gis局部放電檢測的電磁波特性仿真分析

gis局部放電檢測的電磁波特性仿真分析

0gis局放檢測原理及方法自1970年銷售以來，gis（gasverwaltung）已在電氣系統(tǒng)中得到廣泛應用。因為結構緊湊、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。但由于制造和裝配過程中的工藝問題,GIS內部可能會留下一些小缺陷,如金屬毛刺、絕緣氣隙等,這些微小缺陷在GIS運行過程中會發(fā)生局部放電(簡稱局放),逐步發(fā)展成危險的放電通道,并最終造成絕緣擊穿事故。根據(jù)CIGRE的33/23.12工作組的國際調查報告,1985年以前投入運行的GIS的562次故障中絕緣故障達60%,1985年以后投入運行的GIS的247次故障中絕緣故障達51%。因此,對GIS進行局放檢測以發(fā)現(xiàn)設備的早期缺陷對于預防絕緣事故和維護系統(tǒng)的安全運行有著重要意義。GIS內發(fā)生局放時,伴隨有一個很陡的電流脈沖(上升時間<1ns),并在GIS腔體內激勵頻率高達數(shù)GHz的電磁波。UHF(ultrahighfrequency)法通過檢測GIS中局放時產(chǎn)生的超高頻電磁波信號,有效地避開了現(xiàn)場的電暈等干擾,具有靈敏度高、抗干擾能力強、可實現(xiàn)局放源定位和故障類型判別等優(yōu)點,因此,UHF法在GIS現(xiàn)場在線監(jiān)測中得到了廣泛的應用和關注。為提高UHF法檢測局放的有效性,許多學者對GIS中局放產(chǎn)生的電磁波特性特別是其傳播特性進行了研究,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)時具有諧振和模式變換等特性并對電磁波的傳播有著重要的影響,但對電磁波各模式分量與局放源之間的關系論述較少。因此,本文從局放源的激勵特性出發(fā),通過采用時域有限差分法(FDTD)進行仿真計算分析,著重研究了GIS中局放激勵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系特性,進一步揭示了GIS中局放激勵的電磁波的特性,為在實際運用中提高UHF法的有效性打下理論基礎。1同軸導電高次模波的方法原理根據(jù)GIS的結構,可將GIS近似為兩根同軸導體構成的波導系統(tǒng),如圖1所示。內導體為母線,其外半徑為a。外導體為外殼,其內半徑為b。研究表明,GIS中局放激勵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中傳播。TE和TM波是色散波,各自存在截止頻率,只有當電磁波頻率高于其截止頻率時才能在同軸波導中傳播。同軸波導中傳播的各種波型的電磁場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為電場強度矢量;H為磁感應強度矢量;?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為信號角頻率,μ為介質磁導率,ε為介質的介電常數(shù)。TEM模(Ez=0,Hz=0)是同軸波導中的主模,TEM模的場在同軸波導橫截面上的分布與二維靜態(tài)場相同,電磁場滿足下列拉普拉斯方程{?2tE=0;?2tΗ=0。(2)由于邊界條件r=a時,電勢Ф=U0;r=b時,電勢Ф=0。則沿z方向傳播的電磁場量為{Er=U0rln(b/a)e-jkz；Ηφ=Er/η。(3)式中,Er為E場(矢量)在半徑方向的分量;Hφ為H場(矢量)在圓周方向上的分量;η=√μ/ε為波阻抗。同軸波導高次模的分析方法與圓形金屬波導相似,TM模(Hz=0,Ez≠0)磁場只有橫向分量,此時式中,Ez為z軸方向上的電場分量;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,Ez=0可得TE模(Ez=0,Hz≠0)電場只有橫向分量,此時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,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)。當各高次模波的頻率足夠高時,k>kc,則β為實數(shù),行波因子為e-jβz,電磁波沿z軸傳播。當頻率較低時,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,β=0,這是傳輸與截止的分界點,稱為臨界狀態(tài),可用于判斷同軸波導中是否存在高次模波,此時,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),與波導的尺寸有關,m,n對應于m階貝塞爾函數(shù)的第n個根。同軸波導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)生時其激勵的電磁波各模式分布情況,采用FDTD計算程序進行仿真分析,建立仿真模型如圖2所示,其內導體外徑a=5cm,外導體內徑b=25cm,導體材料為鋁。腔體長為2m,兩端設為吸收邊界。局放源位置位于距信號輸出端口0.5m的內導體處。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為衰減時間常數(shù);t0為初始時間。設脈沖電流幅值I0=10mA,σ=0.17ns,t0=0.9ns,局放電流通道長度為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的模波信號如圖4所示。由圖4可見,GIS中局放激勵的電磁波中存在TEM波與高次模波,其中TEM與TE11模式分量信號較大。TE11模有兩個子模式:TE11(0°)、TE11(90°),其中TE11(90°)模式分量信號很小,幾乎為0,TE11(0°)模式為主導性分量。