開關(guān)柜局部放電地電波傳播特性及試驗(yàn)分析

魏 振，段曉燕

(國網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266002)

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開關(guān)柜局部放電地電波傳播特性及試驗(yàn)分析

魏 振，段曉燕

(國網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266002)

高壓開關(guān)柜局部放電會在其金屬外殼上產(chǎn)生對地電位，稱之為暫態(tài)對地電壓(TEV)，是一種有效的局部放電檢測手段，成為供電公司開關(guān)柜巡檢中的重要內(nèi)容，了解TEV傳播特性對改進(jìn)測量方法，保證測量有效性具有重要意義。采用XFdtd分析軟件模擬TEV信號的傳播過程，并且搭建了實(shí)體開關(guān)柜TEV檢測模型，通過試驗(yàn)分析了信號強(qiáng)度、測量距離等對于TEV檢測的影響，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，同時(shí)對TEV檢測的統(tǒng)計(jì)譜圖與常規(guī)脈沖電流法進(jìn)行了對比，驗(yàn)證其在工程應(yīng)用中的有效性，研究結(jié)果表明：TEV為局部放電引起的時(shí)變電磁波在開關(guān)柜表面形成的瞬時(shí)電位，與波阻抗有關(guān)，開關(guān)柜金屬外殼對TEV信號具有明顯的抑制作用，TEV信號是電磁波從殼體不連續(xù)的地方泄露而形成的，TEV信號是輻射式傳播，并且信號先增強(qiáng)后衰減；TEV信號的上升時(shí)間大概在10 ns，頻率分布在0～100 MHz范圍內(nèi)，放電源越強(qiáng)，TEV信號強(qiáng)度越大，并且近似呈線性關(guān)系，TEV檢測時(shí)，離信號源越近，TEV越強(qiáng)，同時(shí)，TEV檢測方法在工程應(yīng)用中有良好的有效性。

高壓開關(guān)柜；暫態(tài)對地電壓；TEV傳感器；檢測系統(tǒng)；放電模型；統(tǒng)計(jì)圖譜

高壓開關(guān)柜是配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，是直接面向用戶的重要環(huán)節(jié)，開關(guān)柜在長期運(yùn)行過程中，由于安裝和裝配、機(jī)械損壞等客觀原因可能會出現(xiàn)電纜搭接處故障、觸頭故障、絕緣裂化等問題。這些問題會引發(fā)局部放電，從而造成開關(guān)柜局部溫度升高，絕緣水平下降，造成開關(guān)柜停運(yùn)，甚至導(dǎo)致爆炸，所以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)對保證設(shè)備正常運(yùn)行，供電可靠性，減小經(jīng)濟(jì)損失有重要意義[1]。

局部放電是判斷故障問題出現(xiàn)最直接的信號之一，目前已有的各種檢測方法，如脈沖電流法、超聲波法、特高頻法、紅外測溫法等，其本質(zhì)都是檢測局部放電信號。脈沖電流法雖然能夠有效獲得局部放電信號，但是屬于離線測量，另外，特高頻信號為高頻電磁波信號，開關(guān)柜金屬外殼對特高頻信號的衰減作用非常明顯，檢測效果并不理想[2]。1976年，Dr. John Reeves提出了開關(guān)柜地電波(Transient Earth Voltage,簡稱TEV)的概念，認(rèn)為局部放電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波信號會在開關(guān)柜表面形成一個(gè)瞬時(shí)的電位，可以作為開關(guān)柜狀態(tài)檢測的依據(jù)，而且可以實(shí)現(xiàn)在線檢測[3-5]。近幾年，各大供電公司都開始將TEV檢測作為開關(guān)柜的巡檢的主要方法之一，不過在測試中發(fā)現(xiàn)，TEV的傳播特性嚴(yán)重影響到開關(guān)柜狀態(tài)檢測，TEV信號會受到局部放電源強(qiáng)度及檢測距離的影響，因此分析開關(guān)柜內(nèi)TEV信號的傳播特性對保證設(shè)備安全具有實(shí)際工程意義[1,6]。

