GIS典型局部放电缺陷传播特性研究

国网天津市电力公司城西供电分公司 王 磊

在GIS 内部绝缘遭受损害的情况下，将会出现局部放电情况。随着这种放电的持续发展，GIS 内部将会形成一个连续的放电通道，从而导致GIS 出现故障。因此，局部放电被视为GIS 绝缘质量下降的一个关键特征，也是GIS 出现问题的早期预警信号。如果能够及时识别出GIS的局部放电缺陷，可有效防止GIS 出现故障。GIS气室中充满SF6气体，当发生局部放电时，会产生GHz 频率的电磁波信号。

传统GIS 特高频检测方法是将特高频传感器贴在盆式绝缘子的非金属屏蔽位置，接收此处泄漏出的电磁波信号，从而检测内部是否存在局放。但是在GIS 内部进行传播时，不同GIS 部件、结构均会对高频电磁波产生不同程度的衰减[1-2]。因此，明确GIS 不同部件、不同结构对信号传播的影响，有助于提高外部特高频局放检测灵敏度，对准确判断、识别GIS 内部局部放电具有十分重要的意义。

本文对GIS 的直壳体、L 型壳体、T 型壳体盆式绝缘子进行了建模仿真，对电磁波信号经过GIS各部件后的衰减情况进行探究。激励源使用典型缺陷信号，研究局部放电信号传播特性。

1 盆式绝缘子对电磁波传播特性的影响

本文对盆式绝缘子和通管进行建模，构建直壳体模型，各个连接处采用法兰与倒角，在这基础上研究盆式绝缘子对电磁波传播特性的影响。

如图1所示，本文构建的一个直线型GIS 真型模型，其长度约为100cm，绝缘盆厚度为5cm，模型的内外半径各为20cm 和40cm。模拟一个尖端放电信号源，信号源放置在（93,80,309）位置，同时设置了两个特高频探头，探头位置分别放置在（81,47,254)、(80,39,485)，仿真结果如图2所示。

图2 盆式绝缘子对电磁波传播影响的仿真结果

2 直线型结构和L 型结构对传播特性的影响

为进一步研究GIS 不同结构对电磁波传播特性的影响，本文根据220kV 单相组合电器，搭建了一段包括L 型和T 型的真型试验平台，仿真几何模型如图3、图4所示，其内外半径尺寸分别设置为5.3cm、16cm。

图3 L 型GIS 仿真示意图

图4 直线型GIS 仿真示意图

本文激励源位置设置在导杆0°正上方位置，模拟一个2cm 长度的金属尖刺放电信号，放电电流为1A，设定辐射出一个幅值为33dB、放电带宽为300mHz 至3GHz 的高频电磁波信号。沿着导体径向方向设置不同的检测点，每隔20cm 左右在导体圆周上0°、90°、180°、270°的位置各设置一个检测点，然后由于设计的仿真最高频率为3GHz，因此按照公式（1）可计算出最大剖分胞元尺寸：

其中：f 表示最高频率；c 表示光速。为了排除其他因素干扰，只探索GIS 壳体结构对电磁波衰减的影响，在壳体两端设置匹配层（PML）。PML 作为一种独特的媒介，其波阻抗和周围媒介的波阻抗一致[3]。

由仿真结果分析可知，对于直线型GIS 壳体，在0°方向上，特高频探头越远离信号源，所测到的峰值将越小。但是沿着90°方向上，信号的峰峰值并未随着监测点位置的变化而发生变化。对于L型GIS 结构，无论在任何角度上，电磁波信号经过L 结构后，峰峰值都会减小。结果表明，在直线型GIS 结构上，0°方向上布置传感器，需要考虑因距离问题带来的幅值衰减问题，而90°方向上可以忽略这个问题，但是在L 型结构上，任何角度都应考虑衰减问题，因此在直线型0°方向上以及L 型结构上布置检测传感器时，为了提高检测灵敏度，均需要增加传感器布置数量。

由图5、图6仿真结果可知，直线型和L 型结构的GIS 虽然结构不同，但在0°和180°这条竖直线的方向上分布是类似的，在90°方向上电磁波的幅值和能量都较小。观察可知，尽管在竖直的方向上GIS 信号分峰值在逐渐减小，但是在直线型GIS 中，能量的分布模式并未出现显著的改变。在90°方向上，峰峰值和能量都呈现出比较平稳的分布，仿真结果与理论分析基本是一致的。

