GIS内特高频局放信号传播特性研究

杨涛+李秀卫+赵斌财

摘 要：特高频法作为一种抗电磁干扰能力突出、灵敏性高的局放检测手段，在局放测试中大量使用，研究GIS内特高频局部放电信号传播特性具有重要的工程实用意义。本文通过搭建GIS腔体FDTD仿真模型，仿真分析了特高频信号在GIS直腔体内的传播特性，研究了特高频信号在对应直腔体中的衰减特性，对现场特高频检测系统选择、阈值设定、传感器优化布置、绝缘故障诊断具有重要的意义。

关键词：GIS ；特高频；局部放电；传播特性；FDTD

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.132

0 引言

当前新建变电站多采用GIS，具有运维方便、使用寿命长等优点[1]。GIS局放检测具有一系列方法，其中UHF法具有以下优点：在特高频电磁波区段检测，从源头上避开了高频电磁及电晕干扰；能够进行故障点位置的判定，能依据相应的频谱图谱实现故障类型识别[2]。

当发生局部放电时，GIS腔体会激发产生特高频信号，其在GIS腔体中传播特性复杂[3]。加之现场设备众多，人员缺乏专业理论，对特高频信号传播特性不熟悉，这给现场特高频检测的阈值设定、传感器优化布置、绝缘诊断带来较大困难。为此，研究GIS腔体内部特高频信号的传播特征十分必要。

1 相关理论及仿真软件

1.1 时域有限差分法

1966年K.S.Yee首次提出时域有限差分法（FDTD），其直接对麦克斯韦微分方程组离散求解，能够解决宽频、瞬态电磁场及大尺寸结构仿真计算[4 ]。

FDTD差分分割采用中心差商代替微商，同时对正六面体进行空间分割。三维计算建模的时间、空间尺度应满足公式（1），方可确保系统稳定：

1.2 仿真软件

XFdtd是Remcom公司产品，它适合解决大尺寸复杂精细结构、具有强大的后处理和自定义脚本功能、能够支持多种放电信号源，为GIS的局放试验提供精准的仿真分析。

2 模型搭建

根据国网烟台供电公司万华变电站220kV GIS参数搭建了直腔体的试验模型。局放源设置在边界1m处位置。导杆设置15mm长的细线来模拟内导体上的尖端放电。搭建模型的导电杆外直径为90mm，搭建的腔体内径和外径分别为320mm、340mm，整个腔体长度为5m。

在轴向每100cm的位置设检测点，所有检测点均在腔体内壁，如图1。

局放信号可用高斯脉冲信号等效，但需满足上升时间<300ps。本文设置高斯模拟信号的脉宽为1ns，幅值10mA。高斯脉冲时域形式：

决定了高斯脉冲的宽度，时，峰值出现。图3所示时域、频域波形为1ns的高斯脉冲，上升时间约200ps。

3 传播特性仿真分析

不同检测点仿真得到的电场峰值如下表所示。

距离放电源1m和2m出检测到的电场信号如图3、图4所示。由图可知，通过仿真分析特高频信号在GIS直腔体内的传播特性，发现特高频信号在直腔体中每传播1m衰减2.2dB。

4 結论

本文根据所辖的万华站220kV GIS设备，在XFdtd软件中建立了局放直腔体仿真模型，分析了UHF信号在其中的传播特性。主要结论如下： UHF电磁波在直腔体内传播，主要激发出横电磁波。电磁信号时域峰值在腔体内传播呈衰减趋势，每传播1m大约衰减2.2dB。通过研究特高频信号的传播特性，可指导工程现场UHF检测系统选型、传感器的布局、放电强度的判断。

参考文献：

[1]董学灿.GIS变电站在线监测技术的应用[D].郑州：郑州大学，2010.

[2]段大鹏.基于UHF方法的GIS局部放电检测与仿生模式识别[D].上海：上海交通大学，2009.

[3]杨景刚，史文，黎大健.GIS直线与L型结构中电磁波传播特性的仿真研究[J].电工电能新技术，2009（v01）：51-55.endprint