GIS結(jié)構(gòu)對局部放電電磁波傳播特性影響研究

李秀衛(wèi)，王慶玉，劉世富

（山東電力研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

氣體絕緣組合電器 （gas insulated switchgear，GIS）因具有占地面積小、維護工作量少、絕緣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于高壓輸電領(lǐng)域。隨著電網(wǎng)電壓等級和系統(tǒng)容量的不斷增加，GIS設(shè)備的內(nèi)部故障也隨之增多。目前國際上主要通過超高頻法檢測其內(nèi)部的局部放電來評估其絕緣狀態(tài)，局部放電不僅是GIS設(shè)備絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式，而且能夠引起絕緣的進一步劣化，致使GIS的電氣絕緣性能降低，最終導(dǎo)致絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)。

GIS中局部放電產(chǎn)生電磁波的傳播與諧振模式非常復(fù)雜。GIS中的局部放電電流脈沖具有極陡的上升沿，其上升時間為納秒級，激發(fā)起高達數(shù)GHz的電磁波，在GIS腔體構(gòu)成的同軸結(jié)構(gòu)中傳播［1］。由于GIS的同軸結(jié)構(gòu)，使得電磁波不僅以橫向電磁波 （即Transverse Electromagnetic-TEM波）傳播，而且會建立高次模波，即橫向電波（Transverse Electric-TE） 和橫向磁波（Transverse Magnetic-TM）。TEM波為非色散波，它可以任何頻率在GIS中傳播，但當(dāng)頻率f>100 MHz時，沿傳播方向衰減很快；TE和TM波則不同，它們具有各自的截止頻率fc。fc與GIS的尺寸有關(guān)，GIS截面積愈大，fc愈低。若信號頻率ffc時，信號則基本上可無損耗地傳輸［2］。同時GIS母線連接腔在超高頻（UHF）波段（300M～1.5 GHz）可視為同軸諧振腔，電磁波的諧振持續(xù)時間一般在數(shù)十納秒級，最長可在10 ms以上。

目前，GIS中電磁波傳播特性方面的研究文獻已經(jīng)有很多［3－9］，但其中大多采用簡化的 GIS 仿真模型，沒有考慮盆式絕緣子的弧度、三相共筒、屏蔽電極、斷路器氣室等結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致理論分析結(jié)果可能與實際不同結(jié)構(gòu)的GIS氣室內(nèi)電磁波傳播特性有所偏差，因此，本文以各種絕緣缺陷的真實PD電流信號作為激勵源，考慮GIS內(nèi)部的實際結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電磁仿真軟件XFDTD6.3.8.4研究電磁波在GIS內(nèi)部的傳播特性。

1 GIS局部放電電流實測信號

結(jié)合其他學(xué)者實際測得的GIS中PD電流信號及試驗結(jié)果，采用自由金屬微粒、高壓導(dǎo)體的金屬突出物、絕緣子表面污穢、絕緣子氣隙4種缺陷的PD電流信號作為激勵源（信號波形如圖1所示），研究電磁波的傳播特性。由圖1可見，對于不同的絕緣缺陷，在不同的放電條件下所測得的PD電流波形在上升時間、脈沖寬度、脈沖形狀等方面均有較大差異，說明不同絕緣缺陷引發(fā)的局部放電具有不同的放電機理，由它們激勵產(chǎn)生的電磁波也會具有一定的差別。應(yīng)用UHF PD信號的差別能夠區(qū)分不同的絕緣缺陷類型，從而為基于UHF PD時域信號的放電源模式識別奠定理論基礎(chǔ)。XFDTD是美國Remcom公司開發(fā)的高頻電磁仿真軟件，軟件用 FDTD 算法［10－12］解麥克斯韋方程組，可應(yīng)用的頻率范圍約100 kHz至 3000 GHz。而且具有激勵源的用戶自定義接口，可以根據(jù)其要求的格式將信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.src的源文件，即可導(dǎo)入。

圖1 GIS中四種典型缺陷PD的脈沖電流信號波形

2 GIS實際結(jié)構(gòu)對電磁波傳播的影響

2.1 盆式絕緣子對電磁波傳播的影響

目前的研究文獻中建立的GIS仿真模型一般采用圓盤形絕緣子，而252 kV及以上電壓等級的GIS中絕緣子均采用了盆形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在對電磁波的折、反射及衰減方面，盆式絕緣子與圓盤型絕緣子應(yīng)該存在不同之處。

