GIS金屬環(huán)小孔外UHF信號(hào)特征的研究

陳金法，胡文堂，徐 華，鄭書生，詹花茂

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310014;2.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206;3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

0 引 言

近年來氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switch gear，GIS)局部放電特高頻(Ultra High Frequency，UHF)檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用［1～3］。利用此技術(shù)多次發(fā)現(xiàn)了GIS 內(nèi)部的絕緣缺陷，避免了GIS 絕緣事故的發(fā)生，為保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行做出了巨大貢獻(xiàn)。鑒于此，我國(guó)電力系統(tǒng)將全面推廣應(yīng)用GIS 局部放電UHF 檢測(cè)技術(shù)。

在UHF 檢測(cè)技術(shù)中，采用安裝在GIS 設(shè)備上的UHF 傳感器及信號(hào)采集與處理器檢測(cè)局部放電輻射出的電磁波信號(hào)。目前UHF 傳感器的安裝方式主要有兩種，即:內(nèi)置式、外置式。所謂內(nèi)置式，就是在GIS 腔壁上開孔，然后將傳感器安裝在此孔內(nèi)。局部放電UHF 電磁波在GIS 內(nèi)部傳播，經(jīng)過安裝孔時(shí)可被內(nèi)置UHF 傳感器接收［4～6］。在外置式安裝方式中，UHF 傳感器放置在GIS 盆式絕緣子外表面，其接收面朝向GIS 設(shè)備內(nèi)部。UHF 電磁波經(jīng)絕緣子時(shí)通過絕緣材料向外輻射，從而被外置式UHF 傳感器所接收［7］。內(nèi)置式UHF 傳感器的檢測(cè)靈敏度高于外置式。由于UHF檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，目前運(yùn)行中的GIS 設(shè)備上大部分未安裝UHF 傳感器。若對(duì)其安裝內(nèi)置式傳感器，其改造成本高，而且改造工藝不良可能給GIS 帶來安全隱患。雖然外置式檢測(cè)方法靈敏度相對(duì)較低，但是安裝簡(jiǎn)便，不影響GIS 設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。因此，目前主要采用外置式UHF傳感器安裝方法。

為了使GIS 外殼可靠接地，并防止絕緣材料受到紫外線輻射或化學(xué)腐蝕，大多數(shù)GIS 盆式絕緣子的邊緣有金屬環(huán)，金屬環(huán)上有一個(gè)小孔，該孔被環(huán)氧樹脂材料填充。在此情況下，UHF 電磁波只能通過金屬環(huán)小孔向外輻射。小孔尺寸較小，這將限制UHF 電磁波的傳播，造成UHF 信號(hào)的衰減。利用現(xiàn)有的UHF 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)顯然是不夠的。為了提高外置式UHF 檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，必須對(duì)UHF 電磁波通過金屬環(huán)小孔的傳播特性進(jìn)行深入研究。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)UHF 電磁波在GIS 設(shè)備內(nèi)部的傳播過程開展了大量的研究工作［8～12］，給出了UHF 電磁波在GIS 內(nèi)部傳播模式、UHF 信號(hào)的頻譜特征、以及UHF 信號(hào)經(jīng)過典型結(jié)構(gòu)和部件的衰減規(guī)律，為UHF 檢測(cè)和傳感器布置提供了重要依據(jù)。但是對(duì)于UHF 電磁波通過金屬環(huán)小孔的傳播過程的研究工作未見報(bào)道。

為了研究UHF 電磁波經(jīng)過金屬環(huán)小孔的傳播特性，本文首先根據(jù)導(dǎo)行電磁波理論分析了UHF 信號(hào)通過小孔傳播的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和截止頻率;然后基于時(shí)域有限差分法仿真了UHF 信號(hào)的傳播過程，分析了UHF 電磁波經(jīng)過小孔傳播出來后的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向性和頻譜特性。

1 UHF 電磁波傳播特性理論分析

1.1 金屬環(huán)小孔結(jié)構(gòu)

