GIS中L型和T型结构对超高频电磁波传播影响的仿真研究

0 引言

气体绝缘金属开关设备（GIS）具有占地面积小、维护工作量少、安装周期短、可靠性高等优点。但由于在制造、装配过程中的工艺问题，其内部仍不可避免的存在各种缺陷。这些缺陷会导致GIS内部会发生局部放电（以下简称局放）。局放是GIS设备绝缘劣化的先兆，并能够引起绝缘的进一步劣化，最终导致绝缘击穿或沿面闪络。

GIS内部产生的局放是一系列具有极短上升时间的脉冲。就单个局放脉冲而言，其上升时间可短至1ns以下，包含从高达数GHz频率成分的能量分布［1－3］，并且在GIS中激发出超高频（UHF）频段的电磁波。针对GIS内部局放电磁波的特点，国内外普遍采用UHF法对GIS内部局放进行检测［4－9］。

GIS除了长直腔体结构外，还包括若干弯角结构，如:L型和T型分支结构。局放激励的UHF电磁波在经过弯角时，电磁波的传播会受到影响。笔者采用时域有限差分（FDTD）算法对GIS的L型分支和T型分支内UHF电磁波的传播进行仿真计算，重点研究了弯角对电磁波的时域波形和频率成分的影响。

1 电磁波在同轴波导中的传播理论

图1 GIS简化模型

单相GIS具有良好的同轴波导结构，可简化为如图1所示的结构，其中a为导体半径，b为GIS筒内径，如图1所示。

当GIS中发生局放时，PD将激发横电磁波（TEM）、横电波（TE）和横磁波（TM），它们在高于各自截至频率的频段传播。各高次模波的截至频率取决于同轴波导的尺寸和传输媒质。GIS中局放脉冲激发的电磁波是TEM，TE和TM三种波的合成，其中含有大量的高次模成分，故应对TEM，TE，TM三种形式的电磁波进行分析。

采用柱坐标来描述局放脉冲和其激发的超高频电磁波。设局放路径为起于（r1，0，0）止于（r2，0，0）的一条径向线，如图 2 所示。可得沿正Z方向传播TEM波电场和磁场分别为:

对于TE波，Ez=0，

对于TM波，Hz=0，

式（3）和式（4）中，A、B、C、D 为系数，Jn（kcr）为第一、二类贝塞尔函数。

单相GIS中E11次模的截止频率为:

式中:c为光速。

2FDTD算法

采用FDTD算法对GIS内局放激发超高频电磁波信号经L型分支的衰减特性进行仿真计算。FDTD是直接对Maxwell方程在时域和空间内进行差分以解决电磁波在介质中传播和反射问题的算法。其基本思想是:FDTD计算区域空间节点采用Yee元胞的方法，运用中心差分近似对麦克斯韦旋度方程进行离散化，并采用交错抽样进行计算。如图3所示，为在FDTD离散中反映电场和磁场各节点空间排布的Yee元胞。

图3 FDTD中的Yee元胞

图2 GIS局放路径

由图可见，每一个磁场分量由四个电场分量环绕;同样，每一个电场分量由四个磁场分量环绕。此外，计算时将电场和磁场在时间顺序上交替抽样，抽样时间间隔相差半个时间步长，使麦克斯韦旋度方程离散以后构成显式差分方程，从而可以在时间上进行迭代求解。因此，由给定电磁问题的初始值，FDTD算法就可以逐步推进地求得各个时刻空间电磁场的分布。另外，由于FDTD采用吸收边界条件的方法，使得计算可以在有限的空间范围内进行［10］，这样就可以降低程序对计算机硬件的要求

3 L型分支中电磁波传播仿真试验

3.1 仿真模型的建立

对L型分支建立如图4（a）所示仿真模型。模型分为三段，两端段长度均为1 m，内导体直径10 cm，外壳内径为50 cm。中间段为一L型分支结构，两臂长度均为1 m，并与两端段分别用一个盆式绝缘子隔开。盆式绝缘子厚度为5 cm，外径54 cm，材料介电强度ε=6。在L弯的两臂各设置一个电场探针，探针均置于Ф=0处。激励源位置以及探针编号和位置如图4（b）所示。

