注入脈沖與局部放電UHF信號(hào)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(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；3. 昆明理工大學(xué)，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(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于當(dāng)前的電力系統(tǒng)中，自上世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始大規(guī)模使用GIS設(shè)備以來(lái)，GIS及其配套設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是，由于GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制造和裝配的過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生諸如部件松動(dòng)、絕緣子表面臟污、內(nèi)部異物、導(dǎo)體毛刺等缺陷，投入使用后部分缺陷會(huì)導(dǎo)致GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電，嚴(yán)重的會(huì)造成絕緣擊穿并引發(fā)事故[1-4]。所以，對(duì)運(yùn)行中的GIS設(shè)備進(jìn)行放電檢測(cè)是十分必要的。近年來(lái)，特高頻法憑借靈敏度高、檢測(cè)頻率高、檢測(cè)頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)中，取得了顯著的效果[5-12]。然而局部放電UHF檢測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中常常由于傳感器配置方式不正確等原因造成檢測(cè)效果不明顯，在很大程度上限制了UHF檢測(cè)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。UHF局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度與傳感器的布置方式、發(fā)射接收特性以及GIS腔體結(jié)構(gòu)和脈沖注入的位置密切相關(guān)[13-17]。目前基于GTEM小室和GIS同軸腔體等實(shí)驗(yàn)室方法對(duì)于評(píng)價(jià)UHF傳感器性能起到了了至關(guān)重要的作用[18-22]。但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備攜帶不便不能應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所以不能全面評(píng)價(jià)安裝到GIS設(shè)備上的UHF檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

目前，有關(guān)UHF檢測(cè)系統(tǒng)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(xué)與東芝公司、斯圖加特大學(xué)與ABB公司在 GIS設(shè)備上開(kāi)展了靈敏度校驗(yàn)工作[23-24]。CIGRE推薦的靈敏度校核方法主要由兩個(gè)步驟組成：（1）在GIS腔體內(nèi)部設(shè)置局放缺陷，對(duì)GIS進(jìn)行加壓并使放電缺陷產(chǎn)生5pC局放，記錄此時(shí)傳感器接收到信號(hào)的幅值；（2）將GIS腔體內(nèi)部局放缺陷去掉，通過(guò)發(fā)射天線將脈沖信號(hào)注入GIS腔體，觀察傳感器接收到信號(hào)的幅值，直至與（1）中的測(cè)到的幅值一致，記錄此時(shí)注入脈沖的幅值。在此過(guò)程中將注入脈沖通過(guò)發(fā)射天線輻射出的 UHF信號(hào)來(lái)替代GIS內(nèi)部真實(shí)局放UHF信號(hào)，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(hào)幅值誤差在20%之內(nèi)。由于UHF信號(hào)是一種寬頻帶信號(hào)，注入脈沖與真實(shí)局放的等效性不僅體現(xiàn)在二者產(chǎn)生的UHF信號(hào)幅值相等，還要求信號(hào)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(hào)與局部放電UHF信號(hào)的等效性。建立了與某220 KV GIS尺寸一致的仿真模型，仿真過(guò)程中將信號(hào)源分別設(shè)置在 GIS內(nèi)部高壓導(dǎo)桿和GIS金屬法蘭澆筑孔處以此來(lái)作為局部放電激勵(lì)源和注入脈沖激勵(lì)源。通過(guò)在仿真模型內(nèi)部設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)來(lái)接收 UHF電磁波信號(hào)，測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)的信號(hào)幅值，比較注入脈沖與局部放電 UHF信號(hào)的衰減程度；并且使用FFT變換對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行頻譜分析，對(duì)比了兩種信號(hào)的頻譜相似度。

1 UHF信號(hào)在GIS中傳播特性分析

根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其等效成同軸波導(dǎo)系統(tǒng)。同軸波導(dǎo)是由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體組成的雙導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)，其形狀如圖1所示。內(nèi)導(dǎo)體直徑為a,外導(dǎo)體的內(nèi)直徑為b，內(nèi)外導(dǎo)體均為理想導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間填充參數(shù)為εμ、的理想介質(zhì)，在GIS內(nèi)部填充的6SF氣體磁導(dǎo)率和介電常數(shù)均約等于1，壓力為0.45 MPa。當(dāng)GIS中發(fā)生局部放電時(shí)，脈沖電流會(huì)激發(fā)出TEM波、TE波和TM波，當(dāng)它們的頻率高于其截止頻率時(shí)在GIS腔體內(nèi)傳播。截止頻率取決于同軸波導(dǎo)的尺寸和傳輸介質(zhì)。將 GIS等效為同軸線，在圓柱坐標(biāo)系中描述局部放電脈沖以及其激發(fā)的超高頻電磁波，如圖1所示?？傻醚?z方向傳輸?shù)腡EM波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別為：

