开关柜局部放电特高频信号传输特性

陈国源，王笑飞，孟卫杰

（1. 国网山西省电力有限公司 朔州供电分公司，山西 朔州 036000；2. 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

当开关柜内部发生局部放电现象时，正电荷和负电荷的中和过程会导致在放电位置出现带电粒子的快速迁移。该过程伴随有陡脉冲电流出现，进而激发高频率电磁波向空间各个方向快速传播[1-4]。

通常认为，局部放电导致的电磁场与放电缺陷点相关：当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快；此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。开关柜绝缘缺陷发生局部放电对应的放电点，通常可视为一个辐射电磁波的点源；由放电产生的电磁波向周围空间传播，其传播行为遵循麦克斯韦电磁场基本方程[5-8]。

开关柜局部放电导致的电磁波信号的传播特性是其可应用特高频技术进行检测的理论条件。文献[9-11]采用时域有限差分法或有限积分法对开关柜内电磁波信号的传播特性进行了仿真分析；结果显示，开关柜金属外壳对电磁波信号具有明显的抑制作用，在靠近开关柜缝隙处可以获得较大的信号幅值。

目前，开关柜特高频现场检测主要采用的传感器为射频天线。若现场存在较强的外部电磁干扰，干扰信号也将与传感器产生耦合[12]；因此在现场监测时，需要以合适的检测频带或滤波放大对信号进行处理。

传感器不同的安装方式将对传感器的输出信号产生影响，特别是当传感器的安装位置与局放源不在开关柜的同一小室时。因此，有必要对传感器内、外置这2种安装方式及不同安装位置导致的检测信号差异进行研究。

基于上述分析，本文首先采用有限元分析软件对开关柜和传感器进行数值建模，通过对电磁波传播过程的仿真计算，获得安装于开关柜内壁和外壁不同位置时传感器所采集的信号；然后，通过对比内、外置传感器所捕获的信号特征，分析不同位置的信号差别；最后通过模拟实验对仿真结果进行了验证。

1 仿真模型建立

开关柜内部局部放电产生的电磁波向周围各个方向快速传播。遇到不连续的金属缝隙或绝缘连接处时，电磁波由金属柜体的内部泄漏出来，并在开关柜外部自由空间传播。

局部放电及其导致的电磁波具有明显的时变特征，因此对其进行计算分析最直接方法是在时域通过计算每个步长时间的解的变化来对问题求解。

开关柜内部和外部电磁场的求解，是一个由式（1）所示的时域边值问题[13-15]。

在仿真区域Ω内，有：

式中：A为矢量磁势；当时间t=0时，A=0。μ0和ε0分别为真空的磁导率和介电常数。μr和εr分别为介质材料的相对磁导率和相对介电常数。

设置开关柜金属导体外表面为 PEC（perfect electric conductor boundary）边界条件，满足：

模型内，局部放电源和检测传感器设置为端口边界，满足

式中：ZP为连接端口边界的波阻抗；E0为局部放电源端口处的电场，可由模拟局部放电的脉冲电压源或脉冲电流源获得。

上述方程，可利用有限元计算软件COMSOL Multiphysics RF模块中的瞬态电磁场建模求解。

建立仿真模型：采用XNG15-12型开关柜，整体尺寸为500 mm×1 000 mm×1 600 mm，包含A（500 mm×1 000 mm×350 mm）和B（500 mm×1 000 mm×1 250 mm）2个小室。正面上下柜门边缘和A、B小室隔板的边缘均设置2 mm宽的缝隙。开关柜正面靠下位置设置有矩形开口，以模拟开关柜门上的观察窗，开口尺寸为300 mm×100 mm。在开关柜外部空间设置散射边界，用以仿真电磁波从柜门缝隙泄漏出柜体外部到自由空间的传播特性。

开关柜三维有限元计算模型如图1所示。

图1 开关柜仿真模型和传感器位置Fig. 1 The simulation model of the switchgear and the locations of sensors

在开关柜B小室内部坐标（250 mm, 300 mm,500 mm）处设置集总端口以模拟局部放电激励源。绝缘缺陷导致的局部放电单个脉冲持续时间通常为ns级，因此仿真模型中激励源以高斯电流脉冲模拟。

高斯电流脉冲的时域表达式为：

式中：t为自变量时间；t0为脉冲峰值时间；τ为标准偏差，决定了脉冲宽度和脉冲峰值。

在仿真中施加的高斯脉冲波形如图2所示，半峰值的带宽约为0.3 ns。

图2 高斯脉冲源Fig. 2 The Gaussian pulse at the source port

由于局部放电的真实放电量未知，因此仿真时仅对数值的相对大小进行分析。模型的仿真时间步长设置为0.1 ns，总仿真时间为20 ns。模型中，在开关柜正面外壁设置6个传感器（4#—9#），侧面内壁设置 3个传感器（1#—3#）。各传感器的空间坐标如图1所示。

2 仿真分析

当局部放电发生时，电磁波自放电源处开始以球面波形式向周围空间传播。因此，电磁波所经过位置的电场强度随时间按正弦规律变化。当电磁波经过媒介不连续处时，将发生能量的反射和透射，进而出现多个波的叠加，最终导致波形畸变。

2.1 电磁波传播对各传感器响应时间的影响

图3为t=2.3 ns时刻仿真域内电场分布图。

图3 t =2.3 ns时刻电场分布仿真结果Fig. 3 The simulation result of electric field distribution at t=2.3 ns

