GIS結(jié)構(gòu)對(duì)局部放電電磁波傳播特性影響研究

李秀衛(wèi)，王慶玉，劉世富

（山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

氣體絕緣組合電器 （gas insulated switchgear，GIS）因具有占地面積小、維護(hù)工作量少、絕緣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高壓輸電領(lǐng)域。隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)和系統(tǒng)容量的不斷增加，GIS設(shè)備的內(nèi)部故障也隨之增多。目前國(guó)際上主要通過(guò)超高頻法檢測(cè)其內(nèi)部的局部放電來(lái)評(píng)估其絕緣狀態(tài)，局部放電不僅是GIS設(shè)備絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式，而且能夠引起絕緣的進(jìn)一步劣化，致使GIS的電氣絕緣性能降低，最終導(dǎo)致絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)。

GIS中局部放電產(chǎn)生電磁波的傳播與諧振模式非常復(fù)雜。GIS中的局部放電電流脈沖具有極陡的上升沿，其上升時(shí)間為納秒級(jí)，激發(fā)起高達(dá)數(shù)GHz的電磁波，在GIS腔體構(gòu)成的同軸結(jié)構(gòu)中傳播［1］。由于GIS的同軸結(jié)構(gòu)，使得電磁波不僅以橫向電磁波 （即Transverse Electromagnetic-TEM波）傳播，而且會(huì)建立高次模波，即橫向電波（Transverse Electric-TE） 和橫向磁波（Transverse Magnetic-TM）。TEM波為非色散波，它可以任何頻率在GIS中傳播，但當(dāng)頻率f>100 MHz時(shí)，沿傳播方向衰減很快；TE和TM波則不同，它們具有各自的截止頻率fc。fc與GIS的尺寸有關(guān)，GIS截面積愈大，fc愈低。若信號(hào)頻率ffc時(shí)，信號(hào)則基本上可無(wú)損耗地傳輸［2］。同時(shí)GIS母線連接腔在超高頻（UHF）波段（300M～1.5 GHz）可視為同軸諧振腔，電磁波的諧振持續(xù)時(shí)間一般在數(shù)十納秒級(jí)，最長(zhǎng)可在10 ms以上。

目前，GIS中電磁波傳播特性方面的研究文獻(xiàn)已經(jīng)有很多［3－9］，但其中大多采用簡(jiǎn)化的 GIS 仿真模型，沒(méi)有考慮盆式絕緣子的弧度、三相共筒、屏蔽電極、斷路器氣室等結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致理論分析結(jié)果可能與實(shí)際不同結(jié)構(gòu)的GIS氣室內(nèi)電磁波傳播特性有所偏差，因此，本文以各種絕緣缺陷的真實(shí)PD電流信號(hào)作為激勵(lì)源，考慮GIS內(nèi)部的實(shí)際結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電磁仿真軟件XFDTD6.3.8.4研究電磁波在GIS內(nèi)部的傳播特性。

1 GIS局部放電電流實(shí)測(cè)信號(hào)

結(jié)合其他學(xué)者實(shí)際測(cè)得的GIS中PD電流信號(hào)及試驗(yàn)結(jié)果，采用自由金屬微粒、高壓導(dǎo)體的金屬突出物、絕緣子表面污穢、絕緣子氣隙4種缺陷的PD電流信號(hào)作為激勵(lì)源（信號(hào)波形如圖1所示），研究電磁波的傳播特性。由圖1可見(jiàn)，對(duì)于不同的絕緣缺陷，在不同的放電條件下所測(cè)得的PD電流波形在上升時(shí)間、脈沖寬度、脈沖形狀等方面均有較大差異，說(shuō)明不同絕緣缺陷引發(fā)的局部放電具有不同的放電機(jī)理，由它們激勵(lì)產(chǎn)生的電磁波也會(huì)具有一定的差別。應(yīng)用UHF PD信號(hào)的差別能夠區(qū)分不同的絕緣缺陷類(lèi)型，從而為基于UHF PD時(shí)域信號(hào)的放電源模式識(shí)別奠定理論基礎(chǔ)。XFDTD是美國(guó)Remcom公司開(kāi)發(fā)的高頻電磁仿真軟件，軟件用 FDTD 算法［10－12］解麥克斯韋方程組，可應(yīng)用的頻率范圍約100 kHz至 3000 GHz。而且具有激勵(lì)源的用戶(hù)自定義接口，可以根據(jù)其要求的格式將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.src的源文件，即可導(dǎo)入。

圖1 GIS中四種典型缺陷PD的脈沖電流信號(hào)波形

2 GIS實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波傳播的影響

2.1 盆式絕緣子對(duì)電磁波傳播的影響

目前的研究文獻(xiàn)中建立的GIS仿真模型一般采用圓盤(pán)形絕緣子，而252 kV及以上電壓等級(jí)的GIS中絕緣子均采用了盆形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在對(duì)電磁波的折、反射及衰減方面，盆式絕緣子與圓盤(pán)型絕緣子應(yīng)該存在不同之處。

圖2 252 kV GIS盆式絕緣子

圖3 GIS計(jì)算仿真模型及設(shè)置

GIS仿真計(jì)算模型以252 kV GIS為例，如圖3所示，模型采用一個(gè)圓盤(pán)絕緣子與一個(gè)盆式絕緣子連接三段GIS通管，內(nèi)導(dǎo)體直徑180 mm，外殼內(nèi)徑398 mm，單根通管長(zhǎng)度1 000 mm，絕緣子厚度50 mm。激勵(lì)源采用圖1所示的GIS導(dǎo)體金屬突出物 PD 正電流信號(hào)，位置 Cell（83，70，409），兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn) Cell（84，37，234）與 Cell（84，37，585）位于兩個(gè)探針面的底部，與激勵(lì)源的距離相等，仿真時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為43 ns，輸出量為檢測(cè)點(diǎn)處的徑向場(chǎng)強(qiáng)分量EX與兩個(gè)探針面上的場(chǎng)強(qiáng)分布情況。絕緣子的相對(duì)介電常數(shù)（Relative Permitivity）ε=4，電導(dǎo)率（Conductivity）為0，導(dǎo)體與外殼均設(shè)置為理想導(dǎo)體（Perfect Electric Conductor-PEC），邊界條件設(shè)置為PML吸收邊界（Perfectly Matched Layer-PML）。

