基于S參數的GIS局部放電信號傳播特性仿真與實驗研究

陳瑋任，張文斌*，王立哲，喬禹寧，李銀城

（1. 昆明理工大學機電工程學院，昆明 650504；2. 昆明理工大學理學院，昆明 650504）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear）憑借其占地面積小、可靠性高的特點在當前的電力系統中得以廣泛的應用，從上世紀 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供電系統的正常運行[1-5]。但是，由于GIS內部結構復雜，在制造和裝配過程中難免會產生諸如部件松動、導體毛刺、污穢絕緣子表面、內部異物等缺陷，部分缺陷在投入使用后會發生局部放電，逐漸導致放電擊穿并引發事故[6-9]。所以，為了保證電力設備安全穩定運行，對GIS設備進行局部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，廣泛的應用于氣體絕緣金屬封閉開關設備的局部放電在線監測[10-11]。GIS局部放電UHF檢測方法在現場應用中存在的主要問題是傳感器的布置方案沒有明確的標準，不同的GIS傳感器布置方案有很大的差異，造成這些問題的原因主要是對于局放UHF電磁波信號在GIS結構中的激發、傳播和衰減的規律研究不足。所以，在應用UHF法進行局部放電信號檢測工作前，首先要對局部放電UHF電磁波信號在GIS內部的傳播規律進行研究。

華北電力大學的研究人員利用時域有限差分法（FDTD）對 GIS上盆式絕緣子金屬法蘭澆筑孔處的電場強度分布和頻譜特性進行了仿真研究[12-15]。上海交通大學的研究人員利用FDTD法研究了GIS中局部放電激勵的電磁波信號模式分布特性以及各模式分量與局放源之間的關系[16-17]。西安交通大學的研究人員利用FDTD算法研究了局放電磁波信號在L形和T形結構中不同方向上的衰減過程,總結了每種情況下的電場傳播規律和耦合電壓的累計能量[18-22]。但是國內外的大部分研究均是基于仿真方法對 GIS內部的局放 UHF信號的傳播特性進行研究，缺乏現場實驗的論證，且對于可等效為一個微波網絡的GIS腔體而言，利用電流或電壓幅值的變化并不能完全的反映出GIS腔體對UHF頻段內信號的傳輸特性。

鑒于此，本文首先基于有限元法（FEM）對GIS腔體中不同結構的S參數進行了仿真研究，主要結構為直腔體、L形腔體和T形腔體。此外，為了與仿真結果進行比較，在云南永仁500KV變電站GIS結構上進行了實驗，將等效脈沖通過UHF傳感器注入到GIS腔體中，利用外置式在線監測傳感器檢測不同位置處的信號，并計算出經過不同結構的S參數值，與仿真結果進行比較，驗證了仿真結論的合理性，為UHF在線監測傳感器現場布置提供了依據。

1 GIS中電磁波傳播特性理論分析

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2a，外導體的內直徑為2b，內外導體均為理想導體，內導體和外導體之間填充參數為ε、μ的理想介質，同軸波導系統不僅可以傳輸TEM波，TE波和TM波也可以被傳輸。設電磁波沿+z方向傳播，相應的場為時間諧波場，波導內電磁場的復數形式為：

圖1 同軸波導Fig.1 Coaxial waveguide

根據GIS的結構特點，可以將其等效成同軸波導系統，在 GIS內部填充的 S F6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，它們在高于各自截止頻率的頻段傳播。截止頻率取決于同軸波導的尺寸和傳輸介質。如圖 1所示，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，可得沿+z 方向傳輸的TEM波的電場和磁場分別為：

對于TM波，mnTM 模波截止頻率：

對于TE波，mnTE 模波截止頻率：

當不計損耗時，根據電磁場理論也可以通過計算得出同軸波導的波阻抗為：

式中，c為光速，ε和μ是內外導體間電介質的介電常數和磁導率，m和n表示電磁波的模數。

由以上所述可知，GIS腔體結構相當于一個良好的波導系統，且由于GIS內產生的UHF信號頻段在300 MHz-3 GHz范圍內，屬于微波范疇，所以可以將整個傳輸結構看成一個微波網絡。S參數，也就是散射參數，是微波傳輸中的一個重要參數。其中21S 為正向傳輸系數，反映了信號在傳輸過程中的增益。

2 UHF信號傳播特性仿真分析

2.1 HFSS仿真軟件介紹

HFSS是一個基于四面體網格元交互仿真系統的全波三維電磁仿真軟件，采用有限元法計算三維模型的電磁場。具有仿真精度高、計算速度快、操作界面方便易用、自適應網格劃分和技術成熟等優點，現已成為電磁場分析設計的重要工具[21-22]。本文利用HFSS對局部放電UHF頻段內的信號在GIS模型中的21S 參數進行了掃頻分析，根據實際高壓電力系統中的GIS結構，建立了簡化的直腔體、L型和T型模型，利用21S 參數反映GIS中典型結構對局部放電產生的電磁波信號的傳輸和衰減特性。

