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 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(dòng)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(shí)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(duì)象，建立聲波傳輸有限元模型，研究了導(dǎo)波特性對(duì)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(duì)該模態(tài)導(dǎo)波的衰減與時(shí)延量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定位試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)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(huì)對(duì)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(shí)延，在故障定位中考慮非直管結(jié)構(gòu)衰減與時(shí)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(shí)間差（TDOA） 超聲導(dǎo)波 傳播特性

0 引言

伴隨著我國(guó)“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(kāi)發(fā)并接納更高比例的新能源勢(shì)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(duì)性地解決新能源開(kāi)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(lái)的電能送出難問(wèn)題[1-2]，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)水電站、核電站建設(shè)中，在大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)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(kāi)關(guān)設(shè)備（Gas-Insulated Switchgear, GIS）母線，但其長(zhǎng)度遠(yuǎn)超后者，同時(shí)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(cè)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(cè)系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的要求。相比于人工監(jiān)聽(tīng)法、化學(xué)檢測(cè)法等傳統(tǒng)GIS故障定位方法，基于到達(dá)時(shí)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(cè)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(xiàng)目中[5-7]。

聲波自聲源發(fā)出后，受被測(cè)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(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(kāi)展了相應(yīng)的研究。近年來(lái)，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(chǎng)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(shí)延量[19]。實(shí)際上，聲波沿GIL殼體傳輸時(shí)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。現(xiàn)階段研究一般將GIS/GIL內(nèi)傳播的聲波簡(jiǎn)化為速度恒定的橫、縱波，未考慮頻散與多模態(tài)特性對(duì)聲波傳輸帶來(lái)的復(fù)雜影響，研究成果與實(shí)際存在偏差，難以對(duì)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(guò)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(guò)GIL伸縮節(jié)、氣隔盆子等非直管結(jié)構(gòu)的衰減與時(shí)延情況，為GIL聲源定位系統(tǒng)配置提供指導(dǎo)，對(duì)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(shí)，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(shí)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?yàn)樵撀暡ǖ膫鞑ヂ窂街饕挥贕IL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(dòng)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(dòng)力學(xué)的位移解法，可以用以位移表示的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)距離圓柱殼波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，存在內(nèi)、外兩個(gè)流-固交界面，沿GIL殼體傳播的聲波不斷在兩個(gè)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(shí)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(guò)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(guò)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(guó)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(shí)，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(wú)關(guān)；當(dāng)頻率上升到5 kHz以上時(shí)，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(lì)方式有關(guān)。

2 導(dǎo)波模態(tài)對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)GIL殼體的激勵(lì)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(duì)仿真結(jié)果造成影響，激勵(lì)信號(hào)選用聲發(fā)射測(cè)試中常用的漢寧窗調(diào)制正弦信號(hào)[26-27]，該信號(hào)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(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的導(dǎo)波波長(zhǎng)，因此結(jié)合模型規(guī)模與硬件條件將激勵(lì)信號(hào)中心頻率設(shè)定為10 kHz，周期數(shù)設(shè)為10，激勵(lì)信號(hào)時(shí)域波形如圖4所示。

參考實(shí)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(shí)域波形表征聲導(dǎo)波的傳播狀態(tài)。由于激勵(lì)點(diǎn)兩側(cè)的仿真結(jié)果具有對(duì)稱性，因此探針點(diǎn)均設(shè)置在激勵(lì)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(lì)信號(hào)

2.2 近激勵(lì)處導(dǎo)波模態(tài)特性

近激勵(lì)處三個(gè)探針點(diǎn)的時(shí)域波形如圖5所示。可以看出，激勵(lì)點(diǎn)附近的聲導(dǎo)波主要由激勵(lì)直接產(chǎn)生的一次聲波和一次聲波在GIL殼體上下邊界來(lái)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(lì)處各位置的聲導(dǎo)波時(shí)域波形

由激勵(lì)直接產(chǎn)生的一次聲波的原始波包一開(kāi)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(jì)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(duì)應(yīng)，說(shuō)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(lì)處導(dǎo)波模態(tài)特性

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

圖6 遠(yuǎn)激勵(lì)處各位置的聲導(dǎo)波時(shí)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(jì)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(guò)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(guò)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(guò)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(shí)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(duì)應(yīng)的波包⑤幅值是前方波包①～④幅值的20余倍，傳播過(guò)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(hào)激勵(lì)，計(jì)算得到一次聲波原始波包的傳播速度約為2 000 m/s，對(duì)應(yīng)F(1, 1)模態(tài)在 2 kHz處的波速，表明在沿徑向激勵(lì)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(dòng)監(jiān)測(cè)，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(duì)基于直接時(shí)延估計(jì)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(chǎng)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(guò)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(shì)。

