GIS內特高頻局放信號傳播特性研究

楊濤+李秀衛+趙斌財

摘 要：特高頻法作為一種抗電磁干擾能力突出、靈敏性高的局放檢測手段，在局放測試中大量使用，研究GIS內特高頻局部放電信號傳播特性具有重要的工程實用意義。本文通過搭建GIS腔體FDTD仿真模型，仿真分析了特高頻信號在GIS直腔體內的傳播特性，研究了特高頻信號在對應直腔體中的衰減特性，對現場特高頻檢測系統選擇、閾值設定、傳感器優化布置、絕緣故障診斷具有重要的意義。

關鍵詞：GIS ；特高頻；局部放電；傳播特性；FDTD

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.132

0 引言

當前新建變電站多采用GIS，具有運維方便、使用壽命長等優點[1]。GIS局放檢測具有一系列方法，其中UHF法具有以下優點：在特高頻電磁波區段檢測，從源頭上避開了高頻電磁及電暈干擾；能夠進行故障點位置的判定，能依據相應的頻譜圖譜實現故障類型識別[2]。

當發生局部放電時，GIS腔體會激發產生特高頻信號，其在GIS腔體中傳播特性復雜[3]。加之現場設備眾多，人員缺乏專業理論，對特高頻信號傳播特性不熟悉，這給現場特高頻檢測的閾值設定、傳感器優化布置、絕緣診斷帶來較大困難。為此，研究GIS腔體內部特高頻信號的傳播特征十分必要。

1 相關理論及仿真軟件

1.1 時域有限差分法

1966年K.S.Yee首次提出時域有限差分法（FDTD），其直接對麥克斯韋微分方程組離散求解，能夠解決寬頻、瞬態電磁場及大尺寸結構仿真計算[4 ]。

FDTD差分分割采用中心差商代替微商，同時對正六面體進行空間分割。三維計算建模的時間、空間尺度應滿足公式（1），方可確保系統穩定：

1.2 仿真軟件

XFdtd是Remcom公司產品，它適合解決大尺寸復雜精細結構、具有強大的后處理和自定義腳本功能、能夠支持多種放電信號源，為GIS的局放試驗提供精準的仿真分析。

2 模型搭建

根據國網煙臺供電公司萬華變電站220kV GIS參數搭建了直腔體的試驗模型。局放源設置在邊界1m處位置。導桿設置15mm長的細線來模擬內導體上的尖端放電。搭建模型的導電桿外直徑為90mm，搭建的腔體內徑和外徑分別為320mm、340mm，整個腔體長度為5m。

在軸向每100cm的位置設檢測點，所有檢測點均在腔體內壁，如圖1。

局放信號可用高斯脈沖信號等效，但需滿足上升時間<300ps。本文設置高斯模擬信號的脈寬為1ns，幅值10mA。高斯脈沖時域形式：

決定了高斯脈沖的寬度，時，峰值出現。圖3所示時域、頻域波形為1ns的高斯脈沖，上升時間約200ps。

3 傳播特性仿真分析

不同檢測點仿真得到的電場峰值如下表所示。

距離放電源1m和2m出檢測到的電場信號如圖3、圖4所示。由圖可知，通過仿真分析特高頻信號在GIS直腔體內的傳播特性，發現特高頻信號在直腔體中每傳播1m衰減2.2dB。

4 結論

本文根據所轄的萬華站220kV GIS設備，在XFdtd軟件中建立了局放直腔體仿真模型，分析了UHF信號在其中的傳播特性。主要結論如下： UHF電磁波在直腔體內傳播，主要激發出橫電磁波。電磁信號時域峰值在腔體內傳播呈衰減趨勢，每傳播1m大約衰減2.2dB。通過研究特高頻信號的傳播特性，可指導工程現場UHF檢測系統選型、傳感器的布局、放電強度的判斷。

參考文獻：

[1]董學燦.GIS變電站在線監測技術的應用[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[2]段大鵬.基于UHF方法的GIS局部放電檢測與仿生模式識別[D].上海：上海交通大學，2009.

[3]楊景剛，史文，黎大健.GIS直線與L型結構中電磁波傳播特性的仿真研究[J].電工電能新技術，2009（v01）：51-55.endprint