在相鄰兩節(jié)GIS 腔體之間有盆式絕緣子，目前多數(shù)盆式絕緣子外側(cè)都有金屬環(huán)，如圖1 所示。該金屬環(huán)在GIS 運(yùn)行過程中起到安全接地和防腐蝕、防輻射功能。在金屬環(huán)上有一個(gè)小孔，如圖2所示。在盆式絕緣子制造過程中用作澆注孔，該孔內(nèi)由環(huán)氧樹脂材料填充。金屬環(huán)小孔的橫截面大致呈圓角矩形。常見的小孔尺寸為:深(即金屬環(huán)的厚度(t)25 mm，長(zhǎng)(a)45 mm，寬(b)20 mm。

圖1 盆式絕緣子與金屬環(huán)Fig.1 Basin-type insulator and mental ring

圖2 金屬環(huán)小孔Fig.2 Hole in the ring

1.2 理想矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

金屬環(huán)小孔的截面接近于矩形，因此可以嘗試用矩形波導(dǎo)理論對(duì)UHF 電磁波在其中傳播時(shí)的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。根據(jù)導(dǎo)行電磁波理論［13］，理想的矩形波導(dǎo)由無限長(zhǎng)的直角矩形橫截面的金屬管構(gòu)成，波導(dǎo)內(nèi)壁為理想導(dǎo)體，波導(dǎo)內(nèi)充滿了均勻、線性、各向同性的理想介質(zhì)。如圖3 所示。

圖3 矩形波導(dǎo)示意圖Fig.3 Rectangle waveguide

在圖3 中建立三維空間直角坐標(biāo)系，以矩形波導(dǎo)側(cè)棱上的一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X 方向與矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)邊平行，Y 方向與橫截面的短邊平行，Z 軸與矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度方向平行。

1.3 矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播特性

矩形波導(dǎo)屬于空心金屬波導(dǎo)，在其中只存在TE 模和TM 模。對(duì)于TE 模，矩形波導(dǎo)中能夠存在TEm0，TE0n，TEmn模，階數(shù)m，n 為正整數(shù)。其中TE10模是最低次模，其余為高次模。對(duì)于TM 模，矩形波導(dǎo)中只能夠存在TMmn模，階數(shù)m，n 為正整數(shù)。其中TM11模是最低次模，其余為高次模。

對(duì)于階數(shù)為m，n 的TE 模和TM 模的截止頻率為

式中:m，n 為模階數(shù);a，b 為矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)和寬;m，e 為矩形波導(dǎo)內(nèi)填充材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。金屬環(huán)小孔內(nèi)澆注的絕緣材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約為1.0，相對(duì)介電常數(shù)約為3.8［12］。為了說明矩形波導(dǎo)中電磁波的截止頻率及電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，表1 以從小到大的排列方式給出了與金屬環(huán)小孔橫截面規(guī)格尺寸接近的矩形波導(dǎo)的前幾個(gè)截止頻率值及其對(duì)應(yīng)的模式名稱。

表1 矩形波導(dǎo)的截止頻率Tab.1 Cut off frequency in rectangle waveguide

GIS 局部放電UHF 信號(hào)的能量主要分布在300 MHz ～2 GHz 頻率范圍內(nèi)［12］。在表1 中，截止頻率fc在此頻率范圍內(nèi)的只有TE10模。因此，局部放電UHF 信號(hào)只能以TE10模式在此矩形波導(dǎo)內(nèi)傳播，其截止頻率為:1.71 GHz。

在矩形波導(dǎo)中TE10模的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中實(shí)線代表電力線，虛線代表磁力線。可見，電場(chǎng)方向都與Y 軸平行，自中間向兩邊電力線逐漸變稀，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。磁場(chǎng)方向都與X 軸方向平行，呈均勻分布狀態(tài)。

由此可以預(yù)見，局部放電UHF 電磁波以TE10模為主模向外傳播。在此情況下，其電場(chǎng)強(qiáng)度方向與小孔的短邊方向平行。

圖4 矩形波導(dǎo)TE10模的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Electromagnetic field structure of TE10 model in rectangle waveguide

