氣體泄漏對全封閉組合電器局部放電影響的仿真分析

張學凱, 包 圣, 周書君, 劉志清, 劉 健, 張 利*

(1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，煙臺 264000；2.山東大學電氣工程學院，濟南 250061)

氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated substation,GIS)具有占地少、結(jié)構(gòu)緊湊、運行安全可靠、電磁兼容性能好等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使很輕微的局部放電，也可能會逐步發(fā)展甚至嚴重到引起絕緣擊穿。因此GIS的局放檢測對于確保其安全運行具有重要意義[4-6]。為保證GIS設(shè)備的可靠運行，《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導則》(GB/T 8905—2012)[7]中對漏氣率等有明確規(guī)定，然而GIS投運前，生產(chǎn)、安裝、耐壓檢測等環(huán)節(jié)不可避免地會因為質(zhì)量缺陷或操作差錯而產(chǎn)生氣體泄漏，這無疑會對GIS設(shè)備的絕緣和滅弧性能產(chǎn)生影響[8-9]，GIS局部放電也必然表現(xiàn)出不同的特點，從而影響到局部放電模式識別[10]、定位[11]、放電量檢測[12]等相關(guān)工作，因此氣體泄漏對GIS局部放電的影響有待研究。

GIS氣體泄露的檢測方法已得到一定研究[13-14]，但氣體泄漏的影響尚未引起足夠的關(guān)注，因為以實驗手段探究氣體泄露的影響存在諸多限制，如實驗成本高昂、泄露后的氣體難以處理[15]等，而仿真研究則缺乏相關(guān)建模方法。XFdtd三維電磁場仿真軟件是研究電磁波傳播特性[16]的重要工具，可以實現(xiàn)對絕緣子厚度、材料、屏蔽電極等因素變化的模擬分析[17-18]，但無法直接考慮氣體密度變化，也就無法構(gòu)建氣體泄露的環(huán)境，難以開展相關(guān)研究。文獻[19-20]的研究表明，氣體相對介電常數(shù)與電容量有直接的數(shù)學關(guān)系，而容器電容值隨供氣壓力的增大而減小，即氣膜介電常數(shù)在一定范圍內(nèi)與供氣壓力呈負相關(guān)。因此只要能夠?qū)怏w泄漏造成的氣體密度或者壓強改變轉(zhuǎn)化為XFdtd軟件中可調(diào)整的腔內(nèi)相對介電常數(shù)的變化，則可用XFdtd軟件實現(xiàn)GIS氣體泄漏局部放電影響的仿真分析。

綜上，提出等效相對介電常數(shù)概念來表征GIS氣體泄漏，等效相對介電常數(shù)越大，表示氣體泄漏程度越嚴重。由此，借助XFdtd仿真軟件，采用雙脈波疊加的源脈沖模擬自由金屬微粒缺陷下的放電信號，實現(xiàn)了GIS氣體泄漏下局部放電的建模和仿真。通過對仿真信號的時域、頻域分析，探究氣體泄露對GIS局部放電特高頻信號的影響。最后，仿真驗證了所提方法的有效性，并根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)了局放信號脈沖寬度、主頻、信號幅值等特征量的變化規(guī)律。

1 GIS同軸波導結(jié)構(gòu)局放仿真建模

1.1 局放仿真原理及XFdtd軟件

局部放電激發(fā)的特高頻信號在GIS波導結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播主要包含3種類型的波，即TE波、TM波和TEM波。其中，TEM波在任何頻率下都能在GIS中無損傳播，而TE波和TM波具有截止頻率fc。若信號頻率ffc時，信號可基本上實現(xiàn)無損耗地傳輸。

上述電磁信號滿足麥克斯韋方程組。設(shè)定GIS腔內(nèi)的氣體為無源均勻媒質(zhì)(為了便于仿真建模，下面均考慮為SF6氣體)，介電常數(shù)為ε，磁導率為μ，電導率為σ，E為電場強度，H為磁場強度，則麥克斯韋方程組如式(1)所示：

(1)

求解方程(1)得出局放特高頻信號的最常用方法是有限時域差分法(finite difference time domain，F(xiàn)DTD)，其基本思想是用中心差商代替場量對時間和空間的一階偏微商[17]，具體做法是將GIS腔內(nèi)ε、μ、σ等介質(zhì)參數(shù)常數(shù)化，從而將式(1)化為式(2)所示的6個標量方程[21]，這樣就解決了電磁場的三維問題，同時采用網(wǎng)格單元生成有限差分，表示場分量對于空間以及時間的微分，進而進行計算。

(2)