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(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)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(huì)在傳播過(guò)程中發(fā)生頻散現(xiàn)象。為了降低導(dǎo)波的頻散特性對(duì)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(yàn)裝置殼體上布置聲發(fā)射傳感器，通過(guò)裝置內(nèi)部故障模型產(chǎn)生放電，測(cè)試殼體上聲波的頻帶能量分布，試驗(yàn)布置如圖7所示。

在測(cè)試中分別記錄GIS內(nèi)部放電、周圍環(huán)境風(fēng)機(jī)、人員說(shuō)話聲等激勵(lì)下聲波信號(hào)時(shí)域波形。因?yàn)镚IL殼體中傳播的聲波信號(hào)屬于機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，因此選用振動(dòng)信號(hào)處理中常用的db7小波對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行7層小波分解，計(jì)算對(duì)應(yīng)的近似系數(shù)與細(xì)節(jié)系數(shù)(=1～7)。由于測(cè)試中使用的信號(hào)采樣頻率為1 MHz，其對(duì)應(yīng)的奈奎斯特頻率為500 kHz，信號(hào)7層分解下得到8個(gè)頻帶見(jiàn)表1。

圖7 GIL放電性故障聲波特性測(cè)試

表1 不同激勵(lì)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(jì)算表達(dá)式為

頻帶1～7能量占比E, j的計(jì)算表達(dá)式[29]為

根據(jù)式（5）與式（6）計(jì)算各頻帶的能量占比，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，排除信號(hào)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(shuō)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)。基于上述兩點(diǎn)，應(yīng)選擇20～60 kHz頻帶作為GIL聲源故障定位的監(jiān)測(cè)頻帶，可以有效地降低環(huán)境噪聲與導(dǎo)波頻散特性對(duì)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(zhǎng)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(lì)施加于距模型右側(cè)邊界10 m處，在激勵(lì)點(diǎn)左側(cè)2～27 m位置內(nèi)布置6個(gè)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(cè)試中常用的一種聲波激勵(lì)方法[30-31]，通過(guò)壓電式?jīng)_擊力錘對(duì)GIS/GIL殼體施加瞬間沖擊模擬內(nèi)部放電時(shí)殼體受到的激勵(lì)作用，同時(shí)根據(jù)力錘內(nèi)置傳感器輸出的沖擊力波形的幅值對(duì)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(lì)聲波，根據(jù)兩種激勵(lì)方式下到達(dá)傳感器的聲波時(shí)域波形最大幅值，確定接近放電強(qiáng)度的錘擊強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的沖擊力波形，同時(shí)將帶通濾波與歸一化處理后的傳感器輸出信號(hào)頻譜進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。可以看出，在所確定的20～60 kHz定位頻帶內(nèi)，力錘激勵(lì)與放電激勵(lì)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(lì)信號(hào)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(lì)施加在模型之上。

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

圖9 放電與錘擊激勵(lì)下聲信號(hào)頻譜

圖10 各探針點(diǎn)超聲導(dǎo)波時(shí)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(shí)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(guò)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(lì)下包含更多的模態(tài)導(dǎo)波，整體幅值高，但在傳播過(guò)程中波包形狀變化劇烈，幅值衰減較快。

對(duì)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(guò)程中幅值衰減較慢，10 m幅值衰減量約為30%，在時(shí)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(duì)應(yīng)的頻率為25 kHz，與圖9錘擊聲信號(hào)頻譜峰值對(duì)應(yīng)頻率一致，說(shuō)明定位頻帶內(nèi)能量最高的頻率成分對(duì)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(hào)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(guò)GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性

工程經(jīng)驗(yàn)表明，GIL伸縮節(jié)、氣隔盆子等非直管結(jié)構(gòu)對(duì)沿殼體傳播的導(dǎo)波信號(hào)具有明顯的幅值衰減與時(shí)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(guò)GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性，對(duì)國(guó)產(chǎn)該型220 kV GIL單級(jí)伸縮節(jié)、雙級(jí)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(cè)非直管結(jié)構(gòu)兩側(cè)，同時(shí)在距離待測(cè)結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)處施加力錘沖擊激勵(lì)。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(shí)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(guò)氣隔盆子前后對(duì)比

