gis局部放電檢測(cè)的電磁波特性仿真分析

gis局部放電檢測(cè)的電磁波特性仿真分析

0gis局放檢測(cè)原理及方法自1970年銷售以來，gis（gasverwaltung）已在電氣系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、占地面積小，所以在電氣系統(tǒng)中采用了這種優(yōu)勢(shì)。但由于制造和裝配過程中的工藝問題,GIS內(nèi)部可能會(huì)留下一些小缺陷,如金屬毛刺、絕緣氣隙等,這些微小缺陷在GIS運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生局部放電(簡(jiǎn)稱局放),逐步發(fā)展成危險(xiǎn)的放電通道,并最終造成絕緣擊穿事故。根據(jù)CIGRE的33/23.12工作組的國(guó)際調(diào)查報(bào)告,1985年以前投入運(yùn)行的GIS的562次故障中絕緣故障達(dá)60%,1985年以后投入運(yùn)行的GIS的247次故障中絕緣故障達(dá)51%。因此,對(duì)GIS進(jìn)行局放檢測(cè)以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期缺陷對(duì)于預(yù)防絕緣事故和維護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要意義。GIS內(nèi)發(fā)生局放時(shí),伴隨有一個(gè)很陡的電流脈沖(上升時(shí)間<1ns),并在GIS腔體內(nèi)激勵(lì)頻率高達(dá)數(shù)GHz的電磁波。UHF(ultrahighfrequency)法通過檢測(cè)GIS中局放時(shí)產(chǎn)生的超高頻電磁波信號(hào),有效地避開了現(xiàn)場(chǎng)的電暈等干擾,具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)局放源定位和故障類型判別等優(yōu)點(diǎn),因此,UHF法在GIS現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。為提高UHF法檢測(cè)局放的有效性,許多學(xué)者對(duì)GIS中局放產(chǎn)生的電磁波特性特別是其傳播特性進(jìn)行了研究,指出GIS中局放產(chǎn)生的電磁波具有橫向電磁波(TEM模)和高次模式(TE-橫電波、TM-橫磁波)分量,各模式分量通過不連續(xù)部件(L型分支、T型分支等)時(shí)具有諧振和模式變換等特性并對(duì)電磁波的傳播有著重要的影響,但對(duì)電磁波各模式分量與局放源之間的關(guān)系論述較少。因此,本文從局放源的激勵(lì)特性出發(fā),通過采用時(shí)域有限差分法(FDTD)進(jìn)行仿真計(jì)算分析,著重研究了GIS中局放激勵(lì)的電磁波模式分布特性以及各模式分量與局放源各因素之間的關(guān)系特性,進(jìn)一步揭示了GIS中局放激勵(lì)的電磁波的特性,為在實(shí)際運(yùn)用中提高UHF法的有效性打下理論基礎(chǔ)。1同軸導(dǎo)電高次模波的方法原理根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu),可將GIS近似為兩根同軸導(dǎo)體構(gòu)成的波導(dǎo)系統(tǒng),如圖1所示。內(nèi)導(dǎo)體為母線,其外半徑為a。外導(dǎo)體為外殼,其內(nèi)半徑為b。研究表明,GIS中局放激勵(lì)的電磁波中不僅存在橫電磁波(TEM),還有高次模式分量,即TE和TM波。TEM波為非色散波,可以以任何頻率在同軸波導(dǎo)中傳播。TE和TM波是色散波,各自存在截止頻率,只有當(dāng)電磁波頻率高于其截止頻率時(shí)才能在同軸波導(dǎo)中傳播。同軸波導(dǎo)中傳播的各種波型的電磁場(chǎng)E和H滿足下列齊次矢量亥姆霍茲方程{?2tE+k2cE=0;?2tΗ+k2cΗ=0。