GIS 中電磁波傳播特性的試驗(yàn)研究

徐 華，胡文堂，陳金法，李思南

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 杭州 310014）

輸配電技術(shù)

GIS 中電磁波傳播特性的試驗(yàn)研究

徐 華，胡文堂，陳金法，李思南

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 杭州 310014）

GIS 內(nèi)部的局部放電會(huì)在腔體中激勵(lì)超高頻（UHF）電磁波信號(hào)， 局部放電信號(hào)可通過超高頻傳感器進(jìn)行檢測。 為研究 UHF 信號(hào)在 GIS 中的傳播特性， 在 GIS 內(nèi)設(shè)置了導(dǎo)體尖端和懸浮電位放電模型，內(nèi)置式傳感器的信號(hào)與用示波器在盆式絕緣子澆注孔測試到的 UHF信號(hào)進(jìn)行比較。 試驗(yàn)結(jié)果表明， UHF 信號(hào)在 GIS 內(nèi)有一定的衰減， 外置式傳感器測得的信號(hào)比內(nèi)置式的衰減大。

GIS； 局部放電； 超高頻； 電磁波； 檢測

0 引言

根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議組織的國際調(diào)查報(bào)告，1985 年以前投入運(yùn)行的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）562 次故障中絕緣故障達(dá) 60%， 1985 年以后投入運(yùn)行的 GIS 247 次故障中絕緣故障達(dá)51%[1]。 GIS 內(nèi)部發(fā)生局部放電（以下 簡稱 局放 ）時(shí)， 其單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間很短（上升沿＜1 ns）， 會(huì)在 GIS 腔體內(nèi)激勵(lì)出超高頻（UHF）電磁波。 局放檢測是 GIS 絕緣狀態(tài)檢測的重要手段，與傳統(tǒng)的檢測方法相比，UHF檢測技術(shù)具有檢測頻率高、抗干擾性強(qiáng)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，更適合在線檢測。

當(dāng)前，GIS 局放 UHF 檢測法在推廣應(yīng)用中面臨的主要困難是放電強(qiáng)度難于度量，這源于對(duì)局放 UHF 信號(hào)各次模量在 GIS 結(jié)構(gòu)中的激發(fā)、 傳播、 衰減的規(guī)律研究不足， 研究 UHF 信號(hào)在GIS同軸系統(tǒng)中的變化特性是非常必要的。

1 GIS 中電磁波的傳播規(guī)律

根據(jù) GIS 的結(jié)構(gòu)， 可將 GIS 近似為 2 根同軸導(dǎo)體構(gòu)成的波導(dǎo)系統(tǒng)，如圖1所示。內(nèi)導(dǎo)體為母線， 其外半徑為 a，外導(dǎo)體為外殼， 其內(nèi)半徑為b。 研究表明， GIS 中局放激勵(lì)的電磁波中不僅存在橫電磁波（TEM）[2]，還有高次模式分量，即 TE和 TM 波[3-5]。 TEM 波為非色散波， 能以任何頻率在同軸波導(dǎo)中傳播。 TE 和 TM 波是色散波， 存在截止頻率，只有當(dāng)電磁波頻率高于其截止頻率時(shí)才能在同軸波導(dǎo)中傳播。 在單相封閉結(jié)構(gòu)中，TE和 TM 下限截止頻率的相應(yīng)波長約為[6]：

對(duì)應(yīng)截止頻率：

式中：μ為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率；ε為媒質(zhì)的介電常數(shù)。

圖1 GIS 簡化模型

導(dǎo)體直徑 90mm，殼體直徑 306mm，厚度 8 mm 的 GIS， 其對(duì)應(yīng)的截止頻率是 503MHz。

在同軸波導(dǎo)中， TEM 波傳播速度為光速，與頻率無關(guān)。而高次模波傳播速度與頻率有關(guān)，對(duì)于某個(gè)高次模波，即截止頻率相同時(shí)，電磁波頻率越高，傳播速度越快。因此，高次模波在同軸波導(dǎo)中傳播時(shí)存在色散效應(yīng)。

