罗洪宏 张学敏 程义彬 张慧媛
摘要：针对在线检测断路器灭弧室真空度这一问题，依据太赫兹检测技术原理，采用太赫兹波回波损耗在线检测断路器真空度。首先分析了连续波太赫兹回波损耗应用于真空度在线监测的理论基础，而后利用FDTD仿真断路器灭弧室不同压强下的回波损耗，最后用四个不同真空度的真空泡进行太赫兹检测实验。实验数据与仿真数据对比表明随着真空度下降，太赫兹波谱的回波损耗逐渐增加，即利用连续波太赫兹成像技术所得到的回波损耗波谱能够分辨真空度的变化情况，证明了本文所提出的真空度在线检测方法具备可行性。
关键词：断路器;真空度;太赫兹;连续波;回波损耗
DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.007
中图分类号：
TM933
文献标志码：
A
文章编号：
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
真空斷路器在线检测对于电力系统安全稳定十分重要，目前采用的检测方式主要集中于离线检测，其检测过程对断路器自身会造成不可逆的创伤，为此亟需研究新的检测技术。
真空度作为真空断路器的重要参数，可进一步反应断路器内部的压强情况，进而实现断路器在线检测。同时，由于太赫兹波段的特殊性，THz对于气体的辐射即真空度可以进行灵敏探测。
太赫兹波（Terahertz）起初于1974年由Fleming在描述光谱线频率范围是首次提出[1]，在太赫兹这一名字由来之前，通常将频率位于0.1～10THz（波长0.03～3mm）范围的电磁波频段统称为远红外射线，其位置在微波与红外之间。具体位置可参考图1所示[2]。在上世纪80年代以前，受于当时的技术限制，人们对于太赫兹波的产生和探测尚未找到合适方法，无法研究该波段的电磁辐射性质，从而在之后相当长的一段时期内，太赫兹波段很少受人关注，因此便成为了最后一个未被开发的电磁波段[3]。
近十几年来，太赫兹辐射源和探测器的研究取得了很多的进展，极大地推动了太赫兹辐射的理论研究和应用研究。太赫兹波由于具有传输气体的特性，常用于探测浓度不高的极化气体，还可以监视空间中的空气压强[4-10]。
为此，本文拟将太赫兹技术引入断路器真空度检测中，利用其回波损耗的相关特性，实现断路器在线监测。
1灭弧室真空度太赫兹检测技术
1.1太赫兹与真空度
法国滨海大学的 Francis Hindle等[11]观察到的实验现象中发现入射光衰减强度与大气压强呈现线性相关的关系，如图2所示。即意味着当大气压强越高时，入射光被空气中的分子吸收能量，检测到的能量强度也就越低。
清华大学王迎新等计算得到的10-4～103mbar 压强下，吸收谱如图3所示[12]。
分别在0.55THz、0.75THz、1.1THz、1.2THz、1.4THz处出现峰值。对比吸收峰的不同吸收强度发现，当压力处于103mbar时，吸收的强度最大，在压力为103～1.6mbar时，吸收的强度减小。但在低于0.12mbar后，曲线分布较为密集。众所周知，空气是一种混合气体，其中包含大量杂质。空气按其体积分数构成具体为：氮气（N2）约为78%，氧气（O2）约为21%，惰性气体约占0.94%，二氧化碳（CO2）约占0.03%，其他微量气体和杂质约占0.03%，例如：臭氧（O3），氧化氮（NO）等。对于潮湿空气，根据空气的湿度不同，空气中按体积可含有0～4%的水蒸气。
在空气的主要成分中，水蒸气这类的极性分子对太赫兹波有很强的吸附能力。对比Martin vanExter等人使用太赫兹光谱仪测量的水蒸气的吸收光谱如图4 [13]所示。
那么当我们使用THz-TDS技术对真空度进行检测时，实际上是以检测到该压强下的水蒸气浓度为基准。
1.2连续太赫兹波回波损耗成像
连续波太赫兹成像技术发展较早，早在20 世纪70年代，连续太赫兹波成像装置发射源作为一种气体激光器，太赫兹光谱探测器则是辐射热探测计[14-21]。连续太赫兹成像的原理是持续的光源比脉冲光源能产生更高的辐射强度和功率，实质上是一种强度成像。
