开关柜暂态地电位检测结果影响因素仿真分析

姜赤龙，毛文奇，刘卫东

(1.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410005；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007)

开关柜暂态地电位检测结果影响因素仿真分析

姜赤龙1，毛文奇2，刘卫东1

(1.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410005；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007)

介绍了暂态地电位的检测方法，根据电磁学基本原理分析了暂态地电位的产生机理。然后仿真分析了暂态地电位检测结果与局放源上升沿时间、局放源幅值、检测距离以及空气相对湿度之间的关系。仿真结果表明检测结果幅值与局部放电源的幅值、空气相对湿度成正比，且随着局部放电源上升沿的增加而减小，随着检测距离的增大而减小。

局部放电；暂态地电位；仿真

高压开关柜是面向配电网和用户的最直接设备，直接关系到供电质量和供电可靠性。高压开关柜故障造成的停电事故给生产和生活带来的影响及损失越来越大。故及时准确地检测高压开关柜运行状态非常必要〔1-2〕。

统计数据表明，由于开关柜绝缘劣化引起的事故台次占开关柜事故总台次的68%和事故总容量的74%〔3〕。而运行实践表明，各种因素产生的局部放电是导致设备绝缘劣化的主要原因〔4〕。随着电网规模的日益扩大以及社会经济活动对于供电可靠性的不断提升，开关柜进行例行停电检修的难度越来越大，因此开关柜带电检测的重要性越来越明显。

目前开关柜局部放电检测方法主要有超声波法、射频法、超高频法、暂态地电位法等〔5-7〕。其中，暂态地电位法作为一种新的开关柜局部放电检测方法，具有灵敏度高、抗干扰能力强、检测效果好等特点，在近年的开关柜局部放电非侵入式检测中得到了较为广泛的应用。

文中分析了开关柜表面暂态地电位的产生机理，根据暂态地电位检测仪器的检测原理将检测结果与开关柜电磁暂态过程联系起来。利用软件仿真分析了检测结果幅值与激励源上升沿、激励源脉冲幅值、检测距离、湿度之间的关系。为进一步提升开关柜局部放电的带电检测数据分析能力提供了理论依据。

1 暂态地电位产生原理

通常开关柜绝缘结构中发生的局部放电信号可视为由一个点源所发出的电磁脉冲信号，其上升沿在纳秒数量级。开关柜内部局部放电产生的电磁脉冲沿空气向四周传播。当电磁波传播到开关柜内表面，由于电磁屏蔽的作用，电磁波将无法到达遮挡区域外面，遮挡区域外探测不到电信号；而当电磁波传播到开关柜柜体的连接缝隙时，电磁波将会从缝隙透射出去，传播到开关柜外侧的空间及表面。因此开关柜内部局部放电信号最终会从开关柜开口、接头、盖板等的缝隙处传出，然后沿着金属柜体外表面传到大地，形成一个暂态地电位，如图1所示。

图1 暂态地电位产生原理示意图

2 暂态地电位理论计算方法

暂态地电位法进行检测时，传感器可以检测到由开关柜内部局部放电在开关柜外表面激起的暂态地电位信号并经过检测器显示器后输出检测结果，如图2所示。

图2 暂态地电位检测原理示意图

电磁波在开关柜外表面所产生的暂态地电位信号U可表示为:

式中 Z为开关柜外表面的波阻抗，其表达式为:

式中 ω是角频率，μ是磁导率，σ是电导率。

电磁波在开关柜外表面所产生暂态电流i可以通过对表面电流密度K进行积分求取:

式中 S为探测器与被测物体的接触面积。电流密度K可表示为:

式中 E为电场强度，Z为开关柜外表面的波阻抗。

则探测器所探测的电流可表示为:

因此电磁波在开关柜外表面所产生的暂态地电位信号可表示为:

3 仿真方法

由公式(6)可知，通过求解开关柜表面电场分布可计算出开关柜表面暂态地电位。因此本节建立模型对开关柜空间电场分布进行仿真计算。仿真方法采用三维有限元数值仿真方法。

按1∶1比例设置开关柜长宽高分别为:850，500，1 600，在1 250 mm处分割为上下柜2个空间。仿真模型如图3所示:

