（高电压与绝缘技术专业论文）基于uhf的高压开关柜局部放电在线监测的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文摘要 摘 本文对高压开关柜局部放电超高频电磁波的辐射原理进行了理论分析，研究了高压 开关柜局部放电超高频在线监测系统，利用l a b v i e w 软件平台，设计和开发了高压开 关柜局部放电超高频检测软件系统。在实验室中检测了1 0 k v 高压柜四种典型放电模型 的局部放电，并对放电的相位特征进行了分析。结果表明：该系统测量频带宽，在抗干 扰能力和工作稳定性等方面可以满足高压开关柜局部放电在线监测的要求。另外，本文 还对高压开关柜内部环境对超高频信号传播的影响进行了理论分析和仿真研究。本文的 工作为高压开关柜局部放电超高频检测技术的现场应用提供了实验基础。 关键词：高压开关柜，局部放电，超高频检测，虚拟仪器 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h er a d i a t i o no fu l t r a - h i g h f r e q u e n c ys i g n a l se m i t t e d 丘o m h i 曲一v o l t a g e s w i t c hc a b i n e t s p di ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y t h ep du h fo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rh i g hv o l t a g es w i t c h b o a r di ss t l l d i e d ，a n das o r w a r em e a s u r i n g s y s t e mf o rh i 曲v o l t a g es w i t c hc a b i n e tp a n i a ld i s c h a r g eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o mi s d e v e l o p e d f o u rt y p i c a ld i s c h a r g em o d e l si n l0 k _ vh i g h v 0 1 t a g es w i t c hc d b i n e ta r e d e s i g n e da n dm e a s u r e de x p e r i m e n t a l ly i tp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a saw i d er a n g eo f m e a s u r eb a n d w i d t h ，a n di tc a nm a t c ht h ea n t i j 锄m i n ga n ds t a b i l i t ) rd e m a n do fp d o n l i n em o n i t o r i n gf o rs w i t c hc a b i n e t i na d d i t i o n ，t h ea t t e n u a t i o na n dp r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fu h fs i 9 1 l a l si nh i 曲- v 0 1 t a g es w i t c hc a b i n e t sa r es t u d i e da 1 1 de m u l a t e d t h ew o r kp e r f o m e di nt h i st h e s i sw i l lb eo fs o m ev a l u ei nt e 珊so ft h e o r ) ra n dp f a c t i c e f o rt h eu h f p a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o no fh i g h v o l t a g es w i t c hc i b i n e t w a n gj u a n ( h i g hv b l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l u f a n g c h e n g k e y w o r d s ：h i 曲- v o l t a g es w i t c hc a b i n e t ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，u 1 t r a h 培h - f r e q u e n c y d e t e c t i o n v i r t u a li n s t r u m e n t 要 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文对高压开关柜局部放电超高频电磁波的辐射原理进行了理论分析，研究了高压 开关柜局部放电超高频在线监测系统，利用l a b v i e w 软件平台，设计和开发了高压开 关柜局部放电超高频检测软件系统。