连续太赫兹波的产生可利用半导体激光器，半导体激光器结构小，重量轻，价格相对低廉且发射频段可调，在对物体成像的时候，按照电磁波对物体的内部缺陷或损坏边缘的散射效应，物体中太赫兹波电磁场的强度分布会有所不同，而且反射到物体上的太赫兹波所生成的回波损耗图像可显示出强度上的差异，我们据此便可以得出物体内部的形状，缺陷或损坏位置。
2仿真分析
2.1太赫兹反射仿真
下面从仿真层面验证太赫兹应用于真空灭弧室真空度检测的可行性，仿真采用FDTD Solutions软件，计算原理为利用时域有限差分法，在计算时将空间网格化，用差分法将场的偏微分方程及边界条件离散化，最后由时域信号得到宽频带的稳态结果。在FDTD Solutions软件上搭建的模型如图5所示，太赫兹脉冲依次经外部空气、真空灭弧室陶瓷外壳、灭弧室内部真空、金属屏蔽罩入射真空灭弧室，太赫兹波最后经金属屏蔽罩反射后返回。
设定陶瓷外壳厚度1cm，真空0.5cm，太赫兹脉冲波频率0.5THz，波长599.585um，波从y轴正方向入射，电场强度为x方向，波源距离陶瓷外壳0.3cm。在边界条件的选取上，y方向即波的入射方向采用PML边界条件，x方向采用周期边界条件，光源的初始电场强度为1。
设定最外层的陶瓷材料为三氧化二铝，陶瓷外壳的最大厚度为2cm，从陶瓷外壳内界面到金属屏蔽罩的距离1cm，在光源入射处设置监视器，设置仿真时间足够长，在监视器中获得的脉冲波形如图6所示。
由图6可见，仿真的时间加长，光源处的监视器记录到的第4个脉冲为太赫兹依次经外部空气、真空灭弧室陶瓷外壳、灭弧室内部真空后，经金属屏蔽罩反射后返回的脉冲波形，之后的几个幅值较小的脉冲均为波在灭弧室内部多次折反射的结果。
2.2太赫兹回波损耗仿真
下面对真空灭弧室内真空度的变化时，太赫兹回波损耗的变化规律进行仿真分析。根据大气折射率n与压强P的关系，在FDTD Solutions中用真空介质中折射率的变化来模拟真空灭弧室中不同的真空度变化，脉冲频率设置在0.5THz，当灭弧室内气体压强从高真空逐渐增加至一个标准大气压时，仿真得到的太赫兹回波信号的损耗如图7所示。
图7分别表示灭弧室内折射率为1（压强0kPa）、1.0001（压强34.5973kPa）、1.00015（压强51.8924kPa）、1.00029（压强100.306kPa）时太赫兹信号的回波损耗，将区间细分，并将折射率换算到大气压强下，最终得到不同压强下太赫兹信号的回波损耗如表1所示。
从表1可得，随着大气压强的增加即真空度的不断下降，从完全真空到1标准大气压，太赫兹信号的回波损耗逐渐增加，由此可见，利用THz技术在灭弧室真空度的在线监测理论上是可行的，利用太赫兹信号的回波损耗这一特征参量可检测灭弧室中真空度的变化。
考虑到灭弧室内部压强通常处于1.33×10-5～1.33×10-2Pa的高真空范围之内。国家的电力设备订货标准规定，灭弧室的存储使用年限为20年，每年灭弧室的平均漏气率不得大于0.5%。达到合格标准的真空灭弧室其内部压强要处于10-5Pa的范围。一般情況下灭弧室真空度最低为6.6×10-2Pa，实际上，当真空度低于1.33×10-1Pa时需要对灭弧室进行调换或者维修。这是因为，断路器使用年限增加，内部元件会发生损耗，使得灭弧室内部气体分子逐渐增加，真空度就会下降。
根据以上电力系统市场中的实际情况，模拟真空度按照程度从低到高依次选取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个压强。利用FDTD仿真系统得到各个真空度下太赫兹信号回波损耗的仿真图如图8所示。
可以看出，随着真空度的提升，压强下降，介电系数降低，太赫兹信号的回波损耗会有所降低，但是能够看到回波损耗差距不是十分明显，尤其是真空度提升10-1Pa时，损耗之间的差距更是减少到只有零点零零几。这是因为仿真的真空程度很高，低级的真空度能量损耗已经在较小的范围，同时由于计算机内存条件的限制，仿真模型尺寸已经按比例缩小，损耗也会相应地缩小。如果可以将发射功率调整到一定程度的话，是能够看出每个真空度之间的能量损耗变化的。
