吳少雷， 俞飛， 凌松， 許家益， 尹軼珂

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥，230061;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司，安徽 合肥，230061;3.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司黃山供電公司，安徽 黃山，245000;4.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

高壓電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生故障和缺陷，在長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿和整個(gè)電力設(shè)備的故障，從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性，因此，對(duì)高壓電力設(shè)備絕緣缺陷需要進(jìn)行識(shí)別與評(píng)估。局部放電(Partial Discharge, PD)檢測(cè)被證明是揭示高壓設(shè)備缺陷和評(píng)估其嚴(yán)重程度的有效手段[1-4]。局部放電帶電檢測(cè)與在線監(jiān)測(cè)的主要目的是對(duì)絕緣缺陷的性質(zhì)進(jìn)行判斷，缺陷位置進(jìn)行確定以及缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估，從而為維修決策提供依據(jù)[5]。

高壓開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行過(guò)程中，母排(連接處、穿墻套管、支撐絕緣件)、開(kāi)關(guān)刀閘、電纜接頭等處易于產(chǎn)生局部放電，且這些局部放電源均在開(kāi)關(guān)柜的柜體內(nèi)部。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的電磁波一方面可以通過(guò)柜體接地金屬外殼的縫隙或襯墊處向柜體外部傳播，因此，可以直接檢測(cè)縫隙出來(lái)的電磁波來(lái)獲得柜體內(nèi)部局部放電的特性參數(shù)，如特高頻(Ultra High Frequency, UHF)檢測(cè)法；另一方面，柜體內(nèi)部電磁波在柜體金屬外殼上將感應(yīng)出沿外殼流動(dòng)的高頻感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓[6]，通過(guò)檢測(cè)該暫態(tài)電壓同樣也可獲得柜體內(nèi)絕緣局部放電特性，如暫態(tài)地電壓(Transient Earth Voltage, TEV)檢測(cè)法[7-8]。

然而現(xiàn)代的開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)中常常采用全屏蔽的接頭方式，UHF信號(hào)不能通過(guò)屏蔽層傳到外面，此時(shí)只能通過(guò)測(cè)量該信號(hào)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部傳播時(shí)在外部感應(yīng)出來(lái)的暫態(tài)地電壓升高來(lái)測(cè)量局放信號(hào)。TEV法是通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜局部放電在電氣設(shè)備接地金屬外殼上感應(yīng)的暫態(tài)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。測(cè)試過(guò)程中選擇局部放電容易發(fā)生的位置進(jìn)行檢測(cè)，一般主要位置如開(kāi)關(guān)柜前面板中部及下部，后面板、側(cè)面板的上部、中部及下部。

本文在分析開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部絕緣缺陷局部放電電磁波引起金屬柜體表面感應(yīng)脈沖電流以及暫態(tài)脈沖電壓原理的基礎(chǔ)上，采用CST(Computer Simulation Technology)電磁軟件建立高壓開(kāi)關(guān)柜模型，在柜體內(nèi)部設(shè)置固定的局部放電源(激勵(lì)源)，以及在金屬柜體表面設(shè)置不同位置的測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)改變放電源脈沖的寬度和幅值(放電強(qiáng)度)，仿真研究了各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的TEV幅值與放電源脈沖寬度和強(qiáng)度的關(guān)系，從而為開(kāi)關(guān)柜帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域更好地應(yīng)用TEV局部放電測(cè)量方法提供參考。

1 開(kāi)關(guān)柜局部放電暫態(tài)地電壓檢測(cè)原理

當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，在金屬外殼上產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓，故可在設(shè)備外殼表面設(shè)置TEV傳感器，檢測(cè)因局部放電引起的沿外殼流動(dòng)的高頻感應(yīng)電流在金屬外殼上產(chǎn)生的瞬時(shí)電位波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電暫態(tài)對(duì)地電壓檢測(cè)。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電磁波在空間傳播時(shí)遇到導(dǎo)體，會(huì)使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流且感應(yīng)電流的頻率跟激起它的電磁波的頻率相同。因此，開(kāi)關(guān)柜柜體表面激發(fā)的脈沖電流，其幅值大小、頻率等參數(shù)與電磁波的參數(shù)相關(guān)。

U(t)=I(t)·jωC

(1)

式中jωC為放電模型的阻抗。

在放電源處所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為:

(2)