在实验室中检测了1 0 k v 高压柜四种典型放电模型 的局部放电，并对放电的相位特征进行了分析。结果表明：该系统测量频带宽，在抗干 扰能力和工作稳定性等方面可以满足高压开关柜局部放电在线监测的要求。另外，本文 还对高压开关柜内部环境对超高频信号传播的影响进行了理论分析和仿真研究。本文的 工作为高压开关柜局部放电超高频检测技术的现场应用提供了实验基础。 关键词：高压开关柜，局部放电，超高频检测，虚拟仪器 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ， t h er a d i a t i o no fu 1 t r a - h i g h f r e q u e n c ys i g n a l se m i t t e d 丘o m h i g h v o l t a g es w i t c hc a b i n e t s p di ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y ：t h ep du h fo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rh i g hv o l t a g es w i t c h b o a r di ss t l l d i e d ，a n das o r w a r em e a s u r i n g s y s t e mf o r h i 曲v o l t a g es w i t c hc a b i n e tp a n i a ld i s c h a r g eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o mi s d e v e l o p e d f o u rt y p i c a ld i s c h a r g em o d e l si n l0 k - vh i g h v 0 1 t a g es w i t c hc a b i n e ta r e d e s i g n e da n dm e a s u r e de x p e r i m e n t a l ly i tp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a saw i d er a n g eo f m e a s u r eb a n d w i d t h ，a n di tc a nm a t c ht h ea n t i - j a m m i n ga n ds t a b i l i 锣d e m a n do fp d o n l i n em o n i t o r i n gf o rs w i t c hc a b i n e t i na d d i t i o n ，t h ea t t e n u a t i o na n dp r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fu h f s i g n a l si nh i g h - v 0 1 t a g es w i t c hc a b i n e t sa r es t u d i e da 1 1 de m u l a t e d t h ew o r kp e r f o m e di nt h i st h e s i sw i l lb eo fs o m ev a l u ei nt e m so ft h e o r ) ra n dp r a c t i c e f o rt h eu h f p a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o no fh i g h v o l t a g es w i t c hc a b i n e t w a n gj u a n ( h i g hv 0 1 t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：h i g h v o l t a g es w i t c hc a b i n e t ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，u 1 t r a h i g h - f r e q u e n c y d e t e c t i o n v i r t u a li n s t r u m e n t 声明户q明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于u h f 的高压开关柜 局部放电在线监测的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在 导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别 加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同 意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 华北电力人学硕一 ：学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 目前高压开关柜内故障检测主要是在停电状态下进行的，而实时在线检测技术 较少。