GIS金属环小孔外UHF信号特征的研究

陈金法，胡文堂，徐 华，郑书生，詹花茂

(1.国网浙江省电力公司 电力科学研究院，浙江 杭州310014;2.华北电力大学 高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京102206;3.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京102206)

0 引 言

近年来气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switch gear，GIS)局部放电特高频(Ultra High Frequency，UHF)检测技术在我国得到了大力发展和广泛应用［1～3］。利用此技术多次发现了GIS 内部的绝缘缺陷，避免了GIS 绝缘事故的发生，为保证电力系统的安全可靠运行做出了巨大贡献。鉴于此，我国电力系统将全面推广应用GIS 局部放电UHF 检测技术。

在UHF 检测技术中，采用安装在GIS 设备上的UHF 传感器及信号采集与处理器检测局部放电辐射出的电磁波信号。目前UHF 传感器的安装方式主要有两种，即:内置式、外置式。所谓内置式，就是在GIS 腔壁上开孔，然后将传感器安装在此孔内。局部放电UHF 电磁波在GIS 内部传播，经过安装孔时可被内置UHF 传感器接收［4～6］。在外置式安装方式中，UHF 传感器放置在GIS 盆式绝缘子外表面，其接收面朝向GIS 设备内部。UHF 电磁波经绝缘子时通过绝缘材料向外辐射，从而被外置式UHF 传感器所接收［7］。内置式UHF 传感器的检测灵敏度高于外置式。由于UHF检测技术是一项新兴技术，目前运行中的GIS 设备上大部分未安装UHF 传感器。若对其安装内置式传感器，其改造成本高，而且改造工艺不良可能给GIS 带来安全隐患。虽然外置式检测方法灵敏度相对较低，但是安装简便，不影响GIS 设备的安全可靠运行。因此，目前主要采用外置式UHF传感器安装方法。

为了使GIS 外壳可靠接地，并防止绝缘材料受到紫外线辐射或化学腐蚀，大多数GIS 盆式绝缘子的边缘有金属环，金属环上有一个小孔，该孔被环氧树脂材料填充。在此情况下，UHF 电磁波只能通过金属环小孔向外辐射。小孔尺寸较小，这将限制UHF 电磁波的传播，造成UHF 信号的衰减。利用现有的UHF 检测系统对其进行检测显然是不够的。为了提高外置式UHF 检测系统的灵敏度，必须对UHF 电磁波通过金属环小孔的传播特性进行深入研究。

目前国内外对UHF 电磁波在GIS 设备内部的传播过程开展了大量的研究工作［8～12］，给出了UHF 电磁波在GIS 内部传播模式、UHF 信号的频谱特征、以及UHF 信号经过典型结构和部件的衰减规律，为UHF 检测和传感器布置提供了重要依据。但是对于UHF 电磁波通过金属环小孔的传播过程的研究工作未见报道。

为了研究UHF 电磁波经过金属环小孔的传播特性，本文首先根据导行电磁波理论分析了UHF 信号通过小孔传播的电磁场结构和截止频率;然后基于时域有限差分法仿真了UHF 信号的传播过程，分析了UHF 电磁波经过小孔传播出来后的电场强度的方向性和频谱特性。

1 UHF 电磁波传播特性理论分析

1.1 金属环小孔结构

在相邻两节GIS 腔体之间有盆式绝缘子，目前多数盆式绝缘子外侧都有金属环，如图1 所示。该金属环在GIS 运行过程中起到安全接地和防腐蚀、防辐射功能。在金属环上有一个小孔，如图2所示。在盆式绝缘子制造过程中用作浇注孔，该孔内由环氧树脂材料填充。金属环小孔的横截面大致呈圆角矩形。常见的小孔尺寸为:深(即金属环的厚度(t)25 mm，长(a)45 mm，宽(b)20 mm。

图1 盆式绝缘子与金属环Fig.1 Basin-type insulator and mental ring

图2 金属环小孔Fig.2 Hole in the ring

1.2 理想矩形波导结构

金属环小孔的截面接近于矩形，因此可以尝试用矩形波导理论对UHF 电磁波在其中传播时的电磁场结构进行分析。根据导行电磁波理论［13］，理想的矩形波导由无限长的直角矩形横截面的金属管构成，波导内壁为理想导体，波导内充满了均匀、线性、各向同性的理想介质。如图3 所示。

