高壓開關(guān)柜中TEV信號(hào)仿真分析

，， ，

(1.沈陽(yáng)電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院 ，河北 石家莊 050021；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

0 引 言

當(dāng)高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，放電電量先聚集在與放電點(diǎn)相鄰的接地金屬部分，形成電磁波并向各個(gè)方向傳播，對(duì)于內(nèi)部放電，放電電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，因此如果屏蔽層是連續(xù)時(shí)無(wú)法在外部檢測(cè)到放電信號(hào)。但實(shí)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(xiàn)破損而導(dǎo)致不連續(xù)，這樣高頻電磁信號(hào)就會(huì)傳輸?shù)皆O(shè)備外層。放電產(chǎn)生的電磁波通過(guò)金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳播出去，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓，通過(guò)設(shè)備的金屬箱體外表面而傳到地下去，這就是“暫態(tài)對(duì)地電壓”，簡(jiǎn)稱TEV[1-4]。

電氣設(shè)備內(nèi)部的放電主要有表面放電、內(nèi)部放電、高壓電極的尖端放電、電暈放電等。在放電過(guò)程中，由局部放電脈沖產(chǎn)生幾千赫到幾十兆赫是電磁波，同時(shí)在設(shè)備金屬封閉殼體上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)對(duì)地電壓(transient earth voltage,TEV)，該信號(hào)可以通過(guò)特制的電容耦合探測(cè)器進(jìn)行捕捉(測(cè)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(cè)原理示意圖

傳統(tǒng)檢測(cè)方法是測(cè)量高壓電氣設(shè)備的放電視在電荷，以pC表示放電強(qiáng)度，TEV 則采用對(duì)數(shù)來(lái)表示放電強(qiáng)度。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法僅僅對(duì)反映放電時(shí)的電壓變化有比較明顯效果，而脈沖實(shí)際經(jīng)過(guò)的路徑對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響，故傳統(tǒng)檢測(cè)法用于放電點(diǎn)定位難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)理論研究發(fā)現(xiàn)，dB 與pC 間關(guān)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(cè)設(shè)備中各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，以確定檢修設(shè)備的優(yōu)先順序；該方法也可以對(duì)單個(gè)設(shè)備在時(shí)間上進(jìn)行跟蹤測(cè)量，找出其放電活動(dòng)的變化，從而掌握設(shè)備的損傷情況。盡管未知因素很多，然而該方法通過(guò)檢測(cè)放電點(diǎn)附近的脈沖信號(hào)，也能靈敏地反應(yīng)出放電活動(dòng)的絕對(duì)強(qiáng)度[5-7]。

利用TEV 測(cè)量法在設(shè)備外殼上檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的瞬時(shí)地電壓信號(hào)，可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)其內(nèi)部的局部放電情況進(jìn)行檢測(cè)，具有較好的抗干擾能力，適用于10～35 kV 空氣絕緣開關(guān)柜、充氣式C-GIS 的電纜倉(cāng)等空氣絕緣設(shè)備。

1 TEV信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理

一般來(lái)說(shuō)，高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，電壓脈沖在金屬殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?，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(guò)電容性探測(cè)器檢測(cè)到。基于暫態(tài)地電壓原理的局部放電在線檢測(cè)和定位技術(shù)，通過(guò)在被檢設(shè)備的接地金屬外殼安裝單只電容耦合式探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)局部放電的幅值和脈沖頻率等參數(shù)測(cè)量工作[8-9]。

目前，局部放電檢測(cè)方法常以脈沖電流法的視在放電量來(lái)表征局部放電活動(dòng)的嚴(yán)重程度，然而該方法僅限于應(yīng)用在電力設(shè)備局部放電的離線檢測(cè)，存在很大的局限性。經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，對(duì)于開關(guān)柜局部放電的檢測(cè)，TEV檢測(cè)法效果更為理想些。

2 開關(guān)柜表面TEV仿真建模

2.1 建立物理模型

首先通過(guò)XFDTD軟件來(lái)進(jìn)行物理建模，圖2所示為高壓開關(guān)柜1:1仿真模型，此開關(guān)柜的大小為850×500×1 600 mm，在高度1 300 mm處劃分為兩個(gè)室。開關(guān)柜結(jié)構(gòu)密封，在開關(guān)柜柜門處，設(shè)置2 mm的縫隙，以模擬實(shí)際開關(guān)柜的情況，設(shè)置開關(guān)柜的材料為鋼，劃分網(wǎng)格單元的尺寸為10×10×10 mm。網(wǎng)格劃分情況見圖3。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