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4為兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)及其頻譜，比較可見(jiàn)，透過(guò)圓盤(pán)型絕緣子的電磁波振蕩衰減速度較快，對(duì)電磁波的反射較大；盆式絕緣子對(duì)各頻率分量的衰減相對(duì)較大。圖5為兩個(gè)探針面上同在一時(shí)刻的場(chǎng)強(qiáng)分布圖，可見(jiàn)透過(guò)圓盤(pán)型絕緣子的電磁波波頭到達(dá)時(shí)間較短；透過(guò)圓盤(pán)型絕緣子的電磁波是沿高壓導(dǎo)體自底部向上進(jìn)行散播，而透過(guò)盆式絕緣子的電磁波則沿GIS外殼內(nèi)壁兩側(cè)自底部向上進(jìn)行散播；探針面1處的場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域分布相對(duì)集中，探針面2處則相對(duì)均勻。

圖4 盆式絕緣子對(duì)電磁波傳播影響的仿真結(jié)果

圖5 探針面1與探針面2處的場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)比

通過(guò)上述仿真研究及分析，可以發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子與圓盤(pán)式絕緣子對(duì)電磁波傳播的影響是不同的，在衰減特性、反射特性、電磁波散播方向以及場(chǎng)強(qiáng)分布等方面均存在差異，應(yīng)該在UHF PD檢測(cè)、模式識(shí)別以及放電源定位過(guò)程中予以注意。

2.2 屏蔽電極對(duì)電磁波傳播的影響

在GIS的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，為了均勻場(chǎng)強(qiáng)，增大電極的曲率半徑，在導(dǎo)體接頭、拐角、隔離絕緣子兩側(cè)等部位都安裝有屏蔽電極。作為GIS中的金屬部件，屏蔽電極應(yīng)該會(huì)對(duì)電磁波造成衰減、折射或反射。252kV GIS屏蔽電極如圖6所示，安裝示意圖如圖7所示，屏蔽電極長(zhǎng)度160 mm，內(nèi)徑90 mm，外徑110 mm。仿真時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為43 ns，輸出量為檢測(cè)點(diǎn)處的徑向場(chǎng)強(qiáng)分量EX。分別在有、無(wú)屏蔽電極的情況下進(jìn)行仿真。

圖6 252 kV GIS屏蔽電極

圖7 屏蔽電極安裝示意圖

仿真結(jié)果如圖8所示。可見(jiàn)兩者UHF PD信號(hào)振蕩衰減的包絡(luò)形狀基本相同；有屏蔽電極時(shí)信號(hào)幅值有所衰減；無(wú)屏蔽電極時(shí)的頻譜相對(duì)平坦。然而，本文只是仿真研究了一對(duì)屏蔽電極的情況，在實(shí)際GIS的導(dǎo)體接頭、拐角、隔離絕緣子兩側(cè)等部位安裝有多個(gè)屏蔽電極，它們對(duì)GIS中電磁波傳播的影響應(yīng)該不可忽略。

圖8 屏蔽電極對(duì)電磁波傳播影響的仿真結(jié)果

2.3 電磁波在三相共筒GIS中的的傳播

對(duì)于252 kV及以上的GIS，往往采用單相單筒安裝方式，而對(duì)于126 kV及以下的GIS則往往采用三相共筒的安裝方式。為了研究?jī)煞N情況下電磁波傳播的差異，分別建立兩個(gè)GIS仿真計(jì)算模型，一個(gè)為單相單筒，另一個(gè)為三相共筒，兩者的導(dǎo)體及外殼直徑相同，仿真設(shè)置相同，分別進(jìn)行仿真計(jì)算。激勵(lì)源位置 Cell（83，70，380），檢測(cè)點(diǎn)位置 Cell（37，83，120），仿真時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為 60 ns，輸出量為檢測(cè)點(diǎn)處的徑向場(chǎng)強(qiáng)分量EX。

仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。比較圖9（a）、（b）可見(jiàn)，三相共筒GIS中的電磁波的衰減幅度更大，低頻分量較相對(duì)稍大。圖10為探針面XY面：Z=120上的場(chǎng)強(qiáng)分布圖，可見(jiàn)單相單筒GIS中的電磁波波頭主要是沿導(dǎo)體周?chē)M(jìn)行傳播，而三相共筒GIS中則主要沿三根導(dǎo)體中間進(jìn)行傳播，而且振蕩衰減時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

圖9 單相單筒與三相共筒GIS中電磁波傳播的仿真結(jié)果

圖10 檢測(cè)面處的場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)比

3 結(jié)論

介質(zhì)中的放電現(xiàn)象是電場(chǎng)能以電荷積聚及電子運(yùn)動(dòng)的形式進(jìn)行積累與釋放的過(guò)程，不同的絕緣缺陷引發(fā)的局部放電過(guò)程不盡相同，其激發(fā)的電磁波也存在差異。本文以GIS PD實(shí)際電流信號(hào)為激勵(lì)源，研究了GIS實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波傳播的影響。表明GIS中盆式絕緣子、屏蔽電極、三相共筒結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電磁波的幅值、頻率分量以及傳播方式產(chǎn)生影響。