3实验验证
在连续波太赫兹系统探测真空断路器的真空度中，由于真空灭弧室内触头周围有金属屏蔽罩，且灭弧室内结构较复杂分层较多，采用透射式结构探测得到的波形使得后续数据的分析难度加大，因此常常使用反射式结构来根据反射回的太赫兹信号来检测真空度的变化。试验选择4个真空度分别为0.5×10-2Pa、1×10-2Pa、0.5×10-1Pa和1×10-1Pa的真空泡作为对比，单个真空泡实物如图9所示。
进一步搭建的反射式连续波太赫兹探测系统，如图10所示。
其中太赫兹信号发射源收发一体，发出的为频率可调的连续太赫兹波，同时可实时接收从真空灭弧室金属屏蔽罩内反射回的太赫兹信号，并将数据传输到矢量网络分析仪中进一步分析。真空泵和真空计用来改变真空灭弧室内气体压强来模拟断路器中真空度的下降。
图11为矢量网络分析仪中接收到的连续太赫兹波的回波损耗信号，其中，图11（a）～（d）分别为灭弧室内气体压强为1×10-1Pa、0.5×10-1Pa、1×10-2Pa和0.5×10-2Pa时的回波损耗信号。
由图11可见，随着灭弧室内气体压强从1×10-1Pa下降到1×10-2Pa时，真空度逐渐增加，灭弧室内部气体分子越来越稀疏，杂质越来越少，使得波在传输过程中损耗逐渐减小，损耗值从171.05mW下降到163.55mW。波形中波峰为反射回来后测量到的损耗值，前半部分与后半部分是重复的，且含有多个波峰，这是因为所采用太赫兹信号发射器在一个周期内发射出的波是连续的，前后两部分为同一个周期内的波形。4个真空泡在不同压强下，通过的太赫兹波会有时间延迟和振幅衰减，由于不同空气压强具有不同的色散特性，据此可以很好地区分出不同压强的空气。
将仿真数据与实验数据进行对比分析，如图12所示。
从回波损耗对比曲线图中可以发现，随着压强的增加，真空度下降，仿真与实际实验对于太赫兹信号的回波损耗都会随之增加。表明连续波太赫兹光谱技术可以作为测量真空度的一种新方法。由于限于实验室条件，真空泵无法使灭弧室达到高真空度，但是能够看出，二者都趋于一个平缓增加的趋势，而且当真空度提升一个10-1Pa时，回波损耗率的差距会进一步缩小。但是与实际实验回波损耗率相比，仿真损耗率数值比较小，分析原因可能是：
1）由于仿真环境一般是理想状态，实际实验过程中会有很多干扰因素，虽然边界条件设为周期性边界条件是为了模拟周围环境，但是环境中会存在着噪声以及温度、湿度等的变化，还是会造成一定的误差;
2）在进行仿真时，限于计算机条件，将真空断路器进行了一定比例的缩小，信号传输路程减少，损耗率也会变小;
3）理想状态下，太赫兹信号在接触到金属屏蔽罩后会全部反射回探测器中，但实际上，由于真空断路器的表面是圆弧形的，会发生一定的散射，从而有一部分信号会从屏蔽罩两边绕过，这也是实际时域波形数据中，后续存在着一些杂乱无章的波形的原因。
值得说明的是，本文实验是在稳定实验室条件下进行的，即室温、干燥且无噪声干扰的环境下，若在现场中测试会有真空泡表面光滑程度、温度、湿度等差异会影响实验结果的精确度。如要应用到实际市场中，需模拟现场条件继续进行更多的实验来确定各个真空度范围下的THz光谱。
4結论
本文提出了一种应用太赫兹回波损耗在线确定真空度的方法，比目前市场上的带电检测方法有着更好的精度，同时成本更低。从以上理论分析与实验结果可以发现，在不同压强下，波通过气室时存在回波损耗，且呈现出规律的特性，表明利用太赫兹技术可以有效准确地在线检测气体浓度，对于断路器灭弧室真空度的在线故障检测有着很好的实用价值空间。
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（编辑：温泽宇）
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