注入脈沖與局部放電UHF信號的等效性仿真研究

徐肖慶，段雨廷，彭 晶，陳瑋任，張文斌*

（1. 云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；3. 昆明理工大學，云南 昆明 650504）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear）憑借其占地面積小、可靠性高的特點被廣泛的應用于當前的電力系統中，自上世紀80年代我國開始大規模使用GIS設備以來，GIS及其配套設備的安全穩定運行直接影響到電力系統的正常運行。但是，由于GIS內部結構復雜，在制造和裝配的過程中難免會產生諸如部件松動、絕緣子表面臟污、內部異物、導體毛刺等缺陷，投入使用后部分缺陷會導致GIS內部發生局部放電，嚴重的會造成絕緣擊穿并引發事故[1-4]。所以，對運行中的GIS設備進行放電檢測是十分必要的。近年來，特高頻法憑借靈敏度高、檢測頻率高、檢測頻帶寬、抗干擾能力強等特點，被廣泛的應用于GIS局部放電在線監測中，取得了顯著的效果[5-12]。然而局部放電UHF檢測方法在現場應用中常常由于傳感器配置方式不正確等原因造成檢測效果不明顯，在很大程度上限制了UHF檢測技術的推廣和應用。UHF局部放電在線檢測系統的靈敏度與傳感器的布置方式、發射接收特性以及GIS腔體結構和脈沖注入的位置密切相關[13-17]。目前基于GTEM小室和GIS同軸腔體等實驗室方法對于評價UHF傳感器性能起到了了至關重要的作用[18-22]。但是由于實驗設備攜帶不便不能應用于現場實驗所以不能全面評價安裝到GIS設備上的UHF檢測系統的靈敏度。

目前，有關UHF檢測系統靈敏度校核均是基于CIGRE TF15/33.03.05工作組推薦的方法。利用此方法早稻田大學與東芝公司、斯圖加特大學與ABB公司在 GIS設備上開展了靈敏度校驗工作[23-24]。CIGRE推薦的靈敏度校核方法主要由兩個步驟組成：（1）在GIS腔體內部設置局放缺陷，對GIS進行加壓并使放電缺陷產生5pC局放，記錄此時傳感器接收到信號的幅值；（2）將GIS腔體內部局放缺陷去掉，通過發射天線將脈沖信號注入GIS腔體，觀察傳感器接收到信號的幅值，直至與（1）中的測到的幅值一致，記錄此時注入脈沖的幅值。在此過程中將注入脈沖通過發射天線輻射出的 UHF信號來替代GIS內部真實局放UHF信號，二者的等效性是保證UHF傳感器靈敏度校核有效性的前提。所以TF15/33.03.05工作組推薦的方法中允許注入脈沖和局放UHF信號幅值誤差在20%之內。由于UHF信號是一種寬頻帶信號，注入脈沖與真實局放的等效性不僅體現在二者產生的UHF信號幅值相等，還要求信號的頻譜分布近似。

本文采用Comsol Multiphysics軟件仿真分析了注入脈沖UHF信號與局部放電UHF信號的等效性。建立了與某220 KV GIS尺寸一致的仿真模型，仿真過程中將信號源分別設置在 GIS內部高壓導桿和GIS金屬法蘭澆筑孔處以此來作為局部放電激勵源和注入脈沖激勵源。通過在仿真模型內部設置觀測點來接收 UHF電磁波信號，測量觀測點的信號幅值，比較注入脈沖與局部放電 UHF信號的衰減程度；并且使用FFT變換對信號波形進行頻譜分析，對比了兩種信號的頻譜相似度。

1 UHF信號在GIS中傳播特性分析

根據GIS的結構特點，可以將其等效成同軸波導系統。同軸波導是由內導體和外導體組成的雙導體導波系統，其形狀如圖1所示。內導體直徑為a,外導體的內直徑為b，內外導體均為理想導體，內導體和外導體之間填充參數為εμ、的理想介質，在GIS內部填充的6SF氣體磁導率和介電常數均約等于1，壓力為0.45 MPa。當GIS中發生局部放電時，脈沖電流會激發出TEM波、TE波和TM波，當它們的頻率高于其截止頻率時在GIS腔體內傳播。截止頻率取決于同軸波導的尺寸和傳輸介質。將 GIS等效為同軸線，在圓柱坐標系中描述局部放電脈沖以及其激發的超高頻電磁波，如圖1所示。可得沿+z方向傳輸的TEM波的電場和磁場分別為：

