gis中超高頻信號(hào)的傳播特性仿真分析

gis中超高頻信號(hào)的傳播特性仿真分析

0uhf傳感器檢測(cè)gis局部放電過程伴隨著電、聲、光和化學(xué)信號(hào)的產(chǎn)生，這些信號(hào)的檢測(cè)形成了不同的局部放電檢測(cè)方法。常見方法包括:脈沖電流法、超聲檢測(cè)法、光檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法和超高頻(UHF)檢測(cè)法等。其中,UHF檢測(cè)法是通過檢測(cè)局部放電發(fā)出的UHF電磁波信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方法。因SF6氣體的電氣強(qiáng)度約為空氣的3倍,發(fā)生局部放電過程非常迅速,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到上升時(shí)間小到70ps的局部放電脈沖,它將在GIS腔體中激勵(lì)頻率≥1.5GHz的電磁波。雖然局部放電的放電脈沖持續(xù)時(shí)間為ns數(shù)量級(jí),但它激勵(lì)的電磁波可能持續(xù)數(shù)μs,故UHF檢測(cè)法檢測(cè)的頻段主要在500～2000MHz,屬于超高頻段,可避開現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)干擾信號(hào)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。GIS中局部放電放電源的位置、放電通道的長度、放電脈沖的波形和幅值以及電磁波傳播過程出現(xiàn)的反射、透射、色散和衰減等可對(duì)UHF傳感器檢測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生影響。本文采用時(shí)域有限差分法(FDTD)討論GIS中電磁波傳播的延遲、反射、諧振和衰減。1局部放電的fmdd結(jié)果時(shí)間延遲仿真模型見圖1,探頭位置為電場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)(接收點(diǎn))位置,內(nèi)導(dǎo)體外徑a=40mm,外導(dǎo)體內(nèi)徑b=300mm,腔體的全長L=4m。放電源為GIS腔體內(nèi)表面上的金屬突出物,距左側(cè)絕緣子2m,其長度l=10mm。接收點(diǎn)A距離放電點(diǎn)1m,接收點(diǎn)B距離接收點(diǎn)A1m。利用FDTD計(jì)算程序分析模型中局部放電傳播的延遲特性。仿真計(jì)算采用的坐標(biāo)系見圖2。剖分使用立方體胞元,胞元的邊長為10mm。剖分后總的計(jì)算場(chǎng)區(qū)為:600×60×60胞元。同軸導(dǎo)體的剖分結(jié)果見圖3。設(shè)局部放電電流脈沖為高斯脈沖,幅值10mA、寬度0.6ns、峰值出現(xiàn)在t=1ns,見圖4。仿真計(jì)算時(shí),設(shè)接收點(diǎn)置于GIS腔體頂部,它對(duì)輸出電壓信號(hào)起作用的有效電場(chǎng)強(qiáng)度分量為Ez。經(jīng)FDTD計(jì)算,接收點(diǎn)A、B的Ez見圖5。因單極電流脈沖與輻射電場(chǎng)是微分關(guān)系,當(dāng)放電脈沖為高斯脈沖時(shí),電流脈沖的上升沿、下降沿對(duì)應(yīng)輻射電場(chǎng)的正、負(fù)脈沖。圖5表明,接收點(diǎn)B比A延遲接收到放電脈沖信號(hào)。根據(jù)圖1接收點(diǎn)A所在截面與局部放電所在截面的直線距離d=100cm,電磁波傳播速度v=3×108m/s,脈沖出現(xiàn)約在0.8ns時(shí)刻,故接收點(diǎn)A處應(yīng)在t=3.8ns接收到第一個(gè)脈沖信號(hào),與圖5計(jì)算的結(jié)果基本一致,接收點(diǎn)B的情況與此類似。上述分析僅考慮接收點(diǎn)所在截面距離局部放電所在截面的直線傳播路徑,實(shí)際上局部放電點(diǎn)和接收點(diǎn)間有無限條傳播路徑,這使接收點(diǎn)接收到的電磁波比局部放電脈沖持續(xù)的時(shí)間長得多。原始局部放電信號(hào)通過不同路徑,在不同時(shí)間以不同的幅值到達(dá)接收點(diǎn)處,使得在縱向的反射發(fā)生之前發(fā)生了Sellars所稱“二維諧振”,圖5的仿真結(jié)果反映了該過程。圖5表明,在距離局部放電處的不同位置接收點(diǎn),局部放電發(fā)射的電磁波能量到達(dá)該點(diǎn)所需時(shí)間不同。故采用超高頻檢測(cè)法,通過在GIS的不同位置安裝UHF傳感器,利用它們接收局部放電信號(hào)的不同時(shí)間差,確定局部放電的位置,可實(shí)現(xiàn)局部放電點(diǎn)的大致定位。