對(duì)于TM波， Hz= 0 ，有

TMnm模波截止頻率：

對(duì)于TE波， Ez= 0 ,有

TEmn模波截止頻率：

根據(jù)電磁場(chǎng)理論也可以通過(guò)計(jì)算得出同軸波導(dǎo)的電路分布參數(shù)：

ε和μ是內(nèi)外導(dǎo)體間電介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。當(dāng)不計(jì)損耗時(shí)，同軸波導(dǎo)的波阻抗為

2 局部放電與注入脈沖 UHF信號(hào)的等效性仿真分析

本文使用Comsol Multiphysics仿真軟件對(duì)注入脈沖和局部放電 UHF信號(hào)的等效性進(jìn)行了仿真，Comsol Multiphysics是以有限元法（Finite Element Method）為基礎(chǔ)，利用偏微分方程或偏微分方程組（分別的代表單場(chǎng)和多場(chǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，用數(shù)學(xué)的方法求解物理現(xiàn)象。該仿真軟件可以在一個(gè)仿真模型下建立多個(gè)物理場(chǎng)，其優(yōu)勢(shì)在于高精準(zhǔn)度和多場(chǎng)耦合，現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[25-27]。利用Comsol軟件進(jìn)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(chǎng)，對(duì)幾何模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后便可整個(gè)模型進(jìn)行求解與分析計(jì)算。Comsol軟件擁有豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和模塊庫(kù),在本文的研究中選用RF模塊進(jìn)行仿真。

2.1 仿真模型

在本文中仿真模型設(shè)置為一直腔體，其尺寸參照某220KV GIS尺寸，外導(dǎo)體內(nèi)徑和內(nèi)部高壓導(dǎo)體外徑尺寸分別為 360 mm、90 mm。腔體總長(zhǎng)度為6000 mm，腔體上兩個(gè)澆筑孔距離其最近的端口分別為1000 mm，即兩個(gè)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(shè)置時(shí)，將模型的兩側(cè)設(shè)置為完美匹配層（PML），仿真模型中腔體、高壓導(dǎo)體和金屬法蘭設(shè)置為完美電導(dǎo)體材料（PEC），金屬法蘭澆筑孔材料為環(huán)氧樹(shù)脂，其介電常數(shù)為3.8。

圖1 仿真模型圖Fig.1 Simulation model

在仿真過(guò)程中將現(xiàn)場(chǎng)校核 UHF傳感器使用的脈沖源裝置輸出的波形作為源信號(hào)，如圖2所示，信號(hào)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(lì)源施加的位置為1號(hào)澆筑孔中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高壓導(dǎo)桿上，如圖 3(a)所示。注入脈沖激勵(lì)源施加的位置為1號(hào)澆筑孔處，如圖3(b)所示。信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)從GIS腔體內(nèi)部距離激勵(lì)源1000 mm處開(kāi)始，后面每隔500 mm取一觀測(cè)點(diǎn)直到2號(hào)澆筑孔處，2號(hào)澆筑孔傳感器的輸出也看作為一觀測(cè)點(diǎn)。

圖3 激勵(lì)源位置Fig.3 Excitation source location

2.2 注入脈沖與局部放電UHF信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ?/h3>

圖4 各觀測(cè)點(diǎn)x方向時(shí)域波形圖Fig.4 Time domain waveform in x-direction of each observation point

電磁波信號(hào)在同軸波導(dǎo)中傳輸時(shí)，其方向分為徑向和軸向，軸向?yàn)樾盘?hào)傳播方向。根據(jù)仿真結(jié)果可知徑向方向的電場(chǎng)分量遠(yuǎn)大于軸向的電場(chǎng)分量，故以徑向x方向的UHF電磁波信號(hào)進(jìn)行分析。仿真完成對(duì)各信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)x方向的時(shí)域波形如圖4所示。由圖可知：局部放電激勵(lì)源所產(chǎn)生的UHF信號(hào)強(qiáng)度明顯大于注入脈沖激勵(lì)源信號(hào)所產(chǎn)生的UHF信號(hào)，這是由于脈沖注入激勵(lì)源通過(guò)澆筑孔耦合進(jìn)GIS腔體時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定程度的衰減；在GIS腔體內(nèi)部，局部放電激勵(lì)源和注入脈沖激勵(lì)源所產(chǎn)生的 UHF信號(hào)峰值出現(xiàn)時(shí)間和信號(hào)持續(xù)時(shí)間基本一致；在2號(hào)澆筑孔處，注入脈沖激勵(lì)源所產(chǎn)生UHF信號(hào)時(shí)域波形的持續(xù)時(shí)間大于局部放電激勵(lì)源，說(shuō)明信號(hào)通過(guò)GIS澆筑孔向外輻射過(guò)程中，注入脈沖激勵(lì)源產(chǎn)生的 UHF信號(hào)傳播衰減時(shí)間大于局部放電激勵(lì)源所產(chǎn)生的UHF信號(hào)。

