開關(guān)柜局部放電特高頻信號傳輸特性

陳國源，王笑飛，孟衛(wèi)杰

（1. 國網(wǎng)山西省電力有限公司 朔州供電分公司，山西 朔州 036000；2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，正電荷和負(fù)電荷的中和過程會導(dǎo)致在放電位置出現(xiàn)帶電粒子的快速遷移。該過程伴隨有陡脈沖電流出現(xiàn)，進(jìn)而激發(fā)高頻率電磁波向空間各個方向快速傳播[1-4]。

通常認(rèn)為，局部放電導(dǎo)致的電磁場與放電缺陷點(diǎn)相關(guān)：當(dāng)放電間隙比較小時(shí)，放電過程的時(shí)間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng)。放電間隙的絕緣強(qiáng)度比較高時(shí)，擊穿過程比較快；此時(shí)電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng)。開關(guān)柜絕緣缺陷發(fā)生局部放電對應(yīng)的放電點(diǎn)，通常可視為一個輻射電磁波的點(diǎn)源；由放電產(chǎn)生的電磁波向周圍空間傳播，其傳播行為遵循麥克斯韋電磁場基本方程[5-8]。

開關(guān)柜局部放電導(dǎo)致的電磁波信號的傳播特性是其可應(yīng)用特高頻技術(shù)進(jìn)行檢測的理論條件。文獻(xiàn)[9-11]采用時(shí)域有限差分法或有限積分法對開關(guān)柜內(nèi)電磁波信號的傳播特性進(jìn)行了仿真分析；結(jié)果顯示，開關(guān)柜金屬外殼對電磁波信號具有明顯的抑制作用，在靠近開關(guān)柜縫隙處可以獲得較大的信號幅值。

目前，開關(guān)柜特高頻現(xiàn)場檢測主要采用的傳感器為射頻天線。若現(xiàn)場存在較強(qiáng)的外部電磁干擾，干擾信號也將與傳感器產(chǎn)生耦合[12]；因此在現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)，需要以合適的檢測頻帶或?yàn)V波放大對信號進(jìn)行處理。

傳感器不同的安裝方式將對傳感器的輸出信號產(chǎn)生影響，特別是當(dāng)傳感器的安裝位置與局放源不在開關(guān)柜的同一小室時(shí)。因此，有必要對傳感器內(nèi)、外置這2種安裝方式及不同安裝位置導(dǎo)致的檢測信號差異進(jìn)行研究。

基于上述分析，本文首先采用有限元分析軟件對開關(guān)柜和傳感器進(jìn)行數(shù)值建模，通過對電磁波傳播過程的仿真計(jì)算，獲得安裝于開關(guān)柜內(nèi)壁和外壁不同位置時(shí)傳感器所采集的信號；然后，通過對比內(nèi)、外置傳感器所捕獲的信號特征，分析不同位置的信號差別；最后通過模擬實(shí)驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 仿真模型建立

開關(guān)柜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的電磁波向周圍各個方向快速傳播。遇到不連續(xù)的金屬縫隙或絕緣連接處時(shí)，電磁波由金屬柜體的內(nèi)部泄漏出來，并在開關(guān)柜外部自由空間傳播。

局部放電及其導(dǎo)致的電磁波具有明顯的時(shí)變特征，因此對其進(jìn)行計(jì)算分析最直接方法是在時(shí)域通過計(jì)算每個步長時(shí)間的解的變化來對問題求解。

開關(guān)柜內(nèi)部和外部電磁場的求解，是一個由式（1）所示的時(shí)域邊值問題[13-15]。

在仿真區(qū)域Ω內(nèi)，有：

式中：A為矢量磁勢；當(dāng)時(shí)間t=0時(shí)，A=0。μ0和ε0分別為真空的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。μr和εr分別為介質(zhì)材料的相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù)。

設(shè)置開關(guān)柜金屬導(dǎo)體外表面為 PEC（perfect electric conductor boundary）邊界條件，滿足：

模型內(nèi)，局部放電源和檢測傳感器設(shè)置為端口邊界，滿足

式中：ZP為連接端口邊界的波阻抗；E0為局部放電源端口處的電場，可由模擬局部放電的脈沖電壓源或脈沖電流源獲得。

上述方程，可利用有限元計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics RF模塊中的瞬態(tài)電磁場建模求解。

建立仿真模型：采用XNG15-12型開關(guān)柜，整體尺寸為500 mm×1 000 mm×1 600 mm，包含A（500 mm×1 000 mm×350 mm）和B（500 mm×1 000 mm×1 250 mm）2個小室。正面上下柜門邊緣和A、B小室隔板的邊緣均設(shè)置2 mm寬的縫隙。開關(guān)柜正面靠下位置設(shè)置有矩形開口，以模擬開關(guān)柜門上的觀察窗，開口尺寸為300 mm×100 mm。在開關(guān)柜外部空間設(shè)置散射邊界，用以仿真電磁波從柜門縫隙泄漏出柜體外部到自由空間的傳播特性。

