杜志葉 郝兆揚(yáng) 趙鵬飛 王 恒 郝 乾

適用于聲源定位的氣體絕緣輸電線路超聲導(dǎo)波傳播特性研究

杜志葉1郝兆揚(yáng)1趙鵬飛1王 恒2郝 乾2

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院 武漢 430072 2. 武漢朗德電氣有限公司 武漢 430205）

基于到達(dá)時間差（TDOA）的聲源定位方法是當(dāng)前氣體絕緣輸電線路（GIL）故障定位的主要方式，聲波在GIL結(jié)構(gòu)上的傳輸特性深刻影響著定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步提升故障定位精度，該文提出了考慮導(dǎo)波頻散與多模態(tài)特性的GIL殼體聲傳輸分析模型，以典型220 kV GIL管段為研究對象，建立聲波傳輸有限元模型，研究了導(dǎo)波特性對故障定位的影響，確定了適用于故障定位的超聲導(dǎo)波模態(tài)以及GIL非直管結(jié)構(gòu)對該模態(tài)導(dǎo)波的衰減與時延量，通過現(xiàn)場定位試驗驗證了分析模型的可行性，為GIL聲源故障定位系統(tǒng)的傳感器配置與定位閾值設(shè)置提供了計算依據(jù)。結(jié)果表明，在20～60 kHz頻帶內(nèi)，F(xiàn)(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波具有能量高、波形形狀穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使用該模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行故障定位精度較高。GIL非直管結(jié)構(gòu)會對F(1,1)模態(tài)導(dǎo)波造成較大的幅值衰減與一定程度的時延，在故障定位中考慮非直管結(jié)構(gòu)衰減與時延影響可以使定位誤差降低60%以上。

氣體絕緣輸電線路（GIL） 故障定位 到達(dá)時間差（TDOA） 超聲導(dǎo)波 傳播特性

0 引言

伴隨著我國“雙碳”目標(biāo)的逐步推進(jìn)以及新型電力系統(tǒng)建設(shè)的進(jìn)一步加快，開發(fā)并接納更高比例的新能源勢在必行。作為一種新型的電能輸送方式，氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated transmission Line, GIL）可針對性地解決新能源開發(fā)中能量密度低、占地面積大、源端環(huán)境復(fù)雜等特性帶來的電能送出難問題[1-2]，已廣泛應(yīng)用于我國水電站、核電站建設(shè)中，在大規(guī)模海上風(fēng)電場電能匯集與特高壓輸電通道特殊地形跨越等方面也存在廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。

GIL在結(jié)構(gòu)上類似于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas-Insulated Switchgear, GIS）母線，但其長度遠(yuǎn)超后者，同時還包含大量的伸縮節(jié)、氣隔單元等非直管結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在GIS上的一系列在線監(jiān)測方法需根據(jù)GIL自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化，以滿足監(jiān)測系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的要求。相比于人工監(jiān)聽法、化學(xué)檢測法等傳統(tǒng)GIS故障定位方法，基于到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival, TDOA）的聲源定位方法作為一種非侵入式的在線監(jiān)測方式，可較好地兼顧GIL絕緣故障定位快速性與精確性的需求，已逐步配置于近年新建GIL項目中[5-7]。

聲波自聲源發(fā)出后，受被測物結(jié)構(gòu)限制主要在其結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播，聲波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性是影響基于TDOA定位方法準(zhǔn)確度的主要因素。20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對聲波在短距離GIS母線中的傳播理論[8-10]、傳播路徑[11-12]與幅值衰減情況[13-15]開展了相應(yīng)的研究。近年來，為完善GIL聲定位理論，一些學(xué)者分析了GIL直管區(qū)段的聲場分布[16]、聲頻譜特性[17]，以及GIL伸縮節(jié)、氣隔單元等非直管結(jié)構(gòu)的聲衰減量[18]與時延量[19]。實際上，聲波沿GIL殼體傳輸時具有頻散與多模態(tài)特性，頻散指聲波速度隨著頻率的變化而改變；多模態(tài)指沿GIL殼體傳播的聲波存在多種模態(tài)，同頻率下不同模態(tài)的聲波具有不同的聲速?，F(xiàn)階段研究一般將GIS/GIL內(nèi)傳播的聲波簡化為速度恒定的橫、縱波，未考慮頻散與多模態(tài)特性對聲波傳輸帶來的復(fù)雜影響，研究成果與實際存在偏差，難以對定位系統(tǒng)精度的提升形成有效指導(dǎo)。

