GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究.pdf

GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究庞先海1，顾朝敏1，路士杰1，董驰1，李天辉1，韩旭涛2（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄050021；2.西安交通大学，西安710049）摘要：GIS局部放电是造成绝缘材料劣化、电气设备故障的主要原因，检测GIS腔体内部的局部放电情况，有助于保证电力系统的安全可靠运行。然而在实际工程中，GIS内部结构较为复杂，不同弯角和绝缘子结构必然会对电磁波和光信号的传播特性产生一定的影响。文中根据252 kV GIS的结构尺寸，建立仿真模型，研究不同距离、不同弯角结构、不同绝缘子下电磁波和光信号传播特性的差异，得到电磁波和光信号在设备腔体内部的变化规律。仿真结果表明，随着与放电源距离的增大，电磁波信号在400 mm以外电场强度幅值近似呈线性衰减趋势，光信号强度整体呈指数衰减的趋势；L型、T型弯角结构对电磁波和光信号均有较强的衰减，但电磁波在弯角结构中反射严重，原始波与反射波叠加会造成信号强度增加；放电信号在经过不同绝缘子结构时，光信号的衰减远大于电磁波信号，盆式绝缘子比圆盘式对电磁波信号的衰减作用更大，光信号的传播依赖于开孔的大小。文中的研究为实际特高频、光传感器的安置提供一定的理论指导。关键词：GIS；局部放电；特高频法；光检测法；传播特性Comparative Study on Propagation Characteristics of Optical and Electrical Signals DuringPartial Discharge in GISPANG Xianhai1，GU Chaomin1，LU Shijie1，DONG Chi1，LI Tianhui1，HAN Xutao2（1.State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.Electric Power Science Research Institute，Shijiazhuang 050021，China；2.Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract:Partial discharge of GIS is the main cause of degradation of insulation material and fault of electricalequipment.Detection of partial discharge inside the GIS compartment is helpful to ensure safe and reliable operation of power system.However，in practical project，the internal structure of GIS is more complex，and differentbending angles and insulator structures will inevitably have a certain impact on the propagation characteristics ofelectromagnetic waves and optical signals.In this paper，according to the structure size of 252 kV GIS，a simulationmodel is set up to study the difference of electromagnetic wave and optical signal propagation characteristics underdifferent distances，different corner structures and different insulators，and the variation of electromagnetic waveand optical signal inside the equipment compartment is obtained.The simulation results show that with the increaseof the distance from the discharge source，the amplitude of the electric field intensity of the electromagnetic wave signal away from 400 mm is approximately linearly attenuated and the