太赫茲波回波損耗在線(xiàn)檢測(cè)斷路器真空度

羅洪宏　張學(xué)敏　程義彬　張慧媛

摘要：針對(duì)在線(xiàn)檢測(cè)斷路器滅弧室真空度這一問(wèn)題，依據(jù)太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)原理，采用太赫茲波回波損耗在線(xiàn)檢測(cè)斷路器真空度。首先分析了連續(xù)波太赫茲回波損耗應(yīng)用于真空度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)，而后利用FDTD仿真斷路器滅弧室不同壓強(qiáng)下的回波損耗，最后用四個(gè)不同真空度的真空泡進(jìn)行太赫茲?rùn)z測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比表明隨著真空度下降，太赫茲波譜的回波損耗逐漸增加，即利用連續(xù)波太赫茲成像技術(shù)所得到的回波損耗波譜能夠分辨真空度的變化情況，證明了本文所提出的真空度在線(xiàn)檢測(cè)方法具備可行性。

關(guān)鍵詞：斷路器;真空度;太赫茲;連續(xù)波;回波損耗

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.007

中圖分類(lèi)號(hào)： TM933

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2022）04-0046-07

Online Detection of Vacuum Level of Circuit Breaker

Based on Terahertz Wave Return Loss

LUO Hong-hong ZHANG Xue-min CHENG Yi-bin ZHANG Hui-yuan

（1.Yuxi Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co.， Ltd.?Yuxi 653100， China;

2.School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract：For the online detection of vacuum degree in circuit breaker interrupter chamber， based on the principle of terahertz detection technology， the method of online detection of vacuum degree in circuit breaker using terahertz wave return loss is adopted， and the theoretical basis of continuous wave terahertz return loss applied to online vacuum degree monitoring is analyzed.?FDTD is used to simulate the return loss of circuit breaker interrupter at different pressures， and four vacuum bubbles with different vacuum degrees are used for terahertz detection experiments.?The comparison between the experimental data and the simulation data shows that as the vacuum level decreases， the return loss of the terahertz spectrum gradually increases， i.e.， the return loss spectrum obtained by using continuous wave terahertz imaging technology can distinguish the change of vacuum level， which proves the feasibility of the vacuum level online detection method proposed in this paper.

Keywords：circuit breaker; vacuum; terahertz; continuous wave; return loss

0引言

真空斷路器在線(xiàn)檢測(cè)對(duì)于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定十分重要，目前采用的檢測(cè)方式主要集中于離線(xiàn)檢測(cè)，其檢測(cè)過(guò)程對(duì)斷路器自身會(huì)造成不可逆的創(chuàng)傷，為此亟需研究新的檢測(cè)技術(shù)。

真空度作為真空斷路器的重要參數(shù)，可進(jìn)一步反應(yīng)斷路器內(nèi)部的壓強(qiáng)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷路器在線(xiàn)檢測(cè)。同時(shí)，由于太赫茲波段的特殊性，THz對(duì)于氣體的輻射即真空度可以進(jìn)行靈敏探測(cè)。

太赫茲波（Terahertz）起初于1974年由Fleming在描述光譜線(xiàn)頻率范圍是首次提出[1]，在太赫茲這一名字由來(lái)之前，通常將頻率位于0.1～10THz（波長(zhǎng)0.03～3mm）范圍的電磁波頻段統(tǒng)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外射線(xiàn)，其位置在微波與紅外之間。具體位置可參考圖1所示[2]。在上世紀(jì)80年代以前，受于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，人們對(duì)于太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)尚未找到合適方法，無(wú)法研究該波段的電磁輻射性質(zhì)，從而在之后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，太赫茲波段很少受人關(guān)注，因此便成為了最后一個(gè)未被開(kāi)發(fā)的電磁波段[3]。

近十幾年來(lái)，太赫茲輻射源和探測(cè)器的研究取得了很多的進(jìn)展，極大地推動(dòng)了太赫茲輻射的理論研究和應(yīng)用研究。太赫茲波由于具有傳輸氣體的特性，常用于探測(cè)濃度不高的極化氣體，還可以監(jiān)視空間中的空氣壓強(qiáng)[4-10]。

為此，本文擬將太赫茲技術(shù)引入斷路器真空度檢測(cè)中，利用其回波損耗的相關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

1滅弧室真空度太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)

1.1太赫茲與真空度

法國(guó)濱海大學(xué)的 Francis Hindle等[11]觀(guān)察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)入射光衰減強(qiáng)度與大氣壓強(qiáng)呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)的關(guān)系，如圖2所示。即意味著當(dāng)大氣壓強(qiáng)越高時(shí)，入射光被空氣中的分子吸收能量，檢測(cè)到的能量強(qiáng)度也就越低。