鑒于此，本文提出了一種考慮導(dǎo)波頻散與多模態(tài)特性的GIL殼體聲傳輸分析模型，通過聲-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值仿真研究聲波在GIL典型區(qū)段的傳播特性，確定適用于故障定位的超聲模態(tài)以及該模態(tài)經(jīng)過GIL伸縮節(jié)、氣隔盆子等非直管結(jié)構(gòu)的衰減與時延情況，為GIL聲源定位系統(tǒng)配置提供指導(dǎo)，對于GIL故障定位精度的提升具有重要的意義。

1 GIL內(nèi)聲波傳播基本理論

1.1 GIL故障定位聲傳播概述

GIL內(nèi)部發(fā)生放電性故障時，故障點(diǎn)附近的SF6發(fā)生膨脹壓縮，產(chǎn)生以球狀波陣面形式擴(kuò)散傳播的聲波[20]。聲波在SF6中傳播時僅有縱波一種形式，到達(dá)GIL殼體后將轉(zhuǎn)換為縱向波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波等多種形式，以不同的速度沿著GIL殼體傳播，其波形轉(zhuǎn)換情況遵循聲波的折反射定律[21]。

聲波從聲源傳播至位于GIL殼體表面的聲發(fā)射傳感器存在多種路徑，由于金屬介質(zhì)中聲波傳播速度快且損耗小，從聲源點(diǎn)以直線最短距離傳播至GIL殼體并沿殼體繼續(xù)傳播的直達(dá)聲波將最早到達(dá)傳感器并用于故障定位[22]。因為該聲波的傳播路徑主要位于GIL殼體，因此其在GIL殼體內(nèi)的傳播特性決定著故障定位結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1.2 聲傳播基本方程及耦合關(guān)系

直達(dá)聲波的傳播路徑涉及SF6氣體與GIL金屬殼體兩類介質(zhì)。將GIL內(nèi)的SF6看作理想氣體，可以用聲壓波動方程描述聲波在SF6中傳播的基本規(guī)律[23]，即

將GIL金屬殼體看作線彈性體，根據(jù)彈性動力學(xué)的位移解法，可以用以位移表示的運(yùn)動微分方程描述聲波在GIL殼體中傳播的基本規(guī)律[24]。

在流-固交界面上，兩種介質(zhì)所滿足的邊界條件可以用式（3）表示，其中上標(biāo)A表示固體介質(zhì)，上標(biāo)B表示流體介質(zhì)。

1.3 聲導(dǎo)波在GIL殼體結(jié)構(gòu)中的傳播理論

GIL殼體可近似為長距離圓柱殼波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，存在內(nèi)、外兩個流-固交界面，沿GIL殼體傳播的聲波不斷在兩個交界面發(fā)生折、反射，橫波與縱波干涉耦合形成聲導(dǎo)波，其在GIL殼體中的傳播情況如圖1所示。

圖1 聲導(dǎo)波在GIL殼體中的傳播情況

聲導(dǎo)波的傳播特性與波導(dǎo)邊界條件有關(guān)。將時諧波通解與圓柱殼內(nèi)、外表面的應(yīng)力邊界條件引入式（2），經(jīng)過變換得到描述GIL殼體中導(dǎo)波傳播情況的頻率方程[25]為

式中，為6×6系數(shù)矩陣中的元素，描述了波數(shù)、角頻率、GIL殼體內(nèi)外徑及殼體材料參數(shù)間的復(fù)雜關(guān)系。通過數(shù)值方法求解上述隱式超越方程，可以得到描述波速度和頻率之間關(guān)系的頻散曲線。

