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