吳思揚(yáng) 葉齊政 李興旺 王增彬

（1. 華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074 2. 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 廣州 510600）

1 引言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，局部放電（Partial Discharge，PD）是反映GIS絕緣性能的重要參數(shù)，它是GIS絕緣劣化的征兆和表現(xiàn)形式，又是絕緣進(jìn)一步劣化的原因[1-3]。所以檢測GIS局部放電能發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期的絕緣缺陷，以便采取有效措施避免其發(fā)展。近年來特高頻（Ultra-High-Frequency，UHF）檢測法由于其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、能夠進(jìn)行故障定位以及圖譜識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)在GIS局部放電在線檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-8]。為使 GIS外殼可靠接地，并防止絕緣材料受到化學(xué)腐蝕，大多數(shù)GIS盆式絕緣子的邊緣安裝有金屬環(huán)，金屬環(huán)上有澆注孔，用來注入絕緣介質(zhì)。在這種情況下，UHF電磁波只能通過澆注孔向外輻射,從而被外置式 UHF傳感器所接收[9,10]。在 GIS的檢測過程中還發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行中的GIS設(shè)備，不同GIS廠家的產(chǎn)品澆注孔尺寸不一，由于開孔尺寸對局放電磁波信號(hào)的會(huì)產(chǎn)生直接影響，這樣就造成很難對信號(hào)進(jìn)行量化評估，使得檢測失效。因此深入研究澆注孔尺寸對GIS局放信號(hào)的影響，從而確定最優(yōu)化的開孔尺寸是十分必要而緊迫的。

目前國內(nèi)外已有一些學(xué)者對GIS上的澆注孔問題進(jìn)行了研究，給出了澆注孔中UHF電磁波的傳播模次及澆注孔表面電場強(qiáng)度的分布[11-13]等一些規(guī)

律。然而專門研究澆注孔的尺寸對UHF電磁波信號(hào)的影響方面的工作仍較少。

本文以一252kV的GIS為平臺(tái)，通過多次實(shí)驗(yàn)，在積累大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真計(jì)算和理論分析，重點(diǎn)研究了澆注孔的尺寸與其輻射出的電磁波信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，得出的結(jié)論為GIS澆注孔的最優(yōu)尺寸的選取和外置式UHF傳感器的研制提供了參考。

2 金屬環(huán)澆注孔結(jié)構(gòu)

GIS為金屬全封閉結(jié)構(gòu)，在相鄰兩節(jié)GIS腔體之間有盆式絕緣子。目前大多數(shù)盆式絕緣子外側(cè)都有金屬環(huán)，在GIS運(yùn)行過程中該金屬環(huán)起到安全接地和防腐蝕、防輻射功能。金屬環(huán)上開有一個(gè)小孔，如圖1所示。在盆式絕緣子制造過程中用作澆注孔，向該孔內(nèi)填充環(huán)氧樹脂材料。澆注孔的橫截面大致呈圓角矩形，金屬環(huán)及澆注的尺寸因生產(chǎn)廠家和電壓等級(jí)而有所不同。目前常見的孔尺寸為：深度（即金屬環(huán)的厚度）為 25mm，長邊為 45mm，短邊為20mm。

圖1 金屬環(huán)澆注孔Fig.1 Rein sprue in the metal ring

3 實(shí)驗(yàn)方法和裝置

筆者建立了一套252kV GIS局部放電特高頻傳感器檢測的研究平臺(tái)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)主要在該三相GIS的C相上的兩節(jié)氣室中進(jìn)行（即圖2中虛線框內(nèi)部分），該相的每個(gè)盆式絕緣子上均有4個(gè)不同尺寸的澆注孔沿金屬環(huán)表面依次排列，尺寸分別為 15mm×45mm、15mm×55mm、15mm×75mm 和15mm×85mm。C相GIS腔體內(nèi)充以0.4MPa的SF6氣體，以人為安裝的尖刺缺陷模型為放電源，并通過一臺(tái)550kV的氣體絕緣變壓器向GIS供電，通過逐步升壓直至產(chǎn)生穩(wěn)定局放。尖刺模型安放在內(nèi)置式1號(hào)傳感器正下方的中心導(dǎo)體上，模型如圖3所示，該模型在一定電壓范圍內(nèi)能產(chǎn)生 30pC以下較為的穩(wěn)定放電。