然而，金屬環(huán)小孔的結(jié)構(gòu)與理想矩形波導(dǎo)存在一定差異，其主要差別在于小孔的深度較小。常見的小孔的深度(即金屬環(huán)的徑向厚度)僅為25 mm。因此UHF 電磁波通過小孔的傳播特性與矩形波導(dǎo)可能存在一定的差異。為了進(jìn)一步研究UHF 電磁波通過小孔的傳播特性，下面進(jìn)行仿真分析。

2 UHF 電磁波傳播特性的仿真分析

2.1 仿真方法與軟件

時(shí)域有限差分(finite-difference-time-domain，簡(jiǎn)稱FDTD)方法是局部放電電磁波傳播過程仿真分析中常用的方法。此方法在時(shí)間和空間域中對(duì)Maxwell 旋度方程的有限差分離散化，以具有兩階精度的中心有限差分格式來近似地代替原來微分形式的方程，采用Yee 提出在空間和時(shí)間都差半個(gè)步長(zhǎng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過類似蛙步跳躍式的步驟用前一時(shí)刻的磁、電場(chǎng)值得到當(dāng)前時(shí)刻的電、磁場(chǎng)值，并在每一時(shí)刻上將此過程算遍整個(gè)空間，于是可得到整個(gè)空間域中隨時(shí)間變化的電、磁場(chǎng)值的解。

XFDTD 軟件是Remcom 公司開發(fā)的基于FDTD 方法的全波三維電磁場(chǎng)仿真軟件，可以將電磁波的時(shí)域特性直接反映出來，給出非常豐富的電磁場(chǎng)問題的時(shí)域信息，用清晰的圖像描述復(fù)雜的物理過程。

2.2 GIS 金屬環(huán)小孔仿真模型

參照某廠家生產(chǎn)的126 kV 三相共體GIS 母線的規(guī)格尺寸，利用XFDTD 建模，如圖5 所示。該模型包含6 節(jié)腔體，編號(hào)為:I，II，…，VI;5 個(gè)盆式絕緣子，編號(hào)為:1，2，…，5。在盆子外側(cè)設(shè)施金屬環(huán)及小孔，金屬環(huán)小孔尺寸為45 mm×20 mm。腔體內(nèi)徑640 mm，腔體壁厚10 mm，導(dǎo)桿直徑為86 mm，盆式絕緣子直徑為750 mm，厚50 mm。在3號(hào)、5 號(hào)兩個(gè)盆子金屬環(huán)小孔的外表面中心處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。

圖5 GIS 金屬環(huán)小孔仿真模型Fig.5 Simulation model of little hole in mental ring of GIS

采用脈沖電流源作為UHF 電磁波激勵(lì)源。將其布置在高壓導(dǎo)桿上，平行于Z 軸方向，如圖5(b)所示。電流源的長(zhǎng)度為10 mm，波形為高斯脈沖，其時(shí)域形式如式(2)所示:

式中:I0為脈沖幅值;τ 為常數(shù)，決定了高斯脈沖的寬度。在t=t0時(shí)脈沖峰值出現(xiàn)。仿真中，脈沖幅值取10 mA;脈寬取1 ns。

模型側(cè)面為PML(perfectly matched layer)匹配層。仿真模型中腔體、高壓導(dǎo)體和金屬法蘭采用理想導(dǎo)體材料(PEC)，盤式絕緣子主要材料為環(huán)氧樹脂，其介電常數(shù)取3.8，瓷套管介電常數(shù)取6.0。仿真計(jì)算中所用最高頻率(f)設(shè)置為6 GHz，利用下式確定胞元尺寸:

式中:Lmax為最大胞元的尺寸;c 為光速，即3 ×108m/s;f 為激勵(lì)最高頻率。因此，最大胞元尺寸Lmax為5 mm。一個(gè)完整的胞元尺寸為5 ×5 ×5 mm3，剖分所需內(nèi)存大小為2 GB。

