開關柜局部放電地電波傳播特性及試驗分析

魏 振，段曉燕

(國網青島供電公司，山東 青島 266002)

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開關柜局部放電地電波傳播特性及試驗分析

魏 振，段曉燕

(國網青島供電公司，山東 青島 266002)

高壓開關柜局部放電會在其金屬外殼上產生對地電位，稱之為暫態對地電壓(TEV)，是一種有效的局部放電檢測手段，成為供電公司開關柜巡檢中的重要內容，了解TEV傳播特性對改進測量方法，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，并且搭建了實體開關柜TEV檢測模型，通過試驗分析了信號強度、測量距離等對于TEV檢測的影響，并與仿真結果進行對比，同時對TEV檢測的統計譜圖與常規脈沖電流法進行了對比，驗證其在工程應用中的有效性，研究結果表明：TEV為局部放電引起的時變電磁波在開關柜表面形成的瞬時電位，與波阻抗有關，開關柜金屬外殼對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，并且信號先增強后衰減；TEV信號的上升時間大概在10 ns，頻率分布在0～100 MHz范圍內，放電源越強，TEV信號強度越大，并且近似呈線性關系，TEV檢測時，離信號源越近，TEV越強，同時，TEV檢測方法在工程應用中有良好的有效性。

高壓開關柜；暫態對地電壓；TEV傳感器；檢測系統；放電模型；統計圖譜

高壓開關柜是配電系統中的關鍵設備，是直接面向用戶的重要環節，開關柜在長期運行過程中，由于安裝和裝配、機械損壞等客觀原因可能會出現電纜搭接處故障、觸頭故障、絕緣裂化等問題。這些問題會引發局部放電，從而造成開關柜局部溫度升高，絕緣水平下降，造成開關柜停運，甚至導致爆炸，所以及時發現和掌握開關柜運行狀態對保證設備正常運行，供電可靠性，減小經濟損失有重要意義[1]。

局部放電是判斷故障問題出現最直接的信號之一，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提出了開關柜地電波(Transient Earth Voltage,簡稱TEV)的概念，認為局部放電發生時產生的電磁波信號會在開關柜表面形成一個瞬時的電位，可以作為開關柜狀態檢測的依據，而且可以實現在線檢測[3-5]。近幾年，各大供電公司都開始將TEV檢測作為開關柜的巡檢的主要方法之一，不過在測試中發現，TEV的傳播特性嚴重影響到開關柜狀態檢測，TEV信號會受到局部放電源強度及檢測距離的影響，因此分析開關柜內TEV信號的傳播特性對保證設備安全具有實際工程意義[1,6]。

目前，國內外在TEV信號傳播及檢測上還沒有統一的定論和標準，多數是各設備公司對本公司產品使用的經驗[7-9]，文獻[10]對TEV傳播特性進行了仿真分析，認為TEV的脈沖幅值與激勵源幅值、脈沖寬度等有關，不過沒有給出試驗驗證。綜上所述，目前在TEV傳播特性方面研究較少，沒有統一的定論及系統的試驗分析，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，并且搭建了一套實體開關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，隨后從仿真及試驗兩個方面研究了信號源強度及檢測距離對TEV信號的影響，為現場開關柜檢測提供測試依據。

1 TEV傳播特性

1.1 TEV產生機理分析

根據Dr. John Reeves關于TEV形成理論，TEV信號是開關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；

σ——電導率；

μ——磁導系數；

γ——磁導率。

形成TEV信號的電磁波傳播現象是時間和空間的過程，時域有限差分法理論(Finite Difference Time Domain, 簡稱FDTD)可以在空間和時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。

開關柜內因局部放電而產生的電磁場向外傳播經歷了三層介質，分別為空氣—開關柜金屬殼體—空氣，如圖1所示。

圖1 電磁波傳播過程

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

(2)

式中μ1——介質1(空氣)中磁導系數；

ε1——介質1的介電常數。

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1的波阻抗，另外由于介質3同為空氣，而且傳播方向為無窮遠位置，所以不存在反射波，介質3中的電磁場傳播規律為：

(6)

介質2為開關柜的金屬外殼，為導電媒介存在電磁損耗，介質的介電常數和磁導系數為復數形式：

(7)

在有損介質中，電磁波滿足波動方程：

(8)

(9)

式(3)、式(5)、式(6)、式(9)構成了電磁波在開關柜內的傳播過程方程組，同樣設定介質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)

由分布參數理論可知，流過開關柜某點的電流與該點等效波阻抗乘積為該點的電位，即U=i·Zcf，由此可見，TEV信號是開關柜某點在某時刻的瞬時電位。

除此之外，由于Zc2與頻率有關，TEV信號會受到金屬外殼的影響，目前公認的一種說法是TEV信號是電磁波從金屬不連續部分傳播而來[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 開關柜外殼對TEV信號傳播的影響