由电磁波在介质中传播的速度方程可知，此时局部放电发出的电磁波已到达开关柜金属壁面，但在封闭处受到金属壁的屏蔽作用，电磁波并未传播到开关柜外部空间。

由图3可以看到，在正面柜门观察窗以及柜门边缘缝隙附近，电磁波由观察窗和缝隙泄漏到开关柜外部空间。此时各传感器信号强度对比如图4所示。

图4 0～2.3 ns时间内信号对比Fig. 4 Signals comparison within the time interval of 0～2.3 ns

由图4（a）可知，t=2.3 ns时刻前，2#和3#传感器分别于1 ns和1.7 ns出现信号输出，8#和9#传感器分别于1.9 ns和2.0 ns出现信号输出：仿真结果基本与电磁波沿空间的传播时间相符。

由图4（b）可知，2#和3#传感器的信号较强，8#和9#传感器信号较弱，其他传感器信号趋于0。分析该结果的原因为：2#和3#传感器为内置。在2.3 ns时刻，局部放电导致的电磁波已传输至2#和3#传感器，故输出信号明显。8#和9#传感器信号较弱，是因为通过观察窗和缝隙泄漏的电磁波刚刚到达。由于受到开关柜金属壁的屏蔽且通过观察窗和缝隙泄漏的电磁波尚未到达，因而其他传感器未出现明显信号。

图5所示为t=3.5 ns时刻的电场分布。图6所示为t=3.5 ns时刻前各传感器信号情况对比结果。此时电磁波分布的特点是：由于离局放源较远且受到金属隔板的屏蔽作用，所以A小室电场强度较低，因此 1#、4#和 5#传感器的信号仍旧趋于0；其他各传感器均有较明显的信号输出，其中内置的 2#和 3#传感器信号强度显著高于其他传感器。

图5 t=3.5 ns时刻电场分布仿真结果Fig. 5 The simulation result of electric field distribution at t=3.5 ns

图6 t=3.5 ns时刻前各传感器信号对比Fig. 6 Comparison of each sensor’s signal before the time of t=3.5 ns

图7所示为20 ns仿真时间内，内置和外置的各传感器信号强度随时间变化对比结果。由图 7可知，各传感器均对局部放电产生响应，各传感器响应信号的幅值因安装位置的不同而不同，同时各传感器对局部放电的响应时间也存在差异。

图7 传感器信号强度对比Fig. 7 Comparison of the intensity of sensor signals

实现对局部放电源的精确定位，除需要考虑传感器安装位置和响应时间外，还需要对电磁波的传播路径进行估算。这在实际应用时可能存在以下困难：一是实际开关柜中电磁波的传播路径可能非常复杂，难以确定；二是现场存在干扰，难以通过给传感器输出信号设定一定阈值以判断各传感器准确的响应时间。因此，现场测试中，对局部放电的定位需要根据实际情况综合考虑。

2.2 内、外置安装对传感器信号强度的影响

图8和图9所示分别为A、B小室内、外置安装的传感器信号对比结果。通过对比可知，当放电源与传感器在同一小室时（图9），内置安装方式传感器可获得显著增强的信号强度；当放电源与传感器不在同一小室时（图8），内、外置安装方式传感器获得的信号强度基本相当，外置安装方式传感器信号幅值稍大。

图8 A小室内、外置传感器信号对比Fig. 8 Comparison of the sensor signals inside and outside A cabinet

图9 B小室内、外置传感器信号对比Fig. 9 Comparison of the sensor signals inside and outside B cabinet

2.3 安装位置对传感器信号强度的影响

根据图7（b）可知，当采用外置安装方式时，位于不同安装位置传感器的信号强度基本相同，少量差异主要由传感器安装位置与柜壁缝隙的距离导致。

图10所示为1#、6#和8#传感器信号强度对比结果。从图10可以看出，各传感器信号强度基本相同。由此可知，当采用的内置传感器与放电源未在同一小室时，传感器获得的信号强度与外置式传感器基本处于相同水平。

图10 1#、6#、8#传感器信号强度对比Fig. 10 Comparison of sensor signals’ intensity for 1#、6# and 8# sensor

3 实验验证

为验证上述仿真分析结果，在实验室采用特高频传感器进行了局部放电检测实验。

实验条件：采用放置于开关柜 B小室内的针板电极模拟局部放电。如图11所示，分别在开关柜A、B这2个小室的内壁以及柜门外壁安装共4个UHF传感器：1#安装于B小室内壁，2#安装于A小室内壁，3#安装于B小室外壁，4#安装于A小室外壁。UHF传感器所采集的信号由经放大检波处理后由检测主机输出为同步采集信号。

图11 局部放电实验测试Fig. 11 The partial discharge test

各传感器获得的 UHF信号对比结果如图 12所示。由图12可知，安装于B小室内壁的1# UHF传感器信号幅值明显高于其他传感器，2#和3#结果与之近似，4#传感器信号幅值最小。实验结果与仿真计算结果相符。

图12 实验采集波形Fig. 12 Experimental acquisition waveform

4 结论

本文对在开关柜内、外安装的超高频传感器信号特性进行了仿真计算和实验测试。

（1）结果显示内、外置安装的传感器对局部放电响应信号的幅值随内、外置安装方式和安装位置的不同而不同，同时各传感器对局部放电响应的时间也存在差异。

（2）当放电源与传感器在同一小室时，内置安装方式传感器可获得显著增强的信号强度；当放电源与传感器在不在同一小室时，内、外置安装方式传感器获得的信号强度类似，但外置安装方式传感器强度稍强。

（3）当内置传感器与放电源未在同一小室时，该传感器获得的信号强度与外置式传感器基本处于相同水平。