intensity of the optical signal is exponentially attenuated.The Lshaped and Tshaped corner structures have strong attenuation to electromagnetic wave and opticalsignal，but the electromagnetic wave is seriously reflected in the corner structure，and the superposition of the original wave and the reflected wave will cause the signal intensity to increase.When the discharge signal passes throughdifferent structures of insulators，the attenuation of optical signal is much greater than that of electromagnetic wavesignal.The attenuation effect of spacer insulator to electromagnetic wave signal is greater than that of disc insulator，and the propagation of optical signal depends on the size of opening.The research in this paper provides some theoret第59卷第8期：014601532023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：01460153Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.017_收稿日期：20230319；修回日期：20230521基金项目：国网河北省电力有限公司科技项目资助(kj2022063)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.(kj2022063).0引言气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)具有运行可靠、检修时间长、占地面积小、绝缘性能高等优点，极大程度上缓解了由于传统电气设备体积大而占用城市建设用地的状况1-3。自60年代问世以来，GIS发展迅速，被应用于全国的电力系统4-6。与此同时，由GIS电气设备引起的电力绝缘故障也随之增加7-10。局部放电是造成绝缘材料劣化、电气设备故障的重要征兆和表现形式，检测GIS腔体内部的局部放电情况，能有效反映GIS电气设备内部诸多的潜在缺陷和绝缘故障11-18。随着学者们对于局部放电机理的深入研究，目前应用于实际工程的局部放电检测手段众多，例如脉冲电流法、特高频法、超声波法、化学检测法和光测法。特高频法可避开现场低频的电磁干扰信号，抗干扰能力强，灵敏度高；光测法具有较高的灵敏度，且不受电磁干扰的影响，不影响电气设备的运行，非常适合用于电气设备的在线监测，拥有广阔的应用前景19-20。国内外学者围绕GIS局部放电的特高频和光检测法开展了大量研究，然而在实际工程中，GIS内部结构较为复杂，不同弯角和绝缘子结构必然会对电磁波和光信号的传播特性产生一定的影响。基于以上情况，文中根据252 kV GIS的结构尺寸，建立仿真模型，研究不同距离、不同弯角结构、不同绝缘子下电磁波和光信号传播特性的差异，得到电磁波和光信号在设备腔体内部的变化规律，为传感器的安置提供一定的理论指导。1GIS局部放电特高频法与光测法1.1特高频法绝缘材料在产生放电时，往往伴随着电磁波信号的发出，电磁波沿着外壳和主导体形成的同轴结构进行传播，且电磁波信号中包含的频率分量丰富，频率可达数GHz21-23。因此，工程中常利用内置或外置的特高频传感器来检测局部放电的电磁波信号，进而判断电力设备的绝缘状态。经过30多年的发展，国内外学者对于特高频信号产生的原理、传播特性、各种传感器的开发、故障源的定位等方面进行了充分的研究，取得了丰富的成 果。20 世 纪 80 年 代 初，英 国 PEARSON 和HAMPTON 等人将特高频传感器置于 GIS 设备内部，并对420 kV实体GIS开展局部放电监测系统的试验研究，试验结果表明内置式特高频传感器具有较高的检测灵敏度24。德国斯图加特大学KURRER等人对GIS腔体内局部放电特性进行了试验研究，结果表明电磁波信号在GIS腔体中传播时绝缘子结构相较于弯角结构对信号的传播具有更强的衰减作用25。