2振幅頻率及信號(hào)模型GIS電磁波由放電點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)的過程中,遇到波阻抗不連續(xù)點(diǎn)(絕緣子、交叉接頭、彎角、TA、TV等)并發(fā)生反射和透射。一部分電磁波被反射,入、反射電磁波疊加出現(xiàn)諧振,不連續(xù)點(diǎn)間的長度是傳播電磁波半波長的整數(shù)倍時(shí)形成駐波。另一部分電磁波透射不連續(xù)點(diǎn),透射波與入射波的能量相比有一定衰減。長度為L的GIS腔體視為同軸諧振腔,傳播的各種模式電磁波諧振頻率公式為:fmnp=f2c(m,n)+(pv/2L)2????????????????√,fmnp=fc2(m,n)+(pv/2L)2,式中,m、n表示計(jì)算的模式,fc(m,n)表示該模式的截止頻率,p表示諧振的階數(shù)?？紤]GIS中信號(hào)傳播的諧振現(xiàn)象,諧振仿真模型見圖6,其a=40mm,b=380mm,兩絕緣子間的距離為50cm,L=1.5m。由FDTD算得的接收點(diǎn)電場(chǎng)信號(hào)見圖7,可見,諧振使信號(hào)衰減緩慢。信號(hào)包絡(luò)的衰減常數(shù)是μs數(shù)量級(jí),諧振過程使電場(chǎng)信號(hào)的波形更復(fù)雜。圖8為A點(diǎn)接收的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)頻譜,其中場(chǎng)強(qiáng)譜密度表示單位頻帶內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)隨頻率的變化情況。3介質(zhì)填充介質(zhì)的傳輸機(jī)理GIS局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)在傳播過程中的衰減主要有兩種原因:①金屬導(dǎo)體和填充介質(zhì)的不純凈以及傳播模式截止頻率fc的作用產(chǎn)生損耗;②電磁波信號(hào)在GIS中的不連續(xù)處產(chǎn)生損耗。3.1同導(dǎo)波系統(tǒng)的衰減曲線在同軸導(dǎo)波系統(tǒng)中,終端匹配時(shí)傳播的只有入射沒有反射波。此時(shí)傳輸?shù)墓β士捎蓹M截面上的坡印廷矢量積分:P=12Z∫S|E|2dS=Z2∫S|H|2dSΡ=12Ζ∫S|E|2dS=Ζ2∫S|Η|2dS求得。式中E和H分別為橫截面內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度,Z為波阻抗。實(shí)際GIS同軸導(dǎo)波系統(tǒng)因?qū)w壁為非理想導(dǎo)體而有損耗,同時(shí)填充介質(zhì)并非理想的無耗介質(zhì)。故電磁波在同軸導(dǎo)波裝置中傳播時(shí)伴隨衰減。一般同軸導(dǎo)波裝置中的填充介質(zhì)是氣體,介質(zhì)損耗相對(duì)很小,可忽略。實(shí)際計(jì)算只考慮導(dǎo)體的有限電導(dǎo)率引起的損耗,FDTD計(jì)算的長直腔體單位長度衰減曲線見圖9,a=0.05mm,b=0.25mm。TEM為橫電磁波,TE為橫電波,TM為橫磁波,TE11,TE12,TE21,TM01,TM11,TMmn分別對(duì)應(yīng)橫電、磁波下m=0,1,2和n=1,2時(shí)的模式。由圖9可見,各模式衰減曲線的峰值對(duì)應(yīng)頻率接近fc,是因信號(hào)在GIS腔體中傳播一定的距離要經(jīng)歷大量反射,越接近fc單位長度信號(hào)經(jīng)歷反射次數(shù)越多。同時(shí)fc處的高衰減率帶寬很小。有限電導(dǎo)率金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的信號(hào)衰減系數(shù)約3～5dB/km。3.2狀態(tài)差異及仿真結(jié)果分析GIS中的絕緣子包括盆式絕緣子、支撐絕緣子等。為簡(jiǎn)化計(jì)算,采用平板絕緣子模型。絕緣子材料的相對(duì)介電常數(shù)εr=6,厚度為5cm。絕緣子衰減分析模型見圖10。仿真計(jì)算結(jié)果見圖11、12。圖11可見,信號(hào)經(jīng)過絕緣子后幅值衰減。A處第一對(duì)脈沖后的波動(dòng)為信號(hào)在絕緣子處的反射。由圖12可見,有些頻率的信號(hào)增益>0dB,是該頻率信號(hào)在GIS腔體中發(fā)生諧振;信號(hào)經(jīng)絕緣子后平均衰減3dB。3.3信號(hào)衰減的頻率T型接頭模型見圖13。探頭A、B和C處接收到的有效電場(chǎng)分量見圖14。探頭B和C處信號(hào)相對(duì)探頭A處信號(hào)的衰減分別見圖15(a)、(b)。圖16為探頭B和C處相對(duì)A處信號(hào)衰減時(shí)相對(duì)于頻率的平均值。由圖可見,信號(hào)通過T型接頭后經(jīng)拐彎路徑比直線路徑的信號(hào)衰減嚴(yán)重。在超高頻范圍內(nèi),拐彎、直線路徑的信號(hào)衰減平均分別為10、2dB。4超高頻信號(hào)在gis腔體中的衰減a)GI