(1){?2tE+k2cE=0;?2tH+k2cH=0。(1)式中,E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量;H為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量;?t為橫向拉普拉斯算子;k2c2c=k2+γ2為截止波數(shù);γ=α+jβ為傳播常數(shù),其中α為衰減常數(shù),β為相移常數(shù);k=ω√μεk=ωμε??√為電磁波的波數(shù),其中ω為信號(hào)角頻率,μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率,ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。TEM模(Ez=0,Hz=0)是同軸波導(dǎo)中的主模,TEM模的場(chǎng)在同軸波導(dǎo)橫截面上的分布與二維靜態(tài)場(chǎng)相同,電磁場(chǎng)滿足下列拉普拉斯方程{?2tE=0;?2tΗ=0。(2)由于邊界條件r=a時(shí),電勢(shì)Ф=U0;r=b時(shí),電勢(shì)Ф=0。則沿z方向傳播的電磁場(chǎng)量為{Er=U0rln(b/a)e-jkz；Ηφ=Er/η。(3)式中,Er為E場(chǎng)(矢量)在半徑方向的分量;Hφ為H場(chǎng)(矢量)在圓周方向上的分量;η=√μ/ε為波阻抗。同軸波導(dǎo)高次模的分析方法與圓形金屬波導(dǎo)相似,TM模(Hz=0,Ez≠0)磁場(chǎng)只有橫向分量,此時(shí)式中,Ez為z軸方向上的電場(chǎng)分量;Jm(kcr)、Nm(kcr)為第1、2類貝塞爾函數(shù);B1、B2、C為常數(shù)。根據(jù)邊界條件r=a和r=b時(shí),Ez=0可得TE模(Ez=0,Hz≠0)電場(chǎng)只有橫向分量,此時(shí)Ηz=(C1Jm(kcr)+C2Νm(kcr))Dcosmφsinmφe-jβz。(6)式中,C1、C2、D為常數(shù)。根據(jù)邊界條件r=a和r=b時(shí),Eφ=0可得式(5)、(7)為TM和TE模的本征值方程,可用于確定截止波數(shù)kc(本征值)。當(dāng)各高次模波的頻率足夠高時(shí),k>kc,則β為實(shí)數(shù),行波因子為e-jβz,電磁波沿z軸傳播。當(dāng)頻率較低時(shí),k<kc,則β為虛數(shù),行波因子e-jβz變?yōu)樗p因子e|β|z,電磁波沿z軸很快衰減,不能傳播。k=kc時(shí),β=0,這是傳輸與截止的分界點(diǎn),稱為臨界狀態(tài),可用于判斷同軸波導(dǎo)中是否存在高次模波,此時(shí),截止頻率fcmn=kcmn/2π√με。(8)式中,kcmn為各高次模波(TEmn和TMmn)的截止波數(shù),與波導(dǎo)的尺寸有關(guān),m,n對(duì)應(yīng)于m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根。同軸波導(dǎo)中截止頻率最低的高次模為TE11波,其截止頻率fcΤE11≈1/π√με(a+b)。對(duì)本文仿真模型,a=5cm,b=25cm,則fcTE11為318.3MHz。2局放的能量分析為研究GIS中局放發(fā)生時(shí)其激勵(lì)的電磁波各模式分布情況,采用FDTD計(jì)算程序進(jìn)行仿真分析,建立仿真模型如圖2所示,其內(nèi)導(dǎo)體外徑a=5cm,外導(dǎo)體內(nèi)徑b=25cm,導(dǎo)體材料為鋁。腔體長(zhǎng)為2m,兩端設(shè)為吸收邊界。局放源位置位于距信號(hào)輸出端口0.5m的內(nèi)導(dǎo)體處。采用如下高斯函數(shù)模擬局放電流脈沖式中,I0為脈沖電流的幅值;σ為衰減時(shí)間常數(shù);t0為初始時(shí)間。設(shè)脈沖電流幅值I0=10mA,σ=0.17ns,t0=0.9ns,局放電流通道長(zhǎng)度為1cm。脈沖電流波形如圖3所示。