基于S参数的GIS局部放电信号传播特性仿真与实验研究

陈玮任，张文斌*，王立哲，乔禹宁，李银城

（1. 昆明理工大学机电工程学院，昆明 650504；2. 昆明理工大学理学院，昆明 650504）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear）凭借其占地面积小、可靠性高的特点在当前的电力系统中得以广泛的应用，从上世纪 80年代我国开始大规模使用GIS设备以来，GIS及其配套设备的安全稳定运行直接影响到供电系统的正常运行[1-5]。但是，由于GIS内部结构复杂，在制造和装配过程中难免会产生诸如部件松动、导体毛刺、污秽绝缘子表面、内部异物等缺陷，部分缺陷在投入使用后会发生局部放电，逐渐导致放电击穿并引发事故[6-9]。所以，为了保证电力设备安全稳定运行，对GIS设备进行局部放电检测是十分必要的。近年来，特高频法凭借灵敏度高、检测频率高、检测频带宽、抗干扰能力强等特点，广泛的应用于气体绝缘金属封闭开关设备的局部放电在线监测[10-11]。GIS局部放电UHF检测方法在现场应用中存在的主要问题是传感器的布置方案没有明确的标准，不同的GIS传感器布置方案有很大的差异，造成这些问题的原因主要是对于局放UHF电磁波信号在GIS结构中的激发、传播和衰减的规律研究不足。所以，在应用UHF法进行局部放电信号检测工作前，首先要对局部放电UHF电磁波信号在GIS内部的传播规律进行研究。

华北电力大学的研究人员利用时域有限差分法（FDTD）对 GIS上盆式绝缘子金属法兰浇筑孔处的电场强度分布和频谱特性进行了仿真研究[12-15]。上海交通大学的研究人员利用FDTD法研究了GIS中局部放电激励的电磁波信号模式分布特性以及各模式分量与局放源之间的关系[16-17]。西安交通大学的研究人员利用FDTD算法研究了局放电磁波信号在L形和T形结构中不同方向上的衰减过程,总结了每种情况下的电场传播规律和耦合电压的累计能量[18-22]。但是国内外的大部分研究均是基于仿真方法对 GIS内部的局放 UHF信号的传播特性进行研究，缺乏现场实验的论证，且对于可等效为一个微波网络的GIS腔体而言，利用电流或电压幅值的变化并不能完全的反映出GIS腔体对UHF频段内信号的传输特性。

鉴于此，本文首先基于有限元法（FEM）对GIS腔体中不同结构的S参数进行了仿真研究，主要结构为直腔体、L形腔体和T形腔体。此外，为了与仿真结果进行比较，在云南永仁500KV变电站GIS结构上进行了实验，将等效脉冲通过UHF传感器注入到GIS腔体中，利用外置式在线监测传感器检测不同位置处的信号，并计算出经过不同结构的S参数值，与仿真结果进行比较，验证了仿真结论的合理性，为UHF在线监测传感器现场布置提供了依据。

1 GIS中电磁波传播特性理论分析

同轴波导是由内导体和外导体组成的双导体导波系统，其形状如图1所示。内导体直径为2a，外导体的内直径为2b，内外导体均为理想导体，内导体和外导体之间填充参数为ε、μ的理想介质，同轴波导系统不仅可以传输TEM波，TE波和TM波也可以被传输。设电磁波沿+z方向传播，相应的场为时间谐波场，波导内电磁场的复数形式为：

图1 同轴波导Fig.1 Coaxial waveguide

根据GIS的结构特点，可以将其等效成同轴波导系统，在 GIS内部填充的 S F6气体磁导率和介电常数均约等于1，压力为0.45 Mpa。当GIS中发生局部放电时，脉冲电流会激发出TEM波、TE波和TM 波，它们在高于各自截止频率的频段传播。截止频率取决于同轴波导的尺寸和传输介质。如图 1所示，将GIS等效为同轴线，在圆柱坐标系中描述局部放电脉冲以及其激发的超高频电磁波，可得沿+z 方向传输的TEM波的电场和磁场分别为：

对于TM波，mnTM 模波截止频率：

对于TE波，mnTE 模波截止频率：

当不计损耗时，根据电磁场理论也可以通过计算得出同轴波导的波阻抗为：

式中，c为光速，ε和μ是内外导体间电介质的介电常数和磁导率，m和n表示电磁波的模数。

由以上所述可知，GIS腔体结构相当于一个良好的波导系统，且由于GIS内产生的UHF信号频段在300 MHz-3 GHz范围内，属于微波范畴，所以可以将整个传输结构看成一个微波网络。S参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。其中21S 为正向传输系数，反映了信号在传输过程中的增益。

2 UHF信号传播特性仿真分析

2.1 HFSS仿真软件介绍

HFSS是一个基于四面体网格元交互仿真系统的全波三维电磁仿真软件，采用有限元法计算三维模型的电磁场。具有仿真精度高、计算速度快、操作界面方便易用、自适应网格划分和技术成熟等优点，现已成为电磁场分析设计的重要工具[21-22]。本文利用HFSS对局部放电UHF频段内的信号在GIS模型中的21S 参数进行了扫频分析，根据实际高压电力系统中的GIS结构，建立了简化的直腔体、L型和T型模型，利用21S 参数反映GIS中典型结构对局部放电产生的电磁波信号的传输和衰减特性。