對于TM波， Hz= 0 ，有

TMnm模波截止頻率：

對于TE波， Ez= 0 ,有

TEmn模波截止頻率：

根據電磁場理論也可以通過計算得出同軸波導的電路分布參數：

ε和μ是內外導體間電介質的介電常數和磁導率。當不計損耗時，同軸波導的波阻抗為

2 局部放電與注入脈沖 UHF信號的等效性仿真分析

本文使用Comsol Multiphysics仿真軟件對注入脈沖和局部放電 UHF信號的等效性進行了仿真，Comsol Multiphysics是以有限元法（Finite Element Method）為基礎，利用偏微分方程或偏微分方程組（分別的代表單場和多場）來實現對真實物理現象的仿真，用數學的方法求解物理現象。該仿真軟件可以在一個仿真模型下建立多個物理場，其優勢在于高精準度和多場耦合，現被廣泛的應用于多個領域[25-27]。利用Comsol軟件進行電磁有限元仿真，首先需建立要研究的幾何模型，然后添加物理場，對幾何模型進行參數設置后便可整個模型進行求解與分析計算。Comsol軟件擁有豐富的數據庫和模塊庫,在本文的研究中選用RF模塊進行仿真。

2.1 仿真模型

在本文中仿真模型設置為一直腔體，其尺寸參照某220KV GIS尺寸，外導體內徑和內部高壓導體外徑尺寸分別為 360 mm、90 mm。腔體總長度為6000 mm，腔體上兩個澆筑孔距離其最近的端口分別為1000 mm，即兩個澆筑孔相距4000 mm，在澆筑孔處安裝有外置式傳感器，仿真模型如圖1所示。在仿真設置時，將模型的兩側設置為完美匹配層（PML），仿真模型中腔體、高壓導體和金屬法蘭設置為完美電導體材料（PEC），金屬法蘭澆筑孔材料為環氧樹脂，其介電常數為3.8。

圖1 仿真模型圖Fig.1 Simulation model

在仿真過程中將現場校核 UHF傳感器使用的脈沖源裝置輸出的波形作為源信號，如圖2所示，信號幅值為10 V，上升沿為0.7 ns（10%-90%）。

圖2 脈沖波形圖Fig.2 Pulse signal waveform

局部放電激勵源施加的位置為1號澆筑孔中心點對應的高壓導桿上，如圖 3(a)所示。注入脈沖激勵源施加的位置為1號澆筑孔處，如圖3(b)所示。信號觀測點從GIS腔體內部距離激勵源1000 mm處開始，后面每隔500 mm取一觀測點直到2號澆筑孔處，2號澆筑孔傳感器的輸出也看作為一觀測點。

圖3 激勵源位置Fig.3 Excitation source location

2.2 注入脈沖與局部放電UHF信號的時域對比

圖4 各觀測點x方向時域波形圖Fig.4 Time domain waveform in x-direction of each observation point

電磁波信號在同軸波導中傳輸時，其方向分為徑向和軸向，軸向為信號傳播方向。根據仿真結果可知徑向方向的電場分量遠大于軸向的電場分量，故以徑向x方向的UHF電磁波信號進行分析。仿真完成對各信號觀測點x方向的時域波形如圖4所示。由圖可知：局部放電激勵源所產生的UHF信號強度明顯大于注入脈沖激勵源信號所產生的UHF信號，這是由于脈沖注入激勵源通過澆筑孔耦合進GIS腔體時不可避免地會產生一定程度的衰減；在GIS腔體內部，局部放電激勵源和注入脈沖激勵源所產生的 UHF信號峰值出現時間和信號持續時間基本一致；在2號澆筑孔處，注入脈沖激勵源所產生UHF信號時域波形的持續時間大于局部放電激勵源，說明信號通過GIS澆筑孔向外輻射過程中，注入脈沖激勵源產生的 UHF信號傳播衰減時間大于局部放電激勵源所產生的UHF信號。

為了對比局部放電 UHF信號和注入脈沖激勵源激發的UHF信號在GIS腔體中的傳播衰減特性，將距激勵源1000mm即觀測點1處的電場強度0E作為參考值，其他各觀測點的場強作為對比值，利用公式（9）計算各觀測點相較于激勵源處的衰減，其結果如圖5所示。

