陳鉅棟， 江軍， 楊小平， 李建生， 張潮海

(1. 江蘇省新能源發(fā)電與變換重點實驗室(南京航空航天大學)，江蘇 南京 211106；2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024；3. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

變壓器套管是使導體與變壓器箱體絕緣的一種引線支撐裝置。國際大電網會議(in-ter-na-tion-al coun-cil on large electric systems，CIGRE)變壓器故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，37.8%的變壓器故障原因為套管故障，如末屏引出線斷裂、連接處銹蝕等[1]。在110 kV及以上的電力系統(tǒng)中，油紙絕緣型套管為高壓套管的主要形式，使用比例達93%[2]。整體而言，套管故障具有偶發(fā)性強、故障影響時間長等特點[3]。制造工藝缺陷、末屏引線接觸不良、氣隙缺陷、表面污閃等會引發(fā)套管內外發(fā)生局部放電這一早期絕緣故障現(xiàn)象[4—5]。在局部放電的作用下，套管的絕緣會逐漸老化、變質，進而導致?lián)p壞。因此，加強對套管絕緣的檢測和評估對提高變電設備的安全可靠運行具有重要意義。

傳統(tǒng)的套管局放檢測方法仍以介損和電容測量為主，但該方法局限較多，如需要變壓器停運等，且局部缺陷反映困難，準確性無法保證[6]。為了實現(xiàn)在線監(jiān)測，可通過末屏泄露電流判斷套管的工作狀況，信噪比和實施可行性較高[7—8]，但需改動接地回路，實際操作的安全風險性較高[9—10]。傳統(tǒng)方法可優(yōu)化得到頻域介電譜法(frequency domain spectroscopy,FDS)，其實質是將常規(guī)的工頻介損和電容測量擴展到低頻和高頻頻段(如擴展到0.1 Hz ～1 kHz)[11—13]?？紤]到溫度對測試結果的影響，F(xiàn)DS需要對測試結果進行修正，如歸算到同一溫度、增加溫度校正因子進行轉換等[14—16]，故FDS無法對套管局放進行有效判斷。

為了實現(xiàn)非接觸式的在線監(jiān)測，近年來有學者提出了特高頻法[17—18]，即通過外部非接觸式對套管內部局放產生的特高頻信號進行在線監(jiān)測[19—20]。借鑒氣體絕緣開關(gas insulated substation，GIS)中較為成熟的特高頻電磁波檢測技術[21—22]，可實現(xiàn)局放程度診斷、局放發(fā)展趨勢預判，且不影響實際設備的正常運行?；诖?，文中首先通過理論和仿真分析明確了特高頻電磁波信號的泄露路徑和衰減特性；然后，在35 kV真型套管上人為設置了3種典型的局放故障并開展試驗；最后，對外部實際檢測信號進行分析，進而對特高頻檢測法的可行性進行研究，為后續(xù)套管非接觸式帶電檢測和在線監(jiān)測提供理論和技術支撐。

1 同軸波導理論

套管內部采用多層電容屏，其實質為多層同軸波導結構，如圖1所示。

圖1 變壓器套管同軸波導模型Fig.1 Coaxial waveguide model of transformer bushing

電磁波傳播過程研究可從麥克斯韋方程組出發(fā)，由邊界及其他限制條件求出方程組的解。首先對麥克斯韋方程組進行化簡，得到亥姆霍茲方程為：

(1)

式中：E，H分別為電場和磁場強度；ε，μ分別為波導介質的介電常數(shù)和磁導率；ω為角頻率。

在柱坐標系下進行分解，通過邊界條件得出方程的解為貝塞爾函數(shù)，進而求出各個傳播模式下的截止頻率。

(2)

式中：a，b分別為同軸波導的內、外直徑；v為電磁波在介質中的傳播速率；m，n為不同電磁波的模式。

橫電磁波(transverse electromagnetic wave，TEM)不存在截止頻率，且能在波導中傳播；橫磁波(transverse magnetic wave，TM)截止頻率很高；橫電波(transverse electric wave，TE)截止頻率相對較低。波導結構中傳播的主模為TEM，并存在部分TE。

