高壓開關柜中TEV信號仿真分析

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(1.沈陽電力勘測設計院，遼寧 沈陽 110003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院 ，河北 石家莊 050021；3.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110006；4.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

0 引 言

當高壓開關柜發生局部放電時，放電電量先聚集在與放電點相鄰的接地金屬部分，形成電磁波并向各個方向傳播，對于內部放電，放電電量聚集在接地屏蔽的內表面，因此如果屏蔽層是連續時無法在外部檢測到放電信號。但實際上，屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現破損而導致不連續，這樣高頻電磁信號就會傳輸到設備外層。放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳播出去，同時產生一個暫態電壓，通過設備的金屬箱體外表面而傳到地下去，這就是“暫態對地電壓”，簡稱TEV[1-4]。

電氣設備內部的放電主要有表面放電、內部放電、高壓電極的尖端放電、電暈放電等。在放電過程中，由局部放電脈沖產生幾千赫到幾十兆赫是電磁波，同時在設備金屬封閉殼體上產生一個瞬時對地電壓(transient earth voltage,TEV)，該信號可以通過特制的電容耦合探測器進行捕捉(測量方法見圖1)，從而獲得局部放電的幅值(dB)和脈沖頻率。

圖1 TEV檢測原理示意圖

傳統檢測方法是測量高壓電氣設備的放電視在電荷，以pC表示放電強度，TEV 則采用對數來表示放電強度。傳統的檢測方法僅僅對反映放電時的電壓變化有比較明顯效果，而脈沖實際經過的路徑對測量結果沒有影響，故傳統檢測法用于放電點定位難以實現。經過理論研究發現，dB 與pC 間關系的影響因素多種多樣，并且難以量化，因此該方法主要用于橫向比較某組檢測設備中各設備的實際運行情況，以確定檢修設備的優先順序；該方法也可以對單個設備在時間上進行跟蹤測量，找出其放電活動的變化，從而掌握設備的損傷情況。盡管未知因素很多，然而該方法通過檢測放電點附近的脈沖信號，也能靈敏地反應出放電活動的絕對強度[5-7]。

利用TEV 測量法在設備外殼上檢測局部放電產生的瞬時地電壓信號，可在設備運行時對其內部的局部放電情況進行檢測，具有較好的抗干擾能力，適用于10～35 kV 空氣絕緣開關柜、充氣式C-GIS 的電纜倉等空氣絕緣設備。

1 TEV信號的產生機理

一般來說，高壓電氣設備發生局部放電時，電壓脈沖在金屬殼的內表面傳播，最終從接頭、蓋板等的縫隙處傳出，然后沿著金屬殼外表傳到大地，放電脈沖可以通過電容性探測器檢測到。基于暫態地電壓原理的局部放電在線檢測和定位技術，通過在被檢設備的接地金屬外殼安裝單只電容耦合式探測器即可實現局部放電的幅值和脈沖頻率等參數測量工作[8-9]。

目前，局部放電檢測方法常以脈沖電流法的視在放電量來表征局部放電活動的嚴重程度，然而該方法僅限于應用在電力設備局部放電的離線檢測，存在很大的局限性。經過多年的現場應用表明，對于開關柜局部放電的檢測，TEV檢測法效果更為理想些。

2 開關柜表面TEV仿真建模

2.1 建立物理模型

首先通過XFDTD軟件來進行物理建模，圖2所示為高壓開關柜1:1仿真模型，此開關柜的大小為850×500×1 600 mm，在高度1 300 mm處劃分為兩個室。開關柜結構密封，在開關柜柜門處，設置2 mm的縫隙，以模擬實際開關柜的情況，設置開關柜的材料為鋼，劃分網格單元的尺寸為10×10×10 mm。網格劃分情況見圖3。

2.2 仿真參數設置

局部放電源可以用高斯脈沖線電流源模擬，線電流相當于多個元電流的串聯。高斯脈沖信號的時域形式為

(1)

其中，τ為常數，決定了高斯脈沖的寬度；I0為脈沖

圖2 高壓開關柜TEV仿真模型

圖3 高壓開關柜仿真模型網格劃分

峰值，在t=t0時刻，脈沖峰值出現。這里線電流長度設置為1 cm，線電流源中心施加高斯電流脈沖激勵，幅值1 A，脈沖寬度1 ns。注入線電流源中心處的高斯電流脈沖后，電流脈沖的放電量可由脈沖波形在t1、t2時間段內的積分確定

(2)

XFDTD仿真模型：仿真計算中所用最高頻率設置為3 GHz，利用

(3)

其中，Lmax為最大元胞的尺寸；c為光速，3×108m/s；f為激勵最高頻率，因此Lmax=1 cm/cell。一個完整的元胞尺寸(網格尺寸)為1×1×1 cm，仿真域尺寸為125×90×200 cell，吸收邊界條件。采用Berenger完全匹配層PML。PML是一種特殊的介質層，該層的波阻抗與相鄰介質波阻抗完全匹配，因而入射波將無反射地穿過分界面而進入PML層。并且由于PML為有耗介質，進入PML層的透射波將迅速衰減，所以有限幾層的PML介質能對入射波起到很好的吸收效果。

表1 激勵源脈寬不同時的TEV幅值

3 仿真結果分析

3.1 激勵源脈寬的影響

將激勵源設置在開關柜正中，點(425,250,800)處。檢測點設置在點(0,250,800)處。激勵源幅值為1 A，根據局部放電的特點，選擇脈沖寬度分別為0.5 ns、1 ns、5 ns、10 ns、15 ns、20 ns。所測得的結果如表1所示。

激勵源脈沖寬度不同時TEV波形如圖4所示，不同脈沖寬度激勵源所對應的TEV 電壓波形如圖5所示。

圖4 激勵源脈寬對TEV幅值的影響

圖5 激勵寬度不同時的TEV波形

由表 1、圖 4和圖 5可以看出，檢測點 TEV 的強度隨激勵源脈沖寬度的增加而迅速減小，脈沖寬度越窄，檢測到的 TEV信號越強，亦即放電過程越快，則TEV 檢測法檢測能力越強。

3.2 激勵源幅值的影響

現繼續將激勵源設置在點(424,240,790)處,檢測點設置在(0,240,790)處，激勵源脈沖寬度保持為5 ns不變，幅值分別為1 A、2 A、3 A和4 A。

激勵源幅值不同時TEV波形如圖6所示。

圖6 激勵源幅值不同時的TEV波形

TEV幅值與激勵源幅值的關系如圖7所示。

圖7 激勵源幅值與TEV幅值的關系

由表1、圖 6 和圖 7可以看出，檢測點處 TEV 電壓波形的強度正比于激勵源脈沖電流的幅值；激勵源脈沖幅值越高，檢測到的 TEV 越強。也就是說，TEV 檢測法對于放電越激烈的局部放電，其檢測能力越強。

4 結 論

主要對高壓開關柜局部放電引起的TEV信號特點進行了仿真分析，取得如下結論。

1)檢測點 TEV信號的強度隨激勵源脈沖寬度的增加而迅速減小；脈沖寬度越窄，檢測到的 TEV 越強，亦即放電過程越快，則TEV 檢測法檢測能力越強。

2)激勵源脈沖幅值越高，檢測到的 TEV 越強，亦即放電強度越激烈，則TEV 檢測法檢測能力越強。

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