由于种种原因高压开关柜常常不能按照周期停电检修，导致开关柜内的部分 设备长期出于失修、失控状态，严重威胁供电安全。而且，在两次停电检修间隔， 设备绝缘状态处于不可知状态，一旦出现故障，不能及时被发现【1 ，2 1 。另外，高压开 关柜是将设备安装在柜内，如果设备有异常，运行人员在设备巡视过程中看不到内 部设备的故障，这种情况下红外测温也不能起作用。 高压开关柜将各设备部件、母线、支撑绝缘子等到现场后才装进外壳里成一整 体，这样的整体也只有在现场组装完成后才能进行试验。但在现场要进行高压耐压 试验、局部放电试验等，比在工厂里困难的多。如一旦出事故，危害常比过去分立 的敞开设备严重，修复时间也常要拉长，另外开关柜产品越来越来紧凑，导致绝缘 裕度减小，尤其在南方，夏季空气比较闷热潮湿，内部绝缘部件的表面爬电，而且 这种缺陷很难在柜体外面被人感觉到，泰州地区近几年来就发生多起开关柜内设备 表面爬电的故障，因此非常有必要对高压开关柜设备绝缘状态进行在线动态监测 【3 ，4 ，7 】 o 随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向着超高频和 超宽频方向发展。局部放电超高频检测是通过超高频天线传感器提取变压器内部局 部放电所产生的超高频信号，从而实现局部放电的检测。局部放电超高频检测技术 作为电气设备局部放电检测的一种新的手段和方法，越来越受到重视，在国内外得 到了较快发展，并在电力设备如g i s 、同步电机、电缆、变压器等的检测中得了到 初步的应用。 传统的局部放电检测方法，其检测信号的频率般不超过l m h z ，而且现场局 部放电测试特别是在线检测，常常会受到各种电磁干扰的影响。当干扰信号与局部 放电信号具有相同或者相似的特征时，被测信号往往被干扰所淹没。而在高压开关 柜运行现场，变电站背景噪声和空气中电晕干扰其频率通常小于4 0 0 m h z 【1 3 】。因此， 在超高频范围内( 5 0 0 1 5 0 0 m h z ) 提取局部放电产生的超高频信号，外界干扰信号 少，因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高高压开关柜局部放电检测， 特别是在线检测的可靠性和灵敏度。 1 2国内外研究现状 华北电力人学硕十学何论文 随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向着超高频和 超宽频方向发展。局部放电超高频检测是通过超高频天线传感器提取变压器内部局 部放电所产生的超高频信号，从而实现局部放电的检测。局部放电超高频检测技术 作为电气设备局部放电检测的一种新的手段和方法，越来越受到重视，在国内外得 到了较快发展。 高压开关柜是电力系统非常重要的电气设备，其内部绝缘部分的缺陷或劣化、 导电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁。根据1 9 8 9 1 9 9 2 年间全国电力系 统6 1 0 k v 开关柜事故统计，绝缘和载流引起的故障占总数的4 0 2 ，其中由于绝 缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的7 9 o 1 1 2 】。由于在事故潜伏期可能产生 放电现象，故可以通过对放电的监测得到相关的信息。 局部放电检测按检测的物理量性质分有电测法和非电测法。根据局部放电过程 中所产生的各种在放电现象，相应的出现了脉冲电流法( e r a 法) 、超声波检测法、 光测法、红外检测法、化学检测法、射频检测法等检测方法，其中脉冲电流法和超 声波检测法应用最为广泛。 局部放电超高频检测技术是一种非接触的检测方法，依据的是“场”的原理， 它是通过天线传感器接收局部放电过程中辐射的超高频电磁波，从而实现局部放电 的检测。局部放电超高频检测技术是局部放电检测的一种新方法，近年来在国内外 得到了较快发展，并在电力设备如g i s 【乳1 2 】、同步电机、变压器、电缆等的检测中 得了应用。超高频检测技术具有检测信号频率高，外界干扰信号少等特点，因而检 测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高电气设备局部放电检测，特别是在线检 测的可靠性和灵敏度。 超高频法用于高压开关柜在线监测有明显的优点，因此这一测量技术发展很 快，已在英国和法国的几个4 0 0 k v 变电站中取得经验。德国一些大学对此技术很感 兴趣，对接受u h f 信号的天线进行了理论分析和试验研究。瑞士a b b 高电压技术 公司在5 5 0 k v 的g i s 试验装置中对u h f 法的适用性与灵敏度进行了研究，并与常 规的脉冲电流法作了对比。韩国已经形成了比较成熟的基于传感器技术的高压开关 柜局放监测系统，应用4 0 0 8 0 0 m h z 频率范围的超高频传感器，对柜体内器件( 如 c t 、p t ) 、母线连接处、支持绝缘子表面及开断装置进行了试验验证。