西安交通大学邱毓昌等人对GIS放电脉冲的不同电磁分量在同轴结构中的传播特性进行了仿真和试验研究，试验结果表明脉冲信号在同轴结构中不但能激发横电磁波，而且还能激发横磁波、横电波以及彼此的高次模波，横磁波和横电波可在GIS腔体中相互作用产生谐振，谐振的持续时间比脉冲信号的持续时间长得多；通过仿真发现利用不同位置电磁波的传播时间不同可对局部放电的故障源进行定位，且准确度较高，为后续故障源定位的研究打下理论基础26。1.2光测法当电力设备内部发生局部放电时，气体分子在高场强作用下发生电离，电离产生的光子在设备内部进行传播，就形成了光信号。因此，通过光检测法对电气设备内光信号进行收集和分析，便可实现对局部放电情况的监测27。由于不受现场电磁、振动信号的影响，光测法有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度，非常适合用于电气设备的在线监测，拥有广阔的应用前景。加拿大学者BAMJI S S等人利用光测法对聚乙烯的老化绝缘放电进行试验分析，结果表明电场作用下材料的绝缘特性会发生突变，当试验所加电压高于材料发生起始放电电压时，绝缘材料开始劣化，材料的绝缘性能逐渐下降28。1984年，日本秋田大学YOSHIMURA N等人利用光测法对有机绝缘材料的放电状况进行了试验，并对材料放电所发出的光信号进行光谱分析，试验表明电晕放电产生的光谱主要集中在400 nm以下范围，结合气体放电分析指出，该谱线是由空气中氮分子的能量转换产生的，且材料的分子结构会对电晕放电所发出的光谱分布产生影响29。ical guidance for the placement of actual UHF and optical sensors.Key words:GIS；partial discharge；ultrahigh frequency method；optical detection method；propagation characteristics开关设备庞先海，顾朝敏，路士杰，等.GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究 1472023年8月第59卷第8期清华大学魏念荣等人自主设计了多种类型的光纤传感器，并基于此搭建了局部放电光信号检测装置，对高压电机中绝缘放电故障进行检测，试验结果表明光纤传感器输出信号的频率和幅值可在一定程度上反映电机中局部放电的强弱，且光纤传感器对定子中绝缘材料放电程度的检测具有较高灵敏度20。西安交通大学韩旭涛等人实现了光纤传感器与内置特高频传感器的结合，并基于此开展实体GIS局部放电检测试验，试验结果表明荧光光纤的信号幅值与缺陷的放电量呈线性关系，且在同轴结构中光信号幅值呈现每厘米约2.2%的衰减30。2模型设置2.1模型结构参照252 kV的GIS直筒型结构，用三维仿真软件CRE06.0构建两节导通圆柱体组合成模型，内导杆的直径为100 mm，外壳导体的直径为500 mm，壳厚度为10 mm，腔体长度为3 000 mm，模型以模拟较长GIS结构中的一部分，见图1。图1直筒型GIS仿真模型及尺寸Fig.1Simulation model and size of straight cylinder GIS在GIS腔体内部存在有诸多弯角结构。L型与T型分支结构便是典型的弯角结构。当GIS发生局部放电时，产生电磁波光信号经过弯角结构后，由于弯曲处的反射严重，传播信号必然会受到衰减。为探究弯角结构对GIS中放电信号传播衰减特性的影响，文中设计了L型、T型分支结构，见图2。图2GIS弯角结构仿真模型Fig.2GIS corner structure simulation model作为GIS结构的重要部分，绝缘子通常由环氧树脂制成，起到支撑和绝缘的作用。电磁波在GIS传播过程中，可以穿过绝缘子投射到绝缘子另一端的空间中，然而光信号经过绝缘子后信号幅值便会受到大幅衰减。为探究绝缘子结构对GIS中放电信号传播衰减特性的影响，文中设计了圆盘式绝缘子和盆式绝缘子结构，见图3。图3GIS绝缘子结构仿真模型Fig.3GIS insulator structure simulation model2.2仿真设置文中基于时域有限差分(finite differential intime domain，FDTD)法对局部放电产生的电磁波信号在GIS内的传播特性展开研究，采用有限元法对局部放电光信号的传播特性进行计算，并对电磁波和光信号在设备腔体内部的变化规律进行对比分析。FDTD计算电磁波信号特性时，将模型的导杆、外壳均设置为良导体材质，边界条件设置为完美匹配层(perfectlymatchedlayer，PML)、吸收边界设为7层，绝缘子相对介电常数设为3.8，电导率设为0，将网格尺寸剖分为10 mm10 mm10 mm。在内导体外壁上设置探针天线，作为模拟的局部放电源。探针长度保证与网格尺寸宽度相同，方向为由内导体指向外壳，并靠近内导体。理想高斯脉冲作为天线的激励源，模拟局部放电的发生，理想高斯脉冲的脉宽为1 ns、幅值为1 A。为了模拟较长GIS结构中的一部分，腔体两端设为开通。理想高斯脉冲时域、频域波形图见图4。