根據(jù)國產(chǎn)某型220 kV GIL結(jié)構(gòu)尺寸，繪制導(dǎo)波在其殼體中傳播的群速度頻散曲線，如圖2所示。

圖2 220 kV GIL殼體內(nèi)導(dǎo)波群速度頻散曲線

圖2中的每一條曲線代表導(dǎo)波的一種模態(tài)，可以看出，在0～100 kHz范圍內(nèi)，沿GIL殼體結(jié)構(gòu)傳播的導(dǎo)波模態(tài)主要有六種，包括縱向波L(0, 1)和 L(0, 2)，扭轉(zhuǎn)波T(0, 1)，彎曲波F(1, 1)、F(1, 2)和F(1, 3)。當(dāng)導(dǎo)波頻率在5 kHz以下時，GIL中只存在低階的縱向波L(0, 1)、扭轉(zhuǎn)波T(0, 1)及彎曲波 F(1, 1)三種模態(tài)，其中縱向波和彎曲波存在頻散情況，而扭轉(zhuǎn)模態(tài)波的群速度和頻率無關(guān)；當(dāng)頻率上升到5 kHz以上時，逐漸出現(xiàn)L(0, 2)、F(1, 2)和F(1, 3)等新的模態(tài)，各模態(tài)的能量分布與激勵方式有關(guān)。

2 導(dǎo)波模態(tài)對GIL聲源故障定位的影響

2.1 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)圖2可以看出，GIL殼體內(nèi)傳播的導(dǎo)波在同一頻率下存在多種模態(tài)。為探究導(dǎo)波模態(tài)對GIL聲源故障定位的影響，按上述220 kV GIL結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建40 m長GIL直管段聲-結(jié)構(gòu)耦合有限元仿真模型，在模型兩端添加聲吸收邊界減少聲波的反射，在GIL殼體中央添加徑向力模擬最先到達(dá)的聲波波陣面對GIL殼體的激勵作用。GIL直管段仿真模型示意圖如圖3所示。

圖3 GIL直管段仿真模型示意圖

為避免導(dǎo)波的頻散特性對仿真結(jié)果造成影響，激勵信號選用聲發(fā)射測試中常用的漢寧窗調(diào)制正弦信號[26-27]，該信號的頻帶較窄，能量主要集中在中心頻率附近。由于模型的網(wǎng)格尺寸與計算時間步長取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的導(dǎo)波波長，因此結(jié)合模型規(guī)模與硬件條件將激勵信號中心頻率設(shè)定為10 kHz，周期數(shù)設(shè)為10，激勵信號時域波形如圖4所示。

參考實際GIL聲源定位系統(tǒng)傳感器的安裝位置，在距離聲源較近的1 m、2 m、3 m及較遠(yuǎn)的16 m、17 m、18 m處殼體頂部表面布置探針點(diǎn)，繪制加速度時域波形表征聲導(dǎo)波的傳播狀態(tài)。由于激勵點(diǎn)兩側(cè)的仿真結(jié)果具有對稱性，因此探針點(diǎn)均設(shè)置在激勵點(diǎn)同一側(cè)。

圖4 中心頻率為10 kHz的漢寧窗調(diào)制正弦波激勵信號

2.2 近激勵處導(dǎo)波模態(tài)特性

近激勵處三個探針點(diǎn)的時域波形如圖5所示。可以看出，激勵點(diǎn)附近的聲導(dǎo)波主要由激勵直接產(chǎn)生的一次聲波和一次聲波在GIL殼體上下邊界來回反射產(chǎn)生的二次聲波組成，整體呈現(xiàn)衰減振蕩形態(tài)。

圖5 近激勵處各位置的聲導(dǎo)波時域波形

由激勵直接產(chǎn)生的一次聲波的原始波包一開始包含多種聲模態(tài)，隨著傳播距離的增加，傳播速度有所差異的各模態(tài)將逐漸從中分離，原始波包形狀在此期間變化劇烈。

在聲模態(tài)能量分布方面，計算得到的一次聲波原始波包速度約為1 300 m/s，與圖2中彎曲波F(1, 1)和縱向波L(0, 1)在10 kHz處的波速相對應(yīng)，說明這兩種模態(tài)或其中之一占一次聲波能量的主要部分。

2.3 遠(yuǎn)激勵處導(dǎo)波模態(tài)特性

遠(yuǎn)離激勵處三個探針點(diǎn)的時域波形如圖6所示。可以看出，傳播一定距離后，由激勵直接產(chǎn)生的一次聲波的原始波包已分離成若干個幅值各異的波包，使聲能量分散在更寬的時域空間中。