設(shè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空氣與接地金屬柜壁分界面處的入射電場(chǎng)和反射電場(chǎng)分別為E+(x,t)、E-(x,t)，入射磁場(chǎng)和反射磁場(chǎng)分別為H+(x,t)、H-(x,t)，接地金屬柜體的合成磁場(chǎng)為H(x,t)，則有:

(3)

(4)

H(x,t)=H+(x,t)+H-(x,t)

(5)

其中Z是金屬柜體的波阻抗。

設(shè)H(x,t)沿分界面方向的分量為Hy(x,t)，故金屬柜壁的面電流密度K為:

K=n×Hy(x,t)

(6)

其中n為金屬柜體在分界面上的外法線方向的單位向量。

設(shè)TEV探測(cè)器與開(kāi)關(guān)柜接觸的區(qū)域?yàn)镾，則探測(cè)器表面的電流為:

人工智能技術(shù)可被用于多種醫(yī)療場(chǎng)景以解決不同場(chǎng)景下的應(yīng)用問(wèn)題。例如利用圖像識(shí)別技術(shù)輔助醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像分析，既能減少醫(yī)生讀片時(shí)間，又能提高讀圖的準(zhǔn)確性從而降低誤診概念。此外，在醫(yī)療專(zhuān)家?guī)椭?，?duì)海量醫(yī)學(xué)影像樣本進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立某些疾病的輔助診斷模型，為醫(yī)生診斷病情提供輔助支持。

(7)

式中dS為區(qū)域S中無(wú)限小的面積。

金屬柜體的波阻抗取決于柜體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，即:

(8)

(9)

根據(jù)分布參數(shù)理論，電磁波在開(kāi)關(guān)柜外表面產(chǎn)生的TEV信號(hào)為:

u=i·Z

(10)

2 開(kāi)關(guān)柜建模以及電場(chǎng)分布研究

圖1 開(kāi)關(guān)柜模型以及放電源的位置

根據(jù)SM6型開(kāi)關(guān)柜的幾何尺寸建立1：1的仿真模型，如圖1所示。開(kāi)關(guān)柜尺寸為850 mm×500 mm×1 600 mm，沿著1 600 mm的高在1 250 mm處被分割成A：850 mm×500 mm×1 250 mm和B：850 mm×500 mm×350 mm兩個(gè)空間。A、B兩部分之間密閉良好，模型中沒(méi)有縫隙?？臻gA和B的側(cè)面上距離每條邊30 mm處均有細(xì)小縫隙，縫隙寬度為2 mm，其他面和邊角間沒(méi)有明顯縫隙，在仿真模型中作為無(wú)縫處理。為了獲取開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電引起金屬柜體表面的電場(chǎng)分布情況，于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部一位置設(shè)置一放電源。

局部放電源用高斯脈沖激勵(lì)線電流來(lái)模擬，線電流源相當(dāng)于多個(gè)元電流的串聯(lián)。高斯脈沖信號(hào)的時(shí)域形式為：

i(t)=I0e-(t-t0)/2σ2

(11)

其中σ為常數(shù)，決定了高斯脈沖的寬度；I0為脈沖峰值。設(shè)線電流源施加高斯電流脈沖激勵(lì)，幅值1 A，脈沖寬度20 ns。

建模與電磁場(chǎng)計(jì)算采用CST軟件，放電源局部放電脈沖波形如圖2所示，開(kāi)關(guān)柜體表面電場(chǎng)分布如圖3所示?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)柜柜體表面上各點(diǎn)之間存在不同強(qiáng)度的電場(chǎng)；靠近激勵(lì)源處的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，遠(yuǎn)離激勵(lì)遠(yuǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度較低，這為利用暫態(tài)地電壓方法進(jìn)行局部放電檢測(cè)的可行性提供了有力的支持。

圖2 放電源局部放電脈沖波形

圖3 開(kāi)關(guān)柜表面電場(chǎng)分布

3 開(kāi)關(guān)柜局部放電TEV檢測(cè)特性仿真研究

3.1 局部放電激勵(lì)源以及測(cè)點(diǎn)布置

局部放電源位于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部，其位置如圖1所示，坐標(biāo)為(450,250,200)。仿真計(jì)算中，在開(kāi)關(guān)柜表面設(shè)置四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4所示。CST仿真研究中通過(guò)在測(cè)量點(diǎn)獲取表面電流從而計(jì)算獲得暫態(tài)電壓的方式，來(lái)代替實(shí)際測(cè)量中的TEV暫態(tài)地電壓耦合器，檢測(cè)頻率范圍設(shè)為3 MHz～100 MHz。

