陳瑋任，張文斌*，王立哲，喬禹寧，李銀城

（1. 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650504；2. 昆明理工大學(xué)理學(xué)院，昆明 650504）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear）憑借其占地面積小、可靠性高的特點(diǎn)在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用，從上世紀(jì) 80年代我國開始大規(guī)模使用GIS設(shè)備以來，GIS及其配套設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1-5]。但是，由于GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制造和裝配過程中難免會產(chǎn)生諸如部件松動、導(dǎo)體毛刺、污穢絕緣子表面、內(nèi)部異物等缺陷，部分缺陷在投入使用后會發(fā)生局部放電，逐漸導(dǎo)致放電擊穿并引發(fā)事故[6-9]。所以，為了保證電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，對GIS設(shè)備進(jìn)行局部放電檢測是十分必要的。近年來，特高頻法憑借靈敏度高、檢測頻率高、檢測頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的局部放電在線監(jiān)測[10-11]。GIS局部放電UHF檢測方法在現(xiàn)場應(yīng)用中存在的主要問題是傳感器的布置方案沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，不同的GIS傳感器布置方案有很大的差異，造成這些問題的原因主要是對于局放UHF電磁波信號在GIS結(jié)構(gòu)中的激發(fā)、傳播和衰減的規(guī)律研究不足。所以，在應(yīng)用UHF法進(jìn)行局部放電信號檢測工作前，首先要對局部放電UHF電磁波信號在GIS內(nèi)部的傳播規(guī)律進(jìn)行研究。

華北電力大學(xué)的研究人員利用時域有限差分法（FDTD）對 GIS上盆式絕緣子金屬法蘭澆筑孔處的電場強(qiáng)度分布和頻譜特性進(jìn)行了仿真研究[12-15]。上海交通大學(xué)的研究人員利用FDTD法研究了GIS中局部放電激勵的電磁波信號模式分布特性以及各模式分量與局放源之間的關(guān)系[16-17]。西安交通大學(xué)的研究人員利用FDTD算法研究了局放電磁波信號在L形和T形結(jié)構(gòu)中不同方向上的衰減過程,總結(jié)了每種情況下的電場傳播規(guī)律和耦合電壓的累計(jì)能量[18-22]。但是國內(nèi)外的大部分研究均是基于仿真方法對 GIS內(nèi)部的局放 UHF信號的傳播特性進(jìn)行研究，缺乏現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的論證，且對于可等效為一個微波網(wǎng)絡(luò)的GIS腔體而言，利用電流或電壓幅值的變化并不能完全的反映出GIS腔體對UHF頻段內(nèi)信號的傳輸特性。

鑒于此，本文首先基于有限元法（FEM）對GIS腔體中不同結(jié)構(gòu)的S參數(shù)進(jìn)行了仿真研究，主要結(jié)構(gòu)為直腔體、L形腔體和T形腔體。此外，為了與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，在云南永仁500KV變電站GIS結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將等效脈沖通過UHF傳感器注入到GIS腔體中，利用外置式在線監(jiān)測傳感器檢測不同位置處的信號，并計(jì)算出經(jīng)過不同結(jié)構(gòu)的S參數(shù)值，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真結(jié)論的合理性，為UHF在線監(jiān)測傳感器現(xiàn)場布置提供了依據(jù)。

1 GIS中電磁波傳播特性理論分析

同軸波導(dǎo)是由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體組成的雙導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)，其形狀如圖1所示。內(nèi)導(dǎo)體直徑為2a，外導(dǎo)體的內(nèi)直徑為2b，內(nèi)外導(dǎo)體均為理想導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間填充參數(shù)為ε、μ的理想介質(zhì)，同軸波導(dǎo)系統(tǒng)不僅可以傳輸TEM波，TE波和TM波也可以被傳輸。設(shè)電磁波沿+z方向傳播，相應(yīng)的場為時間諧波場，波導(dǎo)內(nèi)電磁場的復(fù)數(shù)形式為：

圖1 同軸波導(dǎo)Fig.1 Coaxial waveguide

根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其等效成同軸波導(dǎo)系統(tǒng)，在 GIS內(nèi)部填充的 S F6氣體磁導(dǎo)率和介電常數(shù)均約等于1，壓力為0.45 Mpa。當(dāng)GIS中發(fā)生局部放電時，脈沖電流會激發(fā)出TEM波、TE波和TM 波，它們在高于各自截止頻率的頻段傳播。截止頻率取決于同軸波導(dǎo)的尺寸和傳輸介質(zhì)。如圖 1所示，將GIS等效為同軸線，在圓柱坐標(biāo)系中描述局部放電脈沖以及其激發(fā)的超高頻電磁波，可得沿+z 方向傳輸?shù)腡EM波的電場和磁場分別為：