圖6 遠(yuǎn)激勵處各位置的聲導(dǎo)波時域波形

圖6中，各探針點(diǎn)波形前方由幅值較小的波包①～④以及幅值較大的波包⑤構(gòu)成，計算得到的傳播速度分別為5 300、3 900、3 200、2 300、1 300 m/s，分別與圖2中的L(0, 2)、F(1, 3)、T(0, 1)、F(1, 2)以及F(1, 1)和L(0, 1)模態(tài)在10 kHz處的波速相近，證明本文所建立的仿真模型遵循導(dǎo)波的傳播理論可有效表征GIL殼體內(nèi)導(dǎo)波的傳播過程。

在模態(tài)波波形方面，縱向波L(0, 2)和彎曲波 F(1, 3)因傳播速度明顯快于其他模態(tài)而所受干擾較小，傳播過程中波包形狀最為穩(wěn)定且易于區(qū)分；扭轉(zhuǎn)波T(0, 1)和彎曲波F(1, 2)由于波速較慢且相近，在傳播過程中易受到彼此以及后方二次聲波中 L(0, 2)與F(1, 3)等波速較快模態(tài)的干擾，傳播時波包形狀變化較大，增大了區(qū)分的難度；彎曲波 F(1, 1)和縱向波L(0, 1)傳播速度相近，這兩種模態(tài)對應(yīng)的波包⑤幅值是前方波包①～④幅值的20余倍，傳播過程中波包形狀基本穩(wěn)定。

為了明晰F(1, 1)與L(0, 1)模態(tài)的聲能量占比，在模型上重新施加中心頻率為2 kHz的漢寧窗調(diào)制正弦信號激勵，計算得到一次聲波原始波包的傳播速度約為2 000 m/s，對應(yīng)F(1, 1)模態(tài)在 2 kHz處的波速，表明在沿徑向激勵GIL殼體的情況下，低階彎曲波F(1, 1)的能量占一次聲波能量的主要部分。

GIL聲源定位屬于被動監(jiān)測，不能同超聲探傷一樣選擇輸出單一的聲模態(tài)，必須確定用于故障定位的有效模態(tài)[28]。對基于直接時延估計的TDOA定位方法而言，位于前方的一次聲波L(0, 2)、F(1, 3)等傳播速度較快的模態(tài)雖然波包形狀穩(wěn)定，理論定位精度高，但其幅值較小，加之GIL現(xiàn)場環(huán)境噪聲復(fù)雜，定位系統(tǒng)的信噪比往往難以滿足要求；位于后方的二次聲波受擴(kuò)散、反射及干涉等情況影響，模態(tài)混疊現(xiàn)象嚴(yán)重，在傳播過程中變化劇烈的波包形狀難以滿足定位精度的要求。相比之下，一次聲波F(1, 1)模態(tài)具有能量大、抗噪聲及模態(tài)干擾能力強(qiáng)、波包形狀較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在GIL聲源故障定位方面具備優(yōu)勢。

3 GIL殼體寬頻帶聲波傳播特性分析

3.1 定位頻帶的確定

GIL發(fā)生放電性故障時產(chǎn)生的聲信號頻帶很寬，沿GIL殼體傳播的導(dǎo)波不但存在多種模態(tài)，還會在傳播過程中發(fā)生頻散現(xiàn)象。為了降低導(dǎo)波的頻散特性對GIL聲源故障定位的影響，需要確定合適的定位頻帶。

在GIS放電性故障模擬試驗裝置殼體上布置聲發(fā)射傳感器，通過裝置內(nèi)部故障模型產(chǎn)生放電，測試殼體上聲波的頻帶能量分布，試驗布置如圖7所示。

在測試中分別記錄GIS內(nèi)部放電、周圍環(huán)境風(fēng)機(jī)、人員說話聲等激勵下聲波信號時域波形。因為GIL殼體中傳播的聲波信號屬于機(jī)械振動信號，因此選用振動信號處理中常用的db7小波對被測信號進(jìn)行7層小波分解，計算對應(yīng)的近似系數(shù)與細(xì)節(jié)系數(shù)(=1～7)。由于測試中使用的信號采樣頻率為1 MHz，其對應(yīng)的奈奎斯特頻率為500 kHz，信號7層分解下得到8個頻帶見表1。

圖7 GIL放電性故障聲波特性測試

表1 不同激勵下GIL殼體內(nèi)聲波頻帶能量分布

Tab.1 Energy distribution of sound wave band in GIL shell under different excitations