開關(guān)柜三維有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜仿真模型和傳感器位置Fig. 1 The simulation model of the switchgear and the locations of sensors

在開關(guān)柜B小室內(nèi)部坐標(biāo)（250 mm, 300 mm,500 mm）處設(shè)置集總端口以模擬局部放電激勵源。絕緣缺陷導(dǎo)致的局部放電單個脈沖持續(xù)時(shí)間通常為ns級，因此仿真模型中激勵源以高斯電流脈沖模擬。

高斯電流脈沖的時(shí)域表達(dá)式為：

式中：t為自變量時(shí)間；t0為脈沖峰值時(shí)間；τ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，決定了脈沖寬度和脈沖峰值。

在仿真中施加的高斯脈沖波形如圖2所示，半峰值的帶寬約為0.3 ns。

圖2 高斯脈沖源Fig. 2 The Gaussian pulse at the source port

由于局部放電的真實(shí)放電量未知，因此仿真時(shí)僅對數(shù)值的相對大小進(jìn)行分析。模型的仿真時(shí)間步長設(shè)置為0.1 ns，總仿真時(shí)間為20 ns。模型中，在開關(guān)柜正面外壁設(shè)置6個傳感器（4#—9#），側(cè)面內(nèi)壁設(shè)置 3個傳感器（1#—3#）。各傳感器的空間坐標(biāo)如圖1所示。

2 仿真分析

當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，電磁波自放電源處開始以球面波形式向周圍空間傳播。因此，電磁波所經(jīng)過位置的電場強(qiáng)度隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。當(dāng)電磁波經(jīng)過媒介不連續(xù)處時(shí)，將發(fā)生能量的反射和透射，進(jìn)而出現(xiàn)多個波的疊加，最終導(dǎo)致波形畸變。

2.1 電磁波傳播對各傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響

圖3為t=2.3 ns時(shí)刻仿真域內(nèi)電場分布圖。

圖3 t =2.3 ns時(shí)刻電場分布仿真結(jié)果Fig. 3 The simulation result of electric field distribution at t=2.3 ns

由電磁波在介質(zhì)中傳播的速度方程可知，此時(shí)局部放電發(fā)出的電磁波已到達(dá)開關(guān)柜金屬壁面，但在封閉處受到金屬壁的屏蔽作用，電磁波并未傳播到開關(guān)柜外部空間。

由圖3可以看到，在正面柜門觀察窗以及柜門邊緣縫隙附近，電磁波由觀察窗和縫隙泄漏到開關(guān)柜外部空間。此時(shí)各傳感器信號強(qiáng)度對比如圖4所示。

圖4 0～2.3 ns時(shí)間內(nèi)信號對比Fig. 4 Signals comparison within the time interval of 0～2.3 ns

由圖4（a）可知，t=2.3 ns時(shí)刻前，2#和3#傳感器分別于1 ns和1.7 ns出現(xiàn)信號輸出，8#和9#傳感器分別于1.9 ns和2.0 ns出現(xiàn)信號輸出：仿真結(jié)果基本與電磁波沿空間的傳播時(shí)間相符。

由圖4（b）可知，2#和3#傳感器的信號較強(qiáng)，8#和9#傳感器信號較弱，其他傳感器信號趨于0。分析該結(jié)果的原因?yàn)椋?#和3#傳感器為內(nèi)置。在2.3 ns時(shí)刻，局部放電導(dǎo)致的電磁波已傳輸至2#和3#傳感器，故輸出信號明顯。8#和9#傳感器信號較弱，是因?yàn)橥ㄟ^觀察窗和縫隙泄漏的電磁波剛剛到達(dá)。由于受到開關(guān)柜金屬壁的屏蔽且通過觀察窗和縫隙泄漏的電磁波尚未到達(dá)，因而其他傳感器未出現(xiàn)明顯信號。

圖5所示為t=3.5 ns時(shí)刻的電場分布。圖6所示為t=3.5 ns時(shí)刻前各傳感器信號情況對比結(jié)果。此時(shí)電磁波分布的特點(diǎn)是：由于離局放源較遠(yuǎn)且受到金屬隔板的屏蔽作用，所以A小室電場強(qiáng)度較低，因此 1#、4#和 5#傳感器的信號仍舊趨于0；其他各傳感器均有較明顯的信號輸出，其中內(nèi)置的 2#和 3#傳感器信號強(qiáng)度顯著高于其他傳感器。

圖5 t=3.5 ns時(shí)刻電場分布仿真結(jié)果Fig. 5 The simulation result of electric field distribution at t=3.5 ns

圖6 t=3.5 ns時(shí)刻前各傳感器信號對比Fig. 6 Comparison of each sensor’s signal before the time of t=3.5 ns