對于TM波，mnTM 模波截止頻率：

對于TE波，mnTE 模波截止頻率：

當(dāng)不計(jì)損耗時，根據(jù)電磁場理論也可以通過計(jì)算得出同軸波導(dǎo)的波阻抗為：

式中，c為光速，ε和μ是內(nèi)外導(dǎo)體間電介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，m和n表示電磁波的模數(shù)。

由以上所述可知，GIS腔體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個良好的波導(dǎo)系統(tǒng)，且由于GIS內(nèi)產(chǎn)生的UHF信號頻段在300 MHz-3 GHz范圍內(nèi)，屬于微波范疇，所以可以將整個傳輸結(jié)構(gòu)看成一個微波網(wǎng)絡(luò)。S參數(shù)，也就是散射參數(shù)，是微波傳輸中的一個重要參數(shù)。其中21S 為正向傳輸系數(shù)，反映了信號在傳輸過程中的增益。

2 UHF信號傳播特性仿真分析

2.1 HFSS仿真軟件介紹

HFSS是一個基于四面體網(wǎng)格元交互仿真系統(tǒng)的全波三維電磁仿真軟件，采用有限元法計(jì)算三維模型的電磁場。具有仿真精度高、計(jì)算速度快、操作界面方便易用、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為電磁場分析設(shè)計(jì)的重要工具[21-22]。本文利用HFSS對局部放電UHF頻段內(nèi)的信號在GIS模型中的21S 參數(shù)進(jìn)行了掃頻分析，根據(jù)實(shí)際高壓電力系統(tǒng)中的GIS結(jié)構(gòu)，建立了簡化的直腔體、L型和T型模型，利用21S 參數(shù)反映GIS中典型結(jié)構(gòu)對局部放電產(chǎn)生的電磁波信號的傳輸和衰減特性。

圖2 HFSS求解過程Fig.2 HFSS solution process

2.2 GIS中S參數(shù)仿真分析

2.2.1 GIS仿真模型

本文利用500KV電壓等級的GIS直腔體、L型和T型三種典型結(jié)構(gòu)對局放UHF電磁波傳輸及衰減特性進(jìn)行仿真研究，且利用21S 進(jìn)行表征。三個典型結(jié)構(gòu)模型如圖3至圖5所示，結(jié)構(gòu)的長度均設(shè)置為6000 mm，外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體半徑分別為 270 mm、60 mm，壁厚設(shè)置為10 mm。

圖3 直腔體模型Fig.3 Straight cavity model

圖4 L型模型Fig.4 L-shaped model

圖5 T型模型Fig.5 T-shaped model

在仿真過程中，將局放端口設(shè)置為局放UHF信號的激發(fā)源，在GIS中設(shè)置波端口，觀察兩端口之間的21S 參數(shù)，分析GIS結(jié)構(gòu)對局放UHF信號的傳播特性。在仿真過程中，端口1所在的位置設(shè)為基準(zhǔn)位置，局放端口與端口1的21S 參數(shù)值為基準(zhǔn)值，其它端口相對于基準(zhǔn)位置的衰減規(guī)律通過與基準(zhǔn)值的差值體現(xiàn)。同時，本文主要研究的是GIS典型結(jié)構(gòu)腔體對UHF局放信號的傳播衰減情況，不考慮其它影響因素，故將復(fù)雜的GIS結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化忽略了法蘭和盆式絕緣子對UHF電磁波信號的影響

UHF局部放電信號頻段范圍為 0.3-3 GHz，在實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)3 GHz左右的高頻分量較少，故在HFSS仿真參數(shù)設(shè)置中，將脈沖激勵源信號上升時間設(shè)置為 1 ns（10%-90%），同時，中心頻率設(shè)為2.5 GHz，掃頻范圍為0.3-2.5 GHz，在局放端口設(shè)置功率為1W的激勵源。

2.2.2 仿真結(jié)果分析

（1）直腔體仿真

直腔體仿真模型如圖 3所示，直腔體長度為6000 mm，為了避免誤差在局放端口之后每隔1米設(shè)置了1個端口，由于本文研究的主要是UHF信號在GIS腔體中的傳輸特性，而端口6不在直腔體內(nèi)，UHF信號傳輸會受到影響，故不對端口6的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，默認(rèn)局放端口為0。圖6為仿真后21S 參數(shù)的結(jié)果。

