GIS结构对局部放电电磁波传播特性影响研究

李秀卫，王庆玉，刘世富

（山东电力研究院，山东 济南 250002）

0 引言

气体绝缘组合电器 （gas insulated switchgear，GIS）因具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点而被广泛应用于高压输电领域。随着电网电压等级和系统容量的不断增加，GIS设备的内部故障也随之增多。目前国际上主要通过超高频法检测其内部的局部放电来评估其绝缘状态，局部放电不仅是GIS设备绝缘劣化的先兆和表现形式，而且能够引起绝缘的进一步劣化，致使GIS的电气绝缘性能降低，最终导致绝缘击穿或沿面闪络。

GIS中局部放电产生电磁波的传播与谐振模式非常复杂。GIS中的局部放电电流脉冲具有极陡的上升沿，其上升时间为纳秒级，激发起高达数GHz的电磁波，在GIS腔体构成的同轴结构中传播［1］。由于GIS的同轴结构，使得电磁波不仅以横向电磁波 （即Transverse Electromagnetic-TEM波）传播，而且会建立高次模波，即横向电波（Transverse Electric-TE） 和横向磁波（Transverse Magnetic-TM）。TEM波为非色散波，它可以任何频率在GIS中传播，但当频率f>100 MHz时，沿传播方向衰减很快；TE和TM波则不同，它们具有各自的截止频率fc。fc与GIS的尺寸有关，GIS截面积愈大，fc愈低。若信号频率ffc时，信号则基本上可无损耗地传输［2］。同时GIS母线连接腔在超高频（UHF）波段（300M～1.5 GHz）可视为同轴谐振腔，电磁波的谐振持续时间一般在数十纳秒级，最长可在10 ms以上。

目前，GIS中电磁波传播特性方面的研究文献已经有很多［3－9］，但其中大多采用简化的 GIS 仿真模型，没有考虑盆式绝缘子的弧度、三相共筒、屏蔽电极、断路器气室等结构的影响，导致理论分析结果可能与实际不同结构的GIS气室内电磁波传播特性有所偏差，因此，本文以各种绝缘缺陷的真实PD电流信号作为激励源，考虑GIS内部的实际结构，应用电磁仿真软件XFDTD6.3.8.4研究电磁波在GIS内部的传播特性。

1 GIS局部放电电流实测信号

结合其他学者实际测得的GIS中PD电流信号及试验结果，采用自由金属微粒、高压导体的金属突出物、绝缘子表面污秽、绝缘子气隙4种缺陷的PD电流信号作为激励源（信号波形如图1所示），研究电磁波的传播特性。由图1可见，对于不同的绝缘缺陷，在不同的放电条件下所测得的PD电流波形在上升时间、脉冲宽度、脉冲形状等方面均有较大差异，说明不同绝缘缺陷引发的局部放电具有不同的放电机理，由它们激励产生的电磁波也会具有一定的差别。应用UHF PD信号的差别能够区分不同的绝缘缺陷类型，从而为基于UHF PD时域信号的放电源模式识别奠定理论基础。XFDTD是美国Remcom公司开发的高频电磁仿真软件，软件用 FDTD 算法［10－12］解麦克斯韦方程组，可应用的频率范围约100 kHz至 3000 GHz。而且具有激励源的用户自定义接口，可以根据其要求的格式将信号数据转换成.src的源文件，即可导入。

图1 GIS中四种典型缺陷PD的脉冲电流信号波形

2 GIS实际结构对电磁波传播的影响

2.1 盆式绝缘子对电磁波传播的影响

目前的研究文献中建立的GIS仿真模型一般采用圆盘形绝缘子，而252 kV及以上电压等级的GIS中绝缘子均采用了盆形结构，如图2所示。在对电磁波的折、反射及衰减方面，盆式绝缘子与圆盘型绝缘子应该存在不同之处。