XFdtd是實現(xiàn)上述基于有限時域差分法(FDTD法)空間電磁場數(shù)字仿真的通用軟件，仿真頻率范圍為0.1～3 000 GHz，可計算模型周圍瞬態(tài)電磁場的分布情況，而電磁場的傳播構(gòu)成電磁信號，GIS設(shè)備發(fā)生局部放電后激發(fā)的電磁信號蘊含著豐富的放電缺陷信息，同時也是氣體泄漏的研究基礎(chǔ)。因此，利用XFdtd仿真軟件進行氣體泄漏分析是一種行之有效的研究手段。

1.2 仿真模型的創(chuàng)建

GIS設(shè)備中最簡單、最典型的結(jié)構(gòu)就是其直筒部分，也就是同軸結(jié)構(gòu)，實際現(xiàn)場大多數(shù)缺陷也都是出現(xiàn)于同軸結(jié)構(gòu)中，因此選擇GIS同軸波導結(jié)構(gòu)進行仿真建模。根據(jù)XFdtd軟件用戶操作指南，GIS同軸波導模型的建立包括構(gòu)建波導結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建材料、設(shè)置邊界、確定網(wǎng)格尺寸、設(shè)定局放激勵源波形以及放置激勵源等多個步驟，且腔體兩端設(shè)置為開通[22]。其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為網(wǎng)格尺寸的確定和局放激勵源波形的設(shè)定。

1.2.1 確定網(wǎng)格尺寸

仿真網(wǎng)格最大尺寸Lmax、仿真最高頻率fmax、時間步長Δt之間存在著一定的數(shù)學關(guān)系，如式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

式中：c為光速；Δx、Δy、Δz為網(wǎng)格空間步長。如設(shè)置Lmax=5 mm，則仿真最高頻率fmax、時間步長Δt即確定為fmax=6 GHz，Δt=9.611 49 ps。

1.2.2 設(shè)定局放激勵源波形

GIS典型缺陷中，自由金屬微粒缺陷最為常見，引起的放電程度也是最嚴重的，因此將波形設(shè)定為自由金屬微粒缺陷局部放電正極性激勵源對于影響規(guī)律的探究具有普適性。根據(jù)文獻[23]，源脈沖可以用組合高斯函數(shù)來表示，由于現(xiàn)場不同情況的放電幅值不一樣，為了使仿真分析具有通用性、普適性，將脈沖幅值標幺化為1，則波形如圖1所示。

圖1 自由金屬微粒缺陷局放激勵源波形Fig.1 Free metal particle defect partial discharge excitation source waveform

2 等效相對介電常數(shù)

2.1 定義

(5)

可見，等效相對介電常數(shù)與相對介電常數(shù)的表達式相同，但值得注意的是，相對介電常數(shù)定義在25 ℃、0.1 MPa標準狀態(tài)下，而本文定義的等效相對介電常數(shù)不限于標準狀態(tài)，不僅能表征介質(zhì)極化的難易程度，同時也能代表氣體泄露的變化情況。

2.2 機理分析

從極化原理上分析，SF6氣體密度可認為表征了單位體積內(nèi)的SF6分子數(shù)，而容器內(nèi)介質(zhì)極化是分子極化的宏觀表現(xiàn)。當容器內(nèi)SF6氣體分子越多，介質(zhì)的極化越困難，等效相對介電常數(shù)就越小；反之，由于氣體泄露導致SF6氣體分子相對變少，同時混入了部分潮氣，則介質(zhì)極化變得容易，等效相對介電常數(shù)也就越大。即說明等效相對介電常數(shù)能夠表示GIS腔內(nèi)SF6氣體泄露情況。

此結(jié)論可證明如下：

pV=nRT

(6)

V=m/ρ

(7)

(8)

式(6)是氣體狀態(tài)方程。式(6)中：p為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；R為氣體常量，J/(mol·K)；T為氣體絕對溫度，K。其中，氣體體積V與氣體質(zhì)量m、密度ρ之間滿足關(guān)系式(7)，代入式(6)中得到關(guān)系式(8)，式(8)中：M是氣體摩爾質(zhì)量，g/mol。式(8)表示了密度ρ與壓強p和溫度T的關(guān)系。密度ρ與氣體分子數(shù)N的關(guān)系如式(9)所示。

(9)

(10)

(11)

式中：N為設(shè)氣體分子數(shù)；m0為氣體分子的質(zhì)量；NA為阿佛加德羅常數(shù)，mol-1。

3 氣體泄漏影響GIS局部放電的仿真與分析

3.1 氣體泄漏仿真環(huán)境的設(shè)置

在提出等效相對介電常數(shù)概念的前提下，以上述XFdtd中所建GIS同軸波導結(jié)構(gòu)仿真模型為基礎(chǔ)，設(shè)置氣體泄漏仿真環(huán)境，其中參數(shù)設(shè)置如表1所示，波導結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GIS同軸波導結(jié)構(gòu)模型Fig.2 GIS coaxial waveguide structure model