各国的研究 均表明，u h f 法用于高压开关柜绝缘的在线监测有很好的前景【引。对于国内，早期 对高压开关柜可靠性的重视度不够，国内市场上还没有同类的产品。一旦本产品研 制成功，将达到国际先进水平，填补国内空白。 1 3u h f 全国安装运行情况 2 华北电力人学硕士位论文 ( 1 ) 河南电网濮阳供电公司所属振兴变电站l # 主变 自1 9 9 6 年投运以来，这台变压器的油色谱分析一直显示乙炔超标，但增长速 度缓慢，因而认定该变压器存在放电性故障。通过离线下的局放试验没有测到局放。 2 0 0 3 年本系统通过不同的安装方式在该变压器上进行了3 次测试和试验，2 0 0 3 年2 月份，本u h f 在线监测系统通过事故放油阀的方式安装到该变压器上，并在线运 行了2 6 小时。2 0 0 3 年1 0 月，变压器吊罩检查，专门设计了通过人孔和手孔方式安 装的2 套传感器并永久安装在变压器上，在之后投运前的离线局放试验中，通过本 系统和常规局放试验进行了对比研究。此后变压器投运，固定式在线监测装置被安 装于变压器现场进行局放的连续在线监测，成为u h f 方法在现场的一次成功应用实 例。 ( 2 ) 河南某1 1 0 k v 变压器出厂试验中的应用 通过人孔天线的安装方式，本系统在河南另一l l o k v 变压器的出厂试验中与常 规的局放试验同时进行了测式，并成功地测到了变压器内气泡放电。在变压器投运 后，利用示波器进行了几次检测，都没有出现放电信号，分析后认为可能是由于气 泡在运行状态下溶解于油中而使放电消失。进一步的跟踪仍将进行。 试验证明，超高频方法通过体内安装传感器的方式检测变压器局放，其检测灵 敏度高，抗干扰能力强，是一种非常适合现场环境的一种有效的在线监测途径。传 统的电气法局放检测的很多有效技术如相位统计分析的模式识别、历史趋势分析等 都可以方便的移植到u h f 方法之中。利用多个传感器接收信号的时间差，该方法 在理论上可以实现局放源的定位，是一种非常具有应用前景的局放在线监测方法。 ( 3 ) p d 5 0 0 i 型便携式电力变压器超高频局部放电在线监测系统 由河南电力试验研究所与华北电力大学合作开发研制的“p d 5 0 0 i 型便携式电 力变压器超高频局部放电在线监测系统”，采用超高频法，通过检测油纸绝缘中局 部放电产生的超高频电磁波信号达到在线监测变压器局部放电的目的。该装置于 2 0 0 3 年7 月安装在兰考变电站兰考群l 主变，成功地捕捉到了变压器内部产生的局 部放电信号。根据捕捉到的超高频信号特征和随后进行的跟踪监测以及变压器实际 运行情况，认为兰考撑l 主变渗油处理后的静置时间较短，变压器渗油处理过程中混 入的气体( 气泡) 未能及时释放排出，导致运行电压下发生油中气泡放电，这些放 电产生明显的超高频信号。在变压器连续运行一段时间后，变压器油中气体( 气泡) 消失，放电及超高频信号熄灭。“p d 5 0 0 i 型便携式电力变压器超高频局部放电在线 监测系统 一年来的运行表明，该系统具有灵敏度高、抗干扰能力强以及使用方便 等特点，适宜变压器局部放电的在线、非实时监测，对保障变压器安全运行具有重 要作用。 3 华北电力人学硕：t = 学位论文 ( 4 ) 福州北效变电站2 # 主变局部放电超高频信号在线检测 在放油阀安装u h f 传感器，以发电厂内2 2 0 v 电源作为工频参考信号，通过便携 式工控机对变压器内部u h f 信号进行了较长时间的检测。测试结果及分析，在变压器 未加电、空载运行以及带7 0 0 0 0 k v a 负荷时，检测系统均未接收到由变压器内部局放 产生的u h f 放电脉冲信号。 1 4 本文的主要工作 在高压开关柜局部放电超高频检测中，局部放电超高频信号的采集、处理以及 超高频放电信号的特征分析是高压开关柜局部放电超高频检测和故障模式识别的 关键，本文做的工作主要如下： ( 1 ) 局部放电超高频信号在高压开关柜内传输特性的研究：对高压开柜内局部 放电辐射的超高频信号在传播中的衰减规律进行理论分析及仿真，并对绝缘板及柜 体对超高频信号传播的影响进行试验分析和研究。 ( 2 ) 开发u h f 放电实时监测分析系统软件：采用美国n i 公司开发的l a b v i e w 虚拟仪器软件开发出实时监测开关柜超高频局部放电信号的软件系统，实现对开关 柜局放信号的实时监测，当出现故障时，系统报警，并自动保存数据。软件平台必 须具备数据采集、数据预处理、数据存储、数据打开和显示、信号谱图分析、历史 数据查询等功能。本系统可以实现故障数据的实时传输，也可对长期监测的大量数 据进行压缩和结合i e c 标准进行标准化管理，并通过以太网接入公司信息管理系 统。 ( 3 ) 开关柜典型局放模型的超高频特性试验研究：研究开关柜中局部放电的机 理和放电的典型故障，设计并建立一个开关柜典型放电故障模拟平台，包括沿面放 电、气隙放电、悬浮放电等，需要在一个真实的开关柜中模拟完成，考虑不同的放 电类型和放电电压。在实验室利用典型放电模型对局部放电的超高频特征进行研 究，并通过对典型放电类型放电特征的研究，以及基于放电相位特征的模式识别研 究，提出适合局部放电超高频检测的故障模式识别方法。