為了對(duì)比局部放電 UHF信號(hào)和注入脈沖激勵(lì)源激發(fā)的UHF信號(hào)在GIS腔體中的傳播衰減特性，將距激勵(lì)源1000mm即觀測(cè)點(diǎn)1處的電場(chǎng)強(qiáng)度0E作為參考值，其他各觀測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)作為對(duì)比值，利用公式（9）計(jì)算各觀測(cè)點(diǎn)相較于激勵(lì)源處的衰減，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 GIS腔體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)脈沖波形一致時(shí)，局部放電激勵(lì)源所產(chǎn)生的 UHF信號(hào)和注入脈沖激勵(lì)源所產(chǎn)生的UHF信號(hào)在GIS腔體中的衰減趨勢(shì)是不一致的，注入脈沖 UHF信號(hào)隨距離的衰減程度略大于局部放電UHF信號(hào)；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(hào)的頻譜分布差異

為了進(jìn)一步研究注入脈沖信號(hào)與局部放電信號(hào)的差異，本文在分析各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形的基礎(chǔ)上，又對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形進(jìn)了傅里葉變換，得到了各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)信號(hào)的頻譜分布。如圖6所示。根據(jù)式（5）和（7）可得該尺寸下GIS腔體中TE、TM波各個(gè)模次的截止頻率如表1所示。結(jié)合圖6中頻域仿真結(jié)果可知：無(wú)論是注入脈沖還是局部放電輻射出的UHF信號(hào)，其頻譜分布峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率與理論計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。無(wú)論是在GIS腔體內(nèi)部還是澆筑孔處的輸出，注入脈沖和局部放電UHF信號(hào)的頻譜峰值點(diǎn)基本一致，頻譜分布相似。

圖6 各觀測(cè)點(diǎn)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(hào)和真實(shí)局部放電的一致性，以局部放電UHF信號(hào)為基準(zhǔn)，引入了歸一化互相關(guān)函數(shù)作為不同波形間相似度評(píng)判的主要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中：p(x)為待識(shí)別波形，q(x)為對(duì)比的基準(zhǔn)波形，為待識(shí)別波形在觀測(cè)點(diǎn)處的平均值，基準(zhǔn)波形在觀測(cè)點(diǎn)處的平均值。待識(shí)別波形與參考波形的歸一化相關(guān)性越大，波形越相似。

在本文中取局部放電 UHF信號(hào)波形為基準(zhǔn)波形，注入脈沖輻射的UHF信號(hào)波形為待識(shí)別波形，對(duì)比0.3 GHz-2 GHz范圍內(nèi)的頻譜相關(guān)性，其結(jié)果如表2所示：注入脈沖UHF信號(hào)的頻域波形與局部放電 UHF信號(hào)的頻域波形信號(hào)在各觀測(cè)點(diǎn)的相關(guān)性最大為 79.24%，最小為 71.69%，以 30%誤差范圍來(lái)看，注入脈沖頻域相關(guān)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(hào)的頻譜特征，能作為現(xiàn)場(chǎng)校核UHF傳感器的方法。

表2 注入脈沖與局部放電UHF信號(hào)相關(guān)性Tab.2 Correlation between injection pulse and partial discharge UHF signal

4 總結(jié)

本文利用仿真的方法對(duì)人工注入脈沖輻射出的UHF信號(hào)和局部放電信號(hào)的一致性進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

（1）在GIS內(nèi)部各觀測(cè)點(diǎn)，注入脈沖輻射出的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)明顯小于局部放電信號(hào)，這個(gè)由于注入脈沖通過(guò)澆筑孔耦合進(jìn)GIS腔體時(shí)不可避免的會(huì)發(fā)生一定程度的衰減，故在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校核時(shí)需對(duì)注入脈沖信號(hào)的幅值進(jìn)行充分考慮；

（2）在GIS內(nèi)部各觀測(cè)點(diǎn)，注入脈沖輻射出的UHF信號(hào)與局部放電UHF信號(hào)持續(xù)時(shí)間基本一致；但在2號(hào)澆筑孔處，局部放電UHF信號(hào)的峰值出現(xiàn)在起始位置，而注入脈沖激勵(lì)源所產(chǎn)生的UHF信號(hào)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振蕩后信號(hào)達(dá)到峰值點(diǎn)，這是由于信號(hào)通過(guò)澆筑孔向外傳輸時(shí)在澆筑孔內(nèi)的折反射而形成的。

（3）在 GIS腔體內(nèi)部，注入脈沖和局部放電UHF信號(hào)的衰減變化趨勢(shì)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(hào)；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(guān)函數(shù)對(duì)注入脈沖與局部放電UHF信號(hào)在GIS內(nèi)部各觀測(cè)點(diǎn)的頻域相似度進(jìn)行了計(jì)算，注入脈沖UHF信號(hào)的頻域波形與局部放電 UHF信號(hào)的頻域波形信號(hào)在各觀測(cè)點(diǎn)的相關(guān)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(hào)的頻譜特征，能作為現(xiàn)場(chǎng)校核UHF傳感器的方法。