輸出端口的電磁波模式分布情況和相應(yīng)的模波信號(hào)如圖4所示。由圖4可見,GIS中局放激勵(lì)的電磁波中存在TEM波與高次模波,其中TEM與TE11模式分量信號(hào)較大。TE11模有兩個(gè)子模式:TE11(0°)、TE11(90°),其中TE11(90°)模式分量信號(hào)很小,幾乎為0,TE11(0°)模式為主導(dǎo)性分量。TE21和TE31模亦有2個(gè)相應(yīng)的子模式:TE21(0°)、TE21(45°)和TE31(0°)、TE31(30°),其中TE21(45°)和TE31(30°)分量很小,TE21(0°)、TE31(0°)為相應(yīng)模式的主導(dǎo)分量。而且,由圖4(a)可知,TE11(0°)、TE21(0°)、TE31(0°)分量中φ為0°和180°時(shí)均為電磁波最強(qiáng)區(qū)域處,因此,在φ為0°和180°處安裝傳感器能夠耦合到最大的電磁波信號(hào)。3gis中的微波模式特征3.1局放電流脈沖幅值仿真分析由公式(9)可知,局放脈沖波形由兩個(gè)關(guān)鍵因素決定:衰減時(shí)間常數(shù)σ,其決定脈沖的寬度;脈沖電流的幅值I0,其決定脈沖的幅值。為研究局放脈沖波形與激勵(lì)的電磁波模式的關(guān)系,首先對(duì)脈沖寬度與電磁波模式的關(guān)系進(jìn)行研究。下面對(duì)幾個(gè)幅值相同,但脈沖寬度不同的局放電流脈沖進(jìn)行仿真分析,脈沖電流幅值均為10mA,時(shí)間衰減常數(shù)σ分別為:0.17、0.37、0.47、0.57、0.67ns,其波形如圖5所示。局放電流脈沖波形不同時(shí)激勵(lì)的電磁波各模式信號(hào)幅值變化如圖6所示。由圖6可知,局放電流脈沖幅值不變,脈沖寬度變大時(shí),電磁波信號(hào)中TEM模信號(hào)幅值基本不變,但各高次模波信號(hào)幅值隨著脈沖寬度變大而變小。這表明電磁波中TEM模式分量與局放脈沖寬度基本無關(guān),但各高次模式分量與局放脈沖寬度相關(guān),脈沖越寬,激勵(lì)的高次模式分量越小。3.2脈沖幅值i0為研究局放脈沖波形與激勵(lì)的電磁波模式的關(guān)系,下面對(duì)局放脈沖幅值與電磁波模式的關(guān)系進(jìn)行仿真分析。局放電流脈沖寬度相同(σ不變),電流幅值I0分別為:10、15、20、25、30mA,如圖7所示。各局放脈沖激勵(lì)的電磁波各模式分量幅值如圖8所示。圖8表明,局放電流脈沖寬度不變,脈沖幅值改變時(shí),其激勵(lì)的電磁波各模式分量幅值均發(fā)生變化,脈沖幅值越大,激勵(lì)的電磁波各模式分量幅值越大。且低次模分量隨幅值變化比高次模分量更大,即TEM模分量受脈沖幅值影響最大。3.3局放電流通道長(zhǎng)度不同時(shí)激勵(lì)的諧波信號(hào)為研究局放電流通道長(zhǎng)度l與激勵(lì)的電磁波模式的關(guān)系,對(duì)通道長(zhǎng)度不同的局放電流脈沖進(jìn)行仿真分析,分別設(shè)置l為1、2、3、4、5cm。局放電流通道長(zhǎng)度不同時(shí)激勵(lì)的電磁波各模式信號(hào)幅值變化如圖9所示。由圖9可見,局放電流通道改變時(shí),其激勵(lì)的電磁波各模式分量幅值均發(fā)生變化,通道長(zhǎng)度越長(zhǎng),激勵(lì)的電磁波各模式分量幅值越大。其中,TEM模和TE11模分量受局放通道長(zhǎng)度影響較大。3.4局放源激勵(lì)的能量激勵(lì)源位置改變時(shí),其在GIS中激勵(lì)的電磁波信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。為研究它們之間的關(guān)系,對(duì)圖2的仿真模型,局放源分別取在GIS內(nèi)導(dǎo)體外表面與外殼之間等距離徑向分布的5個(gè)不同位置進(jìn)行仿真分析,如圖10所示。電磁波各模式分量幅值與局放源位置關(guān)系特性如圖11所示。由圖11表明,當(dāng)局放源位置改變時(shí),局放激勵(lì)的電磁波各模式分量發(fā)生改變。