吳少雷， 俞飛， 凌松， 許家益， 尹軼珂

(1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥，230061;2.國網安徽省電力公司，安徽 合肥，230061;3.國網安徽省電力公司黃山供電公司，安徽 黃山，245000;4.上海電力學院電氣工程學院，上海 200090)

0 引 言

高壓電力設備絕緣結構運行過程中可能會產生故障和缺陷，在長期運行后會導致絕緣擊穿和整個電力設備的故障，從而影響整個電力系統(tǒng)的可靠性，因此，對高壓電力設備絕緣缺陷需要進行識別與評估。局部放電(Partial Discharge, PD)檢測被證明是揭示高壓設備缺陷和評估其嚴重程度的有效手段[1-4]。局部放電帶電檢測與在線監(jiān)測的主要目的是對絕緣缺陷的性質進行判斷，缺陷位置進行確定以及缺陷的嚴重程度進行評估，從而為維修決策提供依據[5]。

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

然而現代的開關柜系統(tǒng)中常常采用全屏蔽的接頭方式，UHF信號不能通過屏蔽層傳到外面，此時只能通過測量該信號在開關柜內部傳播時在外部感應出來的暫態(tài)地電壓升高來測量局放信號。TEV法是通過檢測開關柜局部放電在電氣設備接地金屬外殼上感應的暫態(tài)電壓來實現的。測試過程中選擇局部放電容易發(fā)生的位置進行檢測，一般主要位置如開關柜前面板中部及下部，后面板、側面板的上部、中部及下部。

本文在分析開關柜內部絕緣缺陷局部放電電磁波引起金屬柜體表面感應脈沖電流以及暫態(tài)脈沖電壓原理的基礎上，采用CST(Computer Simulation Technology)電磁軟件建立高壓開關柜模型，在柜體內部設置固定的局部放電源(激勵源)，以及在金屬柜體表面設置不同位置的測量點，通過改變放電源脈沖的寬度和幅值(放電強度)，仿真研究了各個測點處的TEV幅值與放電源脈沖寬度和強度的關系，從而為開關柜帶電檢測和在線監(jiān)測領域更好地應用TEV局部放電測量方法提供參考。

1 開關柜局部放電暫態(tài)地電壓檢測原理

當開關柜內部的高壓電氣設備發(fā)生局部放電時，在金屬外殼上產生一個暫態(tài)電壓，故可在設備外殼表面設置TEV傳感器，檢測因局部放電引起的沿外殼流動的高頻感應電流在金屬外殼上產生的瞬時電位波動，從而實現開關柜局部放電暫態(tài)對地電壓檢測。

根據電磁感應原理，電磁波在空間傳播時遇到導體，會使導體中產生感應電流且感應電流的頻率跟激起它的電磁波的頻率相同。因此，開關柜柜體表面激發(fā)的脈沖電流，其幅值大小、頻率等參數與電磁波的參數相關。

U(t)=I(t)·jωC

(1)

式中jωC為放電模型的阻抗。

在放電源處所產生的電場強度為:

(2)

設開關柜內部空氣與接地金屬柜壁分界面處的入射電場和反射電場分別為E+(x,t)、E-(x,t)，入射磁場和反射磁場分別為H+(x,t)、H-(x,t)，接地金屬柜體的合成磁場為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TEV探測器與開關柜接觸的區(qū)域為S，則探測器表面的電流為:

人工智能技術可被用于多種醫(yī)療場景以解決不同場景下的應用問題。例如利用圖像識別技術輔助醫(yī)生進行醫(yī)學影像分析，既能減少醫(yī)生讀片時間，又能提高讀圖的準確性從而降低誤診概念。此外，在醫(yī)療專家?guī)椭?，對海量醫(yī)學影像樣本進行大數據分析，利用機器學習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中無限小的面積。

金屬柜體的波阻抗取決于柜體的介電常數和磁導率，即:

(8)

(9)

根據分布參數理論，電磁波在開關柜外表面產生的TEV信號為:

u=i·Z

(10)

2 開關柜建模以及電場分布研究

圖1 開關柜模型以及放電源的位置

根據SM6型開關柜的幾何尺寸建立1：1的仿真模型，如圖1所示。開關柜尺寸為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兩個空間。A、B兩部分之間密閉良好，模型中沒有縫隙?？臻gA和B的側面上距離每條邊30 mm處均有細小縫隙，縫隙寬度為2 mm，其他面和邊角間沒有明顯縫隙，在仿真模型中作為無縫處理。為了獲取開關柜內部局部放電引起金屬柜體表面的電場分布情況，于開關柜內部一位置設置一放電源。