图2 HFSS求解过程Fig.2 HFSS solution process

2.2 GIS中S参数仿真分析

2.2.1 GIS仿真模型

本文利用500KV电压等级的GIS直腔体、L型和T型三种典型结构对局放UHF电磁波传输及衰减特性进行仿真研究，且利用21S 进行表征。三个典型结构模型如图3至图5所示，结构的长度均设置为6000 mm，外导体和内导体半径分别为 270 mm、60 mm，壁厚设置为10 mm。

图3 直腔体模型Fig.3 Straight cavity model

图4 L型模型Fig.4 L-shaped model

图5 T型模型Fig.5 T-shaped model

在仿真过程中，将局放端口设置为局放UHF信号的激发源，在GIS中设置波端口，观察两端口之间的21S 参数，分析GIS结构对局放UHF信号的传播特性。在仿真过程中，端口1所在的位置设为基准位置，局放端口与端口1的21S 参数值为基准值，其它端口相对于基准位置的衰减规律通过与基准值的差值体现。同时，本文主要研究的是GIS典型结构腔体对UHF局放信号的传播衰减情况，不考虑其它影响因素，故将复杂的GIS结构进行简化忽略了法兰和盆式绝缘子对UHF电磁波信号的影响

UHF局部放电信号频段范围为 0.3-3 GHz，在实际测量中发现3 GHz左右的高频分量较少，故在HFSS仿真参数设置中，将脉冲激励源信号上升时间设置为 1 ns（10%-90%），同时，中心频率设为2.5 GHz，扫频范围为0.3-2.5 GHz，在局放端口设置功率为1W的激励源。

2.2.2 仿真结果分析

（1）直腔体仿真

直腔体仿真模型如图 3所示，直腔体长度为6000 mm，为了避免误差在局放端口之后每隔1米设置了1个端口，由于本文研究的主要是UHF信号在GIS腔体中的传输特性，而端口6不在直腔体内，UHF信号传输会受到影响，故不对端口6的数据进行分析，默认局放端口为0。图6为仿真后21S 参数的结果。

图6 直腔体仿真S21参数Fig.6 Straight cavity simulation S parameters

由于在现场实验中不可能对 UHF频段中的每一个频率成分进行测量分析，所以在仿真时以UHF频段内21S 参数的平均值来表征信号的衰减值用iD表示，以端口1所测的21S 参数为基准值，计算UHF信号通过各端口相对于 1端口的衰减值（dB），如式（7）所示，通过式（8）计算UHF信号在直腔体中每隔1m的衰减量的平均值。

由式（7）和（8）可以得出，在GIS直腔体中，UHF电磁波信号的衰减为-2.3dB/m。

（2）L型模型仿真

L型模型如图4所示，模型总长度为6000 mm，局放端口一侧长度为 3500 mm，另一侧长度为2500 mm，由于在直腔体仿真中已经计算出直腔体对UHF信号的衰减特性，所以只在两个边界端口内侧500 mm分别设置1个端口用来观察UHH在L型腔体中的衰减，图7为仿真后21S 参数的结果。

图7 L型腔体仿真S21参数Fig.7 L-shaped model simulation S parameters

以端口1所测的21S 参数为基准，端口1到端口2的衰减值即为UHF电磁波信号在L型腔体中的衰减，又由于L型腔体中存在直腔体结构，故在L型腔体中存在直腔体衰减，则

通过式（9）可得，UHF信号通过L型腔体的衰减为9.4 dB。

（3）T型模型仿真

T型模型如图5所示，模型横向长度为6000 mm，纵向长度为3500 mm，3个边界端口内侧500 mm处均设置一个端口用来观察UHF电磁波信号在T型腔体中的衰减特性，三个端口分别命名为1-3。仿真后端口1-3的21S 参数如图8所示。

图8 T型腔体仿真S21参数Fig.8 T-shaped model simulation S parameters

以端口1所测的21S 参数为基准，端口1到端口2的衰减值即为UHF电磁波信号在T型腔体中直腔体衰减，端口1到端口3的衰减值即为UHF电磁波信号在T型腔体中L腔体衰减，又由于在L型腔中不仅有L型衰减还有直腔体衰减，故：

（注：DT-I意为在T型腔体中I型部分的衰减，DT-L意为在T型腔体中L型部分的衰减。）

通过式（10）和（11）可知，UHF信号通过T型腔体时，I型部分衰减为-4.6 dB，L型部分衰减为-10.1 dB。通过上述仿真总结，我们可以得到表格1。需要指出的是，在L型模型和T型模型的仿真结果中可以看到有明显震荡，这是由于UHF电磁波信号在L和T型模型中会产生折反射并形成驻波而造成的，对仿真结果不产生影响。