為得到更接近真實情況的電磁波傳播特性，對分析過程中的某些條件進行修改。實際的介質均存在損耗，有損介質也稱為耗散介質，即電導率σ不為0，且考慮傳導電流JC不為0。為了簡化分析，仍保持介質均勻、線性和各向同性。將麥克斯韋方程組改寫為：

(3)

令：

(4)

式中：α為衰減常數(shù)；β為相位常數(shù)。

代入求解亥姆霍茲方程，得到電磁波在介質中的透入深度為：

(5)

鋁電導率σ為3.4×10-7S/m，磁導率μ為4π×10-7H/m。根據(jù)式(5)，當電磁波頻率f為0.3 GHz時，電磁波透入鋁的深度為4.97 μm。由于存在透入深度，可將透入并損耗的能量等效為電阻上消耗的能量(實際轉化為焦耳熱)。對應單位長度、單位寬度下的表面等效電阻率RS為：

(6)

則由金屬波導壁引起的衰減常數(shù)為：

(7)

油浸紙電導率σ為10-15S/m，f為3 GHz時，其對應的衰減常數(shù)為0.27 dB/m。可以看出，油浸紙電導率很低，絕緣性能良好，電磁波在其內部傳播時損耗很小。此外，可以根據(jù)式(8)計算得到同軸波導中傳播時介質(油浸紙)損耗近似為0。

(8)

式中：λ0為電磁波在空氣中的波長；εr為相對介電常數(shù)。

綜上所述，特高頻電磁波無法穿透電容屏，在波導中的傳輸損耗主要為導體損耗，損耗值較小。理論上來說，電容屏間和外側油道都是特高頻電磁波傳播的有效路徑。

2 35 kV套管局部放電仿真分析

文中采用時域有限差分法(finite difference time domain method，F(xiàn)DTD)進行套管局放仿真。FDTD是用中心差商代替電磁場對時間和空間的偏導，通過時域遞推計算模擬波的傳播過程，得出場分布。仿真模型根據(jù)BRW-36/400-3型35 kV套管實際尺寸1∶1搭建，主要結構包括外部上下瓷套、電容芯子、導桿、均壓罩等。在套管底部設置油箱模擬其實際在變壓器上的工況，電容屏層數(shù)簡化設置為4層且屏間距不變，套管外部設置7層完美吸收層(perfect matched layer，PML)，確保電磁波在外部空間不存在折、反射。模型各部分尺寸、介電常數(shù)、磁導率等參數(shù)均與實際情況一致。

為了模擬實際局部放電的電磁波傳播過程，局部放電等效電路設置為電流源串聯(lián)電阻，放電電流幅值為1 A，電阻為5 Ω。仿真中設置局放源在套管下瓷套表面，探針等距離均勻設置在套管的每層電容屏中間以及油道中，接收在各通道處傳播的電磁波信號，如圖2所示。

圖2 仿真中屏間探針設置Fig.2 Setting of sensors in capacitance in simulation

由此，通過套管內下瓷套沿面放電的局放仿真可以得到電磁波在套管內部的傳播過程，從而分析得出其相關規(guī)律與特性，為后續(xù)試驗提供依據(jù)。電磁波傳播時的坡印廷矢量S隨時間變化的過程如圖3所示?？梢钥闯?，下瓷套沿面放電時，電磁波能傳播到外部且其泄露路徑包括電容屏間及外側油道，與理論分析相吻合。

圖3 下瓷套沿面放電時電磁波的傳播過程Fig.3 Electromagnetic wave propagation process of creeping discharge on the surface of lower porcelain sleeve

電磁波在套管同軸結構中傳播時存在3種不同模式：TE模、TM模、TEM模。TE模和TM模存在截止波長，當信號波長低于截止波長時將會衰減，因此實際電磁波中各分量難以確定。而根據(jù)不同模式電磁波的定義，即TE模在傳播方向上存在磁場分量、TM模在傳播方向上存在電場分量、TEM模在傳播方向上無電場和磁場分量，分析每個探針所接收到的沿傳播方向的E，H分量，即可得到TE模、TM模的傳播特性。而分析沿傳播方向的S分量可得到電磁波整體能量的變化特性。從這3個方面可分析每層波導結構中的電磁波傳播規(guī)律。