圖2 HFSS求解過程Fig.2 HFSS solution process

2.2 GIS中S參數仿真分析

2.2.1 GIS仿真模型

本文利用500KV電壓等級的GIS直腔體、L型和T型三種典型結構對局放UHF電磁波傳輸及衰減特性進行仿真研究，且利用21S 進行表征。三個典型結構模型如圖3至圖5所示，結構的長度均設置為6000 mm，外導體和內導體半徑分別為 270 mm、60 mm，壁厚設置為10 mm。

圖3 直腔體模型Fig.3 Straight cavity model

圖4 L型模型Fig.4 L-shaped model

圖5 T型模型Fig.5 T-shaped model

在仿真過程中，將局放端口設置為局放UHF信號的激發源，在GIS中設置波端口，觀察兩端口之間的21S 參數，分析GIS結構對局放UHF信號的傳播特性。在仿真過程中，端口1所在的位置設為基準位置，局放端口與端口1的21S 參數值為基準值，其它端口相對于基準位置的衰減規律通過與基準值的差值體現。同時，本文主要研究的是GIS典型結構腔體對UHF局放信號的傳播衰減情況，不考慮其它影響因素，故將復雜的GIS結構進行簡化忽略了法蘭和盆式絕緣子對UHF電磁波信號的影響

UHF局部放電信號頻段范圍為 0.3-3 GHz，在實際測量中發現3 GHz左右的高頻分量較少，故在HFSS仿真參數設置中，將脈沖激勵源信號上升時間設置為 1 ns（10%-90%），同時，中心頻率設為2.5 GHz，掃頻范圍為0.3-2.5 GHz，在局放端口設置功率為1W的激勵源。

2.2.2 仿真結果分析

（1）直腔體仿真

直腔體仿真模型如圖 3所示，直腔體長度為6000 mm，為了避免誤差在局放端口之后每隔1米設置了1個端口，由于本文研究的主要是UHF信號在GIS腔體中的傳輸特性，而端口6不在直腔體內，UHF信號傳輸會受到影響，故不對端口6的數據進行分析，默認局放端口為0。圖6為仿真后21S 參數的結果。

圖6 直腔體仿真S21參數Fig.6 Straight cavity simulation S parameters

由于在現場實驗中不可能對 UHF頻段中的每一個頻率成分進行測量分析，所以在仿真時以UHF頻段內21S 參數的平均值來表征信號的衰減值用iD表示，以端口1所測的21S 參數為基準值，計算UHF信號通過各端口相對于 1端口的衰減值（dB），如式（7）所示，通過式（8）計算UHF信號在直腔體中每隔1m的衰減量的平均值。

由式（7）和（8）可以得出，在GIS直腔體中，UHF電磁波信號的衰減為-2.3dB/m。

（2）L型模型仿真

L型模型如圖4所示，模型總長度為6000 mm，局放端口一側長度為 3500 mm，另一側長度為2500 mm，由于在直腔體仿真中已經計算出直腔體對UHF信號的衰減特性，所以只在兩個邊界端口內側500 mm分別設置1個端口用來觀察UHH在L型腔體中的衰減，圖7為仿真后21S 參數的結果。

圖7 L型腔體仿真S21參數Fig.7 L-shaped model simulation S parameters

以端口1所測的21S 參數為基準，端口1到端口2的衰減值即為UHF電磁波信號在L型腔體中的衰減，又由于L型腔體中存在直腔體結構，故在L型腔體中存在直腔體衰減，則

通過式（9）可得，UHF信號通過L型腔體的衰減為9.4 dB。

（3）T型模型仿真

T型模型如圖5所示，模型橫向長度為6000 mm，縱向長度為3500 mm，3個邊界端口內側500 mm處均設置一個端口用來觀察UHF電磁波信號在T型腔體中的衰減特性，三個端口分別命名為1-3。仿真后端口1-3的21S 參數如圖8所示。

圖8 T型腔體仿真S21參數Fig.8 T-shaped model simulation S parameters

以端口1所測的21S 參數為基準，端口1到端口2的衰減值即為UHF電磁波信號在T型腔體中直腔體衰減，端口1到端口3的衰減值即為UHF電磁波信號在T型腔體中L腔體衰減，又由于在L型腔中不僅有L型衰減還有直腔體衰減，故：

（注：DT-I意為在T型腔體中I型部分的衰減，DT-L意為在T型腔體中L型部分的衰減。）

通過式（10）和（11）可知，UHF信號通過T型腔體時，I型部分衰減為-4.6 dB，L型部分衰減為-10.1 dB。通過上述仿真總結，我們可以得到表格1。需要指出的是，在L型模型和T型模型的仿真結果中可以看到有明顯震蕩，這是由于UHF電磁波信號在L和T型模型中會產生折反射并形成駐波而造成的，對仿真結果不產生影響。

