GIS典型局部放電缺陷傳播特性研究

國網天津市電力公司城西供電分公司 王 磊

在GIS 內部絕緣遭受損害的情況下，將會出現局部放電情況。隨著這種放電的持續發展，GIS 內部將會形成一個連續的放電通道，從而導致GIS 出現故障。因此，局部放電被視為GIS 絕緣質量下降的一個關鍵特征，也是GIS 出現問題的早期預警信號。如果能夠及時識別出GIS的局部放電缺陷，可有效防止GIS 出現故障。GIS氣室中充滿SF6氣體，當發生局部放電時，會產生GHz 頻率的電磁波信號。

傳統GIS 特高頻檢測方法是將特高頻傳感器貼在盆式絕緣子的非金屬屏蔽位置，接收此處泄漏出的電磁波信號，從而檢測內部是否存在局放。但是在GIS 內部進行傳播時，不同GIS 部件、結構均會對高頻電磁波產生不同程度的衰減[1-2]。因此，明確GIS 不同部件、不同結構對信號傳播的影響，有助于提高外部特高頻局放檢測靈敏度，對準確判斷、識別GIS 內部局部放電具有十分重要的意義。

本文對GIS 的直殼體、L 型殼體、T 型殼體盆式絕緣子進行了建模仿真，對電磁波信號經過GIS各部件后的衰減情況進行探究。激勵源使用典型缺陷信號，研究局部放電信號傳播特性。

1 盆式絕緣子對電磁波傳播特性的影響

本文對盆式絕緣子和通管進行建模，構建直殼體模型，各個連接處采用法蘭與倒角，在這基礎上研究盆式絕緣子對電磁波傳播特性的影響。

如圖1所示，本文構建的一個直線型GIS 真型模型，其長度約為100cm，絕緣盆厚度為5cm，模型的內外半徑各為20cm 和40cm。模擬一個尖端放電信號源，信號源放置在（93,80,309）位置，同時設置了兩個特高頻探頭，探頭位置分別放置在（81,47,254)、(80,39,485)，仿真結果如圖2所示。

圖2 盆式絕緣子對電磁波傳播影響的仿真結果

2 直線型結構和L 型結構對傳播特性的影響

為進一步研究GIS 不同結構對電磁波傳播特性的影響，本文根據220kV 單相組合電器，搭建了一段包括L 型和T 型的真型試驗平臺，仿真幾何模型如圖3、圖4所示，其內外半徑尺寸分別設置為5.3cm、16cm。

圖3 L 型GIS 仿真示意圖

圖4 直線型GIS 仿真示意圖

本文激勵源位置設置在導桿0°正上方位置，模擬一個2cm 長度的金屬尖刺放電信號，放電電流為1A，設定輻射出一個幅值為33dB、放電帶寬為300mHz 至3GHz 的高頻電磁波信號。沿著導體徑向方向設置不同的檢測點，每隔20cm 左右在導體圓周上0°、90°、180°、270°的位置各設置一個檢測點，然后由于設計的仿真最高頻率為3GHz，因此按照公式（1）可計算出最大剖分胞元尺寸：

其中：f 表示最高頻率；c 表示光速。為了排除其他因素干擾，只探索GIS 殼體結構對電磁波衰減的影響，在殼體兩端設置匹配層（PML）。PML 作為一種獨特的媒介，其波阻抗和周圍媒介的波阻抗一致[3]。

由仿真結果分析可知，對于直線型GIS 殼體，在0°方向上，特高頻探頭越遠離信號源，所測到的峰值將越小。但是沿著90°方向上，信號的峰峰值并未隨著監測點位置的變化而發生變化。對于L型GIS 結構，無論在任何角度上，電磁波信號經過L 結構后，峰峰值都會減小。結果表明，在直線型GIS 結構上，0°方向上布置傳感器，需要考慮因距離問題帶來的幅值衰減問題，而90°方向上可以忽略這個問題，但是在L 型結構上，任何角度都應考慮衰減問題，因此在直線型0°方向上以及L 型結構上布置檢測傳感器時，為了提高檢測靈敏度，均需要增加傳感器布置數量。

由圖5、圖6仿真結果可知，直線型和L 型結構的GIS 雖然結構不同，但在0°和180°這條豎直線的方向上分布是類似的，在90°方向上電磁波的幅值和能量都較小。觀察可知，盡管在豎直的方向上GIS 信號分峰值在逐漸減小，但是在直線型GIS 中，能量的分布模式并未出現顯著的改變。在90°方向上，峰峰值和能量都呈現出比較平穩的分布，仿真結果與理論分析基本是一致的。