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章局部放电u h f 信号在开关柜内传播特性的分析及仿真 2 1 局部放电概述 在电气设备的绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的 电场强度达到该区域的击穿场强时，该区域就会出现放电，但放电并没有贯穿施加 电压的两导体之间，即整个绝缘系统尚未击穿，这种现象称之为局部放电【1 5 】。产生 局部放电的条件取决于绝缘介质中的电场分布和绝缘的电气物理性能，通常局部放 电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生的。 高压开关柜中引起放电故障的缺陷主要包括如下几个方面：导体、外壳内表面 上的金属突起，通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成，导致毛刺且较尖；绝缘 的缺陷和老化可以使绝缘内部出现局部放电，绝缘故障是高压开关柜故障率最高的 一类故障；支持绝缘子表面污秽；高压母线连接处、高压开关主电路触头接触不良 以及断路器触头接触不良；开关元件内部放电缺陷；在高压柜体内，比如s f 6 罐式 断路器内，可以移动的自由金属微粒，金属微粒是最普遍的微粒，在制造、装配和 运行中均有可能产生，它有积累电荷的能力，在交流电压场的影响下能够移动，在 很大程度上运动与放电的可能性是随机的，当靠近高压导体且并未接触时，放电最 可能发生，且放电可能比同样微粒但为导体上固定物时高1 0 倍【1 6 】。 局部放电一般不会引起绝缘的贯通性击穿，但是可以导致电介质( 特别是有机 电介质) 的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘介质电 气强度的降低。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于高压 电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘缺陷相互很好的印证，即 根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。在某种情况下，绝缘的 性能可以按某种最能说明问题的特性来判断，而对于不同设备的绝缘，这些特性可 能各不相同。在多数情况下，综合测量各种局部放电特性可以较客观的评价产品的 绝缘水平。 局部放电可以通过多种表征参数来描绘其状态，局部放电表征参数主要有视在 放电电荷q 、放电相位缈、放电重复率、起始放电电压认、放电熄灭电压“e 等。 2 2局部放电超高频电磁波的辐射特性 2 2 1 电偶极子的电磁场 华北电力人学硕士学位论文 振荡电流是产生辐射的源，辐射的强弱与电流的大小有关。电偶极子，( 图 2 1 ) 是最简单的电磁辐射元件，通常称产生电磁辐射的元件为天线【17 1 。设电偶极 子长度z 远小于其上电流频率对应的电磁波波长，且其横截面可忽略不计。，为电 流有效值向量。由 矾，2 等甜叫卜- ，1 p - ， 并设， ，得 j ：掣e 也： ( 2 - 2 ) 4 刀 、 将上式在球坐标系下展开，可写成 j ：等型p 一归( c o s 蚀，一s i l l 蚀一) ( 2 3 ) 4 万 。 根据万：v ，可得 pb 万= 警p 啪( 1 + 弦) s i n ( 2 - 4 ) 则 i ：土v 万 j 叫芸等( 1 + 帅。s ”芸等( 1 + 弦搿厂2 ) s i 峨( 2 - 5 ) 式中毋为天线轴与观察点向径之间的夹角；忌为难磁波在媒质中传播的相付常 6 华北电力人学硕十学位论文 数，七= 2 ；a 为电磁波的波长，单位为米( m ) ；，为从电偶极子中心到观察点 的距离，单位米( m ) ；缈为电磁波角频率，单位为弧度秒( r a d s ) ；o 、s 分别为 媒质的磁导率和介电常数。 电场强度和磁场强度的表达式随着该点与电偶极子之间距离不同而不同，为了 便于分析，可近似划分为近区和远区来进行讨论。 1 近区场 靠近电偶极子的区域，即b l 或， 1 或， 五时，定义为远区。此时营和万可近似 表达为： 否：黑s i n 陡屯口 ( 2 - 8 ) 乜= ，s l n o 留。 p 口l z 。石， 。4 舭培o r 9 、 万：警s i i l 陡屯， ( 2 - 9 ) 。4 刀 7 、 可以看出，远场中否和万在空间上相互垂直，并与半径为r 的球面相切且同相位。 他们的振幅均反比于，。由上式得空间任意一点复坡印廷矢量的平均值为 驴刁( 筹) 2 s 砰融p 这表明电。磁能量向无限远辐射，可见时谐振荡的电流以波的形式向空i 白i 辐射电 7 华北电力人学硕十学位论文 磁能量。 2 2 2 局部放电电磁波辐射的原理 当开关柜绝缘结构中发生局部放电时，沿放电通道将会有过程极短的脉冲电流 产生，并激发瞬态电磁波辐射。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；而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。通常开关柜绝缘结构中发生的局部放电信号可以看成是由一个点源所发出的 【1 8 ，”】，当电介质某处发生局部放电时，由放电产生的电磁扰动随时间变化，将会产 生电磁波，它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程【2 0 1 。