頻帶8能量占比的計算表達(dá)式為

頻帶1～7能量占比E, j的計算表達(dá)式[29]為

根據(jù)式（5）與式（6）計算各頻帶的能量占比，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，排除信號采集設(shè)備自身引入的高頻噪聲，GIL內(nèi)部放電產(chǎn)生的聲波能量主要集中在第4～8頻帶范圍，基本位于60 kHz以內(nèi)；風(fēng)機(jī)、說話聲等環(huán)境干擾主要集中在第7～8頻帶范圍，基本位于10 kHz以下的低頻帶。圖2所示的頻散曲線中，GIL殼體內(nèi)各模態(tài)波速在0～20 kHz頻帶內(nèi)隨頻率變化劇烈，在20～100 kHz頻帶內(nèi)基本保持平穩(wěn)?；谏鲜鰞牲c(diǎn)，應(yīng)選擇20～60 kHz頻帶作為GIL聲源故障定位的監(jiān)測頻帶，可以有效地降低環(huán)境噪聲與導(dǎo)波頻散特性對GIL聲源故障定位的影響。

3.2 寬頻帶超聲導(dǎo)波在GIL直管區(qū)段的傳播特性

使用上述40 m長GIL直管段仿真模型分析寬頻帶超聲導(dǎo)波在GIL直管區(qū)段的傳播情況，將激勵施加于距模型右側(cè)邊界10 m處，在激勵點(diǎn)左側(cè)2～27 m位置內(nèi)布置6個探針點(diǎn)，整體模型示意圖如圖8所示。

圖8 GIL直管段超聲導(dǎo)波傳播特性模型示意圖

錘擊法作為GIS/GIL故障定位測試中常用的一種聲波激勵方法[30-31]，通過壓電式?jīng)_擊力錘對GIS/GIL殼體施加瞬間沖擊模擬內(nèi)部放電時殼體受到的激勵作用，同時根據(jù)力錘內(nèi)置傳感器輸出的沖擊力波形的幅值對錘擊強(qiáng)度進(jìn)行描述。在圖7所示裝置上分別采用加壓放電與力錘敲擊殼體的方式激勵聲波，根據(jù)兩種激勵方式下到達(dá)傳感器的聲波時域波形最大幅值，確定接近放電強(qiáng)度的錘擊強(qiáng)度及對應(yīng)的沖擊力波形，同時將帶通濾波與歸一化處理后的傳感器輸出信號頻譜進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，在所確定的20～60 kHz定位頻帶內(nèi)，力錘激勵與放電激勵的聲波頻譜均在25 kHz左右達(dá)到峰值，兩者在分布上具有相似性。因此，在模型激勵信號的選取上，將力錘輸出的沖擊力波形經(jīng)三次樣條插值平滑化處理后作為激勵施加在模型之上。

將各探針點(diǎn)獲得的聲波信號按所確定的定位頻帶進(jìn)行帶通濾波處理，所得到的時域波形如圖10所示。

圖9 放電與錘擊激勵下聲信號頻譜

圖10 各探針點(diǎn)超聲導(dǎo)波時域波形

從圖10可以看出，在所選定位頻帶內(nèi)，沿GIL殼體傳播的超聲導(dǎo)波在時域上可以分為一次聲波L(0, 2)、F(1, 3)等前方模態(tài)、一次聲波F(1, 1)模態(tài)及二次聲波三部分，各部分在幅值與波包形狀方面區(qū)分明顯，受頻散干擾較小。

其中，一次聲波前方模態(tài)在傳播過程中波包形狀穩(wěn)定，幅值衰減小，但其幅值僅為一次聲波F(1, 1)模態(tài)的1/20；二次聲波相比窄頻帶激勵下包含更多的模態(tài)導(dǎo)波，整體幅值高，但在傳播過程中波包形狀變化劇烈，幅值衰減較快。

對于一次聲波F(1, 1)模態(tài)，其自原始波包分離所需的傳播距離在2 m以內(nèi)，在傳播過程中幅值衰減較慢，10 m幅值衰減量約為30%，在時空分布上與前方及后方模態(tài)導(dǎo)波混疊程度低，波包形狀整體穩(wěn)定，易于定位算法辨別區(qū)分。因此，應(yīng)選用彎曲波F(1, 1)作為GIL聲源故障定位的有效模態(tài)。