2 仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪?220 kV GIS 單相母線結(jié)構(gòu)， 包括套管、 TA、 氣室 SP1 和 SP2， 在 2 個(gè)氣室內(nèi)各設(shè)有 1 個(gè)內(nèi)置傳感器， 仿真試驗(yàn)僅參考 SP2 氣室內(nèi)置傳感器超高頻信號(hào)，在 SP2 氣室 HB 盆式絕緣子處搭接長約 22m 的母線氣室，搭接的母線氣室盆式絕緣子外帶澆注孔（不帶屏蔽）， 且包含多個(gè)拐彎結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图俺叽缇唧w見圖2和 3。

圖2 220kV GIS試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒糠终晥D

圖3 220 kV GIS 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透┮晥D

圖4 導(dǎo)體尖端模型圖

圖5 懸浮電位模型圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 導(dǎo)體尖端放電

試驗(yàn)電壓為 80 kV 時(shí)內(nèi)置式傳感器檢測到明顯 UHF局放信號(hào)。 同時(shí)對(duì)內(nèi)置和外置式傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，以內(nèi)置傳感器檢測的 UHF信號(hào)作為參考，用外置式傳感器在各盆子處檢測 UHF信號(hào)。 高速示波器在 HB—HE 處檢測到局放信號(hào)，在 HF—HL 等處沒有檢測到信號(hào)， 測試到的局放信號(hào)數(shù)據(jù)見表1，試驗(yàn)使用同一示波器、內(nèi)置式傳感器和外置式傳感器，2根測試信號(hào)電纜不變。

3.2 懸浮電位放電

試驗(yàn)電 壓 為 52.6 kV 時(shí) ， 產(chǎn)生 明 顯 局放 信號(hào)。同時(shí)對(duì)內(nèi)置和外置式傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，高速示波器在 HB—HL處都檢測到局放信號(hào)，局放信號(hào)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 UHF 局放測試數(shù)據(jù)（試驗(yàn)電壓 80 kV）

表2 UHF 局放測試數(shù)據(jù)（試驗(yàn)電壓 52.6 kV）

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 UHF 局放信號(hào)頻譜分析

圖6 是 SP2 氣室內(nèi)置式傳感器和放置在 HB處外置式傳感器同步測得的UHF局放信號(hào)。2個(gè)傳感器信號(hào)的峰值分別為 250mV， 27mV， 對(duì)應(yīng)47.95 dBmV，28.63 dBmV；外置傳感器相對(duì)于內(nèi)置傳感器衰減為 19.32 dB。

時(shí)域波形的峰值不能全面反映 UHF局放信號(hào)傳播的特性，對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行離散傅里葉變換：

式中：x是輸入序列；N是x中元素的數(shù)量；Y是變換的結(jié)果。

Y 成分的頻域分辨率（頻率間隔）為：

式中： fs是采樣頻率。

對(duì)上述時(shí)域波形進(jìn)行離散傅里葉變換得到其幅頻特， 如圖7 所示。 對(duì) 0.75～3 GHz 頻率范圍內(nèi)的衰減取平均值，可得HB處外置傳感器相對(duì)于SP2 氣室內(nèi)置傳感器衰減了 14.70 dB。

4.2 導(dǎo)體尖端放電 UHF 局放數(shù)據(jù)分析

對(duì) HB—HE 處檢測到的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8采用線性函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)擬合了外置式傳感器 UHF局放信號(hào)的衰減趨勢，線性函數(shù)的系數(shù)為 3.51， 對(duì)數(shù)函數(shù)的系數(shù)為 6.92。 在導(dǎo)體尖端放電下，隨著傳播距離的增加，外置式傳感器UHF 局放信號(hào)平均每經(jīng)過 1 個(gè)拐彎及 2.5m 的殼體衰減 6.34 dB。