图4理想高斯脉冲时域、频域波形图Fig.4Time domain and frequency domain waveforms ofideal Gaussian pulse有限元法计算光信号特性时，在内导体处设置脉冲形式的点光源，以模拟局部放电发生时光信号的传播。仿真中设置模拟点光源以球面形式均匀向外界发射光子，光子数为1 000个，光子在碰撞外 148壳后发生漫反射。根据文献，GIS不同类型缺陷局部放电产生的光信号波长一般集中在300500 nm范围内，因此设定光信号波长为400 nm。沿轴向等距离放置圆面以模拟光传感器，记录不同光传感器接收到的总光子数以及光子在腔体内的运动轨迹。3电磁波与光信号传播特性对比分析3.1直筒型结构在轴线方向上等距离放置特高频与光信号传感器，以接收放电源产生的信号，其中电磁波信号通过外壳上的天线进行接收，光信号通过等距离的圆面捕获光子。局部放电信号沿轴向传播情况见图5。通过检测得到的电场强度幅值与光子数分别表征电磁波信号与光信号的强弱，进而探究轴向距离对电磁波、光信号传播特性的影响，不同观测点接收到的放电信号强度见图6。图5局部放电信号沿轴向传播情况Fig.5The propagation of partial discharge signal alongthe axial direction图6不同观测点放电信号随距离变化曲线Fig.6The curve of discharge signal with distance atdifferent observation points当放电源位置固定时，在直筒型GIS结构传播时，不同轴向的传感器接收到的放电信号强度有明显的不同。对于电磁波信号，随着距离的增大，电场强度幅值逐渐衰减，且电磁波信号在距离放电源近的地方衰减迅速，在400 mm以外，电场强度幅值近似呈线性衰减趋势。由于最终波形是由GIS腔体中的原波和反射波叠加而成，因此电磁波信号在GIS传播中的电场强度最大值并不总是减少，而是呈现振荡衰减的过程。对于光信号，随着与放电源距离的增加，光传感器接收到的光子数逐渐减少，且光信号在靠近光传感器的位置衰减较大，光信号强度整体呈指数衰减趋势。对比电磁波、光信号的变化趋势，可以发现两种信号在轴向上的衰减趋势略有差异，在距离放电源1 000 mm以内的位置时电磁波信号的衰减强度大于电磁波信号，在较远位置时光信号衰减较多。3.2L型弯角结构为了探究L型弯角结构对GIS中电磁波、光信号传播衰减特性的影响，文中基于L型分支结构模型，将一端设为封闭，如图2(a)设置放电源激励与传感器的相对位置，根据各观测点的电场强度时域波形图和光子捕获图，统计各观测点测得的电场强度幅值和总光子数，不同观测点接收到的放电信号强度见图7。由图可知，经过L型弯角结构对电磁波和光信号均有较强的衰减。对比电磁波、光信号的变化趋势，可以发现光信号衰减强度始终大于电磁波信号，光信号在经过L型分支结构后衰减了65.7%，电磁波信号在经过L型分支结构后衰减了58.6%。在经过L型弯角结构之前的测量点3处的电场强度较高，这是因为在测量点3处内部结构复杂，原始电磁波和电磁波在该点周围边界反射的波叠加，使得测得的电场强度比原电场强度大。开关设备庞先海，顾朝敏，路士杰，等.GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究 1492023年8月第59卷第8期3.3T型弯角结构T型分支结构由一条直臂和一条垂直支臂组成，当GIS发生局部放电时，产生的放电信号经过T型结构，由于弯曲处的反射严重，传播到直臂一端和垂直臂一端上的信号可能会产生不同程度的衰减。为了探究T型弯角结构对GIS中电磁波、光信号传播衰减特性的影响，文中基于T型分支结构模型，将两端口设为开通，如图2(b)设置放电源激励与传感器的相对位置，根据各观测点的电场强度时域波形图和光子捕获图，统计各观测点测得的电场强度幅值和总光子数，不同观测点接收到的放电信号强度见图8。图8T型结构中各观测点放电信号强度变化曲线Fig.8The change curve of discharge signal intensity ateach observation point in Tshaped structure由图8可知，经过T型弯角结构对电磁波和光信号均有较强的衰减。对于电磁波信号，在经过T型弯角结构后，传播到直臂另一端场强幅值减少了39.2%，传播到垂直臂场强幅值减少了71.8%；对于光信号，在经过T型弯角结构后，传播到直臂另一端场强幅值减少了64.7%，传播到垂直臂场强幅值减少了71.4%。由此可知，放电信号在经过T型弯角结构时，电磁波信号传播至垂直臂上的衰减比传播至直臂另一端上的衰减大得多，这是因为T型弯角结构垂直臂的上端存在有一定的封闭结构，电磁波在此处发生反射、叠加，使得该处衰减较直臂小。而光信号传播至垂直臂上的衰减与传播至直臂另一端上的衰减大致相同。上述仿真结果表明电磁波信号在腔体内折、反射作用更为严重，距离是光信号强度衰减的主要因素。