图3 矩形波导示意图Fig.3 Rectangle waveguide

在图3 中建立三维空间直角坐标系，以矩形波导侧棱上的一点为坐标原点，X 方向与矩形波导横截面的长边平行，Y 方向与横截面的短边平行，Z 轴与矩形波导的长度方向平行。

1.3 矩形波导内电磁波的传播特性

矩形波导属于空心金属波导，在其中只存在TE 模和TM 模。对于TE 模，矩形波导中能够存在TEm0，TE0n，TEmn模，阶数m，n 为正整数。其中TE10模是最低次模，其余为高次模。对于TM 模，矩形波导中只能够存在TMmn模，阶数m，n 为正整数。其中TM11模是最低次模，其余为高次模。

对于阶数为m，n 的TE 模和TM 模的截止频率为

式中:m，n 为模阶数;a，b 为矩形波导横截面的长和宽;m，e 为矩形波导内填充材料的磁导率和介电常数。金属环小孔内浇注的绝缘材料的相对磁导率约为1.0，相对介电常数约为3.8［12］。为了说明矩形波导中电磁波的截止频率及电磁场结构，表1 以从小到大的排列方式给出了与金属环小孔横截面规格尺寸接近的矩形波导的前几个截止频率值及其对应的模式名称。

表1 矩形波导的截止频率Tab.1 Cut off frequency in rectangle waveguide

GIS 局部放电UHF 信号的能量主要分布在300 MHz ～2 GHz 频率范围内［12］。在表1 中，截止频率fc在此频率范围内的只有TE10模。因此，局部放电UHF 信号只能以TE10模式在此矩形波导内传播，其截止频率为:1.71 GHz。

在矩形波导中TE10模的电磁场结构图如图4所示。其中实线代表电力线，虚线代表磁力线。可见，电场方向都与Y 轴平行，自中间向两边电力线逐渐变稀，电场强度逐渐减弱。磁场方向都与X 轴方向平行，呈均匀分布状态。

由此可以预见，局部放电UHF 电磁波以TE10模为主模向外传播。在此情况下，其电场强度方向与小孔的短边方向平行。

图4 矩形波导TE10模的电磁场结构Fig.4 Electromagnetic field structure of TE10 model in rectangle waveguide

然而，金属环小孔的结构与理想矩形波导存在一定差异，其主要差别在于小孔的深度较小。常见的小孔的深度(即金属环的径向厚度)仅为25 mm。因此UHF 电磁波通过小孔的传播特性与矩形波导可能存在一定的差异。为了进一步研究UHF 电磁波通过小孔的传播特性，下面进行仿真分析。

2 UHF 电磁波传播特性的仿真分析

2.1 仿真方法与软件

时域有限差分(finite-difference-time-domain，简称FDTD)方法是局部放电电磁波传播过程仿真分析中常用的方法。此方法在时间和空间域中对Maxwell 旋度方程的有限差分离散化，以具有两阶精度的中心有限差分格式来近似地代替原来微分形式的方程，采用Yee 提出在空间和时间都差半个步长的网格结构，通过类似蛙步跳跃式的步骤用前一时刻的磁、电场值得到当前时刻的电、磁场值，并在每一时刻上将此过程算遍整个空间，于是可得到整个空间域中随时间变化的电、磁场值的解。

XFDTD 软件是Remcom 公司开发的基于FDTD 方法的全波三维电磁场仿真软件，可以将电磁波的时域特性直接反映出来，给出非常丰富的电磁场问题的时域信息，用清晰的图像描述复杂的物理过程。

2.2 GIS 金属环小孔仿真模型

参照某厂家生产的126 kV 三相共体GIS 母线的规格尺寸，利用XFDTD 建模，如图5 所示。该模型包含6 节腔体，编号为:I，II，…，VI;5 个盆式绝缘子，编号为:1，2，…，5。在盆子外侧设施金属环及小孔，金属环小孔尺寸为45 mm×20 mm。腔体内径640 mm，腔体壁厚10 mm，导杆直径为86 mm，盆式绝缘子直径为750 mm，厚50 mm。在3号、5 号两个盆子金属环小孔的外表面中心处设置观测点。

图5 GIS 金属环小孔仿真模型Fig.5 Simulation model of little hole in mental ring of GIS

采用脉冲电流源作为UHF 电磁波激励源。将其布置在高压导杆上，平行于Z 轴方向，如图5(b)所示。电流源的长度为10 mm，波形为高斯脉冲，其时域形式如式(2)所示:

式中:I0为脉冲幅值;τ 为常数，决定了高斯脉冲的宽度。在t=t0时脉冲峰值出现。仿真中，脉冲幅值取10 mA;脉宽取1 ns。

模型侧面为PML(perfectly matched layer)匹配层。仿真模型中腔体、高压导体和金属法兰采用理想导体材料(PEC)，盘式绝缘子主要材料为环氧树脂，其介电常数取3.8，瓷套管介电常数取6.0。仿真计算中所用最高频率(f)设置为6 GHz，利用下式确定胞元尺寸:

式中:Lmax为最大胞元的尺寸;c 为光速，即3 ×108m/s;f 为激励最高频率。因此，最大胞元尺寸Lmax为5 mm。一个完整的胞元尺寸为5 ×5 ×5 mm3，剖分所需内存大小为2 GB。

2.3 金属环小孔处UHF 信号分析

2.3.1 电场结构

选择3，5 号盆式绝缘子的小孔处的电场强度作为分析对象。3 号小孔的横截面与XOY 平面平行，小孔的短边平行于Y 轴;而5 号小孔的横截面与XOZ 平面平行，小孔的短边方向平行于Z 轴。在3 号和5 号绝缘子金属环小孔处观测到的沿X，Y，Z 3 个方向的电场强度幅值随时间变化的曲线如图6，7 所示。读取各个波形的峰峰值，列入表2 中。

图6 3 号绝缘子金属环小孔处的电场强度Fig.6 Electric field intensity on the hole of No.3 insulator ring

图7 5 号绝缘子金属环小孔处的电场强度Fig.7 Electric field intensity on the hole of No.5 insulator ring

表2 绝缘子金属环小孔处的电场强度峰峰值Table 2 Peak to peak value of Electric field intensity on the hole of insulator ring

在3 号绝缘子小孔处，沿小孔短边方向的电场强度Ey 幅值最高;沿小孔长边方向的电场强度Ex 幅值最低，仅相当于Ey 的2.5 %;而沿小孔深度方向的电场强度Ez 幅值居中，相当于Ey 的26 %。

在5 号绝缘子小孔处，沿小孔短边方向的电场强度Ez 幅值最高;沿小孔长边方向的电场强度Ex 和沿小孔深度方向的电场强度Ey 幅值都很低，仅相当于Ez 的2.1 %和3.5 %。

上述分析表明，无论小孔与放电源的相对位置关系如何布置，沿小孔短边方向的电场强度都远高于长边方向和深度方向。这与矩形波导中TE10模的电场结构是一致的。

2.3.2 频谱分析

为了给外置式UHF 检测系统的改进提供指导，下面分析小孔处的UHF 信号的频谱分布。由于沿小孔短边方向的电场强度最强，只需要分析该场强信号的频谱分布。3 号绝缘子小孔的短边方向电场强度Ey 的频谱分布如图8 所示。可见，在0.5 ～2.4 GHz 频率范围内有能量分布，1.2 ～1.6 GHz 为能量集中的频段。

图8 3 号小孔处的Ey 的频谱图Fig.8 Frequency spectrum of Ey on the No.3 hole

在表1 中，矩形波导基次模波TE10模的截止频率为1.71 GHz，这上述仿真得到的频谱分布相差较大。这是由于金属环小孔的深度(即金属环厚度)较小，低频成分未完全衰减引起的。UHF带电检测系统的工作频带应集中在1.2 ～1.6 GHz。

3 结 论

通过本文研究得出结论如下:

(1)UHF 电磁波通过GIS 盆式绝缘子金属环小孔的传播特性与矩形波导内的TE10模相似，其电场方向与小孔短边方向平行。

(2)经过小孔传播出来的UHF 信号的频带主要集中在1.2 ～1.6 GHz。

鉴于此用于金属环小孔的对外置式UHF 检测系统提出改进建议:UHF 检测系统的工作频带应选择1.2 ～1.6 GHz。

为了进一步完善外置式UHF 检测技术，下一步将在实际GIS 设备上开展局部放电试验，测量各典型局部放电UHF 信号经过小孔的传播特性，并研究这种小孔式检测方法对各种局部放电缺陷的检测灵敏度。

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