從圖13可以看出，經(jīng)過(guò)GIL非直管結(jié)構(gòu)前后的超聲導(dǎo)波在時(shí)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(duì)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(shì)；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(shí)度高、經(jīng)過(guò)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(shì)。

以經(jīng)過(guò)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(jì)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(jì)算聲時(shí)延量，計(jì)算得到的彎曲波F(1, 1)經(jīng)過(guò)GIL非直管結(jié)構(gòu)的傳播特性見(jiàn)表2。

表2 彎曲波F(1, 1)經(jīng)過(guò)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(huì)對(duì)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(guò)氣隔盆子時(shí)的傳播速度基本不會(huì)下降，因此伸縮節(jié)是造成F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波時(shí)延的主要因素。

3.4 定位試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的分析模型的正確性，在某GIL生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展故障定位測(cè)試，如圖14所示。試驗(yàn)所用的GIL由5節(jié)8 m長(zhǎng)直管段與1節(jié)單級(jí)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(hào)。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(gè)20 m長(zhǎng)的定位區(qū)間，記錄到達(dá)的聲波信號(hào)。

圖14 220 kV GIL故障定位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

基于直接時(shí)延估計(jì)的TDOA定位方法通過(guò)所設(shè)定的定位閾值確定時(shí)域波形信號(hào)前方的定位特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻計(jì)算聲波到達(dá)定位區(qū)間兩側(cè)傳感器的時(shí)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(yàn)法確定定位閾值與計(jì)算波速。對(duì)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(jiǎn)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(duì)故障定位造成的影響。

圖15 基于直接時(shí)延估計(jì)的TDOA定位方法原理

基于本文提出的分析模型，在測(cè)試中根據(jù)F(1, 1)模態(tài)導(dǎo)波特點(diǎn)及單級(jí)伸縮節(jié)對(duì)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(shí)，提出在到達(dá)時(shí)間差中減去非直管結(jié)構(gòu)聲時(shí)延量的新方法考慮GIL非直管結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)比。三種方法的定位結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(yàn)驗(yàn)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(jì)算特征點(diǎn)，根據(jù)波包幅值確定定位閾值，并結(jié)合信號(hào)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，聲源定位系統(tǒng)需布置大量的傳感器并形成多個(gè)定位區(qū)間。根據(jù)GIL非直管結(jié)構(gòu)聲衰減量計(jì)算結(jié)果，一個(gè)定位區(qū)間內(nèi)應(yīng)包含不多于兩個(gè)氣隔盆子或一個(gè)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(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)時(shí)延量對(duì)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(jì)算特征點(diǎn)，因此在配置GIL故障定位系統(tǒng)時(shí)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(duì)GIL聲源故障定位機(jī)理不明、精度不高這一工程實(shí)際問(wèn)題，本文結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真，對(duì)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(guò)GIL非直管結(jié)構(gòu)的衰減與時(shí)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(guò)程中頻散與多模態(tài)特性帶來(lái)的影響，所得聲波傳播規(guī)律與導(dǎo)波理論及試驗(yàn)結(jié)果可有效對(duì)應(yīng)。

2）綜合GIL內(nèi)部放電聲信號(hào)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(cè)頻帶可有效減少導(dǎo)波頻散與環(huán)境干擾對(duì)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(shí)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(huì)對(duì)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(shí)延，在故障定位中考慮非直管結(jié)構(gòu)衰減與時(shí)延影響可以使定位誤差降低60%以上。

[1] 邱玥, 陸帥, 陸海, 等. 綜合能源系統(tǒng)靈活性：基本內(nèi)涵、數(shù)學(xué)模型與研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2022, 46(17): 16-43.

Qiu Yue, Lu Shuai, Lu Hai, et al. Flexibility of integrated energy system: basic connotation, mathematical model and research framework[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46(17): 16-43.

[2] 孟沛彧, 向往, 潘爾生, 等. 分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浞桨概c運(yùn)行特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(19): 4808-4822.

Meng Peiyu, Xiang Wang, Pan Ersheng, et al. Research on topology and operation characteristics of HVDC transmission system based on site-division construction[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(19): 4808-4822.

[3] 杜伯學(xué), 董佳楠, 梁虎成. 特高壓GIL非均勻熱氣流特性與三支柱絕緣子絕緣裕度分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2023, 38(6): 1678-1686.