清華大學(xué)王迎新等計(jì)算得到的10^-4～10³mbar 壓強(qiáng)下，吸收譜如圖3所示[12]。

分別在0.55THz、0.75THz、1.1THz、1.2THz、1.4THz處出現(xiàn)峰值。對(duì)比吸收峰的不同吸收強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力處于10³mbar時(shí)，吸收的強(qiáng)度最大，在壓力為10³～1.6mbar時(shí)，吸收的強(qiáng)度減小。但在低于0.12mbar后，曲線(xiàn)分布較為密集。眾所周知，空氣是一種混合氣體，其中包含大量雜質(zhì)。空氣按其體積分?jǐn)?shù)構(gòu)成具體為：氮?dú)猓∟₂）約為78%，氧氣（O₂）約為21%，惰性氣體約占0.94%，二氧化碳（CO₂）約占0.03%，其他微量氣體和雜質(zhì)約占0.03%，例如：臭氧（O₃），氧化氮（NO）等。對(duì)于潮濕空氣，根據(jù)空氣的濕度不同，空氣中按體積可含有0～4%的水蒸氣。

在空氣的主要成分中，水蒸氣這類(lèi)的極性分子對(duì)太赫茲波有很強(qiáng)的吸附能力。對(duì)比Martin vanExter等人使用太赫茲光譜儀測(cè)量的水蒸氣的吸收光譜如圖4 [13]所示。

那么當(dāng)我們使用THz-TDS技術(shù)對(duì)真空度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，實(shí)際上是以檢測(cè)到該壓強(qiáng)下的水蒸氣濃度為基準(zhǔn)。

1.2連續(xù)太赫茲波回波損耗成像

連續(xù)波太赫茲成像技術(shù)發(fā)展較早，早在20 世紀(jì)70年代，連續(xù)太赫茲波成像裝置發(fā)射源作為一種氣體激光器，太赫茲光譜探測(cè)器則是輻射熱探測(cè)計(jì)[14-21]。連續(xù)太赫茲成像的原理是持續(xù)的光源比脈沖光源能產(chǎn)生更高的輻射強(qiáng)度和功率，實(shí)質(zhì)上是一種強(qiáng)度成像。

連續(xù)太赫茲波的產(chǎn)生可利用半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)小，重量輕，價(jià)格相對(duì)低廉且發(fā)射頻段可調(diào)，在對(duì)物體成像的時(shí)候，按照電磁波對(duì)物體的內(nèi)部缺陷或損壞邊緣的散射效應(yīng)，物體中太赫茲波電磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布會(huì)有所不同，而且反射到物體上的太赫茲波所生成的回波損耗圖像可顯示出強(qiáng)度上的差異，我們據(jù)此便可以得出物體內(nèi)部的形狀，缺陷或損壞位置。

2仿真分析

2.1太赫茲反射仿真

下面從仿真層面驗(yàn)證太赫茲應(yīng)用于真空滅弧室真空度檢測(cè)的可行性，仿真采用FDTD Solutions軟件，計(jì)算原理為利用時(shí)域有限差分法，在計(jì)算時(shí)將空間網(wǎng)格化，用差分法將場(chǎng)的偏微分方程及邊界條件離散化，最后由時(shí)域信號(hào)得到寬頻帶的穩(wěn)態(tài)結(jié)果。在FDTD Solutions軟件上搭建的模型如圖5所示，太赫茲脈沖依次經(jīng)外部空氣、真空滅弧室陶瓷外殼、滅弧室內(nèi)部真空、金屬屏蔽罩入射真空滅弧室，太赫茲波最后經(jīng)金屬屏蔽罩反射后返回。

設(shè)定陶瓷外殼厚度1cm，真空0.5cm，太赫茲脈沖波頻率0.5THz，波長(zhǎng)599.585um，波從y軸正方向入射，電場(chǎng)強(qiáng)度為x方向，波源距離陶瓷外殼0.3cm。在邊界條件的選取上，y方向即波的入射方向采用PML邊界條件，x方向采用周期邊界條件，光源的初始電場(chǎng)強(qiáng)度為1。

設(shè)定最外層的陶瓷材料為三氧化二鋁，陶瓷外殼的最大厚度為2cm，從陶瓷外殼內(nèi)界面到金屬屏蔽罩的距離1cm，在光源入射處設(shè)置監(jiān)視器，設(shè)置仿真時(shí)間足夠長(zhǎng)，在監(jiān)視器中獲得的脈沖波形如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，仿真的時(shí)間加長(zhǎng)，光源處的監(jiān)視器記錄到的第4個(gè)脈沖為太赫茲依次經(jīng)外部空氣、真空滅弧室陶瓷外殼、滅弧室內(nèi)部真空后，經(jīng)金屬屏蔽罩反射后返回的脈沖波形，之后的幾個(gè)幅值較小的脈沖均為波在滅弧室內(nèi)部多次折反射的結(jié)果。