目前，國內(nèi)外在TEV信號傳播及檢測上還沒有統(tǒng)一的定論和標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)是各設(shè)備公司對本公司產(chǎn)品使用的經(jīng)驗(yàn)[7-9]，文獻(xiàn)[10]對TEV傳播特性進(jìn)行了仿真分析，認(rèn)為TEV的脈沖幅值與激勵源幅值、脈沖寬度等有關(guān)，不過沒有給出試驗(yàn)驗(yàn)證。綜上所述，目前在TEV傳播特性方面研究較少，沒有統(tǒng)一的定論及系統(tǒng)的試驗(yàn)分析，因此本文采用XFdtd分析軟件仿真了TEV信號的特征及傳播過程，并且搭建了一套實(shí)體開關(guān)柜局部放電檢測平臺，采用EA公司TEV傳感器，獲取了TEV信號波形，并分析了TEV信號的頻率分布，隨后從仿真及試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了信號源強(qiáng)度及檢測距離對TEV信號的影響，為現(xiàn)場開關(guān)柜檢測提供測試依據(jù)。

1 TEV傳播特性

1.1 TEV產(chǎn)生機(jī)理分析

根據(jù)Dr. John Reeves關(guān)于TEV形成理論，TEV信號是開關(guān)柜中的電磁波信號形成的，它的傳播過程屬于均勻平面波問題，符合平面波麥克斯韋電磁方程[11]：

(1)

ε——介電常數(shù)；

σ——電導(dǎo)率；

μ——磁導(dǎo)系數(shù)；

γ——磁導(dǎo)率。

形成TEV信號的電磁波傳播現(xiàn)象是時(shí)間和空間的過程，時(shí)域有限差分法理論(Finite Difference Time Domain, 簡稱FDTD)可以在空間和時(shí)間上采取交替抽樣的離散方式求解空間電磁場的傳播過程。

開關(guān)柜內(nèi)因局部放電而產(chǎn)生的電磁場向外傳播經(jīng)歷了三層介質(zhì)，分別為空氣—開關(guān)柜金屬殼體—空氣，如圖1所示。

圖1 電磁波傳播過程

由于介質(zhì)1為空氣，電導(dǎo)率為零，不產(chǎn)生功率損耗，由麥克斯韋方程組可以得到電磁波在介質(zhì)1—空氣介質(zhì)中的矢量波動方程為：

(2)

式中μ1——介質(zhì)1(空氣)中磁導(dǎo)系數(shù)；

ε1——介質(zhì)1的介電常數(shù)。

求解波動方程得到電場和磁場的矢量通解為：

(3)

(4)

(5)

Zc1被稱為介質(zhì)1的波阻抗，另外由于介質(zhì)3同為空氣，而且傳播方向?yàn)闊o窮遠(yuǎn)位置，所以不存在反射波，介質(zhì)3中的電磁場傳播規(guī)律為：

(6)

介質(zhì)2為開關(guān)柜的金屬外殼，為導(dǎo)電媒介存在電磁損耗，介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)為復(fù)數(shù)形式：

(7)

在有損介質(zhì)中，電磁波滿足波動方程：

(8)

(9)

式(3)、式(5)、式(6)、式(9)構(gòu)成了電磁波在開關(guān)柜內(nèi)的傳播過程方程組，同樣設(shè)定介質(zhì)分界面處電場幅值和磁場幅值之比為分界面處的等效波阻抗，則：

(10)

由分布參數(shù)理論可知，流過開關(guān)柜某點(diǎn)的電流與該點(diǎn)等效波阻抗乘積為該點(diǎn)的電位，即U=i·Zcf，由此可見，TEV信號是開關(guān)柜某點(diǎn)在某時(shí)刻的瞬時(shí)電位。