圖2 252kV GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（俯視）Fig.2 252kV GIS experiment platform (Top view)

采用英國 DMS公司生產(chǎn)的外置式 UHF傳感器，其等效高度曲線如圖4所示。由圖可見傳感器在 0.3～2GHz內(nèi)的平均等效高度為 14.6mm，且曲線在0.3～2GHz的頻段比較平坦，這樣就可以保證外置傳感器在澆注孔處可以有效地接收電磁波信號(hào)。

圖3 尖刺放電模型Fig.3 Needle-Plane discharge model

圖4 外置式傳感器的等效高度曲線Fig.4 Effective height of the external UHF sensor in different frequency

實(shí)驗(yàn)接線圖參見圖 2。鑒于真實(shí)的局放不可能十分穩(wěn)定，即便同一電壓、同一放電量下，不同時(shí)刻的局放所激發(fā)出的電磁波信號(hào)會(huì)有差別，為了盡量減小該因素對澆注孔傳播特性的實(shí)驗(yàn)影響，采用如下方法處理：將外置式傳感器依次緊貼在1號(hào)盆式絕緣子上的四個(gè)不同尺寸的澆注孔上，同時(shí)利用內(nèi)置式2號(hào)傳感器作為參考傳感器，對每次的測量結(jié)果進(jìn)行校核。位于澆注孔表面的外置式傳感器通過20dB的放大器連通高速示波器，而用于校核的2號(hào)內(nèi)置式傳感器則直接接到示波器。在一個(gè)較為穩(wěn)定的放電量下（電壓保持不變），每個(gè)澆注孔上的外置式傳感器和內(nèi)置式傳感器都同時(shí)至少取200組數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行均值降噪處理。然后用外置式傳感器所測信號(hào)的幅值除以2號(hào)內(nèi)置式傳感器同次所測得的信號(hào)幅值（均是處理后的數(shù)據(jù)）以表征外置式傳感器接收信號(hào)的強(qiáng)弱。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 基于尖刺放電模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照前述方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到不同尺寸的澆注孔表面的傳感器接收到的信號(hào)強(qiáng)度，以澆注孔長邊長度為橫軸，澆注孔表面信號(hào)強(qiáng)度為縱軸作出澆注孔表面信號(hào)強(qiáng)度隨其長邊長度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 澆注孔表面信號(hào)強(qiáng)度隨其長邊長度變化曲線Fig.5 Signal intensity on resin sprue in different length of the long side

由圖5可知，澆注孔表面信號(hào)強(qiáng)度隨其長邊的增大先增大后減小，在其長度為75mm時(shí)達(dá)到最大。且這一變化趨勢與局放量以及 UHF電磁波的幅值無關(guān)。這與澆注孔尺寸越大，從其表面輻射出的UHF信號(hào)應(yīng)該越強(qiáng)的一般認(rèn)識(shí)有所出入。

4.2 基于脈沖注入法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，增加了一組實(shí)驗(yàn)，即通過脈沖信號(hào)源給安裝在GIS腔體內(nèi)的發(fā)射天線提供激勵(lì)的方法來模擬局部放電。脈沖信號(hào)源能夠提供穩(wěn)定的放電源，因而可以排除真實(shí)局放存在的偶然誤差和隨機(jī)干擾，更有利于探究UHF電磁波通過澆注孔的傳播特性。實(shí)驗(yàn)采用1號(hào)內(nèi)置傳感器為發(fā)射天線，脈沖信號(hào)源輸出脈沖上升時(shí)間小于0.3ns，輸出電壓分別取50V、75V、100V三個(gè)電壓等級(jí)，在1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)絕緣子的澆注孔上安放相同的外置式UHF傳感器，在每個(gè)電壓等級(jí)下，每個(gè)傳感器在每個(gè)澆注孔上都至少測取200組數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行均值降噪處理。以澆注孔長邊長度為橫軸，澆注孔表面信號(hào)幅值為縱軸作出澆注孔表面信號(hào)幅值隨其長邊長度的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，1號(hào)絕緣子和2號(hào)絕緣子上的澆注孔所輻射出來的信號(hào)強(qiáng)度隨著其長邊長度的變化趨勢相同，都是先隨著長邊長度的增加而先增大，在75mm時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，而后減小。且這一變化趨勢與脈沖信號(hào)源的輸出幅值以及絕緣子距離局放源的遠(yuǎn)近無關(guān)。這與采用尖刺缺陷模型為放電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。2號(hào)絕緣子上的信號(hào)強(qiáng)度整體上要比1號(hào)絕緣子上的小，這是由于2號(hào)絕緣子離放電源較遠(yuǎn)，電磁波在傳播過程中的衰減導(dǎo)致的。