TM模、TE模并非傳播的主模，取傳感器S1～S5接收E，H信號在特高頻段的峰值Em，Hm進行分析。o1～o4分別為第1～4層的油紙，oc為油道，仿真結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 傳播方向上的Em變化Fig.4 Variety of Em in propagation direction

圖5 傳播方向上的Hm變化Fig.5 Variety of Hm in propagation direction

對電磁波傳播方向的S波形數(shù)據(jù)進行分析，可從整體上判斷電磁波傳播過程中的能量變化情況。取傳感器接收信號特高頻段S的峰值Sm進行分析，如圖6所示。

圖6 傳播方向上的Sm變化Fig.6 Variety of Sm in propagation direction

分析沿傳播方向的E(TM分量)，H(TE分量)傳播規(guī)律，可以得到：

(1) TM由于截止頻率很高(10 GHz以上)，其進入波導后立刻大幅衰減，雖然E初始能量相對較高，但在特高頻段立刻衰減了近10～40倍；

(2)H的變化規(guī)律并不明顯，呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的波動，但其能量占比不到1%；

(3) 總體而言，TE模和TM模占總體的電磁波的能量很小，因此進一步分析的必要性不高；而傳播的模式主要為TEM模，可在電容屏間及油道進行有效傳播。

根據(jù)理論分析，電磁波進入電容屏間時產生較大衰減，后續(xù)變化較為平穩(wěn)，衰減程度不大，即第1個到第2個傳感器之間衰減較大(高次模波迅速衰減)，后續(xù)衰減很小(介質損耗)。由仿真結果可知，雖然進入不同波導的初始能量明顯不同(電磁波在套管下部油箱內多次折、反射造成)，但整體變化趨勢與理論分析能夠較好吻合。

實際情況下各部件成分更為復雜，不但為非線性、非均勻介質，且在波導內部傳播時會產生介質中的折、反射，導致能量損耗，因此電磁波信號在電容屏間將會衰減更大。由于油道間介質為變壓器油，其線性度和均勻度比油浸紙更高，相對衰減則更小。

3 真型套管局部放電試驗

為驗證理論分析與仿真結果的正確性，采用無故障的35 kV油浸式變壓器套管為試驗模型，且升壓到40 kV時對應局放量小于10 pC。對套管設置如圖7所示的3種故障。

圖7 3種局放故障設置Fig.7 Three partial discharge fault settings

(1) 頂部電暈放電。用絕緣膠帶將針尖末端固定在套管頂部并緊密貼合，針尖尖端伸出5 cm。

(2) 末屏懸浮放電。將末屏接線柱上的防護罩旋開，末屏接線柱未與大地相連，升壓時即可產生穩(wěn)定懸浮電位。

(3) 下瓷套沿面放電。將粗導線與下瓷套表面貼合，并且下端與高壓端均壓罩良好接觸。

試驗布置如圖8所示。在外部設置特高頻傳感器，試驗采用階梯升壓法，每升高2 kV并保持一段時間，觀察有無局放，記錄局放起始電壓、穩(wěn)定局放電荷量等相關數(shù)據(jù)，并繪制譜圖。

圖8 試驗布置Fig.8 Test setup

特高頻段為0.3～3 GHz，根據(jù)采樣定理，采樣頻率應達到所需最高頻率的2.56～4倍甚至更高。但實際采樣時，對于一個工頻周期內的信號，通過包絡檢波電路對實際采集的特高頻信號進行包絡檢波，可大大降低所需的硬件采樣頻率，且保留大部分原始波形特征，便于后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。調整信號放大器增益為40 dB，增益頻帶為0.3～2 GHz。對于具體的放電波形采集，提高采樣率為10 GS/s，采樣周期為100 ns。

