GIS浇注孔的尺寸与局部放电辐射出的UHF电磁波强度的关系的研究

吴思扬 叶齐政 李兴旺 王增彬

（1. 华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074 2. 广东电网公司电力科学研究院 广州 510600）

1 引言

气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）是电力系统中的关键设备，局部放电（Partial Discharge，PD）是反映GIS绝缘性能的重要参数，它是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因[1-3]。所以检测GIS局部放电能发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取有效措施避免其发展。近年来特高频（Ultra-High-Frequency，UHF）检测法由于其灵敏度高、抗干扰能力强、能够进行故障定位以及图谱识别等优点在GIS局部放电在线检测领域得到广泛应用[4-8]。为使 GIS外壳可靠接地，并防止绝缘材料受到化学腐蚀，大多数GIS盆式绝缘子的边缘安装有金属环，金属环上有浇注孔，用来注入绝缘介质。在这种情况下，UHF电磁波只能通过浇注孔向外辐射,从而被外置式 UHF传感器所接收[9,10]。在 GIS的检测过程中还发现，实际运行中的GIS设备，不同GIS厂家的产品浇注孔尺寸不一，由于开孔尺寸对局放电磁波信号的会产生直接影响，这样就造成很难对信号进行量化评估，使得检测失效。因此深入研究浇注孔尺寸对GIS局放信号的影响，从而确定最优化的开孔尺寸是十分必要而紧迫的。

目前国内外已有一些学者对GIS上的浇注孔问题进行了研究，给出了浇注孔中UHF电磁波的传播模次及浇注孔表面电场强度的分布[11-13]等一些规

律。然而专门研究浇注孔的尺寸对UHF电磁波信号的影响方面的工作仍较少。

本文以一252kV的GIS为平台，通过多次实验，在积累大量实验数据的基础上，结合仿真计算和理论分析，重点研究了浇注孔的尺寸与其辐射出的电磁波信号强度的关系，得出的结论为GIS浇注孔的最优尺寸的选取和外置式UHF传感器的研制提供了参考。

2 金属环浇注孔结构

GIS为金属全封闭结构，在相邻两节GIS腔体之间有盆式绝缘子。目前大多数盆式绝缘子外侧都有金属环，在GIS运行过程中该金属环起到安全接地和防腐蚀、防辐射功能。金属环上开有一个小孔，如图1所示。在盆式绝缘子制造过程中用作浇注孔，向该孔内填充环氧树脂材料。浇注孔的横截面大致呈圆角矩形，金属环及浇注的尺寸因生产厂家和电压等级而有所不同。目前常见的孔尺寸为：深度（即金属环的厚度）为 25mm，长边为 45mm，短边为20mm。

图1 金属环浇注孔Fig.1 Rein sprue in the metal ring

3 实验方法和装置

笔者建立了一套252kV GIS局部放电特高频传感器检测的研究平台，如图2所示。实验主要在该三相GIS的C相上的两节气室中进行（即图2中虚线框内部分），该相的每个盆式绝缘子上均有4个不同尺寸的浇注孔沿金属环表面依次排列，尺寸分别为 15mm×45mm、15mm×55mm、15mm×75mm 和15mm×85mm。C相GIS腔体内充以0.4MPa的SF6气体，以人为安装的尖刺缺陷模型为放电源，并通过一台550kV的气体绝缘变压器向GIS供电，通过逐步升压直至产生稳定局放。尖刺模型安放在内置式1号传感器正下方的中心导体上，模型如图3所示，该模型在一定电压范围内能产生 30pC以下较为的稳定放电。

图2 252kV GIS实验平台（俯视）Fig.2 252kV GIS experiment platform (Top view)

采用英国 DMS公司生产的外置式 UHF传感器，其等效高度曲线如图4所示。由图可见传感器在 0.3～2GHz内的平均等效高度为 14.6mm，且曲线在0.3～2GHz的频段比较平坦，这样就可以保证外置传感器在浇注孔处可以有效地接收电磁波信号。

图3 尖刺放电模型Fig.3 Needle-Plane discharge model

图4 外置式传感器的等效高度曲线Fig.4 Effective height of the external UHF sensor in different frequency

实验接线图参见图 2。鉴于真实的局放不可能十分稳定，即便同一电压、同一放电量下，不同时刻的局放所激发出的电磁波信号会有差别，为了尽量减小该因素对浇注孔传播特性的实验影响，采用如下方法处理：将外置式传感器依次紧贴在1号盆式绝缘子上的四个不同尺寸的浇注孔上，同时利用内置式2号传感器作为参考传感器，对每次的测量结果进行校核。位于浇注孔表面的外置式传感器通过20dB的放大器连通高速示波器，而用于校核的2号内置式传感器则直接接到示波器。在一个较为稳定的放电量下（电压保持不变），每个浇注孔上的外置式传感器和内置式传感器都同时至少取200组数据，并对这些数据进行均值降噪处理。然后用外置式传感器所测信号的幅值除以2号内置式传感器同次所测得的信号幅值（均是处理后的数据）以表征外置式传感器接收信号的强弱。