局部放電源用高斯脈沖激勵線電流來模擬，線電流源相當于多個元電流的串聯。高斯脈沖信號的時域形式為：

i(t)=I0e-(t-t0)/2σ2

(11)

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

建模與電磁場計算采用CST軟件，放電源局部放電脈沖波形如圖2所示，開關柜體表面電場分布如圖3所示。可見，開關柜柜體表面上各點之間存在不同強度的電場；靠近激勵源處的電場強度較高，遠離激勵遠處電場強度較低，這為利用暫態(tài)地電壓方法進行局部放電檢測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 開關柜表面電場分布

3 開關柜局部放電TEV檢測特性仿真研究

3.1 局部放電激勵源以及測點布置

局部放電源位于開關柜內部，其位置如圖1所示，坐標為(450,250,200)。仿真計算中，在開關柜表面設置四個測量點，測點坐標如表1所示，測點布置圖如圖4所示。CST仿真研究中通過在測量點獲取表面電流從而計算獲得暫態(tài)電壓的方式，來代替實際測量中的TEV暫態(tài)地電壓耦合器，檢測頻率范圍設為3 MHz～100 MHz。

表1 開關柜外表面測量點坐標(x,y,z)

圖4 開關柜外表面測點布置

3.2 放電源脈沖寬度對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源，測得測點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系

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

另外，不同測點的TEV幅值之間的差別在不同的激勵源脈沖寬度時并非遵循不變的規(guī)律，如當激勵源脈沖寬度大于10ns時，測點3的幅值迅速下降，并一直小于測點2。盡管測點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點處的實際能量，但這一特征還是能說明借助于檢測開關柜金屬柜體外表面的暫態(tài)脈沖電流(暫態(tài)地電壓)來進行缺陷定位的局限性。

3.3 放電源脈沖幅值對TEV幅值的影響

圖6 TEV幅值與放電源脈沖幅值的關系

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，測點1～4處的TEV電壓波形幅值仿真結果如圖6所示。

由圖6可知，TEV電壓波形的強度正比于激勵源脈沖電流的幅值；激勵源脈沖幅值越高，檢測到的TEV幅值越強。即TEV檢測法對于放電強烈的局部放電，檢測能力越強；另外，不管在何處檢測，均有TEV幅值隨放電源幅值近似線性增大的特征，這也就充分說明TEV用于檢測開關柜內部缺陷局部放電并判斷缺陷嚴重程度的可行性。

4 結束語

通過建立高壓開關柜模型，設置局部放電源以及金屬柜體外表面的不同位置測點，仿真研究了測點暫態(tài)電壓與放電源脈沖寬度和放電強度的關系，結果表明：

(1)TEV幅值隨脈沖寬度的增加而減小，這一特性與測量位置沒有關系；

(2)TEV測量由于局放電磁波傳播的復雜性以及金屬柜體表面暫態(tài)電流流動的不均勻性，使得測點距離放電源的距離遠近對于TEV幅值的規(guī)律性較弱，從而導致直接通過TEV幅值檢測來對缺陷定位較為困難；

(3)TEV幅值隨放電源的放電強度(放電源脈沖幅值)的增大而近似線性增大，而且這一特性與測量點位置沒有關系，有利于判斷缺陷的嚴重程度。

[1] 郭俊, 吳廣寧, 張雪琴, 等. 局部放電檢測技術的現狀和發(fā)展[J]. 電工技術學報，2005, 20(2): 29-35.

[2] 嚴 璋，朱德恒. 高電壓絕緣技術[M]. 北京：中國電力出版社，2002.

[3] 錢勇,黃成軍,江秀臣,等. GIS中局部放電在線監(jiān)測現狀及發(fā)展[J].高壓電器, 2004, 40(6): 453-456.

[4] 李軍浩，韓旭濤，劉澤輝，等. 電氣設備局部放電檢測技術述評[J]. 高電壓技術, 2015, 41(8): 2583-2601.

[5] 王昌長, 李福祺, 高勝友. 電力設備的在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京:清華大學出版社，2006.

[6] 陳慶祺, 張偉平, 劉勤鋒, 等. 開關柜局部放電暫態(tài)對地電壓的分布特性研究[J]. 高壓電器，2012，48(10): 88-93.

[7] 任明，彭華東，陳曉清，等. 采用暫態(tài)對地電壓法綜合檢測開關柜局部放電[J]. 高電壓技術, 2010, 36(10): 2460-2466

[8] 葉海峰，錢勇，王紅斌，等. 開關柜表面暫態(tài)地電壓信號頻譜特征[J]. 高電壓技術, 2015, 41(11): 3849-3857