圖5 直線型GIS 模型各點特性圖

圖6 L 型GIS 模型各點特性圖

由仿真結果可知，L 型結構對電磁波信號具有明顯的衰減和反射作用，特高頻探頭在L 型結構的任何位置所測到的信號值都出現明顯的衰減，在同一位置，直線型GIS 中的信號所具有的幅值和能量均大于L 型結構的GIS。由圖6（a）可以得出，由于L 型結構對電磁波型號的明顯反射作用，所以特高頻探頭在檢測點3的位置，所測得信號幅值均會小于直線型的相同位置。但由圖6（b）可知，對于檢測點9，由于信號在L 型結構上傳播時，拐角處阻抗不連續，導致有一部分能量發生了反射。

反射能量由來路返回，只有剩余的能量會經過拐角進入下一個環節，所以相較于直線型GIS 結構，L 型GIS 檢測到的信號能量比較分散，幅值也比L型相同位置的小。因此，在傳感器布置時，L 型結構可視作兩個直線型結構的組合，且兩個直線型結構在各自部分信號還具有增強效果，衰減的情況相對于同樣結構的直線型較弱，可以適當減少傳感器的布置。

3 T 型結構對傳播特性的影響

為深入理解T型GIS 對于信號傳播屬性和能量分布的影響，選用0、2、5、10處為一組檢測點，在0°的位置展開徑向場強頻譜對比。在檢測點0處時，此時信號波形也沒能經過T型結構，其中高次模波的能量分布而是沒能出現任何變化，然而TEM 波的組成部分要變多。但是當頻率超過2.2GHz 后，也就是對于法向和徑向電場頻譜的高頻部分，電磁波的能量發生了明顯衰減。

而電磁波信號在傳播到檢測點5時，即已經經過了T型結構后，此時相較于前面兩處監測點，其高次模波的能量分布發生了十分明顯的變化，徑向和法向場強幅值也都出現了明顯衰減，尤其是頻率大于2.2GHz 的分量。但是當電磁波信號進一步傳播后，到達檢測點9時，相較于前面檢測點，高次模波的分布變化不明顯，徑向場強幅值、法向場強幅值以及軸向場強幅值幾乎沒有發生較大減小，同時2.2GHz 之后的高頻部分場強幅值也一樣沒有發生較大減小。這說明電磁波在T型結構中傳播時，主要改變的是高次模波的能量分布，尤其是對2.2GHz 之后的高頻部分有十分明顯的衰減作用。

為了進一步驗證不同半徑的GIS 對電磁波傳播特性的影響，本位又建立了兩個不同半徑的GIS，其半徑分別為37.5cm 和50cm，其他的尺寸和上述一樣。激勵源仍用30mm 的單極子天線等效，注入高斯脈沖幅值15mA，脈寬0.7ns。在兩種不同尺寸的GIS 上，局放源和特高頻探頭位置都放在相同的地方，其中局放源位置放在GIS 左部位置距離邊上20cm 處，在距離左部位置的150cm 處放置了特高頻探頭。

結果表明，對于37.5cm 電場強度的峰值是0.53V/m，50cm 電場強度的峰值是0.41V/m，衰減了1.11dB。外殼的內徑是37.5cm 時，電磁波信號強度較強。信號一共持續了約16ns，衰減程度在7～11ns 時最快。當外殼內徑改變為50cm 時，電磁波信號強度相對較弱，信號在16ns 的持續時間中，第10～13ns 時衰減比較明顯。

接下來，進一步改變內GIS 導體直徑的大小，研究直徑大小對電磁波的影響。分別建立內導體直徑為10cm 和15cm 的GIS 殼體，其他設置均與上面相同。結果表明，電場強度的峰值由10cm 的0.41V/m 減小為15cm 的0.36V/m，信號衰減3.1dB。

最后，再改變殼體長度，研究課題長度對電磁波傳播的影響。分別建立長度為3.0m 和2.5m 的GIS 殼體，其他設置均與上面相同。結果表明，電場強度的峰值長度由2.5m 的0.41V/m 增大為3.0m的0.47V/m，信號增大0.81dB。兩種長度的信號持續時間均為21ns。根據衰減值可以得出，GIS 殼體的長度對信號的衰減情況影響不大。

4 結論

本文研究了GIS 不同結構和部件對局部放電信號傳播特性的影響。一是盆式絕緣子對各頻率分量的衰減相對較大，會明顯阻礙局放信號的傳播；二是在直線型殼體中的水平方向，隨著特高頻探頭遠離局放源，所測得的信號峰值變小。隨著特高頻探頭遠離局放源，所測得的信號峰值基本沒有變化；三是對于L 型殼體，不管是水平還是豎直方向，經過L 結構后其整體幅值都會變小；四是電磁波在T型結構中傳播時，主要改變的是電磁波中高次模的分布，高頻部分會出現強烈的衰減。五是忽略以上因素，實際上GIS 殼體的長度對信號的衰減情況影響不大。