但各模式變化情況不同,其中TEM模和TE11模分量幅值隨著局放源靠近外導(dǎo)體而變小,TE21和TE31模式分量卻隨著局放源靠近外導(dǎo)體而變大。而TM01模式分量幅值卻無明顯規(guī)律,當(dāng)局放源靠近內(nèi)、外導(dǎo)體時(shí)較大而位于兩者中間位置時(shí)較小。4試驗(yàn)與研究4.1gis局放源模擬為驗(yàn)證上述仿真分析中局放電磁波模式特性及其對(duì)UHF檢測(cè)法測(cè)得的局放信號(hào)的影響關(guān)系,建立實(shí)際GIS裝置中人工模擬缺陷產(chǎn)生的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖12所示為試驗(yàn)所用的GIS模型與局放檢測(cè)電路。升壓變壓器為380/150kV,通過限流電阻連接至GIS高壓導(dǎo)體處。加在GIS上的電壓調(diào)節(jié)范圍為0～146kV。GIS內(nèi)導(dǎo)體外徑為5cm,外殼內(nèi)徑為24cm,內(nèi)部充有0.4MPa的SF6氣體。兩個(gè)盆式絕緣子的距離為1m。模擬缺陷為直徑為1mm,長(zhǎng)度為10mm的銅針。分別將銅針固定在高壓導(dǎo)體和外殼處以模擬不同位置的局放源。常規(guī)脈沖電流法由測(cè)量阻抗耦合信號(hào)輸出至局放儀,測(cè)出局放量的大小。UHF傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過UHF放大器后傳輸至Aglient54853A示波器(采樣頻率為20GHz)。4.2高壓導(dǎo)電系統(tǒng)和uhf傳感器的信號(hào)分析采用平面等角螺旋天線作為測(cè)量局部放電信號(hào)的UHF傳感器,該天線具有寬頻帶特性。天線的設(shè)計(jì)帶寬為0.3～3GHz。為改善阻抗匹配,采用無限巴倫饋電。模擬局放缺陷時(shí)先將銅針固定在高壓導(dǎo)體上,升高電壓至50kV時(shí)有局放發(fā)生,脈沖電流法測(cè)得的局放量為2.3pC,UHF傳感器1(φ=0°)、傳感器2(φ=90°)和傳感器3(φ=180°)測(cè)得的信號(hào)如圖13(a)所示。再將銅針固定在GIS外殼上,即局放源靠近外導(dǎo)體,升高電壓至55kV時(shí)有局放發(fā)生,脈沖電流法測(cè)得的局放量為2.5pC,UHF傳感器測(cè)得的信號(hào)如圖13(b)所示。圖13(a)中,UHF傳感器1、傳感器2和傳感器3的信號(hào)大小并不相同,其信號(hào)幅值分別為26.7、17.8和24.2mV。即φ=90°處信號(hào)較小,而φ=0°和φ=180°處信號(hào)較大,這與上文分析的電磁波各模式分布特性相符合。圖13(b)中,傳感器1、傳感器2和傳感器3的信號(hào)幅值分別為38、21.3和33.1mV,與圖13(a)相比各傳感器的信號(hào)幅值更大且差異程度也更大,這表明即使絕緣缺陷類型相同,但絕緣缺陷的位置不同時(shí)檢測(cè)的UHF信號(hào)也存在著明顯的差異。根據(jù)前文電磁波模式特性的分析可知,其原因主要有兩個(gè)方面,一是銅針位于高壓導(dǎo)體和外殼處時(shí)發(fā)生局放時(shí)的電壓不同,且絕緣缺陷處的局部場(chǎng)強(qiáng)特性也不同,導(dǎo)致其局放電流波形不同,因此雖然此時(shí)脈沖電流法測(cè)得的放電量相近,但UHF信號(hào)卻有較大差異。二是當(dāng)局放源位置改變時(shí),其激勵(lì)的電磁波各模式分量也發(fā)生改變,從而導(dǎo)致不同位置的傳感器信號(hào)大小與差異程度也不同,而TEM模分量在局放源靠近外導(dǎo)體較小,因此使得局放源位于外殼處時(shí)不同位置的傳感器測(cè)得的信號(hào)差異程度較大。5安裝傳感器耦合信號(hào)a)局部放電在GIS中激勵(lì)產(chǎn)生TEM波和高次模波,其中TE11(0°)、TE21(0°)、TE31(0°)模式分量為相應(yīng)高次模