陳金法，胡文堂，徐 華，鄭書(shū)生，詹花茂

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310014;2.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206;3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

0 引 言

近年來(lái)氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switch gear，GIS)局部放電特高頻(Ultra High Frequency，UHF)檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用［1～3］。利用此技術(shù)多次發(fā)現(xiàn)了GIS 內(nèi)部的絕緣缺陷，避免了GIS 絕緣事故的發(fā)生，為保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行做出了巨大貢獻(xiàn)。鑒于此，我國(guó)電力系統(tǒng)將全面推廣應(yīng)用GIS 局部放電UHF 檢測(cè)技術(shù)。

在UHF 檢測(cè)技術(shù)中，采用安裝在GIS 設(shè)備上的UHF 傳感器及信號(hào)采集與處理器檢測(cè)局部放電輻射出的電磁波信號(hào)。目前UHF 傳感器的安裝方式主要有兩種，即:內(nèi)置式、外置式。所謂內(nèi)置式，就是在GIS 腔壁上開(kāi)孔，然后將傳感器安裝在此孔內(nèi)。局部放電UHF 電磁波在GIS 內(nèi)部傳播，經(jīng)過(guò)安裝孔時(shí)可被內(nèi)置UHF 傳感器接收［4～6］。在外置式安裝方式中，UHF 傳感器放置在GIS 盆式絕緣子外表面，其接收面朝向GIS 設(shè)備內(nèi)部。UHF 電磁波經(jīng)絕緣子時(shí)通過(guò)絕緣材料向外輻射，從而被外置式UHF 傳感器所接收［7］。內(nèi)置式UHF 傳感器的檢測(cè)靈敏度高于外置式。由于UHF檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，目前運(yùn)行中的GIS 設(shè)備上大部分未安裝UHF 傳感器。若對(duì)其安裝內(nèi)置式傳感器，其改造成本高，而且改造工藝不良可能給GIS 帶來(lái)安全隱患。雖然外置式檢測(cè)方法靈敏度相對(duì)較低，但是安裝簡(jiǎn)便，不影響GIS 設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。因此，目前主要采用外置式UHF傳感器安裝方法。

為了使GIS 外殼可靠接地，并防止絕緣材料受到紫外線(xiàn)輻射或化學(xué)腐蝕，大多數(shù)GIS 盆式絕緣子的邊緣有金屬環(huán)，金屬環(huán)上有一個(gè)小孔，該孔被環(huán)氧樹(shù)脂材料填充。在此情況下，UHF 電磁波只能通過(guò)金屬環(huán)小孔向外輻射。小孔尺寸較小，這將限制UHF 電磁波的傳播，造成UHF 信號(hào)的衰減。利用現(xiàn)有的UHF 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)顯然是不夠的。為了提高外置式UHF 檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，必須對(duì)UHF 電磁波通過(guò)金屬環(huán)小孔的傳播特性進(jìn)行深入研究。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)UHF 電磁波在GIS 設(shè)備內(nèi)部的傳播過(guò)程開(kāi)展了大量的研究工作［8～12］，給出了UHF 電磁波在GIS 內(nèi)部傳播模式、UHF 信號(hào)的頻譜特征、以及UHF 信號(hào)經(jīng)過(guò)典型結(jié)構(gòu)和部件的衰減規(guī)律，為UHF 檢測(cè)和傳感器布置提供了重要依據(jù)。但是對(duì)于UHF 電磁波通過(guò)金屬環(huán)小孔的傳播過(guò)程的研究工作未見(jiàn)報(bào)道。

為了研究UHF 電磁波經(jīng)過(guò)金屬環(huán)小孔的傳播特性，本文首先根據(jù)導(dǎo)行電磁波理論分析了UHF 信號(hào)通過(guò)小孔傳播的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和截止頻率;然后基于時(shí)域有限差分法仿真了UHF 信號(hào)的傳播過(guò)程，分析了UHF 電磁波經(jīng)過(guò)小孔傳播出來(lái)后的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向性和頻譜特性。

1 UHF 電磁波傳播特性理論分析

1.1 金屬環(huán)小孔結(jié)構(gòu)