除此之外，由于Zc2與頻率有關(guān)，TEV信號會受到金屬外殼的影響，目前公認(rèn)的一種說法是TEV信號是電磁波從金屬不連續(xù)部分傳播而來[1,3,8]，因此在分析TEV信號傳播過程之前，首先要需要分析金屬外殼對于TEV影響。

1.2 開關(guān)柜外殼對TEV信號傳播的影響

開關(guān)柜外殼為金屬外殼，從理論上講，金屬對電磁波的傳播有很強(qiáng)的阻礙作用，影響TEV信號的傳播，Dr. John Reeves認(rèn)為檢測到的電磁波是從金屬外殼不連續(xù)的地方傳出，本文采用XFdtd軟件對金屬外殼的影響進(jìn)行了仿真。

XFdtd是基于時(shí)域有限差分(FDTD)方法的全波三維電磁場仿真軟件，非常適合TEV這種時(shí)域空間傳播信號的仿真，本文建立了10 kV開關(guān)柜等尺寸三維模型，以高斯波作為放電電源，設(shè)置在開關(guān)柜內(nèi)部，處在x和y方向的正中心，距離地面100 mm，探針放置在開關(guān)柜外殼外表面，x和z方向的正中心，如圖2所示。

圖2 開關(guān)柜等效模型及探測點(diǎn)位置

仿真前設(shè)定基本參數(shù)如下[12,15-16]：

(1)介質(zhì)電磁特性。仿真中目標(biāo)開關(guān)柜均采用普通鋼制材料，統(tǒng)一設(shè)置電導(dǎo)率為9.93×106S/m，相對介電常數(shù)為1，自由場區(qū)為真空電磁特性，不需要設(shè)置；

(2)網(wǎng)格剖分。仿真開始之前，必須根據(jù)不同的被仿真物體確定場區(qū)內(nèi)最小計(jì)算單位的劃分。根據(jù)FDTD計(jì)算原理，剖分精度直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度，計(jì)算機(jī)使用內(nèi)存來存儲網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，因此剖分精度還受內(nèi)存大小限制。不同仿真中根據(jù)物體尺寸和特點(diǎn)采用最優(yōu)網(wǎng)格剖分[12]；

(3)FDTD區(qū)域劃分。在物體外部的X、Y、Z方向上統(tǒng)一設(shè)置20個(gè)剖分網(wǎng)格的自由空間。自由空間的外邊界即為吸收邊界，電磁波在這個(gè)界面上將被吸收，以模擬開域空間；

(4)邊界吸收條件。為了模擬無限大空間，保證仿真邊界良好的電磁波吸收特性，仿真統(tǒng)一使用軟件中自帶的二階Liao氏邊界。Liao氏邊界可以保證電磁波在穿過網(wǎng)格區(qū)邊界后沒有反射[12]，即物體相當(dāng)于被放置在無限大空間內(nèi)，有助于減少研究地電波信號傳播特性時(shí)反射電磁波的干擾；

(5)激勵源。文獻(xiàn)[12]中使用高斯脈沖來模擬局部放電信號，在仿真中也使用高斯脈沖波為局部放電源。放電源波形時(shí)域形式為：

(11)

(6)探針。軟件中提供多種形式的探針用來記錄網(wǎng)格中電磁量的變化過程，如電場強(qiáng)度或其分量，磁場強(qiáng)度或其分量，面電流密度等。后處理中還可以以繪圖的形式直觀顯示時(shí)域上個(gè)電磁參量的變化過程。在仿真中使用Point Sensor和Planar Sensor兩種探針，分別用來記錄某一點(diǎn)電場強(qiáng)度變化過程和某一平面電磁場傳播過程。

