GIS澆注孔的尺寸與局部放電輻射出的UHF電磁波強度的關(guān)系的研究

吳思揚 葉齊政 李興旺 王增彬

（1. 華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室 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、能夠進行故障定位以及圖譜識別等優(yōu)點在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)，實際運行中的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的會產(chǎn)生直接影響，這樣就造成很難對信號進行量化評估，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電磁波信號的影響方面的工作仍較少。

本文以一252kV的GIS為平臺，通過多次實驗，在積累大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真計算和理論分析，重點研究了澆注孔的尺寸與其輻射出的電磁波信號強度的關(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 實驗方法和裝置

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，如圖2所示。實驗主要在該三相GIS的C相上的兩節(jié)氣室中進行（即圖2中虛線框內(nèi)部分），該相的每個盆式絕緣子上均有4個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實驗平臺（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。

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

實驗接線圖參見圖 2。鑒于真實的局放不可能十分穩(wěn)定，即便同一電壓、同一放電量下，不同時刻的局放所激發(fā)出的電磁波信號會有差別，為了盡量減小該因素對澆注孔傳播特性的實驗影響，采用如下方法處理：將外置式傳感器依次緊貼在1號盆式絕緣子上的四個不同尺寸的澆注孔上，同時利用內(nèi)置式2號傳感器作為參考傳感器，對每次的測量結(jié)果進行校核。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號內(nèi)置式傳感器則直接接到示波器。在一個較為穩(wěn)定的放電量下（電壓保持不變），每個澆注孔上的外置式傳感器和內(nèi)置式傳感器都同時至少取200組數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行均值降噪處理。然后用外置式傳感器所測信號的幅值除以2號內(nèi)置式傳感器同次所測得的信號幅值（均是處理后的數(shù)據(jù)）以表征外置式傳感器接收信號的強弱。

4 實驗結(jié)果

4.1 基于尖刺放電模型的實驗結(jié)果

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

圖5 澆注孔表面信號強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，澆注孔表面信號強度隨其長邊的增大先增大后減小，在其長度為75mm時達到最大。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信號應(yīng)該越強的一般認(rèn)識有所出入。

4.2 基于脈沖注入法的實驗結(jié)果

為了進一步驗證該實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，增加了一組實驗，即通過脈沖信號源給安裝在GIS腔體內(nèi)的發(fā)射天線提供激勵的方法來模擬局部放電。脈沖信號源能夠提供穩(wěn)定的放電源，因而可以排除真實局放存在的偶然誤差和隨機干擾，更有利于探究UHF電磁波通過澆注孔的傳播特性。實驗采用1號內(nèi)置傳感器為發(fā)射天線，脈沖信號源輸出脈沖上升時間小于0.3ns，輸出電壓分別取50V、75V、100V三個電壓等級，在1號和2號兩個絕緣子的澆注孔上安放相同的外置式UHF傳感器，在每個電壓等級下，每個傳感器在每個澆注孔上都至少測取200組數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行均值降噪處理。以澆注孔長邊長度為橫軸，澆注孔表面信號幅值為縱軸作出澆注孔表面信號幅值隨其長邊長度的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，1號絕緣子和2號絕緣子上的澆注孔所輻射出來的信號強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時達到最強，而后減小。且這一變化趨勢與脈沖信號源的輸出幅值以及絕緣子距離局放源的遠近無關(guān)。這與采用尖刺缺陷模型為放電源的實驗結(jié)果相一致。2號絕緣子上的信號強度整體上要比1號絕緣子上的小，這是由于2號絕緣子離放電源較遠，電磁波在傳播過程中的衰減導(dǎo)致的。

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

5 仿真計算

參照實際 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，并盡量降低仿真計算對計算機的硬件要求，對模型進行了適當(dāng)簡化，如圖7所示。模型有3節(jié)腔體，2個盆式絕緣子，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。兩個絕緣子上均有金屬環(huán)和澆注孔，孔標(biāo)號為1、2，其中1號澆注孔表面平行于XOY平面，2號澆注孔表面平行于XOZ平面；每個澆注孔短邊長度為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，其時域表達式如下：

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號絕緣子上的澆注孔為例，不同尺寸澆注孔表面的電場強度仿真結(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，澆注孔表面電場強度為縱軸作出澆注孔表面電場強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度先隨著長邊長度的增加而先增大，在75mm時達到最強，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時的信號強度要明顯小于長邊長度為 75mm時的信號強度，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：實驗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信號強度先增大后減小，在長邊長度為75mm時達到最大值。由于設(shè)備條件所限，實驗中所用澆注孔只有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，這一點在今后的工作中須加以克服。

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