GIS 中电磁波传播特性的试验研究

徐 华，胡文堂，陈金法，李思南

（浙江省电力公司电力科学研究院， 杭州 310014）

输配电技术

GIS 中电磁波传播特性的试验研究

徐 华，胡文堂，陈金法，李思南

（浙江省电力公司电力科学研究院， 杭州 310014）

GIS 内部的局部放电会在腔体中激励超高频（UHF）电磁波信号， 局部放电信号可通过超高频传感器进行检测。 为研究 UHF 信号在 GIS 中的传播特性， 在 GIS 内设置了导体尖端和悬浮电位放电模型，内置式传感器的信号与用示波器在盆式绝缘子浇注孔测试到的 UHF信号进行比较。 试验结果表明， UHF 信号在 GIS 内有一定的衰减， 外置式传感器测得的信号比内置式的衰减大。

GIS； 局部放电； 超高频； 电磁波； 检测

0 引言

根据国际大电网会议组织的国际调查报告，1985 年以前投入运行的气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）562 次故障中绝缘故障达 60%， 1985 年以后投入运行的 GIS 247 次故障中绝缘故障达51%[1]。 GIS 内部发生局部放电（以下 简称 局放 ）时， 其单个脉冲持续时间很短（上升沿＜1 ns）， 会在 GIS 腔体内激励出超高频（UHF）电磁波。 局放检测是 GIS 绝缘状态检测的重要手段，与传统的检测方法相比，UHF检测技术具有检测频率高、抗干扰性强和灵敏度高等优点，更适合在线检测。

当前，GIS 局放 UHF 检测法在推广应用中面临的主要困难是放电强度难于度量，这源于对局放 UHF 信号各次模量在 GIS 结构中的激发、 传播、 衰减的规律研究不足， 研究 UHF 信号在GIS同轴系统中的变化特性是非常必要的。

1 GIS 中电磁波的传播规律

根据 GIS 的结构， 可将 GIS 近似为 2 根同轴导体构成的波导系统，如图1所示。内导体为母线， 其外半径为 a，外导体为外壳， 其内半径为b。 研究表明， GIS 中局放激励的电磁波中不仅存在横电磁波（TEM）[2]，还有高次模式分量，即 TE和 TM 波[3-5]。 TEM 波为非色散波， 能以任何频率在同轴波导中传播。 TE 和 TM 波是色散波， 存在截止频率，只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波导中传播。 在单相封闭结构中，TE和 TM 下限截止频率的相应波长约为[6]：

对应截止频率：

式中：μ为媒质的磁导率；ε为媒质的介电常数。

图1 GIS 简化模型

导体直径 90mm，壳体直径 306mm，厚度 8 mm 的 GIS， 其对应的截止频率是 503MHz。

在同轴波导中， TEM 波传播速度为光速，与频率无关。而高次模波传播速度与频率有关，对于某个高次模波，即截止频率相同时，电磁波频率越高，传播速度越快。因此，高次模波在同轴波导中传播时存在色散效应。

2 仿真试验模型

试验模型是 220 kV GIS 单相母线结构， 包括套管、 TA、 气室 SP1 和 SP2， 在 2 个气室内各设有 1 个内置传感器， 仿真试验仅参考 SP2 气室内置传感器超高频信号，在 SP2 气室 HB 盆式绝缘子处搭接长约 22m 的母线气室，搭接的母线气室盆式绝缘子外带浇注孔（不带屏蔽）， 且包含多个拐弯结构，试验模型及尺寸具体见图2和 3。

图2 220kV GIS试验模型部分正视图

图3 220 kV GIS 试验模型俯视图

图4 导体尖端模型图

图5 悬浮电位模型图

3 试验数据

3.1 导体尖端放电

试验电压为 80 kV 时内置式传感器检测到明显 UHF局放信号。 同时对内置和外置式传感器信号进行采集，以内置传感器检测的 UHF信号作为参考，用外置式传感器在各盆子处检测 UHF信号。 高速示波器在 HB—HE 处检测到局放信号，在 HF—HL 等处没有检测到信号， 测试到的局放信号数据见表1，试验使用同一示波器、内置式传感器和外置式传感器，2根测试信号电缆不变。

3.2 悬浮电位放电

试验电 压 为 52.6 kV 时 ， 产生 明 显 局放 信号。同时对内置和外置式传感器信号进行采集，高速示波器在 HB—HL处都检测到局放信号，局放信号数据如表2所示。

表1 UHF 局放测试数据（试验电压 80 kV）

表2 UHF 局放测试数据（试验电压 52.6 kV）

4 数据分析

4.1 UHF 局放信号频谱分析

图6 是 SP2 气室内置式传感器和放置在 HB处外置式传感器同步测得的UHF局放信号。2个传感器信号的峰值分别为 250mV， 27mV， 对应47.95 dBmV，28.63 dBmV；外置传感器相对于内置传感器衰减为 19.32 dB。

