基于LIBS技术的真空开关设备真空度带电检测机理研究

More than 85% of the switchgears used in medium-voltage power system are vacuum switches, but accidents occur frequently due to the vacuum deterioration, indicating that the online detection of the vacuum degree is of significance for enhancing the safety level of the power system. Many research works have been done in domestic and abroad in this field, but so far the online detection technologies commonly have drawbacks of low accuracy and low reliability, and consequently they can't meet the application requirements. So, we propose in this project a novel technology for online detection of the vacuum degree for vacuum interrupters, namely laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Preliminary study has found that the LIBS signal varies monotonically with the vacuum degree from 0.001 Pa to 1 Pa, implying that this technology has great potential for such application. We want to deepen our research in this project, mainly 1) Obtaining the change rules of LIBS signal against vacuum degree, and elucidating the underlying mechanism; 2) Extracting the key characteristic signals of vacuum degree and establishing a fast assessment arithmetic; 3) Acquiring the key impact factors of LIBS signal and analyzing the confidence coefficient, and finally designing a vacuum degree online detection scheme of vacuum interrupter based on LIBS technique. The project applicant has a rich experience in power equipment online detection, and this program is expected to solve the problem of high precision online detection of vacuum degree.

真空开关在中压开关领域占有率已经超过85%，因真空度劣化造成的安全事故时有发生，对真空度进行带电检测对于提升电网安全水平具有重要意义。尽管国内外学者做了大量研究工作，但现有的带电检测技术普遍存在精度低、可靠性差的问题，不能满足应用要求。为此，本项目采用激光诱导击穿光谱技术（LIBS）用于真空灭弧室的真空度带电检测，前期研究发现了LIBS信号在0.001Pa至1Pa范围内随真空度单调变化关系，揭示了该技术具有良好的应用潜力。本项目拟从3方面深化此项研究，包括：1）获取真空灭弧室LIBS信号随真空度的变化规律，揭示其内在机理；2）提取反映真空度状态的关键特征信号，建立一套快速评估算法；3）获取影响LIBS信号的关键因素，并进行置信度分析，最终形成一套基于LIBS技术的便携式真空开关设备真空度带电检测方案。项目申请人在电力设备带电检测方面具有丰富的经验，有望解决真空开关设备真空度的带电检测难题。

真空开关在中等电压等级占有率超过了85%，年产量超过300万只，其内部气压（真空度）是能否可靠开断电路的决定性因素。国内外真空开关真空度检测以离线方法为主，虽然经历了50多年的研究，但是仍未有实用的在线检测手段，严重制约了真空开关的发展和应用，真空开关真空度检测技术被公认为电力装备行业的难点和痛点问题，国际权威组织国际大电网会议CIGRE评价其为“限制真空开关发展的瓶颈问题”、“用户亟待解决的关键技术问题”等。随着 “碳达峰”目标的推进，电力系统的绿色低碳化升级势在必行，无温室气体排放的真空开关将会迎来更大的市场需求，真空开关的经济效益、环境效益和社会价值将会更加显著。目前，126kV的高压真空断路器已经具备实际挂网条件，但由于缺乏有效的真空度检测手段，无法对其绝缘水平进行评估，大大限制了126kV真空断路器的大规模挂网。. 本项目模拟真空开关的运行条件，设计了一套低压激光诱导等离子体成像和光谱诊断系统。根据激光等离子体成像系统研究了等离子体图像在10^(-2)Pa至10^5Pa宽气压范围下随真空度的时间演化特性，获取了等离子体演化过程中能够表征真空度的特征参数，提出了一种采用激光等离子体成像技术的三段式真空度在线测量方法，检测能力能够达到10^(-2)Pa以上。为了研究影响等离子成像的关键因素，对激光能量和激光聚焦程度对激光等离子体的影响进行了研究，提出了提高等离子体图像稳定性和光谱发射强度的方法。. 本项目利用激光诱导等离子体光谱诊断系统在10^(-2)Pa~10^5Pa气压下研究了等离子体内部的粒子辐射情况，重点包括靶材料铜和环境空气中H、O和N等元素，研究结果表明在10^(-2)Pa至10^5Pa气压范围内，铜原子辐射谱线强度基本不随气压变化，当气压高于10Pa时其谱线强度急剧上升，并且在3×10^4Pa处达到峰值。而空气中的H和O元素的谱线强度在10^(-2)Pa至10^5Pa之间随着气压的上升而增加，与真空度之间具有线性关系，能够作为表征真空度的特征参数。采用主成分分析和神经网络算法，具体针对十个气压点，对此方法的准确性进行了研究，此方法的准确性能够达到95%以上。