TE21和TE31模亦有2個相應的子模式:TE21(0°)、TE21(45°)和TE31(0°)、TE31(30°),其中TE21(45°)和TE31(30°)分量很小,TE21(0°)、TE31(0°)為相應模式的主導分量。而且,由圖4(a)可知,TE11(0°)、TE21(0°)、TE31(0°)分量中φ為0°和180°時均為電磁波最強區(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。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關鍵因素決定:衰減時間常數(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的電磁波模式的關系,首先對脈沖寬度與電磁波模式的關系進行研究。下面對幾個幅值相同,但脈沖寬度不同的局放電流脈沖進行仿真分析,脈沖電流幅值均為10mA,時間衰減常數(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激勵的電磁波各模式信號幅值變化如圖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,電磁波信號中TEM模信號幅值基本不變,但各高次模波信號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,但各高次模式分量與局放脈沖寬度相關,脈沖越寬,激勵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的電磁波模式的關系,下面對局放脈沖幅值與電磁波模式的關系進行仿真分析。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,其激勵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局放電流通道長度不同時激勵的諧波信號為研究局放電流通道長度l與激勵的電磁波模式的關系,對通道長度不同的局放電流脈沖進行仿真分析,分別設置l為1、2、3、4、5cm。局放電流通道長度不同時激勵的電磁波各模式信號幅值變化如圖9所示。由圖9可見,局放電流通道改變時,其激勵的電磁波各模式分量幅值均發(fā)生變化,通道長度越長,激勵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度影響較大。3.4局放源激勵的能量激勵源位置改變時,其在GIS中激勵的電磁波信號也會發(fā)生變化。為研究它們之間的關系,對圖2的仿真模型,局放源分別取在GIS內導體外表面與外殼之間等距離徑向分布的5個不同位置進行仿真分析,如圖10所示。電磁波各模式分量幅值與局放源位置關系特性如圖11所示。由圖11表明,當局放源位置改變時,局放激勵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體而變小,TE21和TE31模式分量卻隨著局放源靠近外導體而變大。而TM01模式分量幅值卻無明顯規(guī)律,當局放源靠近內、外導體時較大而位于兩者中間位置時較小。4試驗與研究4.1gis局放源模擬為驗證上述仿真分析中局放電磁波模式特性及其對UHF檢測法測得的局放信號的影響關系,建立實際GIS裝置中人工模擬缺陷產(chǎn)生的局部放電檢測系統(tǒng)進行試驗研究。圖12所示為試驗所用的GIS模型與局放檢測電路。升壓變壓器為380/150kV,通過限流電阻連接至GIS高壓導體處。加在GIS上的電壓調節(jié)范圍為0～146kV。GIS內導體外徑為5cm,外殼內徑為24cm,內部充有0.4MPa的SF6氣體。兩個盆式絕緣子的距離為1m。模擬缺陷為直徑為1mm,長度為10mm的銅針。分別將銅針固定在高壓導體和外殼處以模擬不同位置的局放源。常規(guī)脈沖電流法由測量阻抗耦合信號輸出至局放儀,測出局放量的大小。UHF傳感器輸出信號經(jīng)過UHF放大器后傳輸至Aglient54853A示波器(采樣頻率為20GHz)。4.2高壓導電系統(tǒng)和uhf傳感器的信號分析采用平面等角螺旋天線作為測量局部放電信號的UHF傳感器,該天線具有寬頻帶特性。天線的設計帶寬為0.3～3GHz。為改善阻抗匹配,采用無限巴倫饋電。模擬局放缺陷時先將銅針固定在高壓導體上,升高電壓至50kV時有局放發(fā)生,脈沖電流法測得的局放量為2.3pC,UHF傳感器1(φ=0°)、傳感器2(φ=90°)和傳感器3(φ=180°)測得的信號如圖13(a)所示。再將銅針固定在GIS外殼上,即局放源靠近外導體,升高電壓至55kV時有局放發(fā)生,脈沖電流法測得的局放量為2.5pC,UHF傳感器測得的信號如圖13(b)所示。圖13(a)中,UHF傳感器1、傳感器2和傳感器3的信號大小并不相同,其信號幅值分別為26.7、17.8和24.2mV。即φ=90°處信號較小,而φ=0°和φ=180°處信號較大,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的信號幅值分別為38、21.3和33.1mV,與圖13(a)相比各傳感器的信號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檢測的UHF信號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,其原因主要有兩個方面,一是銅針位于高壓導體和外殼處時發(fā)生局放時的電壓不同,且絕緣缺陷處的局部場強特性也不同,導致其局放電流波形不同,因此雖然此時脈沖電流法測得的放電量相近,但UHF信號卻有較大差異。二是當局放源位置改變時,其激勵的電磁波各模式分量也發(fā)生改變,從而導致不同位置的傳感器信號大小與差異程度也不同,而TEM模分量在局放源靠近外導體較小,因此使得局放源位于外殼處時不同位置的傳感器測得的信號差異程度較大。5安裝傳感器耦合信號a)局部放電在GIS中激勵產(chǎn)生TEM波和高次模波,其中TE11(0°)、TE21(0°)、TE31(0°)模式分量為相應高次模