在相鄰兩節(jié)GIS 腔體之間有盆式絕緣子，目前多數(shù)盆式絕緣子外側(cè)都有金屬環(huán)，如圖1 所示。該金屬環(huán)在GIS 運(yùn)行過(guò)程中起到安全接地和防腐蝕、防輻射功能。在金屬環(huán)上有一個(gè)小孔，如圖2所示。在盆式絕緣子制造過(guò)程中用作澆注孔，該孔內(nèi)由環(huán)氧樹(shù)脂材料填充。金屬環(huán)小孔的橫截面大致呈圓角矩形。常見(jiàn)的小孔尺寸為:深(即金屬環(huán)的厚度(t)25 mm，長(zhǎng)(a)45 mm，寬(b)20 mm。

圖1 盆式絕緣子與金屬環(huán)Fig.1 Basin-type insulator and mental ring

圖2 金屬環(huán)小孔Fig.2 Hole in the ring

1.2 理想矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

金屬環(huán)小孔的截面接近于矩形，因此可以嘗試用矩形波導(dǎo)理論對(duì)UHF 電磁波在其中傳播時(shí)的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。根據(jù)導(dǎo)行電磁波理論［13］，理想的矩形波導(dǎo)由無(wú)限長(zhǎng)的直角矩形橫截面的金屬管構(gòu)成，波導(dǎo)內(nèi)壁為理想導(dǎo)體，波導(dǎo)內(nèi)充滿(mǎn)了均勻、線(xiàn)性、各向同性的理想介質(zhì)。如圖3 所示。

圖3 矩形波導(dǎo)示意圖Fig.3 Rectangle waveguide

在圖3 中建立三維空間直角坐標(biāo)系，以矩形波導(dǎo)側(cè)棱上的一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X 方向與矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)邊平行，Y 方向與橫截面的短邊平行，Z 軸與矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度方向平行。

1.3 矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播特性

矩形波導(dǎo)屬于空心金屬波導(dǎo)，在其中只存在TE 模和TM 模。對(duì)于TE 模，矩形波導(dǎo)中能夠存在TEm0，TE0n，TEmn模，階數(shù)m，n 為正整數(shù)。其中TE10模是最低次模，其余為高次模。對(duì)于TM 模，矩形波導(dǎo)中只能夠存在TMmn模，階數(shù)m，n 為正整數(shù)。其中TM11模是最低次模，其余為高次模。

對(duì)于階數(shù)為m，n 的TE 模和TM 模的截止頻率為

式中:m，n 為模階數(shù);a，b 為矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)和寬;m，e 為矩形波導(dǎo)內(nèi)填充材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。金屬環(huán)小孔內(nèi)澆注的絕緣材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約為1.0，相對(duì)介電常數(shù)約為3.8［12］。為了說(shuō)明矩形波導(dǎo)中電磁波的截止頻率及電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，表1 以從小到大的排列方式給出了與金屬環(huán)小孔橫截面規(guī)格尺寸接近的矩形波導(dǎo)的前幾個(gè)截止頻率值及其對(duì)應(yīng)的模式名稱(chēng)。

表1 矩形波導(dǎo)的截止頻率Tab.1 Cut off frequency in rectangle waveguide

GIS 局部放電UHF 信號(hào)的能量主要分布在300 MHz ～2 GHz 頻率范圍內(nèi)［12］。在表1 中，截止頻率fc在此頻率范圍內(nèi)的只有TE10模。因此，局部放電UHF 信號(hào)只能以TE10模式在此矩形波導(dǎo)內(nèi)傳播，其截止頻率為:1.71 GHz。

在矩形波導(dǎo)中TE10模的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中實(shí)線(xiàn)代表電力線(xiàn)，虛線(xiàn)代表磁力線(xiàn)。可見(jiàn)，電場(chǎng)方向都與Y 軸平行，自中間向兩邊電力線(xiàn)逐漸變稀，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。磁場(chǎng)方向都與X 軸方向平行，呈均勻分布狀態(tài)。