表1 典型结构衰减表Tab.1 Typical structure attenuation table

3 试验研究

为了验证仿真结果的准确性，在云南永仁新投运的500kV变电站GIS上进行了现场实验，通过特高频传感器测量GIS典型结构各位置的电压幅值，将传感器测得的电压幅值转化为 dB单位相减，可以求出电磁波信号经过不同结构的21S 参数值。此次进行实验的GIS是在运系统，实验现场存在较大的背景噪声值，故在实验过程中注入脉冲信号源的幅值为400 V，脉冲上升沿小于1 ns，频率为50 Hz，注入脉冲信号波形如图9所示。实验所用的传感器为GIS特高频局部放电在线监测系统自带外置式传感器，安装在GIS绝缘盆子金属法兰小孔处。每个传感器由不锈钢扎带进行固定，如图10所示，采用这种安装方式，不仅可以将传感器固定在GIS绝缘盆子金属法兰小孔处，而且不锈钢扎带能对外界的电磁干扰信号进行有效的屏蔽，使得外置式传感器接收到的信号为GIS内部信号。由于在线监测系统为新投运设备，其外置式传感器一致性较好，并且安装前均经过GTEM小室标定，传感器等效高度高于8.0 mm，符合国网标准。

图9 注入脉冲信号波形图Fig.9 Injection pulse signal waveform

图10 传感器安装示意图Fig.10 Sensor installation diagram

在本次实验中，通过与传感器相邻的浇筑孔向GIS腔体中注入电压相同、频率相同的模拟脉冲信号，传感器的输出信号由监测系统监控后台读取，需要说明的是脉冲信号通过浇筑孔注入GIS腔体时不可避免的会将一部分信号泄露到周围环境中，由于传感器本身除信号接收部分外其他部分均为铝合金材质其厚度和安装时使用的不锈钢扎带厚度均大于UHF信号最低频率趋肤深度，可有效屏蔽外界电磁波，所以能保证实验过程中外置式传感器所接收到的信号为GIS腔体内部通过绝缘盆子金属法兰小孔辐射出的信号。

GIS中所包含的典型结构主要有直腔体、L型腔体、T型腔体、断路器和 CT等结构，局部放电UHF电磁波信号在通过不同结构时其信号的衰减量不同。现场实验传感器测点分布如图11所示，传感器1、2、3、4接收信号，通过传感器监控后台观察各位置传感器接收到的信号，各位置幅值统计结果见如表2。

衰减量的计算公式为

图11 现场实验传感器测点分布Fig.11 Field experimental sensor measurement point distribution

表2 各个位置传感器检测到注入UHF信号幅值Tab.2 Each position sensor detects the amplitude of the injected UHF signal

在式（12）中：iu为第i个传感器测得的脉冲信号幅值，1iu+为第 1i+个传感器测得的脉冲信号幅值。通过1号和2号传感器所测信号的幅值可以计算出 UHF电磁波信号在这两个传感器之间的直腔体衰减-4.9 dB，通过测量可得 1、2号传感器相距2.35 m，所以 UHF信号在直腔体中的衰减值为-2.1 dB/m。通过2号和3号传感器所测到的电压幅值可以计算得出UHF信号在 U型结构（断路器类型）中的衰减为-11.8 dB。通过1和3号传感器所测电压幅值可以计算得出UHF信号在L型结构中的衰减为-16.8 dB，通过2和4号传感器所测到的电压幅值可以计算得出UHF信号通过T型结构（类似于隔离开关结构）衰减-19.7 dB。

需要注意的是在实验现场，UHF电磁波信号在通过L型和T型结构时均存在直腔体衰减，减去直腔体衰减后各典型结构衰减量统计如下表所示。

表3 UHF电磁波信号通过各典型结构衰减量统计Tab.3 Statistics of attenuation of UHF electromagnetic signal through typical structures

对表3的结果进行统计可以发现，注入的UHF脉冲信号经过 T型和 U型结构时信号的衰减量较大，其值均在10 dB以上，经过直腔体和L型腔体衰减量较小，与HFSS中仿真结果相似。

4 总结

（1）本文通过电磁波理论对GIS中局部放电产生的 UHF信号在同轴波导中的传输模式进行了分析，并且将GIS同轴波导等效为微波网络，利用微波网络中的21S 参数反映了信号在传输过程中的增益。

（2）通过三维绘图软件建立了500 kV GIS典型结构模型，使用基于有限元法的仿真软件 HFSS搭建了GIS局部放电UHF信号在GIS中的传输特性仿真模型，最后利用不同端口之间的21S 参数值来反映UHF频段内信号在GIS结构中的传播衰减特性，直腔体衰减为-2.3 dB/m，L形腔体衰减为-9.4 dB，T形腔体衰减为-4.6 dB（I形部分）和-10.1 dB（L形部分）。

（3）为了验证仿真结果的准确性，本文通过云南永仁500 kV变电站对UHF信号在500 kV GIS腔体结构内的传播衰减特性进行了验证，实验发现注入脉冲信号在U型和T型结构中衰减较大，其衰减值均在10 dB以上，经过直腔体和L型结构衰减较小，与仿真结果一致，进一步验证了仿真结论的合理性。