图2 252 kV GIS盆式绝缘子

图3 GIS计算仿真模型及设置

GIS仿真计算模型以252 kV GIS为例，如图3所示，模型采用一个圆盘绝缘子与一个盆式绝缘子连接三段GIS通管，内导体直径180 mm，外壳内径398 mm，单根通管长度1 000 mm，绝缘子厚度50 mm。激励源采用图1所示的GIS导体金属突出物 PD 正电流信号，位置 Cell（83，70，409），两个检测点 Cell（84，37，234）与 Cell（84，37，585）位于两个探针面的底部，与激励源的距离相等，仿真时间长度设置为43 ns，输出量为检测点处的径向场强分量EX与两个探针面上的场强分布情况。绝缘子的相对介电常数（Relative Permitivity）ε=4，电导率（Conductivity）为0，导体与外壳均设置为理想导体（Perfect Electric Conductor-PEC），边界条件设置为PML吸收边界（Perfectly Matched Layer-PML）。

仿真结果如图4、图5所示。图4为两个检测点处的场强及其频谱，比较可见，透过圆盘型绝缘子的电磁波振荡衰减速度较快，对电磁波的反射较大；盆式绝缘子对各频率分量的衰减相对较大。图5为两个探针面上同在一时刻的场强分布图，可见透过圆盘型绝缘子的电磁波波头到达时间较短；透过圆盘型绝缘子的电磁波是沿高压导体自底部向上进行散播，而透过盆式绝缘子的电磁波则沿GIS外壳内壁两侧自底部向上进行散播；探针面1处的场强区域分布相对集中，探针面2处则相对均匀。

图4 盆式绝缘子对电磁波传播影响的仿真结果

图5 探针面1与探针面2处的场强分布对比

通过上述仿真研究及分析，可以发现盆式绝缘子与圆盘式绝缘子对电磁波传播的影响是不同的，在衰减特性、反射特性、电磁波散播方向以及场强分布等方面均存在差异，应该在UHF PD检测、模式识别以及放电源定位过程中予以注意。

2.2 屏蔽电极对电磁波传播的影响

在GIS的实际结构中，为了均匀场强，增大电极的曲率半径，在导体接头、拐角、隔离绝缘子两侧等部位都安装有屏蔽电极。作为GIS中的金属部件，屏蔽电极应该会对电磁波造成衰减、折射或反射。252kV GIS屏蔽电极如图6所示，安装示意图如图7所示，屏蔽电极长度160 mm，内径90 mm，外径110 mm。仿真时间长度设置为43 ns，输出量为检测点处的径向场强分量EX。分别在有、无屏蔽电极的情况下进行仿真。

图6 252 kV GIS屏蔽电极

图7 屏蔽电极安装示意图

仿真结果如图8所示。可见两者UHF PD信号振荡衰减的包络形状基本相同；有屏蔽电极时信号幅值有所衰减；无屏蔽电极时的频谱相对平坦。然而，本文只是仿真研究了一对屏蔽电极的情况，在实际GIS的导体接头、拐角、隔离绝缘子两侧等部位安装有多个屏蔽电极，它们对GIS中电磁波传播的影响应该不可忽略。

图8 屏蔽电极对电磁波传播影响的仿真结果

2.3 电磁波在三相共筒GIS中的的传播

对于252 kV及以上的GIS，往往采用单相单筒安装方式，而对于126 kV及以下的GIS则往往采用三相共筒的安装方式。为了研究两种情况下电磁波传播的差异，分别建立两个GIS仿真计算模型，一个为单相单筒，另一个为三相共筒，两者的导体及外壳直径相同，仿真设置相同，分别进行仿真计算。激励源位置 Cell（83，70，380），检测点位置 Cell（37，83，120），仿真时间长度设置为 60 ns，输出量为检测点处的径向场强分量EX。

仿真结果如图9、图10所示。比较图9（a）、（b）可见，三相共筒GIS中的电磁波的衰减幅度更大，低频分量较相对稍大。图10为探针面XY面：Z=120上的场强分布图，可见单相单筒GIS中的电磁波波头主要是沿导体周围进行传播，而三相共筒GIS中则主要沿三根导体中间进行传播，而且振荡衰减时间相对较长。

图9 单相单筒与三相共筒GIS中电磁波传播的仿真结果

图10 检测面处的场强分布对比

3 结论

介质中的放电现象是电场能以电荷积聚及电子运动的形式进行积累与释放的过程，不同的绝缘缺陷引发的局部放电过程不尽相同，其激发的电磁波也存在差异。本文以GIS PD实际电流信号为激励源，研究了GIS实际结构对电磁波传播的影响。表明GIS中盆式绝缘子、屏蔽电极、三相共筒结构会对电磁波的幅值、频率分量以及传播方式产生影响。