圖6 高壓尖端放電的 UHF局放信號(hào)時(shí)域波形

圖7 高壓尖端放電的UHF局放信號(hào)頻域波形

表3 UHF 局放信號(hào)沿 GIS 殼體的衰減情況

4.3 懸浮電位放電 UHF 局放數(shù)據(jù)分析

對(duì) HB—HL 處檢測到的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)如表4所示。

圖9采用線性函數(shù)擬合了外置式傳感器 UHF局放信號(hào)的衰減趨勢，表4中最后一點(diǎn)由于反射對(duì)信號(hào)有加強(qiáng)作用，在圖9中舍棄了這一點(diǎn)。線性函數(shù)的系數(shù)為 1.84。 在懸浮電位放電下， 隨著傳播距離的增加，外置式傳感器 UHF局放信號(hào)的衰減規(guī)律為每經(jīng)過 1 個(gè)拐彎及 2.5m 的殼體衰減 4.60 dB。

5 結(jié)論

在 220 kV GIS 模型中進(jìn)行 UHF 局放信號(hào)衰減特性試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：

圖9 UHF 局放信號(hào)沿 GIS 殼體的衰減及曲線擬合

（1）隨著拐角數(shù)和傳播距離的增加， 外置式傳感器UHF局放信號(hào)逐步衰減。

（2）在高壓金屬尖端放電試驗(yàn)中， 外置式傳感器 UHF 局放信號(hào)每經(jīng)過 1 個(gè)拐角和 2.5 m 的殼體衰減約 6.34 dB； 外置式傳感器 UHF 局放信號(hào)在懸浮電位放電試驗(yàn)中，每經(jīng)過 1個(gè)拐角和2.5m 的殼體衰減約 4.60 dB。

（3）對(duì)外置式檢測信號(hào)衰減的統(tǒng)計(jì)和直線擬合表明，高壓導(dǎo)體尖端放電試驗(yàn)時(shí)，外置式傳感器檢測的信號(hào)比內(nèi)置式檢測的信號(hào)衰減約 18.87 dB；懸浮電位放電試驗(yàn)時(shí)， 外置式檢測的信號(hào)比內(nèi)置式檢測的信號(hào)衰減約 15.38 dB。

[1]JointWorking Group 33/23 12.Insulation coordination of GIS∶return of experience，on site tests and diagnostic techniques[J].Electra，1998，176（2）∶67-97.

[2]張鳴超，王建生，邱毓昌.GIS 中 局 部放電產(chǎn)生的 超 高 頻電 磁 波 及 其 測 量[J].高 電 壓 技 術(shù) ，1998，24（2）∶22-25.

[3]唐 炬 ， 朱 偉 ， 孫 才 新.GIS 局 部 放 電 的 超 高 頻 檢 測[J].高電壓技術(shù)，2003，29（12）∶22-23，55.

[4]劉君華，姚明，王江，等.基于 GIS 中電磁波傳播路徑特性的局放源定位方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（21）∶77-81.

[5]劉君華，郭燦新，姚明，等.局部放電電磁波在 GIS 中傳播 路 徑 的 分 析[J].高 電 壓 技 術(shù) ，2009，35（5）∶1044-1048.

[6]劉 君 華 ， 姚 明 ， 黃 成 軍 ， 等.GIS 中 局 部 放 電 電 磁 波 的 模式 特 性[J].高 電壓 技 術(shù) ，2009，35（7）∶1654-1660.

（本文編輯：楊 勇）

Experimental Study on Propagation Characteristics of Electromagnetic W ave in GIS

XU Hua， HUWen-tang， CHEN Jin-fa， LISi-nan
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China）

Ultra-high-frequency （UHF） electromagnetic signals can be radiated by partial discharge （PD） in gas insulated switchgear （GIS）.The partial discharge signals are detected by UHF sensors.In order to analyze the propagation characteristics of UHF signals in GIS， conductor point/floating potential dischargemodel is established， and signal from inlayed sensor and UHF signal from plug hole of disc insulator by oscilloscope are compared.The experimental result indicates thatUHF signal in GISattenuates，and the attenuation of signalby exteralsensor isgreater than thatby internalsensor.

GIS；partial discharge；ultra-high-frequency；electromagnetic wave； detection

O451

： A

： 1007-1881（2012）11-0001-04

2012-06-12

徐 華（1979-）， 男， 湖北石首人， 工程師， 從事電力開關(guān)設(shè)備的試驗(yàn)研究工作。