在波形能量方面，一次聲波F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度約為2 300 m/s，在圖2頻散曲線中所對應(yīng)的頻率為25 kHz，與圖9錘擊聲信號頻譜峰值對應(yīng)頻率一致，說明定位頻帶內(nèi)能量最高的頻率成分對一次聲波F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波的形成起主要貢獻(xiàn)，由此可根據(jù)聲信號頻譜與頻散曲線確定用于故障定位的F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度。

3.3 F(1, 1)模態(tài)經(jīng)過GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性

工程經(jīng)驗表明，GIL伸縮節(jié)、氣隔盆子等非直管結(jié)構(gòu)對沿殼體傳播的導(dǎo)波信號具有明顯的幅值衰減與時延作用，展現(xiàn)出與直管段截然不同的聲傳輸特性，需要在GIL聲源故障定位中特別考慮。

為研究F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波經(jīng)過GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性，對國產(chǎn)該型220 kV GIL單級伸縮節(jié)、雙級伸縮節(jié)、氣隔盆子等非直管結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，并與直管結(jié)構(gòu)模型組合形成GIL非直管區(qū)段聲波傳輸仿真模型。將探針點(diǎn)布置在待測非直管結(jié)構(gòu)兩側(cè)，同時在距離待測結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)處施加力錘沖擊激勵。220 kV GIL非直管結(jié)構(gòu)及仿真模型如圖11所示，模型布置示意圖如圖12所示，探針點(diǎn)時域波形如圖13所示。

圖11 220 kV GIL非直管結(jié)構(gòu)及仿真模型

圖12 GIL非直管區(qū)段聲波傳輸模型布置示意圖

圖13 超聲導(dǎo)波經(jīng)過氣隔盆子前后對比

從圖13可以看出，經(jīng)過GIL非直管結(jié)構(gòu)前后的超聲導(dǎo)波在時域上仍可分為上述三部分，但受非直管結(jié)構(gòu)與直管段間聲阻抗不匹配的影響，一次聲波前方模態(tài)出現(xiàn)混疊，難以對單一模態(tài)進(jìn)行辨別；二次聲波各模態(tài)波包形狀變化仍十分劇烈，不具備故障定位優(yōu)勢；相比之下，一次聲波F(1, 1)模態(tài)同其他模態(tài)混疊程度低，易于從幅值上區(qū)分，經(jīng)非直管結(jié)構(gòu)后波包幅值仍保持在一次聲波前方模態(tài)4倍以上，具有辨識度高、經(jīng)過非直管結(jié)構(gòu)后波形形狀變化小等優(yōu)點(diǎn)，在含非直管結(jié)構(gòu)的GIL定位區(qū)段保持上述故障定位優(yōu)勢。

以經(jīng)過非直管結(jié)構(gòu)前后的F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波波包幅值為基準(zhǔn)計算聲衰減量，以F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波在直管上的傳播速度為基準(zhǔn)計算聲時延量，計算得到的彎曲波F(1, 1)經(jīng)過GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性見表2。

表2 彎曲波F(1, 1)經(jīng)過GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性

Tab.2 Propagation characteristics of bending wave F(1, 1) through GIL non-straight pipe structure

結(jié)果表明，GIL伸縮節(jié)與氣隔盆子均會對F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波造成較大的幅值衰減，但F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波經(jīng)過氣隔盆子時的傳播速度基本不會下降，因此伸縮節(jié)是造成F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波時延的主要因素。

3.4 定位試驗驗證

為了驗證本文所提出的分析模型的正確性，在某GIL生產(chǎn)現(xiàn)場開展故障定位測試，如圖14所示。試驗所用的GIL由5節(jié)8 m長直管段與1節(jié)單級伸縮節(jié)組合而成，在伸縮節(jié)附近的導(dǎo)體上內(nèi)置缺陷模型，用于產(chǎn)生放電性聲信號。在聲源兩側(cè)10 m距離處的GIL殼體表面布置傳感器，構(gòu)成一個20 m長的定位區(qū)間，記錄到達(dá)的聲波信號。