圖6 直腔體仿真S21參數(shù)Fig.6 Straight cavity simulation S parameters

由于在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中不可能對 UHF頻段中的每一個頻率成分進(jìn)行測量分析，所以在仿真時以UHF頻段內(nèi)21S 參數(shù)的平均值來表征信號的衰減值用iD表示，以端口1所測的21S 參數(shù)為基準(zhǔn)值，計(jì)算UHF信號通過各端口相對于 1端口的衰減值（dB），如式（7）所示，通過式（8）計(jì)算UHF信號在直腔體中每隔1m的衰減量的平均值。

由式（7）和（8）可以得出，在GIS直腔體中，UHF電磁波信號的衰減為-2.3dB/m。

（2）L型模型仿真

L型模型如圖4所示，模型總長度為6000 mm，局放端口一側(cè)長度為 3500 mm，另一側(cè)長度為2500 mm，由于在直腔體仿真中已經(jīng)計(jì)算出直腔體對UHF信號的衰減特性，所以只在兩個邊界端口內(nèi)側(cè)500 mm分別設(shè)置1個端口用來觀察UHH在L型腔體中的衰減，圖7為仿真后21S 參數(shù)的結(jié)果。

圖7 L型腔體仿真S21參數(shù)Fig.7 L-shaped model simulation S parameters

以端口1所測的21S 參數(shù)為基準(zhǔn)，端口1到端口2的衰減值即為UHF電磁波信號在L型腔體中的衰減，又由于L型腔體中存在直腔體結(jié)構(gòu)，故在L型腔體中存在直腔體衰減，則

通過式（9）可得，UHF信號通過L型腔體的衰減為9.4 dB。

（3）T型模型仿真

T型模型如圖5所示，模型橫向長度為6000 mm，縱向長度為3500 mm，3個邊界端口內(nèi)側(cè)500 mm處均設(shè)置一個端口用來觀察UHF電磁波信號在T型腔體中的衰減特性，三個端口分別命名為1-3。仿真后端口1-3的21S 參數(shù)如圖8所示。

圖8 T型腔體仿真S21參數(shù)Fig.8 T-shaped model simulation S parameters

以端口1所測的21S 參數(shù)為基準(zhǔn)，端口1到端口2的衰減值即為UHF電磁波信號在T型腔體中直腔體衰減，端口1到端口3的衰減值即為UHF電磁波信號在T型腔體中L腔體衰減，又由于在L型腔中不僅有L型衰減還有直腔體衰減，故：

（注：DT-I意為在T型腔體中I型部分的衰減，DT-L意為在T型腔體中L型部分的衰減。）

通過式（10）和（11）可知，UHF信號通過T型腔體時，I型部分衰減為-4.6 dB，L型部分衰減為-10.1 dB。通過上述仿真總結(jié)，我們可以得到表格1。需要指出的是，在L型模型和T型模型的仿真結(jié)果中可以看到有明顯震蕩，這是由于UHF電磁波信號在L和T型模型中會產(chǎn)生折反射并形成駐波而造成的，對仿真結(jié)果不產(chǎn)生影響。

表1 典型結(jié)構(gòu)衰減表Tab.1 Typical structure attenuation table

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在云南永仁新投運(yùn)的500kV變電站GIS上進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，通過特高頻傳感器測量GIS典型結(jié)構(gòu)各位置的電壓幅值，將傳感器測得的電壓幅值轉(zhuǎn)化為 dB單位相減，可以求出電磁波信號經(jīng)過不同結(jié)構(gòu)的21S 參數(shù)值。此次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的GIS是在運(yùn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場存在較大的背景噪聲值，故在實(shí)驗(yàn)過程中注入脈沖信號源的幅值為400 V，脈沖上升沿小于1 ns，頻率為50 Hz，注入脈沖信號波形如圖9所示。實(shí)驗(yàn)所用的傳感器為GIS特高頻局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)自帶外置式傳感器，安裝在GIS絕緣盆子金屬法蘭小孔處。每個傳感器由不銹鋼扎帶進(jìn)行固定，如圖10所示，采用這種安裝方式，不僅可以將傳感器固定在GIS絕緣盆子金屬法蘭小孔處，而且不銹鋼扎帶能對外界的電磁干擾信號進(jìn)行有效的屏蔽，使得外置式傳感器接收到的信號為GIS內(nèi)部信號。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)為新投運(yùn)設(shè)備，其外置式傳感器一致性較好，并且安裝前均經(jīng)過GTEM小室標(biāo)定，傳感器等效高度高于8.0 mm，符合國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 注入脈沖信號波形圖Fig.9 Injection pulse signal waveform