引入动态向量位五和动态标量 位够来分析局部放电产生的时变电磁场，这时麦克斯韦基本方程组变为动态位方程 细： 哟叫神c 肛叩匈懈筝 亿 v 2 够+ v 丝：一旦 a t 式( 2 1 1 ) 中，五为电流密度，单位为刖m 2 ；p 为激励源，单位为c m 3 ；j 为 动态向量位，单位为啪m 一；够为动态标量位，单位为v ；s 为介电常数，单位为 f m ；为导磁率，单位为h m 。式( 2 1 1 ) 表示了动态位与激励源p 和电流密度昆之 间的关系，考虑洛伦兹条件： v 五：掣譬 ( 2 1 2 ) 钟 、7 以及v = 1 万，则式( 2 1 1 ) 可化为： 哟专爹叫瓦陋 v 2 伊专窘一詈 在时变场的无源区域，由于夕和曩均为o ，因此，式( 2 1 3 ) 达朗贝尔方程成为 波动方程： ，寸， 2 o o i i = 彳 缈 黝一铲却一扩一伊。伊 一 一 4 伊 v v 华北电力人学硕十学何论文 考虑体积v 中所有电荷的作用，其解为： 出棋纠，：去j 竺掣d 矿 防 砸朋掣，：卷一y 亿 式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 说明局部放电产生的电磁波是以速度v 沿着r 方向传播的，它是 时间与位置的函数，该电磁波的能量以速度v 沿着r 方向分布，即沿电磁波的传播方 向流动【2 1 ，2 2 1 。 由于局部放电电流形成的通道很细，放电路径一般很短，式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 中的 积分区域v 实际上接近一短线，所以局部放电电流可以用电偶极子来等效，其辐射 特性遵循电偶极子的辐射规律。 2 3 高压开关柜内部环境对u h f 电磁波传播的影响 2 3 1 环氧树脂绝缘板对电磁波传播的影响 局部放电辐射的电磁波以球面波的形式向外传播，在辐射区球面波的特性可以 近似用均匀平面波来描述。性能优良的绝缘介质电导率近似为零，故电磁波的衰减 常数近似为零，这表明，电磁波在环氧树脂单一介质中传播损耗很小，可以近似忽 略。 由于不同介质存在着界面，电磁波在交界面处要发生反射和透射。由于电场强 度和磁场强度在交界面上遵从边乔条件，因此，在交界面上入射波、反射波和透射 波之间的关系决定于边界条件。任意点源可展开成t e 型和t m 型z 方向平面波谱 的积分型叠加，而平面电磁波在平面分层复合介质中的传播，可用反射系数和透射 系数描述【2 3 1 。 设一平面电磁波( t e 型) 入射到参数为、“空间和参数为s ，、，空间的分 界面处，根据介质分界面条件可得t e 波在介质单界面处的局部反射与透射系数： 2 气z + ，“也z ( 2 1 7 ) 丁丁e ： 兰丝2 生； 、7 乜毛：+ “红： 同理可推导出t m 波在介质单界面处的局部反射系数和局部透射系数： 9 华北电力人学硕i j 学f 市论文 尺：垒生! 二刍鱼z 岛i 魄 ( 2 1 8 ) 丁埘： 兰垒生i 、 乞霸：+ q 如： 由反射系数和透射系数表达式可知，当两种介质的和u 相差较大时，局部放电 产生的电磁波一部分穿过交界面继续向前传播形成透射波，另一部分背离交界面形 成反射波。环氧树脂浇注品的相对介电常数约为3 8 ，当开关柜中的超高频信号传 播到绝缘隔板时，将会发生波的反射和透射，对电磁波信号有一定的衰减。 2 3 2 导体对电磁波传播的影响 在良导体中，电磁波经良导体后衰减大，单位长度的相移也大，相速与空气中的 声速有相同的数量级，特性阻抗小，且包含感性成分。在良导体中沿z 方向传播的电 磁波，由于能量损耗而使场量( 电场强度、磁场强度及电流密度等) 都按2 的指数规 律衰减，且随着电导率、磁导率的增加、频率的升高而衰减得越快。因此，良导体表 面处场量最大，愈深入内部场量愈小。电磁波的电场、磁场在导体中的透入深度为 衰减常数的倒数，由公式 d ：三：去、三 ( 2 - 1 9 ) 口1 f 掣厂 、7 可计算出频率为5 0 0 洲z 1 g h z 的电磁波，对铁板的透入深度均为岬数量级， 由理论分析可知，在开关柜局部放电超高频检测中，开关柜的金属柜体外壳对局部 放电超高频信号的检测影响很大，局部放电产生的超高频电磁波无法穿过柜体外壳 传播，需采取措施才能检测到超高频电磁波，如将超高频传感器固定于开关柜门的 内壁上。 在绝缘介质1 与导电媒质2 的分界面上，实际金属导体的表面可用理想导体边界 来代替，于是有： 尺疆= 一l 尺蹦= 1 ( 2 2 0 ) r 陋= 丁：o 这表明无论是t e 波还是t m 波，在理想导体表面上都将发生全反射，而不能透 射入导体内部。在开关柜局部放电超高频检测中，开关柜金属柜体表面对超高频电 磁波形成反射壁，入射波和反射波将多次叠加，这将延长超高频信号的存在时间， 因此开关柜柜体结构也存在有利于局部放电超高频检测的一面；另外，有些柜体由 接地的薄钢板分隔成若干个独立的隔室，当某个隔室内发生局部放电时，其电磁波 l o 华北电力人硕士学停论文 无法穿过隔板进入相邻隔室，在此种情况下，应考虑各个隔室内分别放置传感器来 进行局部放电的实时监测。 2 3 3 障碍物对u h f 电磁波的绕射 波的绕射( 也称衍射) 是指波在其传播路径上遇到障碍物，它能绕过障碍物的 边缘而进入几何阴影区传播的现象。当几何光学射线遇到物体的不连续性，将产生 绕射现象。