD. This research aims at developing a fine multispectral PD diagnosis strategy, by which the types of defect can be recognized accurately and PD severity can be evaluated credibly, to ensure the operation safety of gas-insulated equipment. This investigation will present profound significations in academic value as well as in engineering practices.

SF6气体中局部放电的各微观发展过程都伴随着光辐射，不同光谱波段的光辐射包含丰富的特征信息，利用此特征可对放电类型和放电程度进行准确判断。基于该原理，本研究提出一种基于弱光探测和多光谱分析的局部放电检测新方法，并充分发挥光学手段在置信度、表征能力和抗干扰性上的优势，实现局部放电精细化诊断。该本项目首先对SF6中多种类型局部放电的光辐射特性进行试验研究，明确其辐射特征和光谱演化机制，获得表征放电类型和程度的敏感光谱区间；其次，开展基于硅光电半导体的局部放电多光谱微型传感器技术研究，提出弱光耦合、补偿及特征提取方法，实现局部放电多光谱光学检测；最后，基于局部放电光辐射特性和多光谱传感技术，建立特征子空间和评判边界，实现局部放电的多光谱诊断。本项目研究旨在建立能够有效判断SF6绝缘系统中缺陷类型和放电程度的多光谱精细化诊断方法，为设备安全运行提供有效的技术手段，具有较强的学术价值及工程意义。

研究表明，气体放电光辐射存在于放电发展全过程，因此将光谱探测应用于放电检测和诊断具有独特的技术优势：光子辐射和传播过程不受电磁或声波干扰，测量结果具有较高的置信度；不同类型放电的光谱信息具有本征性，通过解读光谱信息可实现精细化的放电识别；近年来固态单光子器件的发展也为实用化多光谱检测和诊断提供了可能。为此，本项目提出将弱光探测技术和光谱分析方法应用于实际设备的局部放电检测中。.研究重点探索了以下关键问题：不同放电故障态的特征光谱的确定；实用化放电弱光探测技术的实现；放电多光谱诊断理论和方法的建立；光学探测法在工程上的实践。研究主要取得以下重要成果：.1、依据SF6气体绝缘局部放电的光辐射产生机制，提出局部放电多光谱检测方法。.研究建立了放电统计光谱与相基统计图谱的相关性，获得了放电共性光谱产生机制；研究提出了有限波段数量下光谱波段主成分优化选择方法，明确了多光谱波段范围。.2、建立了基于局部放电多光谱检测的实用化统计数据聚类分析方法和局部放电危险性评估方法。.研究提出了基于多光谱数据的空间聚类方法，克服了传统局部放电模式识别方法对相基统计信息的依赖；研究提出了基于无量纲多光谱约化比率的相似路径分析方法，实现了放电危险性评估。.3、提出了微型高敏感局部放电多光谱传感技术，建立了多光谱局部放电信号处理和数据分析方法。.研制出量子效率高、抗干扰性好、寿命长的多光谱传感器；基于放电脉冲光束特性和实际场景，提出了“光子计数模式”和“强度均值模式”两种多光谱信号处理方法。.上述成果发表在ISA T、IEEE SENS J、IEEE T POWER DELIVER、INT J ELEC POWER、SENSOR ACTUAT A-PHYS、HIGH VOLT、中国电机工程学报、电工技术学报和高电压技术等国内外知名期刊。此外，为了实现该技术的工程应用，研究将多光谱传感器和特高频内置式天线进行融合设计，解决了工程应用问题，实现了“多光谱-特高频”协同诊断。