圖2 252 kV GIS盆式絕緣子

圖3 GIS計算仿真模型及設(shè)置

GIS仿真計算模型以252 kV GIS為例，如圖3所示，模型采用一個圓盤絕緣子與一個盆式絕緣子連接三段GIS通管，內(nèi)導(dǎo)體直徑180 mm，外殼內(nèi)徑398 mm，單根通管長度1 000 mm，絕緣子厚度50 mm。激勵源采用圖1所示的GIS導(dǎo)體金屬突出物 PD 正電流信號，位置 Cell（83，70，409），兩個檢測點 Cell（84，37，234）與 Cell（84，37，585）位于兩個探針面的底部，與激勵源的距離相等，仿真時間長度設(shè)置為43 ns，輸出量為檢測點處的徑向場強分量EX與兩個探針面上的場強分布情況。絕緣子的相對介電常數(shù)（Relative Permitivity）ε=4，電導(dǎo)率（Conductivity）為0，導(dǎo)體與外殼均設(shè)置為理想導(dǎo)體（Perfect Electric Conductor-PEC），邊界條件設(shè)置為PML吸收邊界（Perfectly Matched Layer-PML）。

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4為兩個檢測點處的場強及其頻譜，比較可見，透過圓盤型絕緣子的電磁波振蕩衰減速度較快，對電磁波的反射較大；盆式絕緣子對各頻率分量的衰減相對較大。圖5為兩個探針面上同在一時刻的場強分布圖，可見透過圓盤型絕緣子的電磁波波頭到達時間較短；透過圓盤型絕緣子的電磁波是沿高壓導(dǎo)體自底部向上進行散播，而透過盆式絕緣子的電磁波則沿GIS外殼內(nèi)壁兩側(cè)自底部向上進行散播；探針面1處的場強區(qū)域分布相對集中，探針面2處則相對均勻。

圖4 盆式絕緣子對電磁波傳播影響的仿真結(jié)果

圖5 探針面1與探針面2處的場強分布對比

通過上述仿真研究及分析，可以發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子與圓盤式絕緣子對電磁波傳播的影響是不同的，在衰減特性、反射特性、電磁波散播方向以及場強分布等方面均存在差異，應(yīng)該在UHF PD檢測、模式識別以及放電源定位過程中予以注意。

2.2 屏蔽電極對電磁波傳播的影響

在GIS的實際結(jié)構(gòu)中，為了均勻場強，增大電極的曲率半徑，在導(dǎo)體接頭、拐角、隔離絕緣子兩側(cè)等部位都安裝有屏蔽電極。作為GIS中的金屬部件，屏蔽電極應(yīng)該會對電磁波造成衰減、折射或反射。252kV GIS屏蔽電極如圖6所示，安裝示意圖如圖7所示，屏蔽電極長度160 mm，內(nèi)徑90 mm，外徑110 mm。仿真時間長度設(shè)置為43 ns，輸出量為檢測點處的徑向場強分量EX。分別在有、無屏蔽電極的情況下進行仿真。

圖6 252 kV GIS屏蔽電極

圖7 屏蔽電極安裝示意圖

仿真結(jié)果如圖8所示?？梢妰烧遀HF PD信號振蕩衰減的包絡(luò)形狀基本相同；有屏蔽電極時信號幅值有所衰減；無屏蔽電極時的頻譜相對平坦。然而，本文只是仿真研究了一對屏蔽電極的情況，在實際GIS的導(dǎo)體接頭、拐角、隔離絕緣子兩側(cè)等部位安裝有多個屏蔽電極，它們對GIS中電磁波傳播的影響應(yīng)該不可忽略。

圖8 屏蔽電極對電磁波傳播影響的仿真結(jié)果

2.3 電磁波在三相共筒GIS中的的傳播

對于252 kV及以上的GIS，往往采用單相單筒安裝方式，而對于126 kV及以下的GIS則往往采用三相共筒的安裝方式。為了研究兩種情況下電磁波傳播的差異，分別建立兩個GIS仿真計算模型，一個為單相單筒，另一個為三相共筒，兩者的導(dǎo)體及外殼直徑相同，仿真設(shè)置相同，分別進行仿真計算。激勵源位置 Cell（83，70，380），檢測點位置 Cell（37，83，120），仿真時間長度設(shè)置為 60 ns，輸出量為檢測點處的徑向場強分量EX。

仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。比較圖9（a）、（b）可見，三相共筒GIS中的電磁波的衰減幅度更大，低頻分量較相對稍大。圖10為探針面XY面：Z=120上的場強分布圖，可見單相單筒GIS中的電磁波波頭主要是沿導(dǎo)體周圍進行傳播，而三相共筒GIS中則主要沿三根導(dǎo)體中間進行傳播，而且振蕩衰減時間相對較長。

圖9 單相單筒與三相共筒GIS中電磁波傳播的仿真結(jié)果

圖10 檢測面處的場強分布對比

3 結(jié)論

介質(zhì)中的放電現(xiàn)象是電場能以電荷積聚及電子運動的形式進行積累與釋放的過程，不同的絕緣缺陷引發(fā)的局部放電過程不盡相同，其激發(fā)的電磁波也存在差異。本文以GIS PD實際電流信號為激勵源，研究了GIS實際結(jié)構(gòu)對電磁波傳播的影響。表明GIS中盆式絕緣子、屏蔽電極、三相共筒結(jié)構(gòu)會對電磁波的幅值、頻率分量以及傳播方式產(chǎn)生影響。