绕射情况基本包括三种，即边缘绕射、尖顶绕射和表面绕射乜2 2 引。以下 对圆柱体障碍物的表面绕射予以简要介绍。 s 图2 2u h f 信号经绕组柱散射几何关系图 图2 2 中s 为放电源，丁为接收u h f 信号的传感器。局部放电电磁波在传播过 程中遇到圆柱体，u h f 信号的波数尼与柱半径口的乘积尼口 l ，圆柱体对电磁波的 散射满足几何绕射的要求。根据几何绕射理论心4 l ，表面射线在传播时不断向其切向 发出绕射射线，进入传感器的绕射波只有来自次级源s 。、s ：的两路信号，其衰减系 数与七口有关，即高频分量较低频分量衰减程度大：同时，信号随其在柱面上爬行 的距离按指数规律衰减。故进入传感器的两路绕射波信号的衰减及波形畸变均不 同。开关柜内部结构复杂，电器元件种类繁多，存在较多的边缘、表面和尖顶处， 这造成局部放电u h f 电磁波在传播过程中因发生绕射而使其能量迅速衰减。 2 4 局部放电u h f 电磁波的计算及仿真 2 4 1 电偶极子的辐射场计算 考虑垂直z 轴方向的电磁波，目= 9 0 0 ，再利用电流与电荷的关系，即，= 缈g ， 由式( 2 5 ) 得： 融簇等( 1 + 弦搿，2 k 口 ( 2 2 ) 此时场强只有z 轴方向的分量，将p 一归= c o s b 一s i n 妇代入上式，即得 华北电力人学硕十学位论文 e 2 考而丽 ( 2 - 2 2 ) 设局部放电中，放电量g 为1 0 0 p c ，为l 锄，激发的电磁波频率为lg h z ， 代入后：堕( c 为真空中光速) ，即可求解出电偶极子垂直z 轴方向的电磁波。表 c 2 一l 为计算得出的不同距离，处的场强值t ，图2 3 为场强值随距离的变化趋势图。 表2 一l 不同距离r 处的场强值e z 距离r ( m ) o 5l 234 场强e ( v m ) 4 4 22 7 21 4 81 0 17 6 3 j 秀；融鬃毛每澈i 糯j 。麓州，二j ? 铋j 磊瓣诫 逮藏。袅i 嘲餮j 矗。粕j 矗枷。节 图2 3 电场强度与距离的对应关系 2 4 2 电磁波传播过程的仿真 ，溪 i l j 2 i 等 j ；毒 ， 凑 。磁 2 4 2 1f d t d 方法的理论基础 时域有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c eo ft i m ed o m a i n ，英文缩写f d t d ) 是通过把 关心的空间域化成一定形式的网格，然后将时域微分方成用有限差分方程组代替， 把时间离散化后，加上初始条件和边界条件，即可按时间步进法求解。在次方法中， 不必求解问题的格林函数，对处理复杂问题是一种有效的方法【2 5 1 。本文采用f d t d 法对开关柜内u h f 信号的辐射和传播特性进行仿真计算。 开关柜中局部放电辐射的电磁波信号的频谱很宽，f d t d 法通过采用脉冲源做 激励，结合傅立叶变换只需通过一次计算，便可获得脉冲所包含的各种有效频率的 响应。在空间网格的某节点处，电磁场各分量在某取样时刻的值，是由该分量在同 一节点处早时刻的值和与该节点相邻的节点处其它场分量在早缸2 时刻的值计 算的。时间步进算法从入射场到达散射体表面时开始。对于导电体表明，散射场的 1 2 华北电力人学硕斗= 学位论文 切向分量是入射场切向分量的负值，而在其它任何位置均为零。 万和出的选择应满足精度要求和稳定性条件。为达到一定的精度，万应比频谱 中最高频率分量的波长还要小。又由于实际光滑的曲面边界是用阶梯状边界面近 似，也要求万尽量小。为保证按时问步进计算的稳定性，根据有限差分理论，f 必 须满足 y 一缸车 ( 2 2 3 ) 以 其中是媒质中最大波速，以为空间维数。 2 4 2 2 局部放电辐射特性的仿真 局部放电源可以用施加以高斯脉冲激励的线电流来模拟【2 6 1 ，线电流源相当于多 个元电流的串联。高斯脉冲信号的时域形式为 川) ：，。e x p ( 一塑丛)( 2 - 2 4 ) i 其中，f 为常数，决定了高斯脉冲的宽度；j 。为脉冲峰值，在f = f 。时刻，脉冲 峰值出现。本文中线电流长度设置为1 c m ，线电流源中心施加高斯电流脉冲激励， 幅值1 a ，脉冲宽度1 n s 。图2 4 为注入线电流源中心处的高斯电流脉冲，电流脉 冲的放电量可由脉冲波形在t l 、t 2 时间段内的积分确定： q = 弘( f ) 班 ( 2 2 5 ) 图2 4 高斯脉冲函数的波形 x f d t d 仿真模型：仿真计算中所用最高频率设置为3 g h z ，利用 华北电力人学硕f ：学位论文 三。= _ ( 2 2 6 ) l u ， 其中。为最大元胞的尺寸；c 为光速，3 1 0 8 m s ；厂为激励最高频率，因此 三。= 1c m c e l l 。一个完整的元胞尺寸( 网格尺寸) 为l c mx1c m 1 c m ，仿真域尺 寸为1 8 0 c e l l 1 8 0 c e l l 1 8 l c e l l ，时间步长1 9 2 6 p s ，吸收边界条件。本文采用 b e r e n g e r 完全匹配层p m l 。p m l 是一种特殊的介质层，该层的波阻抗与相邻介质波 阻抗完全匹配，因而入射波将无反射地穿过分界面而进入p m l 层。