局部放電源可以用高斯脈沖線電流源模擬，線電流相當(dāng)于多個(gè)元電流的串聯(lián)。高斯脈沖信號(hào)的時(shí)域形式為

(1)

其中，τ為常數(shù)，決定了高斯脈沖的寬度；I0為脈沖

圖2 高壓開關(guān)柜TEV仿真模型

圖3 高壓開關(guān)柜仿真模型網(wǎng)格劃分

峰值，在t=t0時(shí)刻，脈沖峰值出現(xiàn)。這里線電流長(zhǎng)度設(shè)置為1 cm，線電流源中心施加高斯電流脈沖激勵(lì)，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(shí)間段內(nèi)的積分確定

(2)

XFDTD仿真模型：仿真計(jì)算中所用最高頻率設(shè)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(lì)最高頻率，因此Lmax=1 cm/cell。一個(gè)完整的元胞尺寸(網(wǎng)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(zhì)層，該層的波阻抗與相鄰介質(zhì)波阻抗完全匹配，因而入射波將無(wú)反射地穿過(guò)分界面而進(jìn)入PML層。并且由于PML為有耗介質(zhì)，進(jìn)入PML層的透射波將迅速衰減，所以有限幾層的PML介質(zhì)能對(duì)入射波起到很好的吸收效果。

表1 激勵(lì)源脈寬不同時(shí)的TEV幅值

3 仿真結(jié)果分析

3.1 激勵(lì)源脈寬的影響

將激勵(lì)源設(shè)置在開關(guān)柜正中，點(diǎn)(425,250,800)處。檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在點(diǎn)(0,250,800)處。激勵(lì)源幅值為1 A，根據(jù)局部放電的特點(diǎn)，選擇脈沖寬度分別為0.5 ns、1 ns、5 ns、10 ns、15 ns、20 ns。所測(cè)得的結(jié)果如表1所示。

激勵(lì)源脈沖寬度不同時(shí)TEV波形如圖4所示，不同脈沖寬度激勵(lì)源所對(duì)應(yīng)的TEV 電壓波形如圖5所示。

圖4 激勵(lì)源脈寬對(duì)TEV幅值的影響

圖5 激勵(lì)寬度不同時(shí)的TEV波形

由表 1、圖 4和圖 5可以看出，檢測(cè)點(diǎn) TEV 的強(qiáng)度隨激勵(lì)源脈沖寬度的增加而迅速減小，脈沖寬度越窄，檢測(cè)到的 TEV信號(hào)越強(qiáng)，亦即放電過(guò)程越快，則TEV 檢測(cè)法檢測(cè)能力越強(qiáng)。

3.2 激勵(lì)源幅值的影響

現(xiàn)繼續(xù)將激勵(lì)源設(shè)置在點(diǎn)(424,240,790)處,檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在(0,240,790)處，激勵(lì)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(lì)源幅值不同時(shí)TEV波形如圖6所示。

圖6 激勵(lì)源幅值不同時(shí)的TEV波形

TEV幅值與激勵(lì)源幅值的關(guān)系如圖7所示。

圖7 激勵(lì)源幅值與TEV幅值的關(guān)系

由表1、圖 6 和圖 7可以看出，檢測(cè)點(diǎn)處 TEV 電壓波形的強(qiáng)度正比于激勵(lì)源脈沖電流的幅值；激勵(lì)源脈沖幅值越高，檢測(cè)到的 TEV 越強(qiáng)。也就是說(shuō)，TEV 檢測(cè)法對(duì)于放電越激烈的局部放電，其檢測(cè)能力越強(qiáng)。

4 結(jié) 論

主要對(duì)高壓開關(guān)柜局部放電引起的TEV信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了仿真分析，取得如下結(jié)論。

1)檢測(cè)點(diǎn) TEV信號(hào)的強(qiáng)度隨激勵(lì)源脈沖寬度的增加而迅速減小；脈沖寬度越窄，檢測(cè)到的 TEV 越強(qiáng)，亦即放電過(guò)程越快，則TEV 檢測(cè)法檢測(cè)能力越強(qiáng)。

2)激勵(lì)源脈沖幅值越高，檢測(cè)到的 TEV 越強(qiáng)，亦即放電強(qiáng)度越激烈，則TEV 檢測(cè)法檢測(cè)能力越強(qiáng)。

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