圖14 220 kV GIL故障定位測試現(xiàn)場

基于直接時延估計的TDOA定位方法通過所設(shè)定的定位閾值確定時域波形信號前方的定位特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)對應(yīng)時刻計算聲波到達(dá)定位區(qū)間兩側(cè)傳感器的時間差，并根據(jù)設(shè)定的聲波波速推算聲源點(diǎn)位置，定位原理如圖15所示。由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及確切的研究數(shù)據(jù)，工程上多采用經(jīng)驗法確定定位閾值與計算波速。對于包含非直管結(jié)構(gòu)的定位區(qū)間，工程上一般采用純直管簡化或定位區(qū)間等效波速兩種方法考慮非直管結(jié)構(gòu)對故障定位造成的影響。

圖15 基于直接時延估計的TDOA定位方法原理

基于本文提出的分析模型，在測試中根據(jù)F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波特點(diǎn)及單級伸縮節(jié)對其造成的聲衰減量確定定位區(qū)間兩側(cè)的定位閾值及聲波波速，以便使用F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行故障定位。同時，提出在到達(dá)時間差中減去非直管結(jié)構(gòu)聲時延量的新方法考慮GIL非直管結(jié)構(gòu)對故障定位造成的影響，并與上述兩種方法的定位結(jié)果進(jìn)行對比。三種方法的定位結(jié)果見表3。

表3 GIL故障定位結(jié)果

Tab.3 GIL fault location results

可以看出，使用F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行故障定位精度較高，在此基礎(chǔ)上考慮非直管結(jié)構(gòu)衰減與時延的影響可以使GIL故障定位誤差進(jìn)一步降低60%以上。定位試驗驗證了本文提出的分析模型的合理性。

3.5 GIL聲源定位閾值配置與傳感器布置建議

基本本文成果，應(yīng)選擇20～60 kHz定位頻帶內(nèi)一次聲波F(1, 1)模態(tài)波包作為計算特征點(diǎn)，根據(jù)波包幅值確定定位閾值，并結(jié)合信號頻譜與GIL殼體導(dǎo)波頻散曲線確定該模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度。

由于GIL總體長度較長，聲源定位系統(tǒng)需布置大量的傳感器并形成多個定位區(qū)間。根據(jù)GIL非直管結(jié)構(gòu)聲衰減量計算結(jié)果，一個定位區(qū)間內(nèi)應(yīng)包含不多于兩個氣隔盆子或一個伸縮節(jié)單元，否則F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波幅值可能衰減至噪聲水平以下。當(dāng)定位區(qū)間內(nèi)存在伸縮節(jié)單元時，需考慮結(jié)構(gòu)時延量對故障定位造成的影響。

此外，一次聲波F(1, 1)模態(tài)在聲源點(diǎn)附近尚未從原始波包分離，不易確定計算特征點(diǎn)，因此在配置GIL故障定位系統(tǒng)時應(yīng)盡量避免在GIL氣隔盆子等放電故障易發(fā)生處2 m以內(nèi)位置布置傳感器。

4 結(jié)論

針對GIL聲源故障定位機(jī)理不明、精度不高這一工程實際問題，本文結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真，對超聲導(dǎo)波在GIL殼體內(nèi)的傳播情況與傳播規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了適用于故障定位的超聲模態(tài)以及該模態(tài)導(dǎo)波經(jīng)過GIL非直管結(jié)構(gòu)的衰減與時延特性，并得到如下結(jié)論：

1）本文提出的GIL殼體聲傳輸分析模型能夠考慮聲波傳播過程中頻散與多模態(tài)特性帶來的影響，所得聲波傳播規(guī)律與導(dǎo)波理論及試驗結(jié)果可有效對應(yīng)。

2）綜合GIL內(nèi)部放電聲信號頻帶能量分布與GIL殼體導(dǎo)波頻散曲線，選擇20～60 kHz作為故障定位的監(jiān)測頻帶可有效減少導(dǎo)波頻散與環(huán)境干擾對GIL聲源故障定位的影響。

3）GIL殼體內(nèi)傳播的聲導(dǎo)波具有多種模態(tài)，其中F(1, 1)模態(tài)兼具穩(wěn)定性與易識別性，使用該模態(tài)進(jìn)行故障定位精度較高。GIL非直管結(jié)構(gòu)會對F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波造成較大的幅值衰減與一定程度的時延，在故障定位中考慮非直管結(jié)構(gòu)衰減與時延影響可以使定位誤差降低60%以上。