时域波形的峰值不能全面反映 UHF局放信号传播的特性，对时域波形进行离散傅里叶变换：

式中：x是输入序列；N是x中元素的数量；Y是变换的结果。

Y 成分的频域分辨率（频率间隔）为：

式中： fs是采样频率。

对上述时域波形进行离散傅里叶变换得到其幅频特， 如图7 所示。 对 0.75～3 GHz 频率范围内的衰减取平均值，可得HB处外置传感器相对于SP2 气室内置传感器衰减了 14.70 dB。

4.2 导体尖端放电 UHF 局放数据分析

对 HB—HE 处检测到的信号进行统计分析，数据如表3所示。

图8采用线性函数和对数函数拟合了外置式传感器 UHF局放信号的衰减趋势，线性函数的系数为 3.51， 对数函数的系数为 6.92。 在导体尖端放电下，随着传播距离的增加，外置式传感器UHF 局放信号平均每经过 1 个拐弯及 2.5m 的壳体衰减 6.34 dB。

图6 高压尖端放电的 UHF局放信号时域波形

图7 高压尖端放电的UHF局放信号频域波形

表3 UHF 局放信号沿 GIS 壳体的衰减情况

4.3 悬浮电位放电 UHF 局放数据分析

对 HB—HL 处检测到的信号进行统计分析，数据如表4所示。

图9采用线性函数拟合了外置式传感器 UHF局放信号的衰减趋势，表4中最后一点由于反射对信号有加强作用，在图9中舍弃了这一点。线性函数的系数为 1.84。 在悬浮电位放电下， 随着传播距离的增加，外置式传感器 UHF局放信号的衰减规律为每经过 1 个拐弯及 2.5m 的壳体衰减 4.60 dB。

5 结论

在 220 kV GIS 模型中进行 UHF 局放信号衰减特性试验，研究结果表明：

图9 UHF 局放信号沿 GIS 壳体的衰减及曲线拟合

（1）随着拐角数和传播距离的增加， 外置式传感器UHF局放信号逐步衰减。

（2）在高压金属尖端放电试验中， 外置式传感器 UHF 局放信号每经过 1 个拐角和 2.5 m 的壳体衰减约 6.34 dB； 外置式传感器 UHF 局放信号在悬浮电位放电试验中，每经过 1个拐角和2.5m 的壳体衰减约 4.60 dB。

（3）对外置式检测信号衰减的统计和直线拟合表明，高压导体尖端放电试验时，外置式传感器检测的信号比内置式检测的信号衰减约 18.87 dB；悬浮电位放电试验时， 外置式检测的信号比内置式检测的信号衰减约 15.38 dB。

[1]JointWorking Group 33/23 12.Insulation coordination of GIS∶return of experience，on site tests and diagnostic techniques[J].Electra，1998，176（2）∶67-97.

[2]张鸣超，王建生，邱毓昌.GIS 中 局 部放电产生的 超 高 频电 磁 波 及 其 测 量[J].高 电 压 技 术 ，1998，24（2）∶22-25.

[3]唐 炬 ， 朱 伟 ， 孙 才 新.GIS 局 部 放 电 的 超 高 频 检 测[J].高电压技术，2003，29（12）∶22-23，55.

[4]刘君华，姚明，王江，等.基于 GIS 中电磁波传播路径特性的局放源定位方法[J].电力系统自动化，2008，32（21）∶77-81.

[5]刘君华，郭灿新，姚明，等.局部放电电磁波在 GIS 中传播 路 径 的 分 析[J].高 电 压 技 术 ，2009，35（5）∶1044-1048.

[6]刘 君 华 ， 姚 明 ， 黄 成 军 ， 等.GIS 中 局 部 放 电 电 磁 波 的 模式 特 性[J].高 电压 技 术 ，2009，35（7）∶1654-1660.

（本文编辑：杨 勇）

Experimental Study on Propagation Characteristics of Electromagnetic W ave in GIS

XU Hua， HUWen-tang， CHEN Jin-fa， LISi-nan
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China）

Ultra-high-frequency （UHF） electromagnetic signals can be radiated by partial discharge （PD） in gas insulated switchgear （GIS）.The partial discharge signals are detected by UHF sensors.In order to analyze the propagation characteristics of UHF signals in GIS， conductor point/floating potential dischargemodel is established， and signal from inlayed sensor and UHF signal from plug hole of disc insulator by oscilloscope are compared.The experimental result indicates thatUHF signal in GISattenuates，and the attenuation of signalby exteralsensor isgreater than thatby internalsensor.

GIS；partial discharge；ultra-high-frequency；electromagnetic wave； detection

O451

： A

： 1007-1881（2012）11-0001-04

2012-06-12

徐 华（1979-）， 男， 湖北石首人， 工程师， 从事电力开关设备的试验研究工作。