2.2太赫茲回波損耗仿真

下面對(duì)真空滅弧室內(nèi)真空度的變化時(shí)，太赫茲回波損耗的變化規(guī)律進(jìn)行仿真分析。根據(jù)大氣折射率n與壓強(qiáng)P的關(guān)系，在FDTD Solutions中用真空介質(zhì)中折射率的變化來(lái)模擬真空滅弧室中不同的真空度變化，脈沖頻率設(shè)置在0.5THz，當(dāng)滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)從高真空逐漸增加至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，仿真得到的太赫茲回波信號(hào)的損耗如圖7所示。

圖7分別表示滅弧室內(nèi)折射率為1（壓強(qiáng)0kPa）、1.0001（壓強(qiáng)34.5973kPa）、1.00015（壓強(qiáng)51.8924kPa）、1.00029（壓強(qiáng)100.306kPa）時(shí)太赫茲信號(hào)的回波損耗，將區(qū)間細(xì)分，并將折射率換算到大氣壓強(qiáng)下，最終得到不同壓強(qiáng)下太赫茲信號(hào)的回波損耗如表1所示。

從表1可得，隨著大氣壓強(qiáng)的增加即真空度的不斷下降，從完全真空到1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，太赫茲信號(hào)的回波損耗逐漸增加，由此可見(jiàn)，利用THz技術(shù)在滅弧室真空度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)理論上是可行的，利用太赫茲信號(hào)的回波損耗這一特征參量可檢測(cè)滅弧室中真空度的變化。

考慮到滅弧室內(nèi)部壓強(qiáng)通常處于1.33×10^-5～1.33×10^-2Pa的高真空范圍之內(nèi)。國(guó)家的電力設(shè)備訂貨標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，滅弧室的存儲(chǔ)使用年限為20年，每年滅弧室的平均漏氣率不得大于0.5%。達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)的真空滅弧室其內(nèi)部壓強(qiáng)要處于10^-5Pa的范圍。一般情況下滅弧室真空度最低為6.6×10^-2Pa，實(shí)際上，當(dāng)真空度低于1.33×10^-1Pa時(shí)需要對(duì)滅弧室進(jìn)行調(diào)換或者維修。這是因?yàn)椋瑪嗦菲魇褂媚晗拊黾樱瑑?nèi)部元件會(huì)發(fā)生損耗，使得滅弧室內(nèi)部氣體分子逐漸增加，真空度就會(huì)下降。

根據(jù)以上電力系統(tǒng)市場(chǎng)中的實(shí)際情況，模擬真空度按照程度從低到高依次選取1.3×10^-1Pa、6.6×10^-2Pa、1.3×10^-2Pa、6.6×10^-3Pa、1.3×10^-3Pa、6.6×10^-4Pa、1.3×10^-4Pa 7個(gè)壓強(qiáng)。利用FDTD仿真系統(tǒng)得到各個(gè)真空度下太赫茲信號(hào)回波損耗的仿真圖如圖8所示。

可以看出，隨著真空度的提升，壓強(qiáng)下降，介電系數(shù)降低，太赫茲信號(hào)的回波損耗會(huì)有所降低，但是能夠看到回波損耗差距不是十分明顯，尤其是真空度提升10-1Pa時(shí)，損耗之間的差距更是減少到只有零點(diǎn)零零幾。這是因?yàn)榉抡娴恼婵粘潭群芨撸图?jí)的真空度能量損耗已經(jīng)在較小的范圍，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存條件的限制，仿真模型尺寸已經(jīng)按比例縮小，損耗也會(huì)相應(yīng)地縮小。如果可以將發(fā)射功率調(diào)整到一定程度的話(huà)，是能夠看出每個(gè)真空度之間的能量損耗變化的。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)探測(cè)真空斷路器的真空度中，由于真空滅弧室內(nèi)觸頭周?chē)薪饘倨帘握郑覝缁∈覂?nèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜分層較多，采用透射式結(jié)構(gòu)探測(cè)得到的波形使得后續(xù)數(shù)據(jù)的分析難度加大，因此常常使用反射式結(jié)構(gòu)來(lái)根據(jù)反射回的太赫茲信號(hào)來(lái)檢測(cè)真空度的變化。試驗(yàn)選擇4個(gè)真空度分別為0.5×10^-2Pa、1×10^-2Pa、0.5×10^-1Pa和1×10^-1Pa的真空泡作為對(duì)比，單個(gè)真空泡實(shí)物如圖9所示。