图3 仿真模型

金属柜体厚度设为10 mm，柜体材料为钢，相对介电常数为1，电导率为5.6×106S/m。

金属柜体外表面接地，柜体内部设置放电源。局放源位置在坐标轴中设置为(300，700，600)。

根据局部放电信号特征，将局放源波形选择为双指数脉冲波形，其表达式为:

通过设置不同I0，α与β的值可以获得不同波形的局放信号。

4 仿真结果分析

4.1 局放源上升沿对仿真结果的影响

若将脉冲起始时刻至峰值时刻的时间近似作为局部放电源脉冲波形的上升沿时间，由于双指数函数在任意域上可导，则令公式(7)导数为0可求出上升沿时间tr为:

调节α与β的取值可以设置局放源的上升沿时间。固定I0不变，将上升沿分别为1，2，5，10，15，20 ns的局放源先后设置在开关柜内坐标为(300，700，600)处，在开关柜外表面上坐标为(500，400，500)的探测点处检测波形。暂态地电位与局放源脉冲上升沿的关系曲线如图4所示:

图4 检测信号随局放源上升沿变化图

由图4可以看出，随着局放源上升沿时间加长，检测点所检测的信号值逐渐变小，且信号减小的速率逐渐降低，呈指数下降的趋势。由电磁场特性可知，固定脉冲峰值不变时，脉冲上升沿时间越短，脉冲波形斜率越大，波形幅值增长速度越快，因而产生的电场幅值越大。同时，脉冲上升沿时间越长，等效中心频率越低，根据电磁波的传播特性，在传播过程中的衰减也越严重。因此，随着局放源上升沿的增大，所激发的电磁波幅值较小。同时该电磁波在传播到检测点的过程中，信号衰减严重，检测信号越小。因此，在实际检测中，暂态地电位检测方法对于上升沿较短的高频局放信号比较敏感。

4.2 局放源幅值对检测结果的影响

调节α与β的取值将局放源的上升沿时间固定为1 ns，将I0幅值分别设置为10，20，50，100，150，200的局放源先后设置在开关柜内坐标为(300，700，600)处，在开关柜外表面上坐标为(500，400，500)的探测点处检测波形。暂态地电位与局放源幅值的关系如图5所示:

图5 检测信号随局放源幅值变化图

由图5可以看出，随着局放源幅值的增大，检测点所检测的信号值逐渐增大，且信号增大的速率保持不变，呈线性增加趋势。同一频率的电磁波在空间传播的特性不随电磁信号的幅值而改变，因此，随着局放源幅值的增大，电磁波在传播到检测点的过程中，其衰减特性不变，检测点信号与局放源信号成正比。因此，在实际检测中，暂态地电位对于放电量较大的放电信号比较敏感。

4.3 局放源距离对检测结果的影响

调节α与β的取值将局放源的上升沿时间固定为1 ns，将I0幅值分别设置为10的局放源设置在开关柜内坐标为(300，700，600)处。在开关柜外表面上选取与激励源距离为300，400，500，600，700，800 mm处作为探测点检测波形。检测幅值与激励源脉冲距离的关系曲线如图6所示:

图6 检测信号随激励源距离变化图

由图6可以看出，随着局放源到检测点距离的增大，检测点所检测的信号值逐渐减小，且信号减小的速率逐渐降低，呈指数下降的趋势。由电磁波的传播特性可知，电磁波在传播过程中的衰减是呈指数形式的。因此，随着传播距离的增大，电磁波在传播到检测点的过程中，信号衰减越严重，检测信号越小。因此，在实际检测中，暂态地电位对于靠近检测点的放电信号比较敏感。

4.4 空气相对湿度对检测结果的影响

空气相对湿度对于暂态地电位影响规律的研究目前还较为缺乏。相对空气湿度对于局部放电的剧烈程度、电场分布以及电磁信号的传播均有可能产生影响。本文从相对空气湿度对于电场分布影响的角度进行了仿真研究。