并且，由于p m l 为有耗介质，进入p m l 层的透射波将迅速衰减，所以有限几层的p m l 介质能对入射 波起到很好的吸收效果瞳引。图2 5 为线电流源辐射计算模型，取样点位于线电流 源的中垂线上，距线电流源中心不同距离处。 图2 5 线电流源辐射计算模型( y z 剖视图) 1 接收距离对u h f 信号的影响 为了验证距离对u h f 信号能量的影响，选定在线电流源中垂线上的几处接收点， 辐射场波形如图2 6 所示，表2 2 给出了不同距离处辐射场的幅值仿真结果，图2 7 为电场强度与接收距离的对应关系。 表2 2 不同接收距离处的场强值 距离r1 52 53 54 55 56 57 58 5 ( c m ) 场强e 2 6 81 7 21 2 4o 9 70 8 0o 6 80 5 80 5 2 ( v m ) 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ：!i ：、 j i ： ：6 l ： 。： ：； ! l ；! ：v 图2 6 线电流辐射场仿真波图2 7 电场强度与接收距离的对应关系 由表2 2 和图2 7 可以看出，局部放电辐射的u h f 电磁波信号在自由空间中呈 现衰减特性，随距离的增加，信号幅值越来越小。随着时间的步进，由脉冲电流产 生的辐射场由近而远向前传播。 2 脉冲宽度对辐射场强度的影响 空气中的放电脉冲宽度一般在几个n s ，因此将三种不同时间宽度的高斯电流脉 冲注入天线中心点，它们分别为o 5 n s 、3 n s 和5 n s ，三者脉冲幅值相同。线电流源 产生的辐射场波形如图2 8 所示。表2 3 给出了不同脉宽的电流脉冲辐射场的幅值 仿真结果。 1 5 1 0 5 芒 邕。 心 5 1 0 1 5 0 2 0 n4 o n6 0 n 8 0 n 图2 8 不同脉宽的辐射场波形 表2 3 幅值相同、脉宽不同的辐射场幅值 脉冲宽度( n s ) o 5o 81 62 43 辐射场幅值( v m )l o 45 72 71 81 5 由表2 3 和图2 8 可以看出，辐射场的强度随脉冲宽度的增加而以指数规律迅 华北电力人学硕士学位论文 速减小；脉冲宽度越窄，辐射高频电磁波的能力越强。也就是说，局部放电的放电 过程越快，其高频辐射能力越强。对于局部放电检测而言，放电量是绝缘诊断的重 要依据之一，脉冲宽度与真实放电量是成正比的关系，由此可以得出结论：真实放 电量小的脉冲反而能激发出较高能量的电磁波。 3 脉冲幅值对辐射场强度的影响 将三种不同幅值的高斯电流脉冲注入天线中心点，它们分别为l a 、2 a 和4 a ， 三者脉宽相同，均为0 5 n s 。线电流源产生的辐射场波形如图2 9 所示。表2 4 给 出了不同幅值的电流脉冲辐射场的幅值仿真结果。 9 0 6 0 3 0 芒 邑。 心 - 3 0 - 6 0 9 0 1 5 n2 o n2 5 n3 0 n3 5 n如 图2 9 不同脉冲电流幅值的辐射场波形 表2 4 不同电流幅值的辐射场强 l 电流脉冲幅值( a ) 12468 l 辐射场幅值( v m )1 6 53 3 06 6 09 9 o1 3 2 o 由表2 4 和图2 9 可以看出，线电流源辐射场的幅值正比于脉冲电流的幅值。 2 4 2 3 屏蔽柜体模型的仿真 为模拟高压开关柜金属柜壁及独立隔室对高频电磁波的反射和谐振作用，在前 面研究的基础上，将计算区域边界材料全部设置为钢板，导体y = 5 6 1 0 6 s m ， r = 1 。x f d t d 仿真模型：线电流长度设置为l c m ，线电流源中心施加高斯电流脉 冲激励，幅值l a ，脉冲宽度l n s 。三。= l c m c e l l ，网格尺寸为l c m 1 c m 1 c m ， 仿真域尺寸为1 2 0 c e l l 1 2 0 c e u 1 2 1 c e l l ，时间步长1 9 2 6 p s 。 仿真区域内任取一点p ( 对应网格点( 3 13 53 1 ) ) 的时域波形如图2 1 0 所示， 由于计算时间的限制，这里只给出了前1 0n s 以内的结果，表2 5 给出了不同距离 1 6 华北电力人：学硕：卜学位论文 处辐射场的幅值仿真结果，辐射场强度随距离的衰减曲线见图2 1 1 。 表2 5 不同接收距离处的场强值 距离1 5 2 02 53 03 54 04 55 06 06 5 r ( c m ) 场强 2 6 32 11 6 91 4 41 2 21 0 9o 9 70 8 86 8 1 0 86 5 x1 0 8 e ( v m ) j ；妻 a 疋。l 。处 f 。1 w lf j 7 f iii 哥。 t ? ， j ?v ， l 图2 1 0 线电流辐射场仿真波形图2 一l l 电场强度与接收距离的对应关系 线电流源辐射的电磁波呈球状扩散，到达柜壁后被反射回来，此后电磁波在柜 体内不断被反射并相互叠加，并持续振荡下去。图2 1 0 表明，由于开关柜金属柜 壁以及独立隔室金属壁的反射和谐振作用，线电流源产生的瞬态电磁波信号存在时 间大大延长了了。由表2 5 中看出，边界线上r = 6 0 c m 处和边界外r = 6 5 c m 处的场 强值均趋近于零，说明金属柜体对超高频信号具有很好的屏蔽效果，独立隔室中的 信号无法穿透金属壁进入相邻隔室。 2 5本章小结 本章在理论分析的基础上仿真研究了局部放电超高频电磁波的辐射特性及其 在高压开关