圖5 GIS腔體內部場強幅值隨距離的變化Fig.5 Variation of field strength amplitude in GIS cavity with distance

如圖5所示，當脈沖波形一致時，局部放電激勵源所產生的 UHF信號和注入脈沖激勵源所產生的UHF信號在GIS腔體中的衰減趨勢是不一致的，注入脈沖 UHF信號隨距離的衰減程度略大于局部放電UHF信號；并且隨著距離的增大，二者的衰減量均增大。

3 注入脈沖與局部放電 UHF信號的頻譜分布差異

為了進一步研究注入脈沖信號與局部放電信號的差異，本文在分析各個觀測點時域波形的基礎上，又對各觀測點時域波形進了傅里葉變換，得到了各個觀測點信號的頻譜分布。如圖6所示。根據式（5）和（7）可得該尺寸下GIS腔體中TE、TM波各個模次的截止頻率如表1所示。結合圖6中頻域仿真結果可知：無論是注入脈沖還是局部放電輻射出的UHF信號，其頻譜分布峰值點對應的頻率與理論計算值基本一致，驗證了仿真結果的準確性。無論是在GIS腔體內部還是澆筑孔處的輸出，注入脈沖和局部放電UHF信號的頻譜峰值點基本一致，頻譜分布相似。

圖6 各觀測點x方向頻域波形圖Fig.6 Frequency domain waveform in x-direction of each observation point

表1 各模次截止頻率Tab.1 Cutoff frequency of each mode

為了量化分析注入脈沖輻射出的 UHF信號和真實局部放電的一致性，以局部放電UHF信號為基準，引入了歸一化互相關函數作為不同波形間相似度評判的主要指標，其計算公式如下：

式中：p(x)為待識別波形，q(x)為對比的基準波形，為待識別波形在觀測點處的平均值，基準波形在觀測點處的平均值。待識別波形與參考波形的歸一化相關性越大，波形越相似。

在本文中取局部放電 UHF信號波形為基準波形，注入脈沖輻射的UHF信號波形為待識別波形，對比0.3 GHz-2 GHz范圍內的頻譜相關性，其結果如表2所示：注入脈沖UHF信號的頻域波形與局部放電 UHF信號的頻域波形信號在各觀測點的相關性最大為 79.24%，最小為 71.69%，以 30%誤差范圍來看，注入脈沖頻域相關性符合要求，即注入脈沖的校核方法能較好地模擬局部放電 UHF信號的頻譜特征，能作為現場校核UHF傳感器的方法。

表2 注入脈沖與局部放電UHF信號相關性Tab.2 Correlation between injection pulse and partial discharge UHF signal

4 總結

本文利用仿真的方法對人工注入脈沖輻射出的UHF信號和局部放電信號的一致性進行了研究，得到了以下結論：

（1）在GIS內部各觀測點，注入脈沖輻射出的電場強度信號明顯小于局部放電信號，這個由于注入脈沖通過澆筑孔耦合進GIS腔體時不可避免的會發生一定程度的衰減，故在進行現場校核時需對注入脈沖信號的幅值進行充分考慮；

（2）在GIS內部各觀測點，注入脈沖輻射出的UHF信號與局部放電UHF信號持續時間基本一致；但在2號澆筑孔處，局部放電UHF信號的峰值出現在起始位置，而注入脈沖激勵源所產生的UHF信號經過一段時間的振蕩后信號達到峰值點，這是由于信號通過澆筑孔向外傳輸時在澆筑孔內的折反射而形成的。

（3）在 GIS腔體內部，注入脈沖和局部放電UHF信號的衰減變化趨勢不一致，注入脈沖隨距離的衰減程度略大于局部放電UHF信號；但二者隨著距離的增大，衰減量均增大。

（4）利用歸一化互相關函數對注入脈沖與局部放電UHF信號在GIS內部各觀測點的頻域相似度進行了計算，注入脈沖UHF信號的頻域波形與局部放電 UHF信號的頻域波形信號在各觀測點的相關性最大為 79.24%，最小為 71.69%，表明注入脈沖的校核方法能較好的模擬局部放電 UHF信號的頻譜特征，能作為現場校核UHF傳感器的方法。