3.4绝缘子结构对于GIS内部的绝缘子，电磁波在传播过程中可以穿过绝缘子投射到另一端的空间中，而光信号的光子只能穿过带有气孔的绝缘子。根据实际工程，目前GIS实体多采用圆盘式绝缘子，对于252 kV以上的GIS一般采用盆式绝缘子。由于构造上的不同，不同类型的绝缘子对于电磁波、光信号在电气设备中的传播造成不同的干扰。文中通过分别构造了厚度、直径均相同的带有气孔的圆盘式绝缘子和盆式绝缘子，将两个绝缘子置于同一个GIS的腔体不同位置，如图3设置放电源激励与传感器的相对位置，根据各观测点的电场强度时域波形图和光子捕获图，统计各观测点测得的电场强度幅值和总光子数，不同观测点接收到的放电信号强度见图9。图9绝缘子结构中各观测点放电信号强度变化曲线Fig.9The change curve of discharge signal intensity ateach observation point in insulator structure由图9可知，两种类型绝缘子对电磁波和光信号均有较强的衰减，且衰减幅度远大于弯角结构。图7L型结构中各观测点场强变化曲线Fig.7The change curve of discharge signal intensity ateach observation point in Lshaped structure 150对于电磁波信号，在经过圆盘式绝缘子后，场强幅值减少了27.4%；在经过盆式绝缘子后，场强幅值减少了45.8%。对于光信号，在经过圆盘式绝缘子后，总光子数减少了92.8%；在经过盆式绝缘子后，总光子数减少了91.0%。由此可知，放电信号在经过绝缘子结构时，光信号的衰减远大于电磁波信号。电磁波信号在经过相同厚度、材料，不同构造的绝缘子时，盆式绝缘子比圆盘式绝缘子对电磁波信号的衰减作用更大。光信号在经过相同厚度、材料、开孔，不同构造的绝缘子时，二者衰减作用相差不大，考虑是因为光信号的传播依赖于开孔的大小，绝缘子构造的差异对光子的反射和传播影响较小。4结论文中基于实体252 kV GIS的结构尺寸，建立仿真模型，研究不同距离、不同弯角结构、不同绝缘子结构下电磁波和光信号传播特性的差异，得到电磁波和光信号在设备腔体内部的变化规律，得出以下结论：1)随着与放电源距离的增大，电磁波、光信号强度逐渐衰减，且在放电源附近的地方衰减迅速。对于电磁波信号，在400 mm以外电场强度幅值近似呈线性衰减趋势；对于光信号，总光子数整体呈指数衰减的趋势。在距离放电源1 000 mm以内的位置时，电磁波信号的衰减强度大于电磁波信号，在较远位置时光信号衰减较多。2)L型弯角结构对电磁波和光信号均有较强的衰减。光信号衰减强度始终大于电磁波信号，光信号在经过L型分支结构后衰减了65.7%，电磁波信号在经过L型分支结构后衰减了58.6%。电磁波在弯角结构中反射严重，原始波与反射波叠加造成信号强度增加。3)T型弯角结构对电磁波和光信号均有较强的衰减。电磁波信号传播至垂直臂上的衰减比传播至直臂另一端上的衰减大得多，而光信号传播至垂直臂上的衰减与传播至直臂另一端上的衰减大致相同。4)放电信号在经过绝缘子结构时，光信号的衰减远大于电磁波信号。电磁波信号在经过相同厚度、材料，不同构造的绝缘子时，盆式绝缘子比圆盘式绝缘子对电磁波信号的衰减作用更大。光信号在经过相同厚度、材料、开孔，不同构造的绝缘子时，二者衰减作用相差不大，证明光信号的传播依赖于开孔的大小。参考文献：1李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等.电气设备局部放电检测技术述评J.高电压技术，2015，41(8)：25832601LI Junhao，HAN Xutao，LIU Zehui，et al.Review on partialdischarge measurement technology of electrical equipmentJ.High Voltage Engineering，2015，41(8)：25832601.2陈飞.GIS设备的发展和应用研究D.杭州：浙江大学，2007CHEN Fei.Research on the development and applicationof GIS equipmentD.Hangzhou：Zhejiang University，2007.3汪沨，邱毓昌.气体绝缘开关装置(GIS)的近期发展动向J电网技术，2003，27(2)：5457WANG Feng，QIU Yuchang.Recent development trend ofgas insulated switchgearJ.Power System Technology，2003，27(2)：5457.4翁利民，顾振江.SF6气体绝缘全封闭组合电器的结构与设计应用J.江苏电器，2003(4)：2225.WENG Limin，GU Zhenjiang.The structure，design 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