圖10 傳感器安裝示意圖Fig.10 Sensor installation diagram

在本次實(shí)驗(yàn)中，通過與傳感器相鄰的澆筑孔向GIS腔體中注入電壓相同、頻率相同的模擬脈沖信號，傳感器的輸出信號由監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控后臺讀取，需要說明的是脈沖信號通過澆筑孔注入GIS腔體時不可避免的會將一部分信號泄露到周圍環(huán)境中，由于傳感器本身除信號接收部分外其他部分均為鋁合金材質(zhì)其厚度和安裝時使用的不銹鋼扎帶厚度均大于UHF信號最低頻率趨膚深度，可有效屏蔽外界電磁波，所以能保證實(shí)驗(yàn)過程中外置式傳感器所接收到的信號為GIS腔體內(nèi)部通過絕緣盆子金屬法蘭小孔輻射出的信號。

GIS中所包含的典型結(jié)構(gòu)主要有直腔體、L型腔體、T型腔體、斷路器和 CT等結(jié)構(gòu)，局部放電UHF電磁波信號在通過不同結(jié)構(gòu)時其信號的衰減量不同?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)傳感器測點(diǎn)分布如圖11所示，傳感器1、2、3、4接收信號，通過傳感器監(jiān)控后臺觀察各位置傳感器接收到的信號，各位置幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見如表2。

衰減量的計(jì)算公式為

圖11 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)傳感器測點(diǎn)分布Fig.11 Field experimental sensor measurement point distribution

表2 各個位置傳感器檢測到注入U(xiǎn)HF信號幅值Tab.2 Each position sensor detects the amplitude of the injected UHF signal

在式（12）中：iu為第i個傳感器測得的脈沖信號幅值，1iu+為第 1i+個傳感器測得的脈沖信號幅值。通過1號和2號傳感器所測信號的幅值可以計(jì)算出 UHF電磁波信號在這兩個傳感器之間的直腔體衰減-4.9 dB，通過測量可得 1、2號傳感器相距2.35 m，所以 UHF信號在直腔體中的衰減值為-2.1 dB/m。通過2號和3號傳感器所測到的電壓幅值可以計(jì)算得出UHF信號在 U型結(jié)構(gòu)（斷路器類型）中的衰減為-11.8 dB。通過1和3號傳感器所測電壓幅值可以計(jì)算得出UHF信號在L型結(jié)構(gòu)中的衰減為-16.8 dB，通過2和4號傳感器所測到的電壓幅值可以計(jì)算得出UHF信號通過T型結(jié)構(gòu)（類似于隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)）衰減-19.7 dB。

需要注意的是在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，UHF電磁波信號在通過L型和T型結(jié)構(gòu)時均存在直腔體衰減，減去直腔體衰減后各典型結(jié)構(gòu)衰減量統(tǒng)計(jì)如下表所示。

表3 UHF電磁波信號通過各典型結(jié)構(gòu)衰減量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of attenuation of UHF electromagnetic signal through typical structures

對表3的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，注入的UHF脈沖信號經(jīng)過 T型和 U型結(jié)構(gòu)時信號的衰減量較大，其值均在10 dB以上，經(jīng)過直腔體和L型腔體衰減量較小，與HFSS中仿真結(jié)果相似。

4 總結(jié)

（1）本文通過電磁波理論對GIS中局部放電產(chǎn)生的 UHF信號在同軸波導(dǎo)中的傳輸模式進(jìn)行了分析，并且將GIS同軸波導(dǎo)等效為微波網(wǎng)絡(luò)，利用微波網(wǎng)絡(luò)中的21S 參數(shù)反映了信號在傳輸過程中的增益。

（2）通過三維繪圖軟件建立了500 kV GIS典型結(jié)構(gòu)模型，使用基于有限元法的仿真軟件 HFSS搭建了GIS局部放電UHF信號在GIS中的傳輸特性仿真模型，最后利用不同端口之間的21S 參數(shù)值來反映UHF頻段內(nèi)信號在GIS結(jié)構(gòu)中的傳播衰減特性，直腔體衰減為-2.3 dB/m，L形腔體衰減為-9.4 dB，T形腔體衰減為-4.6 dB（I形部分）和-10.1 dB（L形部分）。

（3）為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文通過云南永仁500 kV變電站對UHF信號在500 kV GIS腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播衰減特性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)注入脈沖信號在U型和T型結(jié)構(gòu)中衰減較大，其衰減值均在10 dB以上，經(jīng)過直腔體和L型結(jié)構(gòu)衰減較小，與仿真結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)論的合理性。