由此可以預(yù)見(jiàn)，局部放電UHF 電磁波以TE10模為主模向外傳播。在此情況下，其電場(chǎng)強(qiáng)度方向與小孔的短邊方向平行。

圖4 矩形波導(dǎo)TE10模的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Electromagnetic field structure of TE10 model in rectangle waveguide

然而，金屬環(huán)小孔的結(jié)構(gòu)與理想矩形波導(dǎo)存在一定差異，其主要差別在于小孔的深度較小。常見(jiàn)的小孔的深度(即金屬環(huán)的徑向厚度)僅為25 mm。因此UHF 電磁波通過(guò)小孔的傳播特性與矩形波導(dǎo)可能存在一定的差異。為了進(jìn)一步研究UHF 電磁波通過(guò)小孔的傳播特性，下面進(jìn)行仿真分析。

2 UHF 電磁波傳播特性的仿真分析

2.1 仿真方法與軟件

時(shí)域有限差分(finite-difference-time-domain，簡(jiǎn)稱(chēng)FDTD)方法是局部放電電磁波傳播過(guò)程仿真分析中常用的方法。此方法在時(shí)間和空間域中對(duì)Maxwell 旋度方程的有限差分離散化，以具有兩階精度的中心有限差分格式來(lái)近似地代替原來(lái)微分形式的方程，采用Yee 提出在空間和時(shí)間都差半個(gè)步長(zhǎng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過(guò)類(lèi)似蛙步跳躍式的步驟用前一時(shí)刻的磁、電場(chǎng)值得到當(dāng)前時(shí)刻的電、磁場(chǎng)值，并在每一時(shí)刻上將此過(guò)程算遍整個(gè)空間，于是可得到整個(gè)空間域中隨時(shí)間變化的電、磁場(chǎng)值的解。

XFDTD 軟件是Remcom 公司開(kāi)發(fā)的基于FDTD 方法的全波三維電磁場(chǎng)仿真軟件，可以將電磁波的時(shí)域特性直接反映出來(lái)，給出非常豐富的電磁場(chǎng)問(wèn)題的時(shí)域信息，用清晰的圖像描述復(fù)雜的物理過(guò)程。

2.2 GIS 金屬環(huán)小孔仿真模型

參照某廠家生產(chǎn)的126 kV 三相共體GIS 母線(xiàn)的規(guī)格尺寸，利用XFDTD 建模，如圖5 所示。該模型包含6 節(jié)腔體，編號(hào)為:I，II，…，VI;5 個(gè)盆式絕緣子，編號(hào)為:1，2，…，5。在盆子外側(cè)設(shè)施金屬環(huán)及小孔，金屬環(huán)小孔尺寸為45 mm×20 mm。腔體內(nèi)徑640 mm，腔體壁厚10 mm，導(dǎo)桿直徑為86 mm，盆式絕緣子直徑為750 mm，厚50 mm。在3號(hào)、5 號(hào)兩個(gè)盆子金屬環(huán)小孔的外表面中心處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。

圖5 GIS 金屬環(huán)小孔仿真模型Fig.5 Simulation model of little hole in mental ring of GIS

采用脈沖電流源作為UHF 電磁波激勵(lì)源。將其布置在高壓導(dǎo)桿上，平行于Z 軸方向，如圖5(b)所示。電流源的長(zhǎng)度為10 mm，波形為高斯脈沖，其時(shí)域形式如式(2)所示:

式中:I0為脈沖幅值;τ 為常數(shù)，決定了高斯脈沖的寬度。在t=t0時(shí)脈沖峰值出現(xiàn)。仿真中，脈沖幅值取10 mA;脈寬取1 ns。

模型側(cè)面為PML(perfectly matched layer)匹配層。仿真模型中腔體、高壓導(dǎo)體和金屬法蘭采用理想導(dǎo)體材料(PEC)，盤(pán)式絕緣子主要材料為環(huán)氧樹(shù)脂，其介電常數(shù)取3.8，瓷套管介電常數(shù)取6.0。仿真計(jì)算中所用最高頻率(f)設(shè)置為6 GHz，利用下式確定胞元尺寸:

式中:Lmax為最大胞元的尺寸;c 為光速，即3 ×108m/s;f 為激勵(lì)最高頻率。因此，最大胞元尺寸Lmax為5 mm。一個(gè)完整的胞元尺寸為5 ×5 ×5 mm3，剖分所需內(nèi)存大小為2 GB。