图5 直线型GIS 模型各点特性图

图6 L 型GIS 模型各点特性图

由仿真结果可知，L 型结构对电磁波信号具有明显的衰减和反射作用，特高频探头在L 型结构的任何位置所测到的信号值都出现明显的衰减，在同一位置，直线型GIS 中的信号所具有的幅值和能量均大于L 型结构的GIS。由图6（a）可以得出，由于L 型结构对电磁波型号的明显反射作用，所以特高频探头在检测点3的位置，所测得信号幅值均会小于直线型的相同位置。但由图6（b）可知，对于检测点9，由于信号在L 型结构上传播时，拐角处阻抗不连续，导致有一部分能量发生了反射。

反射能量由来路返回，只有剩余的能量会经过拐角进入下一个环节，所以相较于直线型GIS 结构，L 型GIS 检测到的信号能量比较分散，幅值也比L型相同位置的小。因此，在传感器布置时，L 型结构可视作两个直线型结构的组合，且两个直线型结构在各自部分信号还具有增强效果，衰减的情况相对于同样结构的直线型较弱，可以适当减少传感器的布置。

3 T 型结构对传播特性的影响

为深入理解T型GIS 对于信号传播属性和能量分布的影响，选用0、2、5、10处为一组检测点，在0°的位置展开径向场强频谱对比。在检测点0处时，此时信号波形也没能经过T型结构，其中高次模波的能量分布而是没能出现任何变化，然而TEM 波的组成部分要变多。但是当频率超过2.2GHz 后，也就是对于法向和径向电场频谱的高频部分，电磁波的能量发生了明显衰减。

而电磁波信号在传播到检测点5时，即已经经过了T型结构后，此时相较于前面两处监测点，其高次模波的能量分布发生了十分明显的变化，径向和法向场强幅值也都出现了明显衰减，尤其是频率大于2.2GHz 的分量。但是当电磁波信号进一步传播后，到达检测点9时，相较于前面检测点，高次模波的分布变化不明显，径向场强幅值、法向场强幅值以及轴向场强幅值几乎没有发生较大减小，同时2.2GHz 之后的高频部分场强幅值也一样没有发生较大减小。这说明电磁波在T型结构中传播时，主要改变的是高次模波的能量分布，尤其是对2.2GHz 之后的高频部分有十分明显的衰减作用。

为了进一步验证不同半径的GIS 对电磁波传播特性的影响，本位又建立了两个不同半径的GIS，其半径分别为37.5cm 和50cm，其他的尺寸和上述一样。激励源仍用30mm 的单极子天线等效，注入高斯脉冲幅值15mA，脉宽0.7ns。在两种不同尺寸的GIS 上，局放源和特高频探头位置都放在相同的地方，其中局放源位置放在GIS 左部位置距离边上20cm 处，在距离左部位置的150cm 处放置了特高频探头。

结果表明，对于37.5cm 电场强度的峰值是0.53V/m，50cm 电场强度的峰值是0.41V/m，衰减了1.11dB。外壳的内径是37.5cm 时，电磁波信号强度较强。信号一共持续了约16ns，衰减程度在7～11ns 时最快。当外壳内径改变为50cm 时，电磁波信号强度相对较弱，信号在16ns 的持续时间中，第10～13ns 时衰减比较明显。

接下来，进一步改变内GIS 导体直径的大小，研究直径大小对电磁波的影响。分别建立内导体直径为10cm 和15cm 的GIS 壳体，其他设置均与上面相同。结果表明，电场强度的峰值由10cm 的0.41V/m 减小为15cm 的0.36V/m，信号衰减3.1dB。

最后，再改变壳体长度，研究课题长度对电磁波传播的影响。分别建立长度为3.0m 和2.5m 的GIS 壳体，其他设置均与上面相同。结果表明，电场强度的峰值长度由2.5m 的0.41V/m 增大为3.0m的0.47V/m，信号增大0.81dB。两种长度的信号持续时间均为21ns。根据衰减值可以得出，GIS 壳体的长度对信号的衰减情况影响不大。

4 结论

本文研究了GIS 不同结构和部件对局部放电信号传播特性的影响。一是盆式绝缘子对各频率分量的衰减相对较大，会明显阻碍局放信号的传播；二是在直线型壳体中的水平方向，随着特高频探头远离局放源，所测得的信号峰值变小。随着特高频探头远离局放源，所测得的信号峰值基本没有变化；三是对于L 型壳体，不管是水平还是竖直方向，经过L 结构后其整体幅值都会变小；四是电磁波在T型结构中传播时，主要改变的是电磁波中高次模的分布，高频部分会出现强烈的衰减。五是忽略以上因素，实际上GIS 壳体的长度对信号的衰减情况影响不大。