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Research on Propagation Characteristics of Gas-Insulated Transmission Line Ultrasonic Guided Wave for Sound Source Localization

Du Zhiye1Hao Zhaoyang1Zhao Pengfei1Wang Heng2Hao Qian2

（1. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Wuhan Landpower Co. Ltd Wuhan 430205 China）

The sound source localization method based on time difference of arrival (TDOA) is currently the mainstream method for fault location of gas-insulated transmission line (GIL). The GIL shell is similar to the cylindrical shell, and the acoustic wave propagating along the shell has the dispersion and multi-modal characteristics, which increases the difficulty of precise positioning. In recent years, people have studied the acoustic wave transmission process on GIL, but most of the studies have ignored the influence of guided wave characteristics on the transmission of acoustic wave, and the research results are deviated from the actual situation. In order to solve these problems, this paper proposes a GIL shell acoustic transmission analysis model considering guided wave dispersion and multi-modal characteristics, determines the guided wave mode suitable for GIL fault location and the attenuation and time delay caused by GIL non-straight tube structure, which effectively improves the fault location accuracy of GIL.

Firstly, the dispersion curve of guided wave in the typical 220 kV GIL shell is drawn, and the guided wave modes in the frequency range of 0～100 kHz are determined. Secondly, a finite element model of acoustic wave transmission in the long-distance GIL straight pipe is established, and the propagation characteristics of guided waves are studied by applying different excitation to the model. According to the simulation results and the requirements of GIL sound source localization, the effective frequency band and guided wave mode suitable for fault location are determined. Thirdly, in order to study the location advantages of the selected guided wave mode in the GIL non-straight pipe section and the attenuation and time delay by the GIL non-straight pipe structure, the expansion joint, gas basin insulator and other non-straight pipe structures are added to the long-distance GIL straight pipe model. Finally, the selected guided wave mode is used for GIL field location test, and the influence of the attenuation and time delay of the GIL non-straight pipe structure are considered in the localization algorithm. The effectiveness of the analysis model is verified according to the location results.

The results show that the propagation distance required for F(1,1) mode to separate from the original wave packet is within 2 m in the 20～60 kHz frequency band. In the GIL straight pipe section, the amplitude of F(1,1) mode is about 20 times that of the front modes, and the amplitude is attenuated up to 30% after 10m of propagation. In the process of propagation, the shape of F(1,1) mode is more stable than the modes of the rear secondary acoustic wave. In terms of temporal and spatial distribution, it is easy to distinguish with the front and rear modes, and can be used as the preferred mode for fault location. For F(1,1) mode, GIL non-straight pipe structures such as single-stage expansion joints, double-stage expansion joints, and gas basin insulator will cause 90%, 96%, and 60% attenuation, and 0.6 ms, 1.1 ms, 0.03 ms delay. The error of using F(1,1) mode for fault location in an interval with the length of 20 m is about 1 m. Further considering the influence of the attenuation and time delay of the GIL non-straight pipe structure, the positioning error can be reduced to about 0.3 m, which proves the effectiveness of the analysis model in improving the fault location accuracy of GIL.

The following conclusions can be drawn from the results: (1) The GIL shell acoustic transmission analysis model can effectively consider the influence of guided wave dispersion and multi-modal characteristics on GIL sound source localization, and the F(1, 1) mode has great fault location advantage. (2) The location frequency band of 20～60 kHz reduces the interference of guided wave dispersion and environmental noise to GIL sound source localization, which helps to improve the accuracy of fault location. (3) The GIL non-straight pipe structure will cause a large amplitude attenuation and a certain degree of time delay to the F(1,1) mode. Considering the influence of the attenuation and time delay of the GIL non-straight pipe structure in fault location can make the positioning error is further reduced by more than 60%.

Gas-insulated transmission line (GIL), fault location, time difference of arrival (TDOA), ultrasonic guided wave, propagation characteristics

TM755

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221902

國家自然科學(xué)基金資助項目（51977152）。

2022-10-08

2022-10-26

杜志葉 男，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為智能電氣設(shè)備、特高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)、電磁多物理場耦合計算技術(shù)。E-mail：Duzhiye@126.com

郝兆揚(yáng) 男，1998年生，碩士研究生，研究方向為氣體絕緣輸電線路故障定位。E-mail：haozhaoyang.whu@foxmail.com（通信作者）

（編輯 李 冰）