圖3 兩種情況下TEV仿真信號強(qiáng)度

首先模型為全封閉的開關(guān)柜，沒有不連續(xù)部分，探測點(diǎn)信號強(qiáng)度如圖3(a)所示，最大信號強(qiáng)度只有1.8e-10V/m，接近于0；隨后在開關(guān)柜底端開一個(gè)寬度為10 mm的縫隙，探針位置不變，TEV信號強(qiáng)度變?yōu)?e-4V/m，由此可見，金屬外殼對TEV信號的衰減作用很明顯，檢測到的TEV信號為電磁波從開關(guān)柜不連續(xù)的地方傳出而形成的。

1.3 TEV信號傳播過程

圖4為放電源輻射電磁波在開關(guān)柜外殼形成的TEV信號動態(tài)傳播過程，仿真參數(shù)不變，探針采用Planar Sensor探針，由此可見，信號從放電源位置向外輻射，信號強(qiáng)度首先逐漸增強(qiáng)，隨后由于傳播介質(zhì)的衰減作用逐漸消失。通過仿真結(jié)果說明，在距離放電源較近位置的TEV信號強(qiáng)度是比較強(qiáng)的，但是由于輻射過程中的衰減作用，信號強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸減小。

圖4 TEV信號動態(tài)傳播過程

2 開關(guān)柜TEV特性仿真及試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)平臺搭建

2.1.1 TEV測量系統(tǒng)組成

TEV傳感器為EA公司生產(chǎn)的電容耦合式傳感器PDL1，其上限頻率最高可達(dá)100 MHz，為了得到原始數(shù)據(jù)信號，傳感器直接接入采集設(shè)備(采樣率1 GS/s)，并由PC機(jī)和數(shù)據(jù)記錄軟件完成開關(guān)柜局部放電數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)[15]。

2.1.2 測量平臺搭建

為了與仿真結(jié)果做對比，本文設(shè)計(jì)了如圖5所示實(shí)驗(yàn)測試平臺，在10 kV開關(guān)柜模型內(nèi)部設(shè)置放電模型，由交流無暈試驗(yàn)變壓器在放電模型兩端施加電壓，TEV傳感器緊貼在開關(guān)柜模型金屬外殼，由同軸電纜將信號傳輸?shù)絋EV檢測系統(tǒng)，記錄放電數(shù)據(jù)，LDIC公司的LDS-6局放儀為常規(guī)脈沖電流法[16]，作為TEV檢測系統(tǒng)性能測試的參考。

圖5 實(shí)驗(yàn)回路示意圖

2.1.3 放電源設(shè)計(jì)

開關(guān)柜在制造和安裝過程中造成導(dǎo)體、外殼內(nèi)表面上的金屬突起，形成放電尖刺，因此本文選擇針板模型作為放電源，其中針電極直徑10 mm，錐角15度，板電極尺寸為Φ100×20 mm，電極間距為10 mm。

2.2 TEV典型放電波形

圖6所示為TEV信號的典型仿真波形及頻譜，仿真過程中保持仿真參數(shù)不變，通過分析發(fā)現(xiàn)TEV信號的上升時(shí)間在10 ns左右，持續(xù)到100 ns基本結(jié)束，信號頻率主要集中在0～100 MHz，因此從仿真角度來看TEV傳感器頻帶上限最好選能夠達(dá)到100 MHz，本文選用EA公司傳感器滿足要求。

如圖7所示為實(shí)際測量的TEV波形，實(shí)際測量波形與仿真波形比較相近，上升時(shí)間也在10 ns左右，另外實(shí)測信號也主要分布在0～100 MHz之間，實(shí)際測量結(jié)果與仿真結(jié)果比較相符。

圖6 TEV仿真波形

圖7 TEV實(shí)際測量波形

2.3 放電強(qiáng)度與TEV信號強(qiáng)度關(guān)系

圖8(a)所示為實(shí)際測量得到的放電量與TEV測量幅值間關(guān)系，橫坐標(biāo)為LDS-6檢測到局部放電量大小，縱軸為TEV檢測幅值，由此可見TEV幅值與放電信號強(qiáng)度近似呈線性變化關(guān)系；圖8(b)為仿真結(jié)果，同樣表明TEV信號強(qiáng)度與放電強(qiáng)度呈近似的線性變化關(guān)系。