圖6 澆注孔表面信號(hào)強(qiáng)度隨其長邊變化曲線Fig.6 Signal intensity on resin sprue in different length of the long side

5 仿真計(jì)算

參照實(shí)際 GIS結(jié)構(gòu)尺寸，在電磁波仿真軟件XFDTD中建立模型，考慮到問題的主要關(guān)注對象，并盡量降低仿真計(jì)算對計(jì)算機(jī)的硬件要求，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，如圖7所示。模型有3節(jié)腔體，2個(gè)盆式絕緣子，每節(jié)腔體長度為1 000mm，外殼的內(nèi)徑為 500mm，外徑為 520mm，內(nèi)導(dǎo)體直徑為120mm，盆式絕緣子直徑500mm，厚50mm。兩個(gè)絕緣子上均有金屬環(huán)和澆注孔，孔標(biāo)號(hào)為1、2，其中1號(hào)澆注孔表面平行于XOY平面，2號(hào)澆注孔表面平行于XOZ平面；每個(gè)澆注孔短邊長度為15mm，深度為20mm保持不變，長邊長度依次取45mm、55mm、75mm和85mm；設(shè)置模型兩側(cè)為 PML（perfectly matched layer）匹配層；外殼、內(nèi)導(dǎo)體和金屬環(huán)采用理想導(dǎo)體材料；絕緣子材料為環(huán)氧樹脂，相對介電常數(shù)取3.8；腔體內(nèi)為自由空間，相對介電常數(shù)為1。

圖7 GIS澆注孔仿真模型Fig.7 Simulation model

放電源位于整個(gè)GIS中間處的內(nèi)導(dǎo)體上，長度為10mm，方向指向Y軸正方向，波形為高斯脈沖，其時(shí)域表達(dá)式如下：

式中，0I為脈沖幅值；τ為常數(shù)，其決定了高斯脈沖的寬度；在0tt=時(shí)脈沖峰值出現(xiàn)。仿真中脈沖幅值取10mA，脈寬取1ns[14,15]。

以 2號(hào)絕緣子上的澆注孔為例，不同尺寸澆注孔表面的電場強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同尺寸澆注孔表面的電場強(qiáng)度Fig.8 Electrical field intensity on resin sprue

以澆注孔長邊長度為橫軸，澆注孔表面電場強(qiáng)度為縱軸作出澆注孔表面電場強(qiáng)度隨其長邊長度的變化曲線，如圖9所示。

圖9 澆注孔表面電場強(qiáng)度隨其長邊長度變化曲線Fig.9 Electrical field intensity on resin sprue in different length of the long side

由圖9可以看到，澆注孔表面的電場強(qiáng)度先隨著長邊長度的增加而先增大，在75mm時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，而后略有減小。這與圖6中曲線的走勢基本吻合，而又有一些差別：圖6中長邊長度為85mm時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度要明顯小于長邊長度為 75mm時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，而圖9中前者只是略小于后者。造成這種差別的原因可能如下：實(shí)驗(yàn)中同一絕緣子上不同尺寸的澆注孔相對于放電源的位置有所差別，而仿真計(jì)算中同一絕緣子上不同尺寸澆注孔相對于放電源的位置是不變的。

6 結(jié)論

通過本文的研究可知：隨著澆注孔長邊長度的增加，其表面UHF信號(hào)強(qiáng)度先增大后減小，在長邊長度為75mm時(shí)達(dá)到最大值。由于設(shè)備條件所限，實(shí)驗(yàn)中所用澆注孔只有4種尺寸，因而導(dǎo)致文中所繪制的曲線的點(diǎn)數(shù)較少，一定程度上影響了曲線的準(zhǔn)確度與結(jié)論的可信度，這一點(diǎn)在今后的工作中須加以克服。

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