Du Boxue, Dong Jianan, Liang Hucheng. Non-uniform gas convection in UHV-GIL and insulation margin analysis for tri-post insulator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(6): 1678-1686.

[4] 薛乃凡, 李慶民, 劉智鵬, 等. 微納粉塵運(yùn)動(dòng)行為與微弱放電探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(13): 3380-3392.

Xue Naifan, Li Qingmin, Liu Zhipeng, et al. Research advances of the detection technology for kinetic behavior and weak discharge of the micro-nano dust[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(13): 3380-3392.

[5] 劉通, 騰云, 楊景剛, 等. 基于可聽(tīng)聲的GIL設(shè)備交流耐壓擊穿放電定位研究[J]. 高壓電器, 2021, 57(1): 26-32, 40.

Liu Tong, Teng Yun, Yang Jinggang, et al. Study on AC withstand voltage breakdown discharge location of GIL equipment based on audible-signal[J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(1): 26-32, 40.

[6] 李玉杰, 王梟, 楊景剛, 等. 基于DOA估計(jì)的GIL擊穿放電定位方法研究[J]. 高壓電器, 2022, 58(9): 94-101.

Li Yujie, Wang Xiao, Yang Jinggang, et al. Research on location method of GIL breakdown and discharge based on DOA estimation[J]. High Voltage Apparatus, 2022, 58(9): 94-101.

[7] 羅楚軍, 岳浩, 李健, 等. 基于超聲波法的長(zhǎng)距離超高壓GIL電弧故障定位[J]. 電力與能源, 2021, 42(1): 39-45, 136.

Luo Chujun, Yue Hao, Li Jian, et al. Long-distance UHV GIL arc fault location based on ultrasonic method[J]. Power & Energy, 2021, 42(1): 39-45, 136.

[8] Lundgaard L E. Partial discharge. XIII. Acoustic partial discharge detection-fundamental considerations[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 1992, 8(4): 25-31.

[9] Kranz H G. Fundamentals in computer aided PD processing, PD pattern recognition and automated diagnosis in GIS[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2000, 7(1): 12-20.

[10] 李成榕, 王浩, 鄭書生.GIS局部放電的超聲波檢測(cè)頻帶試驗(yàn)研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2007, 1(1): 41-45.

Li Chengrong, Wang Hao, Zheng Shusheng. Experiment research on ultrasonic band selection of GIS partial discharge detection[J]. Southern Power System Technology, 2007, 1(1): 41-45.

[11] 陳雋, 劉文浩, 盧軍, 等. GIS中不同位置電暈放電的超聲波信號(hào)特性[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(12): 3006-3011.

Chen Jun, Liu Wenhao, Lu Jun, et al. Acoustic signal characteristics of corona discharge in different location of GIS[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(12): 3006-3011.

[12] 劉君華, 姚明, 黃成軍, 等. 采用聲電聯(lián)合法的GIS局部放電定位試驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(10): 2458-2463.

Liu Junhua, Yao Ming, Huang Chengjun, et al. Experimental research on partial discharge localization in GIS using ultrasonic associated with electromagnetic wave method[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(10): 2458-2463.

[13] 宋蓓華. 基于聲電聯(lián)合的GIS局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2012.

Song Beihua. Based on the UHF and UE combined GIS partial discharge on-line detection technology research[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2012.

[14] Lundgaard L E, Runde M, Skyberg B. Acoustic diagnosis of gas insulated substations: a theoretical and experimental basis[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1990, 5(4): 1751-1759.

[15] 黎大健, 梁基重, 步科偉, 等. GIS中典型缺陷局部放電的超聲波檢測(cè)[J]. 高壓電器, 2009, 45(1): 72-75.

Li Dajian, Liang Jizhong, Bu Kewei, et al. Ultrasonic detection of partial discharge on typical defects in GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2009, 45(1): 72-75.

[16] 騰云, 楊景剛, 馬勇, 等. GIL擊穿放電低頻聲場(chǎng)仿真[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(3): 906-914.

Teng Yun, Yang Jinggang, Ma Yong, et al. Low frequency acoustic field simulation of GIL disruptive discharge[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(3): 906-914.

[17] 李永亮, 唐俊, 黨冬, 等. 蘇通GIL綜合管廊聲傳播特性仿真研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2018, 37(4): 297-302.

Li Yongliang, Tang Jun, Dang Dong, et al. Simulation study of acoustic propagation characteristics in Suzhou-Nantong GIL multi-utility tunnel[J]. Technical Acoustics, 2018, 37(4): 297-302.

