開關(guān)柜暫態(tài)地電位檢測結(jié)果影響因素仿真分析

姜赤龍，毛文奇，劉衛(wèi)東

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410005；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007)

開關(guān)柜暫態(tài)地電位檢測結(jié)果影響因素仿真分析

姜赤龍1，毛文奇2，劉衛(wèi)東1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410005；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007)

介紹了暫態(tài)地電位的檢測方法，根據(jù)電磁學(xué)基本原理分析了暫態(tài)地電位的產(chǎn)生機(jī)理。然后仿真分析了暫態(tài)地電位檢測結(jié)果與局放源上升沿時(shí)間、局放源幅值、檢測距離以及空氣相對濕度之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明檢測結(jié)果幅值與局部放電源的幅值、空氣相對濕度成正比，且隨著局部放電源上升沿的增加而減小，隨著檢測距離的增大而減小。

局部放電；暫態(tài)地電位；仿真

高壓開關(guān)柜是面向配電網(wǎng)和用戶的最直接設(shè)備，直接關(guān)系到供電質(zhì)量和供電可靠性。高壓開關(guān)柜故障造成的停電事故給生產(chǎn)和生活帶來的影響及損失越來越大。故及時(shí)準(zhǔn)確地檢測高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)非常必要〔1-2〕。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由于開關(guān)柜絕緣劣化引起的事故臺次占開關(guān)柜事故總臺次的68%和事故總?cè)萘康?4%〔3〕。而運(yùn)行實(shí)踐表明，各種因素產(chǎn)生的局部放電是導(dǎo)致設(shè)備絕緣劣化的主要原因〔4〕。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對于供電可靠性的不斷提升，開關(guān)柜進(jìn)行例行停電檢修的難度越來越大，因此開關(guān)柜帶電檢測的重要性越來越明顯。

目前開關(guān)柜局部放電檢測方法主要有超聲波法、射頻法、超高頻法、暫態(tài)地電位法等〔5-7〕。其中，暫態(tài)地電位法作為一種新的開關(guān)柜局部放電檢測方法，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測效果好等特點(diǎn)，在近年的開關(guān)柜局部放電非侵入式檢測中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

文中分析了開關(guān)柜表面暫態(tài)地電位的產(chǎn)生機(jī)理，根據(jù)暫態(tài)地電位檢測儀器的檢測原理將檢測結(jié)果與開關(guān)柜電磁暫態(tài)過程聯(lián)系起來。利用軟件仿真分析了檢測結(jié)果幅值與激勵(lì)源上升沿、激勵(lì)源脈沖幅值、檢測距離、濕度之間的關(guān)系。為進(jìn)一步提升開關(guān)柜局部放電的帶電檢測數(shù)據(jù)分析能力提供了理論依據(jù)。

1 暫態(tài)地電位產(chǎn)生原理

通常開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生的局部放電信號可視為由一個(gè)點(diǎn)源所發(fā)出的電磁脈沖信號，其上升沿在納秒數(shù)量級。開關(guān)柜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的電磁脈沖沿空氣向四周傳播。當(dāng)電磁波傳播到開關(guān)柜內(nèi)表面，由于電磁屏蔽的作用，電磁波將無法到達(dá)遮擋區(qū)域外面，遮擋區(qū)域外探測不到電信號；而當(dāng)電磁波傳播到開關(guān)柜柜體的連接縫隙時(shí)，電磁波將會(huì)從縫隙透射出去，傳播到開關(guān)柜外側(cè)的空間及表面。因此開關(guān)柜內(nèi)部局部放電信號最終會(huì)從開關(guān)柜開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出，然后沿著金屬柜體外表面?zhèn)鞯酱蟮?，形成一個(gè)暫態(tài)地電位，如圖1所示。

圖1 暫態(tài)地電位產(chǎn)生原理示意圖

2 暫態(tài)地電位理論計(jì)算方法

暫態(tài)地電位法進(jìn)行檢測時(shí)，傳感器可以檢測到由開關(guān)柜內(nèi)部局部放電在開關(guān)柜外表面激起的暫態(tài)地電位信號并經(jīng)過檢測器顯示器后輸出檢測結(jié)果，如圖2所示。

圖2 暫態(tài)地電位檢測原理示意圖

電磁波在開關(guān)柜外表面所產(chǎn)生的暫態(tài)地電位信號U可表示為:

式中 Z為開關(guān)柜外表面的波阻抗，其表達(dá)式為:

式中 ω是角頻率，μ是磁導(dǎo)率，σ是電導(dǎo)率。

電磁波在開關(guān)柜外表面所產(chǎn)生暫態(tài)電流i可以通過對表面電流密度K進(jìn)行積分求取:

式中 S為探測器與被測物體的接觸面積。電流密度K可表示為:

式中 E為電場強(qiáng)度，Z為開關(guān)柜外表面的波阻抗。

則探測器所探測的電流可表示為:

因此電磁波在開關(guān)柜外表面所產(chǎn)生的暫態(tài)地電位信號可表示為:

3 仿真方法

由公式(6)可知，通過求解開關(guān)柜表面電場分布可計(jì)算出開關(guān)柜表面暫態(tài)地電位。因此本節(jié)建立模型對開關(guān)柜空間電場分布進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真方法采用三維有限元數(shù)值仿真方法。

按1∶1比例設(shè)置開關(guān)柜長寬高分別為:850，500，1 600，在1 250 mm處分割為上下柜2個(gè)空間。仿真模型如圖3所示:

圖3 仿真模型

金屬柜體厚度設(shè)為10 mm，柜體材料為鋼，相對介電常數(shù)為1，電導(dǎo)率為5.6×106S/m。

金屬柜體外表面接地，柜體內(nèi)部設(shè)置放電源。局放源位置在坐標(biāo)軸中設(shè)置為(300，700，600)。

根據(jù)局部放電信號特征，將局放源波形選擇為雙指數(shù)脈沖波形，其表達(dá)式為:

通過設(shè)置不同I0，α與β的值可以獲得不同波形的局放信號。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 局放源上升沿對仿真結(jié)果的影響

若將脈沖起始時(shí)刻至峰值時(shí)刻的時(shí)間近似作為局部放電源脈沖波形的上升沿時(shí)間，由于雙指數(shù)函數(shù)在任意域上可導(dǎo)，則令公式(7)導(dǎo)數(shù)為0可求出上升沿時(shí)間tr為:

調(diào)節(jié)α與β的取值可以設(shè)置局放源的上升沿時(shí)間。固定I0不變，將上升沿分別為1，2，5，10，15，20 ns的局放源先后設(shè)置在開關(guān)柜內(nèi)坐標(biāo)為(300，700，600)處，在開關(guān)柜外表面上坐標(biāo)為(500，400，500)的探測點(diǎn)處檢測波形。暫態(tài)地電位與局放源脈沖上升沿的關(guān)系曲線如圖4所示:

圖4 檢測信號隨局放源上升沿變化圖

由圖4可以看出，隨著局放源上升沿時(shí)間加長，檢測點(diǎn)所檢測的信號值逐漸變小，且信號減小的速率逐漸降低，呈指數(shù)下降的趨勢。由電磁場特性可知，固定脈沖峰值不變時(shí)，脈沖上升沿時(shí)間越短，脈沖波形斜率越大，波形幅值增長速度越快，因而產(chǎn)生的電場幅值越大。同時(shí)，脈沖上升沿時(shí)間越長，等效中心頻率越低，根據(jù)電磁波的傳播特性，在傳播過程中的衰減也越嚴(yán)重。因此，隨著局放源上升沿的增大，所激發(fā)的電磁波幅值較小。同時(shí)該電磁波在傳播到檢測點(diǎn)的過程中，信號衰減嚴(yán)重，檢測信號越小。因此，在實(shí)際檢測中，暫態(tài)地電位檢測方法對于上升沿較短的高頻局放信號比較敏感。

4.2 局放源幅值對檢測結(jié)果的影響

調(diào)節(jié)α與β的取值將局放源的上升沿時(shí)間固定為1 ns，將I0幅值分別設(shè)置為10，20，50，100，150，200的局放源先后設(shè)置在開關(guān)柜內(nèi)坐標(biāo)為(300，700，600)處，在開關(guān)柜外表面上坐標(biāo)為(500，400，500)的探測點(diǎn)處檢測波形。暫態(tài)地電位與局放源幅值的關(guān)系如圖5所示:

圖5 檢測信號隨局放源幅值變化圖

由圖5可以看出，隨著局放源幅值的增大，檢測點(diǎn)所檢測的信號值逐漸增大，且信號增大的速率保持不變，呈線性增加趨勢。同一頻率的電磁波在空間傳播的特性不隨電磁信號的幅值而改變，因此，隨著局放源幅值的增大，電磁波在傳播到檢測點(diǎn)的過程中，其衰減特性不變，檢測點(diǎn)信號與局放源信號成正比。因此，在實(shí)際檢測中，暫態(tài)地電位對于放電量較大的放電信號比較敏感。

4.3 局放源距離對檢測結(jié)果的影響

調(diào)節(jié)α與β的取值將局放源的上升沿時(shí)間固定為1 ns，將I0幅值分別設(shè)置為10的局放源設(shè)置在開關(guān)柜內(nèi)坐標(biāo)為(300，700，600)處。在開關(guān)柜外表面上選取與激勵(lì)源距離為300，400，500，600，700，800 mm處作為探測點(diǎn)檢測波形。檢測幅值與激勵(lì)源脈沖距離的關(guān)系曲線如圖6所示:

圖6 檢測信號隨激勵(lì)源距離變化圖

由圖6可以看出，隨著局放源到檢測點(diǎn)距離的增大，檢測點(diǎn)所檢測的信號值逐漸減小，且信號減小的速率逐漸降低，呈指數(shù)下降的趨勢。由電磁波的傳播特性可知，電磁波在傳播過程中的衰減是呈指數(shù)形式的。因此，隨著傳播距離的增大，電磁波在傳播到檢測點(diǎn)的過程中，信號衰減越嚴(yán)重，檢測信號越小。因此，在實(shí)際檢測中，暫態(tài)地電位對于靠近檢測點(diǎn)的放電信號比較敏感。

4.4 空氣相對濕度對檢測結(jié)果的影響

空氣相對濕度對于暫態(tài)地電位影響規(guī)律的研究目前還較為缺乏。相對空氣濕度對于局部放電的劇烈程度、電場分布以及電磁信號的傳播均有可能產(chǎn)生影響。本文從相對空氣濕度對于電場分布影響的角度進(jìn)行了仿真研究。

空氣相對濕度越高，則空氣中水分含量越高，對相對介電常數(shù)的影響越大。將空氣與水分看成混合物，則根據(jù)Maxwell-Garnet模型〔8〕，其等效介電常數(shù)εeff可以表示為:

式中 ε1為介質(zhì)1的相對介電常數(shù)，ε2為介質(zhì)2的相對介電常數(shù)，g1為介質(zhì)1的體積分?jǐn)?shù)。

因此，不同空氣相對濕度時(shí)，等效相對介電常數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 等效相對介電常數(shù)計(jì)算結(jié)果

調(diào)節(jié)α與β的取值將局放源的上升沿時(shí)間固定為1 ns，將I0幅值分別設(shè)置為10的局放源設(shè)置在開關(guān)柜內(nèi)坐標(biāo)為(300，700，600)處。在開關(guān)柜外表面上坐標(biāo)為(500，400，500)的探測點(diǎn)處檢測波形。暫態(tài)地電位與局放源脈沖上升沿的關(guān)系曲線如圖7所示:

圖7 檢測信號隨空氣相對濕度變化圖

由表1及圖7可以看出，隨著空氣相對濕度的增大，等效介電常數(shù)增大，檢測信號也增大。空氣相對濕度為0.9時(shí)檢測信號與空氣相對濕度為0.6時(shí)檢測信號相差約1.5倍。因此，進(jìn)行開關(guān)柜暫態(tài)地電位帶電檢測時(shí)，應(yīng)考慮相對空氣濕度的影響。

5 結(jié)論

文中對開關(guān)柜暫態(tài)地電位進(jìn)行了仿真模擬，研究了局放源上升沿時(shí)間、局放源幅值、局放源與檢測點(diǎn)的距離以及空氣相對濕度對檢測結(jié)果的影響，結(jié)論如下:

1)局放源上升沿時(shí)間增大，由局部放電所激發(fā)的電場幅值減小，電磁波在傳播過程中的衰減也越嚴(yán)重，檢測點(diǎn)所檢測的信號值逐漸變小，且呈指數(shù)下降的趨勢。因此，在實(shí)際檢測中，暫態(tài)地電位對于高頻放電信號比較敏感。

2)隨著局放源幅值的增大，電磁波在傳播到檢測點(diǎn)的過程中，檢測點(diǎn)所檢測的信號值逐漸增大，呈線性增加趨勢。因此，在實(shí)際檢測中，暫態(tài)地電位對于放電量較大的放電信號比較敏感。

3)隨著局放源距離的增大，電磁波在傳播過程中呈指數(shù)形式衰減，檢測點(diǎn)所檢測的信號值逐漸減小，呈指數(shù)下降的趨勢。因此，在實(shí)際檢測中，暫態(tài)地電位對于靠近檢測點(diǎn)的放電信號比較敏感。

4)隨著空氣濕度的增大，等效介電常數(shù)增大，檢測信號也增大。因此，在實(shí)際檢測時(shí)，檢測結(jié)果應(yīng)考慮相對空氣濕度的影響。

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Simulation analysis on effecting factors of transient earth voltage of switchgear

JIANG Chilong1，MAO Wenqi2，LIU Weidong1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410015，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China)

Testing method of transient earth voltage(TEV)is introduced and the principle of TEV is analyzed by electromagnetic method in the paper.Then the relationship between TEV result and rising time of PD，PD pulse amplitude，detection distance and humidity is researched through simulation.The simulation results show that the TEV amplitude is proportional to the PD pulse amplitude and humidity，increases as rising time of PD decreases，and decreases as the distance between detection point and PD source increase.

partial discharge(PD)；transient earth voltage(TEV)；simulation

TM855.1

A

1008-0198(2016)02-0072-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.019

2015-12-29 改回日期:2016-02-24