參數(shù)同軸波導結(jié)構(gòu)材料設(shè)置邊界設(shè)置激勵源放置內(nèi)導體直徑/mm18———外導體直徑/mm398———外導體壁厚/mm80———波導全長/mm1 500———PLM邊界層數(shù)——7—激勵源位置/mm———(0,-180,200)材質(zhì)—金屬——相對介電常數(shù)(25 ℃,0.1 MPa)—1.002 049——

由等效相對介電常數(shù)的定義可知，其作用與相對介電常數(shù)相同，考慮到麥克斯韋方程組關(guān)鍵參數(shù)介電常數(shù)ε(ε=εrε0，ε0為真空介電常數(shù))在XFdtd中是通過改變GIS腔內(nèi)氣體的相對介電常數(shù)調(diào)整的，因此等值調(diào)整該參數(shù)為等效相對介電常數(shù)便能實現(xiàn)氣體泄漏影響下局部放電的模擬。在局放信號的各類檢測方法中，特高頻檢測法抗干擾能力強[24]，檢測靈敏度高，且特高頻(UHF)信號頻率分量較為豐富(300 MHz～3 GHz)，因而在仿真環(huán)境中設(shè)置特高頻傳感器進行局部放電信號檢測。

3.2 局放特高頻信號波形及頻譜分析

圖3 不同等效相對介電常數(shù)下的PD UHF信號Fig.3 PD UHF signals at different equivalent relative permittivity

圖4 PD UHF信號頻譜Fig.4 PD UHF signal spectrum

由圖3可見，當GIS腔內(nèi)發(fā)生氣體泄漏后，局放特高頻信號形狀發(fā)生明顯改變，振蕩加劇，同時波形變化速度放緩，或者說波形的陡度減小，放電持續(xù)時間增加。

3.3 局放特征量的變化規(guī)律分析

由上述分析可知，發(fā)生氣體泄露后，GIS局部放電的特高頻信號波形、頻譜都會發(fā)生改變，由此求出的局放特征量必然也是變化的，會對依據(jù)特征量開展的局放模式識別等研究造成極大的影響。局放模式識別中常用的特征參數(shù)有脈沖寬度、主頻、信號幅值等[25]，在上述仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，對氣體泄漏下各特征量的變化規(guī)律做進一步分析。

3.3.1 脈沖寬度的變化規(guī)律

脈沖寬度是指開始放電與放電結(jié)束趨于穩(wěn)定的時間寬度，由圖3可得正常情況下的放電信號脈沖寬度為0.000 470 874 μs，而發(fā)生氣體泄漏后脈寬變?yōu)?.000 980 186 μs，可見氣體泄漏會增加信號脈沖寬度。

3.3.2 主頻的變化規(guī)律

主頻定義為二維頻譜圖中最大幅值所對應(yīng)的頻率，由圖4可見，GIS腔內(nèi)出現(xiàn)氣體泄漏后，局部放電特高頻信號主頻有所衰減。

3.3.3 信號幅值的變化規(guī)律

由圖3可見，GIS發(fā)生氣體泄漏會增大局放特高頻信號的幅值，由于氣體泄漏引起的腔內(nèi)分子數(shù)減少，GIS內(nèi)部介質(zhì)更容易發(fā)生極化，從而導致放電強度增大，與未發(fā)生氣體泄漏情況相比，局放程度有所加重。

總之，在進行GIS局部放電模式識別的研究中，需要考慮氣體泄露給局放特征量帶來的影響，在模式識別算法中要對相應(yīng)特征參數(shù)進行修正，這樣局放模式識別的準確性、科學性才能得到保證。

4 結(jié)論

提出等效相對介電常數(shù)的概念，在此基礎(chǔ)上通過XFdtd軟件實現(xiàn)了氣體泄漏對GIS腔內(nèi)局部放電影響的仿真分析，仿真算例揭示了氣體泄漏下脈沖寬度、主頻、信號幅值等特征量的變化規(guī)律，為考慮氣體泄漏的GIS局部放電模式識別等工作提供了理論支撐與參考。

提供了考慮氣體泄漏的GIS局部放電研究的一種解決思路，但相關(guān)因素如溫度等的影響尚未討論，且等效相對介電常數(shù)與氣體泄漏程度的定量關(guān)系以及仿真規(guī)律也還需現(xiàn)場試驗大量數(shù)據(jù)的分析驗證，后續(xù)對此將開展更加深入的研究。