對每種放電故障進行采樣，各采集200組數(shù)據(jù)，進行局部放電相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)譜圖繪制，如圖9—圖11所示。其中，幅值采用歸一化設置，相位為0～360°。圖9中套管頂部高壓端電暈放電的起始電壓為35 kV，且隨著電壓升高，局放次數(shù)的增長不明顯，放電主要分布在0～120°和180°～280°范圍內，分布分散，放電量較低。圖10中套管末屏引線柱懸浮放電的起始電壓為6 kV，且發(fā)展很快，8 kV以上時無法維持局放，進而發(fā)展為更為嚴重的電弧放電，這是因為末屏引線柱靠近接地法蘭，較低電壓就能引起局放。末屏懸浮放電分布范圍較窄，主要為0～120°和200°～320°，局放電荷量較高。圖11中套管下瓷套表面沿面放電的起始電壓為15 kV，繼續(xù)升壓可以觀察到單個周期內局放次數(shù)明顯增多，幅值也略有提升但較為穩(wěn)定；升壓到30 kV時，放電主要分布在0～110°，150°～270°，340°～360°，其中穩(wěn)定的局放電量在100 pC左右，最高可達到120 pC。

圖9 頂部電暈放電PRPD譜圖Fig.9 PRPD of corona discharge of last screen

圖10 末屏懸浮放電PRPD譜圖Fig.10 PRPD of suspension discharge of last screen

圖11 下瓷套沿面放電PRPD譜圖Fig.11 PRPD of creeping discharge on the surface of lower porcelain sleeve

下瓷套沿面放電時其信號無法穿透金屬制的油箱及法蘭，而外部實際可檢測到電磁波信號，驗證了仿真的正確性。

3種放電的頻譜圖對比如圖12所示，可以看出，外部放電主要分布在0～0.4 GHz內，而內部放電由于波導的限制，低頻段幾乎沒有信號分布，這也印證了同軸波導的傳輸特性。從頻譜特征來看，電暈放電波動范圍較大，并且整體相對穩(wěn)定；末屏放電在特高頻段分布能量較少，但其放電起始電壓低，放電量高，因此雖然其主峰頻率并不在特高頻范圍內，但實際也能有效檢測；下瓷套沿面放電頻譜主峰在0.3 GHz附近，后續(xù)呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的波動但幅值較低，分布范圍相對更寬。

圖12 3種放電類型頻譜Fig.12 Spectrum of three discharge types

以0.3 GHz為間隔，統(tǒng)計特高頻的各個頻段能量占比，結果如表1所示。3種放電類型中近90%的能量集中在0.3～1.2 GHz之內，但最大能量占比所在頻段各有差別。電暈放電中47.24%的能量集中在0.6～0.9 GHz內，末屏放電整體上為單調下降趨勢，而下瓷套沿面放電能量多分布在較低頻段，且比較平穩(wěn)。

表1 不同放電類型的各個頻帶能量占比Table 1 Energy ratio of different types of partial discharge at each frequency band

綜上分析可知，實際檢測時考慮成本、耗時等因素，可選擇頻帶為0.3～1.5 GHz的特高頻傳感器進行檢測，在采集大部分有效信號的同時降低硬件需求、較少采樣時間。由于不同類型放電具有不同特點，不同放電波形的特征提取及局放模式識別也是后續(xù)研究的重點。

4 結論

文中針對油浸式套管的早期局部放電故障，以35 kV真型套管為研究對象，分析了電磁波在套管中的傳播特性，建立了對應的局放仿真模型，并進行了典型放電類型的試驗，得到如下結論：

(1) 電容屏間和外側油道都是特高頻電磁波傳播的有效路徑。TM由于截止頻率高，其進入波導后立刻大幅衰減(從-16 dB衰減至-5 dB)。TE波雖然截止頻率低，但其成分很少(不足1%)，因此主要成分是TEM。結合仿真和理論分析，實際情況下的電容屏間油紙與理想介質具有一定差距，衰減也相應增大，但其泄露路徑不變。

(2) 套管不同部位不同類型的局部放電特征譜圖明顯不同，因此也可以從放電的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分辨套管的放電類型；而外部傳感器接收到的信號在特高頻段的主要能量集中在0.3～1.5 GHz范圍內，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集與分析提供了參考。

(3) 油浸式套管的結構具有高度相似性(均為同軸波導)，可通過與套管無接觸的特高頻傳感器實現(xiàn)對套管的在線監(jiān)測，并對局放程度進行定量分析，保障變壓器系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

本文得到國網江蘇省電力有限公司科技項目(J2019008)資助，謹此致謝！