圖8 放電信號強(qiáng)度與TEV幅值關(guān)系

2.4 測量位置與TEV信號關(guān)系

在保證外施電壓不變的情況下，改變傳感器位置，記錄TEV傳感器測量數(shù)據(jù)，傳感器距離信號的距離分別為200、400、600、800 mm，同樣，在仿真模型中在離信號源200、400、600、800 mm距離分別放置4個(gè)探針，通過試驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，隨著檢測位置離信號源的增加，TEV信號逐漸減小(見圖9)。

圖9 放電位置與TEV信號關(guān)系

2.5 TEV統(tǒng)計(jì)特征與常規(guī)脈沖電流方法對比

本文以LDS-6局部放電檢測儀為參照，分析了TEV傳感器檢測到的信號是否能夠真實(shí)反映放電類型，圖10分別為不同電壓作用下TEV信號散點(diǎn)圖及同時(shí)刻常規(guī)脈沖信號散點(diǎn)圖，由此可見，TEV信號同樣可以構(gòu)成具有放電相位分布特征的散點(diǎn)圖，并且與常規(guī)脈沖電流檢測到的散點(diǎn)圖特征非常相似，說明TEV檢測方法在開關(guān)柜局放檢測中具有良好的有效性。

圖10 TEV與常規(guī)脈沖電流散點(diǎn)圖

3 結(jié)語

(1)通過理論分析發(fā)現(xiàn)，TEV為局部放電引起的時(shí)變電磁波在開關(guān)柜表面形成的瞬時(shí)電位，與波阻抗有關(guān)，開關(guān)柜金屬外殼對TEV信號具有明顯的抑制作用，TEV信號是電磁波從殼體不連續(xù)的地方泄露而形成的，TEV信號是輻射式傳播，并且信號先增強(qiáng)后衰減；

(2)通過試驗(yàn)及仿真發(fā)現(xiàn)TEV信號的上升時(shí)間大概在10 ns左右，頻率分布在0～100 MHz范圍內(nèi)；放電源越強(qiáng)，TEV信號強(qiáng)度越大，并且近似呈線性關(guān)系；TEV檢測時(shí)，離信號源越近，TEV越強(qiáng)；同時(shí)，TEV檢測方法在工程應(yīng)用中有良好的有效性。

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(本文編輯：嚴(yán) 加)

Propagation Characteristics and Test Analysis of Transient Earth Voltage in Switchgear

WEI Zhen, DUAN Xiao-yan

(State Grid Qingdao Electric Power Company, Qingdao 266002, China)

The voltage between the metal enclosure of switchgears and the earth caused by partial discharge (PD) is called Transient Earth Voltage (TEV), which could be used for PD on-line detection efficiently. It has been the main content for switchgear inspection of power companies. But the TEV signal may be influenced by source intensity and detection distance. So it is very important to learn the propagation characteristics of TEV signal for detection and effectiveness.The propagation of TEV was simulated in this paper using Xfdtd. What's more, a set of test platform was built for TEV detection. Through analyzing the influence source intensity and detection distance, the test results were compared with the simulation results. The results showed the following conclusions: (1) TEV is caused by the transient electromagnetic when the PD occurs in switchgear, and has the relation with wave impedance. The metal enclosure has significantly inhibited TEV signal. It radiates, increases firstly, then decreaces; (2) The risen time of TEV signal is about 10ns, and the band width is about 100MHz. There is a linear relationship between source intensity and TEV amplitude, influenced by detection distance. However, TEV detection method has good effectiveness in engineering applications.

HV switchgears; transient earth voltage (TEV); TEV sensor; testing system; PD model; statistical map

10.11973/dlyny201605005

魏 振(1987)，男，博士，從事電力設(shè)備電氣試驗(yàn)及故障診斷工作。

TM85

A

2095-1256(2016)05-0554-07

2016-07-25