表1 開(kāi)關(guān)柜外表面測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)

圖4 開(kāi)關(guān)柜外表面測(cè)點(diǎn)布置

3.2 放電源脈沖寬度對(duì)TEV幅值的影響

將幅值為1 A，脈沖寬度分別為5 ns、10 ns、15 ns、20 ns、25 ns和30 ns的高斯電流脈沖作為激勵(lì)源，測(cè)得測(cè)點(diǎn)1～4的暫態(tài)地電壓波形幅值如圖5所示。

圖5 TEV幅值與放電源脈沖寬度的關(guān)系

從圖5可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4電壓幅值隨激勵(lì)脈沖寬度的增加而迅速減小；脈沖寬度越窄，檢測(cè)到的TEV幅值越強(qiáng)，即TEV檢測(cè)法對(duì)于相同幅值下激勵(lì)電流波頻率高的局部放電，其檢測(cè)能力強(qiáng)；激勵(lì)源脈沖寬度很小時(shí)，測(cè)量點(diǎn)距離激勵(lì)源越遠(yuǎn)，TEV幅值越小，如測(cè)點(diǎn)1距離放電源最遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)4最近，在脈沖寬度5 ns時(shí)，測(cè)點(diǎn)1幅值最小，為30 mV，而測(cè)點(diǎn)4最大，為65 mV。

另外，不同測(cè)點(diǎn)的TEV幅值之間的差別在不同的激勵(lì)源脈沖寬度時(shí)并非遵循不變的規(guī)律，如當(dāng)激勵(lì)源脈沖寬度大于10ns時(shí)，測(cè)點(diǎn)3的幅值迅速下降，并一直小于測(cè)點(diǎn)2。盡管測(cè)點(diǎn)幅值的選取僅僅是選取脈沖波形的最大值，由于波形的振蕩使得幅值并不等于放電傳到測(cè)點(diǎn)處的實(shí)際能量，但這一特征還是能說(shuō)明借助于檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜金屬柜體外表面的暫態(tài)脈沖電流(暫態(tài)地電壓)來(lái)進(jìn)行缺陷定位的局限性。

3.3 放電源脈沖幅值對(duì)TEV幅值的影響

圖6 TEV幅值與放電源脈沖幅值的關(guān)系

將幅值分別為0.2 A、0.3 A、0.4 A、0.5 A，脈沖寬度為10 ns的高斯脈沖作為放電源，測(cè)點(diǎn)1～4處的TEV電壓波形幅值仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，TEV電壓波形的強(qiáng)度正比于激勵(lì)源脈沖電流的幅值；激勵(lì)源脈沖幅值越高，檢測(cè)到的TEV幅值越強(qiáng)。即TEV檢測(cè)法對(duì)于放電強(qiáng)烈的局部放電，檢測(cè)能力越強(qiáng)；另外，不管在何處檢測(cè)，均有TEV幅值隨放電源幅值近似線性增大的特征，這也就充分說(shuō)明TEV用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部缺陷局部放電并判斷缺陷嚴(yán)重程度的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立高壓開(kāi)關(guān)柜模型，設(shè)置局部放電源以及金屬柜體外表面的不同位置測(cè)點(diǎn)，仿真研究了測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電壓與放電源脈沖寬度和放電強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果表明：

(1)TEV幅值隨脈沖寬度的增加而減小，這一特性與測(cè)量位置沒(méi)有關(guān)系；

(2)TEV測(cè)量由于局放電磁波傳播的復(fù)雜性以及金屬柜體表面暫態(tài)電流流動(dòng)的不均勻性，使得測(cè)點(diǎn)距離放電源的距離遠(yuǎn)近對(duì)于TEV幅值的規(guī)律性較弱，從而導(dǎo)致直接通過(guò)TEV幅值檢測(cè)來(lái)對(duì)缺陷定位較為困難；

(3)TEV幅值隨放電源的放電強(qiáng)度(放電源脈沖幅值)的增大而近似線性增大，而且這一特性與測(cè)量點(diǎn)位置沒(méi)有關(guān)系，有利于判斷缺陷的嚴(yán)重程度。

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