2.3 金屬環(huán)小孔處UHF 信號(hào)分析

2.3.1 電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

選擇3，5 號(hào)盆式絕緣子的小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度作為分析對(duì)象。3 號(hào)小孔的橫截面與XOY 平面平行，小孔的短邊平行于Y 軸;而5 號(hào)小孔的橫截面與XOZ 平面平行，小孔的短邊方向平行于Z 軸。在3 號(hào)和5 號(hào)絕緣子金屬環(huán)小孔處觀測(cè)到的沿X，Y，Z 3 個(gè)方向的電場(chǎng)強(qiáng)度幅值隨時(shí)間變化的曲線如圖6，7 所示。讀取各個(gè)波形的峰峰值，列入表2 中。

圖6 3 號(hào)絕緣子金屬環(huán)小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.6 Electric field intensity on the hole of No.3 insulator ring

圖7 5 號(hào)絕緣子金屬環(huán)小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.7 Electric field intensity on the hole of No.5 insulator ring

表2 絕緣子金屬環(huán)小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值Table 2 Peak to peak value of Electric field intensity on the hole of insulator ring

在3 號(hào)絕緣子小孔處，沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ey 幅值最高;沿小孔長(zhǎng)邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex 幅值最低，僅相當(dāng)于Ey 的2.5 %;而沿小孔深度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ez 幅值居中，相當(dāng)于Ey 的26 %。

在5 號(hào)絕緣子小孔處，沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ez 幅值最高;沿小孔長(zhǎng)邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex 和沿小孔深度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ey 幅值都很低，僅相當(dāng)于Ez 的2.1 %和3.5 %。

上述分析表明，無論小孔與放電源的相對(duì)位置關(guān)系如何布置，沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于長(zhǎng)邊方向和深度方向。這與矩形波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)是一致的。

2.3.2 頻譜分析

為了給外置式UHF 檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)提供指導(dǎo)，下面分析小孔處的UHF 信號(hào)的頻譜分布。由于沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，只需要分析該場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)的頻譜分布。3 號(hào)絕緣子小孔的短邊方向電場(chǎng)強(qiáng)度Ey 的頻譜分布如圖8 所示?？梢?，在0.5 ～2.4 GHz 頻率范圍內(nèi)有能量分布，1.2 ～1.6 GHz 為能量集中的頻段。

圖8 3 號(hào)小孔處的Ey 的頻譜圖Fig.8 Frequency spectrum of Ey on the No.3 hole

在表1 中，矩形波導(dǎo)基次模波TE10模的截止頻率為1.71 GHz，這上述仿真得到的頻譜分布相差較大。這是由于金屬環(huán)小孔的深度(即金屬環(huán)厚度)較小，低頻成分未完全衰減引起的。UHF帶電檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻帶應(yīng)集中在1.2 ～1.6 GHz。

3 結(jié) 論

通過本文研究得出結(jié)論如下:

(1)UHF 電磁波通過GIS 盆式絕緣子金屬環(huán)小孔的傳播特性與矩形波導(dǎo)內(nèi)的TE10模相似，其電場(chǎng)方向與小孔短邊方向平行。

(2)經(jīng)過小孔傳播出來的UHF 信號(hào)的頻帶主要集中在1.2 ～1.6 GHz。

鑒于此用于金屬環(huán)小孔的對(duì)外置式UHF 檢測(cè)系統(tǒng)提出改進(jìn)建議:UHF 檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻帶應(yīng)選擇1.2 ～1.6 GHz。

為了進(jìn)一步完善外置式UHF 檢測(cè)技術(shù)，下一步將在實(shí)際GIS 設(shè)備上開展局部放電試驗(yàn)，測(cè)量各典型局部放電UHF 信號(hào)經(jīng)過小孔的傳播特性，并研究這種小孔式檢測(cè)方法對(duì)各種局部放電缺陷的檢測(cè)靈敏度。

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