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

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

圖2 開關柜等效模型及探測點位置

仿真前設定基本參數如下[12,15-16]：

(1)介質電磁特性。仿真中目標開關柜均采用普通鋼制材料，統一設置電導率為9.93×106S/m，相對介電常數為1，自由場區為真空電磁特性，不需要設置；

(2)網格剖分。仿真開始之前，必須根據不同的被仿真物體確定場區內最小計算單位的劃分。根據FDTD計算原理，剖分精度直接影響到計算結果的精度，計算機使用內存來存儲網格的計算結果，因此剖分精度還受內存大小限制。不同仿真中根據物體尺寸和特點采用最優網格剖分[12]；

(3)FDTD區域劃分。在物體外部的X、Y、Z方向上統一設置20個剖分網格的自由空間。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格區邊界后沒有反射[12]，即物體相當于被放置在無限大空間內，有助于減少研究地電波信號傳播特性時反射電磁波的干擾；

(5)激勵源。文獻[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格中電磁量的變化過程，如電場強度或其分量，磁場強度或其分量，面電流密度等。后處理中還可以以繪圖的形式直觀顯示時域上個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電場強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仿真信號強度

首先模型為全封閉的開關柜，沒有不連續部分，探測點信號強度如圖3(a)所示，最大信號強度只有1.8e-10V/m，接近于0；隨后在開關柜底端開一個寬度為10 mm的縫隙，探針位置不變，TEV信號強度變為6e-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柜不連續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柜外殼形成的TEV信號動態傳播過程，仿真參數不變，探針采用Planar Sensor探針，由此可見，信號從放電源位置向外輻射，信號強度首先逐漸增強，隨后由于傳播介質的衰減作用逐漸消失。通過仿真結果說明，在距離放電源較近位置的TEV信號強度是比較強的，但是由于輻射過程中的衰減作用，信號強度隨時間逐漸減小。

圖4 TEV信號動態傳播過程

2 開關柜TEV特性仿真及試驗分析

2.1 試驗平臺搭建

2.1.1 TEV測量系統組成

TEV傳感器為EA公司生產的電容耦合式傳感器PDL1，其上限頻率最高可達100 MHz，為了得到原始數據信號，傳感器直接接入采集設備(采樣率1 GS/s)，并由PC機和數據記錄軟件完成開關柜局部放電數據記錄和統計[15]。

2.1.2 測量平臺搭建

為了與仿真結果做對比，本文設計了如圖5所示實驗測試平臺，在10 kV開關柜模型內部設置放電模型，由交流無暈試驗變壓器在放電模型兩端施加電壓，TEV傳感器緊貼在開關柜模型金屬外殼，由同軸電纜將信號傳輸到TEV檢測系統，記錄放電數據，LDIC公司的LDS-6局放儀為常規脈沖電流法[16]，作為TEV檢測系統性能測試的參考。

圖5 實驗回路示意圖

2.1.3 放電源設計

開關柜在制造和安裝過程中造成導體、外殼內表面上的金屬突起，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不變，通過分析發現TEV信號的上升時間在10 ns左右，持續到100 ns基本結束，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到100 MHz，本文選用EA公司傳感器滿足要求。

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

圖6 TEV仿真波形

圖7 TEV實際測量波形

2.3 放電強度與TEV信號強度關系

圖8(a)所示為實際測量得到的放電量與TEV測量幅值間關系，橫坐標為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幅值與放電信號強度近似呈線性變化關系；圖8(b)為仿真結果，同樣表明TEV信號強度與放電強度呈近似的線性變化關系。

圖8 放電信號強度與TEV幅值關系

2.4 測量位置與TEV信號關系

在保證外施電壓不變的情況下，改變傳感器位置，記錄TEV傳感器測量數據，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個探針，通過試驗和分析發現，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信號關系

2.5 TEV統計特征與常規脈沖電流方法對比

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反映放電類型，圖10分別為不同電壓作用下TEV信號散點圖及同時刻常規脈沖信號散點圖，由此可見，TEV信號同樣可以構成具有放電相位分布特征的散點圖，并且與常規脈沖電流檢測到的散點圖特征非常相似，說明TEV檢測方法在開關柜局放檢測中具有良好的有效性。

圖10 TEV與常規脈沖電流散點圖

3 結語

(1)通過理論分析發現，TEV為局部放電引起的時變電磁波在開關柜表面形成的瞬時電位，與波阻抗有關，開關柜金屬外殼對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，并且信號先增強后衰減；

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

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(本文編輯：嚴 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，從事電力設備電氣試驗及故障診斷工作。

TM85

A

2095-1256(2016)05-0554-07

2016-07-25