進(jìn)一步搭建的反射式連續(xù)波太赫茲探測(cè)系統(tǒng)，如圖10所示。

其中太赫茲信號(hào)發(fā)射源收發(fā)一體，發(fā)出的為頻率可調(diào)的連續(xù)太赫茲波，同時(shí)可實(shí)時(shí)接收從真空滅弧室金屬屏蔽罩內(nèi)反射回的太赫茲信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀中進(jìn)一步分析。真空泵和真空計(jì)用來(lái)改變真空滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)來(lái)模擬斷路器中真空度的下降。

圖11為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中接收到的連續(xù)太赫茲波的回波損耗信號(hào)，其中，圖11（a）～（d）分別為滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)為1×10^-1Pa、0.5×10^-1Pa、1×10^-2Pa和0.5×10^-2Pa時(shí)的回波損耗信號(hào)。

由圖11可見(jiàn)，隨著滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)從1×10^-1Pa下降到1×10^-2Pa時(shí)，真空度逐漸增加，滅弧室內(nèi)部氣體分子越來(lái)越稀疏，雜質(zhì)越來(lái)越少，使得波在傳輸過(guò)程中損耗逐漸減小，損耗值從171.05mW下降到163.55mW。波形中波峰為反射回來(lái)后測(cè)量到的損耗值，前半部分與后半部分是重復(fù)的，且含有多個(gè)波峰，這是因?yàn)樗捎锰掌澬盘?hào)發(fā)射器在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)射出的波是連續(xù)的，前后兩部分為同一個(gè)周期內(nèi)的波形。4個(gè)真空泡在不同壓強(qiáng)下，通過(guò)的太赫茲波會(huì)有時(shí)間延遲和振幅衰減，由于不同空氣壓強(qiáng)具有不同的色散特性，據(jù)此可以很好地區(qū)分出不同壓強(qiáng)的空氣。

將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12所示。

從回波損耗對(duì)比曲線(xiàn)圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓強(qiáng)的增加，真空度下降，仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)于太赫茲信號(hào)的回波損耗都會(huì)隨之增加。表明連續(xù)波太赫茲光譜技術(shù)可以作為測(cè)量真空度的一種新方法。由于限于實(shí)驗(yàn)室條件，真空泵無(wú)法使滅弧室達(dá)到高真空度，但是能夠看出，二者都趨于一個(gè)平緩增加的趨勢(shì)，而且當(dāng)真空度提升一個(gè)10-1Pa時(shí)，回波損耗率的差距會(huì)進(jìn)一步縮小。但是與實(shí)際實(shí)驗(yàn)回波損耗率相比，仿真損耗率數(shù)值比較小，分析原因可能是：

1）由于仿真環(huán)境一般是理想狀態(tài)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)有很多干擾因素，雖然邊界條件設(shè)為周期性邊界條件是為了模擬周?chē)h(huán)境，但是環(huán)境中會(huì)存在著噪聲以及溫度、濕度等的變化，還是會(huì)造成一定的誤差;

2）在進(jìn)行仿真時(shí)，限于計(jì)算機(jī)條件，將真空斷路器進(jìn)行了一定比例的縮小，信號(hào)傳輸路程減少，損耗率也會(huì)變小;

3）理想狀態(tài)下，太赫茲信號(hào)在接觸到金屬屏蔽罩后會(huì)全部反射回探測(cè)器中，但實(shí)際上，由于真空斷路器的表面是圓弧形的，會(huì)發(fā)生一定的散射，從而有一部分信號(hào)會(huì)從屏蔽罩兩邊繞過(guò)，這也是實(shí)際時(shí)域波形數(shù)據(jù)中，后續(xù)存在著一些雜亂無(wú)章的波形的原因。

值得說(shuō)明的是，本文實(shí)驗(yàn)是在穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，即室溫、干燥且無(wú)噪聲干擾的環(huán)境下，若在現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)試會(huì)有真空泡表面光滑程度、溫度、濕度等差異會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。如要應(yīng)用到實(shí)際市場(chǎng)中，需模擬現(xiàn)場(chǎng)條件繼續(xù)進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定各個(gè)真空度范圍下的THz光譜。

4結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用太赫茲回波損耗在線(xiàn)確定真空度的方法，比目前市場(chǎng)上的帶電檢測(cè)方法有著更好的精度，同時(shí)成本更低。從以上理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在不同壓強(qiáng)下，波通過(guò)氣室時(shí)存在回波損耗，且呈現(xiàn)出規(guī)律的特性，表明利用太赫茲技術(shù)可以有效準(zhǔn)確地在線(xiàn)檢測(cè)氣體濃度，對(duì)于斷路器滅弧室真空度的在線(xiàn)故障檢測(cè)有著很好的實(shí)用價(jià)值空間。

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（編輯：溫澤宇）