[18] Fei Ye, Liu Yunpeng, Chen Jiangbo, et al. The attenuation and propagation law of ultrasonic wave in UHV gas insulated line[J]. IEEE Access, 2020, 8: 163308-163315.

[19] 杜志葉, 郝兆揚(yáng), 郝乾, 等. 220kV GIL復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳播特性分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2022, 49(2): 125-134.

Du Zhiye, Hao Zhaoyang, Hao Qian, et al. Analysis on vibration propagation characteristics of 220kV GIL complicated shell structure[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2022, 49(2): 125-134.

[20] 伍企舜. GIS聲學(xué)診斷的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[J]. 高壓電器, 1991, 27(2): 55-61.

[21] (美)伊文. 層狀介質(zhì)中的彈性波[M]. 劉光鼎, 譯.北京: 科學(xué)出版社, 1966.

[22] 薛建議, 朱明曉, 邵先軍, 等. 特高壓GIS局部放電超聲波傳播特性仿真[J]. 高壓電器, 2018, 54(9): 67-75.

Xue Jianyi, Zhu Mingxiao, Shao Xianjun, et al. Simulation on ultrasonic propagation characteristics of partial discharge in ultra-high voltage GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2018, 54(9): 67-75.

[23] 邵長(zhǎng)金, 楊振清, 周廣剛. 場(chǎng)與波[M]. 東營(yíng): 中國(guó)石油大學(xué)出版社, 2015.

[24] 程祖依. 彈性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 武漢: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社, 1989.

[25] 侯云霞. Lamb波和管中導(dǎo)波的傳播特性研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2009.

Hou Yunxia. Study on propagation characteristics of Lamb wave and guided wave in pipes[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2009.

[26] 張清華, 張登科, 崔闖, 等. 基于超聲導(dǎo)波的鋼橋面板縱肋對(duì)接焊縫疲勞裂紋檢測(cè)方法[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2022, 35(6): 101-112.

Zhang Qinghua, Zhang Dengke, Cui Chuang, et al. Fatigue crack detection method based on ultrasonic-guided waves for the longitudinal rib butt weld of steel decks[J]. China Journal of Highway and Transport, 2022, 35(6): 101-112.

[27] 栗霞飛, 劉飛, 趙滿全, 等. 基于超聲導(dǎo)波檢測(cè)管道缺陷的數(shù)值模擬[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2019, 38(2): 164-169.

Li Xiafei, Liu Fei, Zhao Manquan, et al. Numerical simulation of pipeline defects detection based on ultrasonic guided wave[J]. Technical Acoustics, 2019, 38(2): 164-169.

[28] 姚睿豐, 王妍, 高景暉, 等. 壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(7): 1324-1337.

Yao Ruifeng, Wang Yan, Gao Jinghui, et al. Applications of piezoelectric materials and devices in electric engineering[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1324-1337.

[29] 魏東, 劉侃, 丁榮軍, 等. 基于多重同步壓縮變換的永磁同步電機(jī)初期匝間短路故障檢測(cè)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(18): 4651-4663.

Wei Dong, Liu Kan, Ding Rongjun, et al. A multi-synchrosqueezing transformation based early stage detection of inter-turn short circuit fault in permanent magnet synchronous machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(18): 4651-4663.

[30] 徐鵬, 蘇勇令, 賀林, 等. 振動(dòng)測(cè)試技術(shù)在GIS耐壓試驗(yàn)故障定位中的應(yīng)用研究[J]. 華東電力, 2014, 42(1): 23-27.

Xu Peng, Su Yongling, He Lin, et al. Vibration test system using in breakdown location of GIS withstand voltage test[J]. East China Electric Power, 2014, 42(1): 23-27.

[31] 馬文長(zhǎng), 馬博輝, 何寧輝, 等. 基于聲源信號(hào)的GIL擊穿性放電定位研究[J]. 寧夏電力, 2021(2): 28-34.

Ma Wenchang, Ma Bohui, He Ninghui, et al. Research on location of GIL breakdown discharge based on acoustic signal[J]. Ningxia Electric Power, 2021(2): 28-34.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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?yàn)橹悄茈姎庠O(shè)備、特高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)、電磁多物理場(chǎng)耦合計(jì)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?yàn)闅怏w絕緣輸電線路故障定位。E-mail：haozhaoyang.whu@foxmail.com（通信作者）

（編輯 李 冰）