2.3 金屬環(huán)小孔處UHF 信號(hào)分析

2.3.1 電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

選擇3，5 號(hào)盆式絕緣子的小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度作為分析對(duì)象。3 號(hào)小孔的橫截面與XOY 平面平行，小孔的短邊平行于Y 軸;而5 號(hào)小孔的橫截面與XOZ 平面平行，小孔的短邊方向平行于Z 軸。在3 號(hào)和5 號(hào)絕緣子金屬環(huán)小孔處觀測(cè)到的沿X，Y，Z 3 個(gè)方向的電場(chǎng)強(qiáng)度幅值隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖6，7 所示。讀取各個(gè)波形的峰峰值，列入表2 中。

圖6 3 號(hào)絕緣子金屬環(huán)小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.6 Electric field intensity on the hole of No.3 insulator ring

圖7 5 號(hào)絕緣子金屬環(huán)小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.7 Electric field intensity on the hole of No.5 insulator ring

表2 絕緣子金屬環(huán)小孔處的電場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值Table 2 Peak to peak value of Electric field intensity on the hole of insulator ring

在3 號(hào)絕緣子小孔處，沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ey 幅值最高;沿小孔長(zhǎng)邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex 幅值最低，僅相當(dāng)于Ey 的2.5 %;而沿小孔深度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ez 幅值居中，相當(dāng)于Ey 的26 %。

在5 號(hào)絕緣子小孔處，沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ez 幅值最高;沿小孔長(zhǎng)邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex 和沿小孔深度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ey 幅值都很低，僅相當(dāng)于Ez 的2.1 %和3.5 %。

上述分析表明，無(wú)論小孔與放電源的相對(duì)位置關(guān)系如何布置，沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于長(zhǎng)邊方向和深度方向。這與矩形波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)是一致的。

2.3.2 頻譜分析

為了給外置式UHF 檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)提供指導(dǎo)，下面分析小孔處的UHF 信號(hào)的頻譜分布。由于沿小孔短邊方向的電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，只需要分析該場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)的頻譜分布。3 號(hào)絕緣子小孔的短邊方向電場(chǎng)強(qiáng)度Ey 的頻譜分布如圖8 所示?？梢?jiàn)，在0.5 ～2.4 GHz 頻率范圍內(nèi)有能量分布，1.2 ～1.6 GHz 為能量集中的頻段。

圖8 3 號(hào)小孔處的Ey 的頻譜圖Fig.8 Frequency spectrum of Ey on the No.3 hole

在表1 中，矩形波導(dǎo)基次模波TE10模的截止頻率為1.71 GHz，這上述仿真得到的頻譜分布相差較大。這是由于金屬環(huán)小孔的深度(即金屬環(huán)厚度)較小，低頻成分未完全衰減引起的。UHF帶電檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻帶應(yīng)集中在1.2 ～1.6 GHz。

3 結(jié) 論

通過(guò)本文研究得出結(jié)論如下:

(1)UHF 電磁波通過(guò)GIS 盆式絕緣子金屬環(huán)小孔的傳播特性與矩形波導(dǎo)內(nèi)的TE10模相似，其電場(chǎng)方向與小孔短邊方向平行。

(2)經(jīng)過(guò)小孔傳播出來(lái)的UHF 信號(hào)的頻帶主要集中在1.2 ～1.6 GHz。

鑒于此用于金屬環(huán)小孔的對(duì)外置式UHF 檢測(cè)系統(tǒng)提出改進(jìn)建議:UHF 檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻帶應(yīng)選擇1.2 ～1.6 GHz。

為了進(jìn)一步完善外置式UHF 檢測(cè)技術(shù)，下一步將在實(shí)際GIS 設(shè)備上開(kāi)展局部放電試驗(yàn)，測(cè)量各典型局部放電UHF 信號(hào)經(jīng)過(guò)小孔的傳播特性，并研究這種小孔式檢測(cè)方法對(duì)各種局部放電缺陷的檢測(cè)靈敏度。

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