4 实验结果

4.1 基于尖刺放电模型的实验结果

按照前述方法对测量数据进行处理，可以得到不同尺寸的浇注孔表面的传感器接收到的信号强度，以浇注孔长边长度为横轴，浇注孔表面信号强度为纵轴作出浇注孔表面信号强度随其长边长度的变化曲线，如图5所示。

图5 浇注孔表面信号强度随其长边长度变化曲线Fig.5 Signal intensity on resin sprue in different length of the long side

由图5可知，浇注孔表面信号强度随其长边的增大先增大后减小，在其长度为75mm时达到最大。且这一变化趋势与局放量以及 UHF电磁波的幅值无关。这与浇注孔尺寸越大，从其表面辐射出的UHF信号应该越强的一般认识有所出入。

4.2 基于脉冲注入法的实验结果

为了进一步验证该实验结果的准确性，增加了一组实验，即通过脉冲信号源给安装在GIS腔体内的发射天线提供激励的方法来模拟局部放电。脉冲信号源能够提供稳定的放电源，因而可以排除真实局放存在的偶然误差和随机干扰，更有利于探究UHF电磁波通过浇注孔的传播特性。实验采用1号内置传感器为发射天线，脉冲信号源输出脉冲上升时间小于0.3ns，输出电压分别取50V、75V、100V三个电压等级，在1号和2号两个绝缘子的浇注孔上安放相同的外置式UHF传感器，在每个电压等级下，每个传感器在每个浇注孔上都至少测取200组数据，并对这些数据进行均值降噪处理。以浇注孔长边长度为横轴，浇注孔表面信号幅值为纵轴作出浇注孔表面信号幅值随其长边长度的变化曲线，如图6所示。

由图6可知，1号绝缘子和2号绝缘子上的浇注孔所辐射出来的信号强度随着其长边长度的变化趋势相同，都是先随着长边长度的增加而先增大，在75mm时达到最强，而后减小。且这一变化趋势与脉冲信号源的输出幅值以及绝缘子距离局放源的远近无关。这与采用尖刺缺陷模型为放电源的实验结果相一致。2号绝缘子上的信号强度整体上要比1号绝缘子上的小，这是由于2号绝缘子离放电源较远，电磁波在传播过程中的衰减导致的。

图6 浇注孔表面信号强度随其长边变化曲线Fig.6 Signal intensity on resin sprue in different length of the long side

5 仿真计算

参照实际 GIS结构尺寸，在电磁波仿真软件XFDTD中建立模型，考虑到问题的主要关注对象，并尽量降低仿真计算对计算机的硬件要求，对模型进行了适当简化，如图7所示。模型有3节腔体，2个盆式绝缘子，每节腔体长度为1 000mm，外壳的内径为 500mm，外径为 520mm，内导体直径为120mm，盆式绝缘子直径500mm，厚50mm。两个绝缘子上均有金属环和浇注孔，孔标号为1、2，其中1号浇注孔表面平行于XOY平面，2号浇注孔表面平行于XOZ平面；每个浇注孔短边长度为15mm，深度为20mm保持不变，长边长度依次取45mm、55mm、75mm和85mm；设置模型两侧为 PML（perfectly matched layer）匹配层；外壳、内导体和金属环采用理想导体材料；绝缘子材料为环氧树脂，相对介电常数取3.8；腔体内为自由空间，相对介电常数为1。

图7 GIS浇注孔仿真模型Fig.7 Simulation model

放电源位于整个GIS中间处的内导体上，长度为10mm，方向指向Y轴正方向，波形为高斯脉冲，其时域表达式如下：

式中，0I为脉冲幅值；τ为常数，其决定了高斯脉冲的宽度；在0tt=时脉冲峰值出现。仿真中脉冲幅值取10mA，脉宽取1ns[14,15]。

以 2号绝缘子上的浇注孔为例，不同尺寸浇注孔表面的电场强度仿真结果如图8所示。

图8 不同尺寸浇注孔表面的电场强度Fig.8 Electrical field intensity on resin sprue

以浇注孔长边长度为横轴，浇注孔表面电场强度为纵轴作出浇注孔表面电场强度随其长边长度的变化曲线，如图9所示。

图9 浇注孔表面电场强度随其长边长度变化曲线Fig.9 Electrical field intensity on resin sprue in different length of the long side

由图9可以看到，浇注孔表面的电场强度先随着长边长度的增加而先增大，在75mm时达到最强，而后略有减小。这与图6中曲线的走势基本吻合，而又有一些差别：图6中长边长度为85mm时的信号强度要明显小于长边长度为 75mm时的信号强度，而图9中前者只是略小于后者。造成这种差别的原因可能如下：实验中同一绝缘子上不同尺寸的浇注孔相对于放电源的位置有所差别，而仿真计算中同一绝缘子上不同尺寸浇注孔相对于放电源的位置是不变的。

6 结论

通过本文的研究可知：随着浇注孔长边长度的增加，其表面UHF信号强度先增大后减小，在长边长度为75mm时达到最大值。由于设备条件所限，实验中所用浇注孔只有4种尺寸，因而导致文中所绘制的曲线的点数较少，一定程度上影响了曲线的准确度与结论的可信度，这一点在今后的工作中须加以克服。

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