空气相对湿度越高，则空气中水分含量越高，对相对介电常数的影响越大。将空气与水分看成混合物，则根据Maxwell-Garnet模型〔8〕，其等效介电常数εeff可以表示为:

式中 ε1为介质1的相对介电常数，ε2为介质2的相对介电常数，g1为介质1的体积分数。

因此，不同空气相对湿度时，等效相对介电常数计算结果见表1。

表1 等效相对介电常数计算结果

调节α与β的取值将局放源的上升沿时间固定为1 ns，将I0幅值分别设置为10的局放源设置在开关柜内坐标为(300，700，600)处。在开关柜外表面上坐标为(500，400，500)的探测点处检测波形。暂态地电位与局放源脉冲上升沿的关系曲线如图7所示:

图7 检测信号随空气相对湿度变化图

由表1及图7可以看出，随着空气相对湿度的增大，等效介电常数增大，检测信号也增大。空气相对湿度为0.9时检测信号与空气相对湿度为0.6时检测信号相差约1.5倍。因此，进行开关柜暂态地电位带电检测时，应考虑相对空气湿度的影响。

5 结论

文中对开关柜暂态地电位进行了仿真模拟，研究了局放源上升沿时间、局放源幅值、局放源与检测点的距离以及空气相对湿度对检测结果的影响，结论如下:

1)局放源上升沿时间增大，由局部放电所激发的电场幅值减小，电磁波在传播过程中的衰减也越严重，检测点所检测的信号值逐渐变小，且呈指数下降的趋势。因此，在实际检测中，暂态地电位对于高频放电信号比较敏感。

2)随着局放源幅值的增大，电磁波在传播到检测点的过程中，检测点所检测的信号值逐渐增大，呈线性增加趋势。因此，在实际检测中，暂态地电位对于放电量较大的放电信号比较敏感。

3)随着局放源距离的增大，电磁波在传播过程中呈指数形式衰减，检测点所检测的信号值逐渐减小，呈指数下降的趋势。因此，在实际检测中，暂态地电位对于靠近检测点的放电信号比较敏感。

4)随着空气湿度的增大，等效介电常数增大，检测信号也增大。因此，在实际检测时，检测结果应考虑相对空气湿度的影响。

〔1〕刘君华，王江，钱勇，等.GIS中电磁波传播特性的仿真研究〔J〕.高电压技术，2007，33(8):139-142.

〔2〕周泽存等编.高电压技术〔M〕.北京:中国电力出版社，2004.

〔3〕Lin D，Jiang L，Li F，et al.On-line partial discharge monitoring and diagnostic system for power transformer〔J〕.Tsinghua Science＆Technology，2005，10(5):598-604.

〔4〕宋杲，崔景春，袁大陆.2004年高压开关设备运行统计分析〔J〕.电力设备，2006，7(2):10-14.

〔5〕刘云鹏，王会斌，王娟，等.高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究〔J〕.高压电器，2009，45(1):15-17.

〔6〕黎大健，梁基重，步科伟，等.GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测〔J〕.高压电器，2009，45(1):72-75.

〔7〕关永刚，钱家骊.射频法在高压开关柜局放监测中的应用研究〔J〕.高压电器，2001，37(5):1-3.

〔8〕Yoo S J，Park Q H.Effective permittivity for resonant plasmonic nanoparticle systemsViadressedpolarizability〔J〕.Optics Express，2012，20(15):16 480-16 489.

Simulation analysis on effecting factors of transient earth voltage of switchgear

JIANG Chilong1，MAO Wenqi2，LIU Weidong1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410015，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China)

Testing method of transient earth voltage(TEV)is introduced and the principle of TEV is analyzed by electromagnetic method in the paper.Then the relationship between TEV result and rising time of PD，PD pulse amplitude，detection distance and humidity is researched through simulation.The simulation results show that the TEV amplitude is proportional to the PD pulse amplitude and humidity，increases as rising time of PD decreases，and decreases as the distance between detection point and PD source increase.

partial discharge(PD)；transient earth voltage(TEV)；simulation

TM855.1

A

1008-0198(2016)02-0072-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.019

2015-12-29 改回日期:2016-02-24