圖7所示為20 ns仿真時(shí)間內(nèi)，內(nèi)置和外置的各傳感器信號強(qiáng)度隨時(shí)間變化對比結(jié)果。由圖 7可知，各傳感器均對局部放電產(chǎn)生響應(yīng)，各傳感器響應(yīng)信號的幅值因安裝位置的不同而不同，同時(shí)各傳感器對局部放電的響應(yīng)時(shí)間也存在差異。

圖7 傳感器信號強(qiáng)度對比Fig. 7 Comparison of the intensity of sensor signals

實(shí)現(xiàn)對局部放電源的精確定位，除需要考慮傳感器安裝位置和響應(yīng)時(shí)間外，還需要對電磁波的傳播路徑進(jìn)行估算。這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能存在以下困難：一是實(shí)際開關(guān)柜中電磁波的傳播路徑可能非常復(fù)雜，難以確定；二是現(xiàn)場存在干擾，難以通過給傳感器輸出信號設(shè)定一定閾值以判斷各傳感器準(zhǔn)確的響應(yīng)時(shí)間。因此，現(xiàn)場測試中，對局部放電的定位需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

2.2 內(nèi)、外置安裝對傳感器信號強(qiáng)度的影響

圖8和圖9所示分別為A、B小室內(nèi)、外置安裝的傳感器信號對比結(jié)果。通過對比可知，當(dāng)放電源與傳感器在同一小室時(shí)（圖9），內(nèi)置安裝方式傳感器可獲得顯著增強(qiáng)的信號強(qiáng)度；當(dāng)放電源與傳感器不在同一小室時(shí)（圖8），內(nèi)、外置安裝方式傳感器獲得的信號強(qiáng)度基本相當(dāng)，外置安裝方式傳感器信號幅值稍大。

圖8 A小室內(nèi)、外置傳感器信號對比Fig. 8 Comparison of the sensor signals inside and outside A cabinet

圖9 B小室內(nèi)、外置傳感器信號對比Fig. 9 Comparison of the sensor signals inside and outside B cabinet

2.3 安裝位置對傳感器信號強(qiáng)度的影響

根據(jù)圖7（b）可知，當(dāng)采用外置安裝方式時(shí)，位于不同安裝位置傳感器的信號強(qiáng)度基本相同，少量差異主要由傳感器安裝位置與柜壁縫隙的距離導(dǎo)致。

圖10所示為1#、6#和8#傳感器信號強(qiáng)度對比結(jié)果。從圖10可以看出，各傳感器信號強(qiáng)度基本相同。由此可知，當(dāng)采用的內(nèi)置傳感器與放電源未在同一小室時(shí)，傳感器獲得的信號強(qiáng)度與外置式傳感器基本處于相同水平。

圖10 1#、6#、8#傳感器信號強(qiáng)度對比Fig. 10 Comparison of sensor signals’ intensity for 1#、6# and 8# sensor

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室采用特高頻傳感器進(jìn)行了局部放電檢測實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件：采用放置于開關(guān)柜 B小室內(nèi)的針板電極模擬局部放電。如圖11所示，分別在開關(guān)柜A、B這2個小室的內(nèi)壁以及柜門外壁安裝共4個UHF傳感器：1#安裝于B小室內(nèi)壁，2#安裝于A小室內(nèi)壁，3#安裝于B小室外壁，4#安裝于A小室外壁。UHF傳感器所采集的信號由經(jīng)放大檢波處理后由檢測主機(jī)輸出為同步采集信號。

圖11 局部放電實(shí)驗(yàn)測試Fig. 11 The partial discharge test

各傳感器獲得的 UHF信號對比結(jié)果如圖 12所示。由圖12可知，安裝于B小室內(nèi)壁的1# UHF傳感器信號幅值明顯高于其他傳感器，2#和3#結(jié)果與之近似，4#傳感器信號幅值最小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果相符。

圖12 實(shí)驗(yàn)采集波形Fig. 12 Experimental acquisition waveform

4 結(jié)論

本文對在開關(guān)柜內(nèi)、外安裝的超高頻傳感器信號特性進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試。

（1）結(jié)果顯示內(nèi)、外置安裝的傳感器對局部放電響應(yīng)信號的幅值隨內(nèi)、外置安裝方式和安裝位置的不同而不同，同時(shí)各傳感器對局部放電響應(yīng)的時(shí)間也存在差異。

（2）當(dāng)放電源與傳感器在同一小室時(shí)，內(nèi)置安裝方式傳感器可獲得顯著增強(qiáng)的信號強(qiáng)度；當(dāng)放電源與傳感器在不在同一小室時(shí)，內(nèi)、外置安裝方式傳感器獲得的信號強(qiáng)度類似，但外置安裝方式傳感器強(qiáng)度稍強(qiáng)。

（3）當(dāng)內(nèi)置傳感器與放電源未在同一小室時(shí)，該傳感器獲得的信號強(qiáng)度與外置式傳感器基本處于相同水平。