图4 L型分支仿真模型

模拟放电通道长度l=10 mm，模拟电流采用高斯脉冲，其表达式为:

取 t0=0.6 ns，I0=10 mA，σ =0.122，幅值为 10 mA，波形如图 5所示。

图5 激励源波形图

3.2 L型分支对电磁波电场强度和频率成分的影响

探针1、2测得的电磁波电场波形及其频谱如图6所示。

从探针1和2处所测得的波形频谱可以看出，超高频电磁波信号多集中在300 MHz～3 000 MHz频率段，探针1、2处所测得电场强度峰－峰值分别为0.34 V/m、0.16 V/m，由此可得，在上述模型中，局放电磁波信号在经过L型分支后，衰减了约6.8 dB，衰减程度较为严重。

电磁波在经过L型分支前后的电场信号增益的幅频特性如图7所示。

从图7中可以看出，在GIS腔体内，L型分支对电磁波的衰减多在300 MHz～2 000 MHz以及3 000 MHz以上频率，而对于2 000 MHz～3 000 MHz频率段的信号分量衰减较小，某些频率成分不但没有衰减，反而得到了增强。这是由电磁波在腔体中的谐振现象引起。

4 T型分支中电磁波传播仿真试验

4.1 仿真模型的建立

对T型分支建立如图8（a）所示仿真模型。模型分为四个部分。中间部分为一T形体同轴结构，其直臂长为2 m，垂直臂的长度均为1 m。T形结构的三个端部各有一个盆式绝缘子，并各向外有1 m的延伸同轴结构。整个仿真模型内导体直径10 cm，外壳内径为50 cm。盆式绝缘子厚度为5 cm，外径54 cm，介电强度ε=6。在T形结构直臂上的分支前和分支后以及垂直臂上分别设置一个电场探针，探针均置于Ф=0处。激励源位置以及探针编号和位置如图8（b）所示。

图6 各探针处电场强度的波形和频谱

图7 探针2处电场信号相对探针1处增益

图8 T型分支仿真模型

4.2 T型分支对电磁波电场强度和频率成分的影响

探针1至3测得的电磁波电场信号及其频谱如图9所示。

图9 各探针处电场强度的波形和频谱

探针1、2、3处所测得电场强度峰－峰值分别为0.33 V/m、0.28 V/m，0.14 V/m。由此可得，在上述模型中，局放所激励的电磁波信号在经过T形分支后，传播到直臂另一端的信号衰减了约1.4 dB，传播到垂直臂的信号衰减了约7.4dB。可见，电磁波经T形分支结构到垂直臂上的衰减比传播到直臂另一端上的衰减大。

电磁波在经过T型弯前后的电场信号增益的幅频特性如图10所示。

从图10中可以看出，在GIS腔体内，经过T形分支结构的电磁波信号在某些频率点上不但没有衰减，反而得到了增强。这是由电磁波在T形结构端部三个盆式绝缘子所封闭腔体中的谐振现象引起。

5 结束语

对GIS中L型和T型分支结构中电磁波的传播进行了仿真研究，分析了电磁波经过不同分支结构后电场波形和频率成分的变化，可得到以下结论:

（1）电磁波通过L型和T型分支后，电场强度的幅值均有衰减;

（2）在GIS腔体内，L型分支对电磁波的衰减集中在300 MHz～2 000 MHz以及3 000 MHz以上频率;

（3）GIS腔体内的谐振使UHF电磁波在通过L型和T型分支后某些频率成分的电场强度得到增强;

（4）电磁波通过T型分支后，信号各频率成分沿拐弯路径比沿直线路径衰减严重。

图10 T型分支前后的电场信号增益的幅频特性

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