表1 典型結構衰減表Tab.1 Typical structure attenuation table

3 試驗研究

為了驗證仿真結果的準確性，在云南永仁新投運的500kV變電站GIS上進行了現場實驗，通過特高頻傳感器測量GIS典型結構各位置的電壓幅值，將傳感器測得的電壓幅值轉化為 dB單位相減，可以求出電磁波信號經過不同結構的21S 參數值。此次進行實驗的GIS是在運系統，實驗現場存在較大的背景噪聲值，故在實驗過程中注入脈沖信號源的幅值為400 V，脈沖上升沿小于1 ns，頻率為50 Hz，注入脈沖信號波形如圖9所示。實驗所用的傳感器為GIS特高頻局部放電在線監測系統自帶外置式傳感器，安裝在GIS絕緣盆子金屬法蘭小孔處。每個傳感器由不銹鋼扎帶進行固定，如圖10所示，采用這種安裝方式，不僅可以將傳感器固定在GIS絕緣盆子金屬法蘭小孔處，而且不銹鋼扎帶能對外界的電磁干擾信號進行有效的屏蔽，使得外置式傳感器接收到的信號為GIS內部信號。由于在線監測系統為新投運設備，其外置式傳感器一致性較好，并且安裝前均經過GTEM小室標定，傳感器等效高度高于8.0 mm，符合國網標準。

圖9 注入脈沖信號波形圖Fig.9 Injection pulse signal waveform

圖10 傳感器安裝示意圖Fig.10 Sensor installation diagram

在本次實驗中，通過與傳感器相鄰的澆筑孔向GIS腔體中注入電壓相同、頻率相同的模擬脈沖信號，傳感器的輸出信號由監測系統監控后臺讀取，需要說明的是脈沖信號通過澆筑孔注入GIS腔體時不可避免的會將一部分信號泄露到周圍環境中，由于傳感器本身除信號接收部分外其他部分均為鋁合金材質其厚度和安裝時使用的不銹鋼扎帶厚度均大于UHF信號最低頻率趨膚深度，可有效屏蔽外界電磁波，所以能保證實驗過程中外置式傳感器所接收到的信號為GIS腔體內部通過絕緣盆子金屬法蘭小孔輻射出的信號。

GIS中所包含的典型結構主要有直腔體、L型腔體、T型腔體、斷路器和 CT等結構，局部放電UHF電磁波信號在通過不同結構時其信號的衰減量不同。現場實驗傳感器測點分布如圖11所示，傳感器1、2、3、4接收信號，通過傳感器監控后臺觀察各位置傳感器接收到的信號，各位置幅值統計結果見如表2。

衰減量的計算公式為

圖11 現場實驗傳感器測點分布Fig.11 Field experimental sensor measurement point distribution

表2 各個位置傳感器檢測到注入UHF信號幅值Tab.2 Each position sensor detects the amplitude of the injected UHF signal

在式（12）中：iu為第i個傳感器測得的脈沖信號幅值，1iu+為第 1i+個傳感器測得的脈沖信號幅值。通過1號和2號傳感器所測信號的幅值可以計算出 UHF電磁波信號在這兩個傳感器之間的直腔體衰減-4.9 dB，通過測量可得 1、2號傳感器相距2.35 m，所以 UHF信號在直腔體中的衰減值為-2.1 dB/m。通過2號和3號傳感器所測到的電壓幅值可以計算得出UHF信號在 U型結構（斷路器類型）中的衰減為-11.8 dB。通過1和3號傳感器所測電壓幅值可以計算得出UHF信號在L型結構中的衰減為-16.8 dB，通過2和4號傳感器所測到的電壓幅值可以計算得出UHF信號通過T型結構（類似于隔離開關結構）衰減-19.7 dB。

需要注意的是在實驗現場，UHF電磁波信號在通過L型和T型結構時均存在直腔體衰減，減去直腔體衰減后各典型結構衰減量統計如下表所示。

表3 UHF電磁波信號通過各典型結構衰減量統計Tab.3 Statistics of attenuation of UHF electromagnetic signal through typical structures

對表3的結果進行統計可以發現，注入的UHF脈沖信號經過 T型和 U型結構時信號的衰減量較大，其值均在10 dB以上，經過直腔體和L型腔體衰減量較小，與HFSS中仿真結果相似。

4 總結

（1）本文通過電磁波理論對GIS中局部放電產生的 UHF信號在同軸波導中的傳輸模式進行了分析，并且將GIS同軸波導等效為微波網絡，利用微波網絡中的21S 參數反映了信號在傳輸過程中的增益。

（2）通過三維繪圖軟件建立了500 kV GIS典型結構模型，使用基于有限元法的仿真軟件 HFSS搭建了GIS局部放電UHF信號在GIS中的傳輸特性仿真模型，最后利用不同端口之間的21S 參數值來反映UHF頻段內信號在GIS結構中的傳播衰減特性，直腔體衰減為-2.3 dB/m，L形腔體衰減為-9.4 dB，T形腔體衰減為-4.6 dB（I形部分）和-10.1 dB（L形部分）。

（3）為了驗證仿真結果的準確性，本文通過云南永仁500 kV變電站對UHF信號在500 kV GIS腔體結構內的傳播衰減特性進行了驗證，實驗發現注入脈沖信號在U型和T型結構中衰減較大，其衰減值均在10 dB以上，經過直腔體和L型結構衰減較小，與仿真結果一致，進一步驗證了仿真結論的合理性。