基于fdd的開關(guān)柜內(nèi)超高頻信號(hào)分析

基于fdd的開關(guān)柜內(nèi)超高頻信號(hào)分析

0開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法局部放電（pd）是指當(dāng)電氣裝置絕緣點(diǎn)的負(fù)載足夠時(shí)，絕緣點(diǎn)的放電沒有形成完整的放電通道，即是非接觸部分電源的放電。是發(fā)生在設(shè)備絕緣體的部分地區(qū)的非晶態(tài)放電。雖然通常情況下,局部放電對(duì)絕緣本身的影響較小,但若不采取措施,局部放電會(huì)逐步發(fā)展,最終可使設(shè)備的絕緣擊穿或閃絡(luò)。除此之外,局部放電是電氣設(shè)備絕緣完整性退化的標(biāo)志,因此對(duì)局部放電監(jiān)測(cè)是電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估的重要方法之一。開關(guān)柜作為在電力系統(tǒng)中大量應(yīng)用、直接向配電網(wǎng)和用戶供電的電氣設(shè)備,其發(fā)生故障造成停電事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失非常大。而且由于開關(guān)柜內(nèi)部空間狹小、元件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣壓力大,因此它比其他電力設(shè)備更容易出現(xiàn)絕緣故障,對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行帶來巨大隱患。開關(guān)柜局部放電的檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)法、射頻檢測(cè)法、對(duì)地暫態(tài)電壓檢測(cè)法和超高頻檢測(cè)法,其中超高頻檢測(cè)法因?yàn)榫哂锌垢蓴_能力強(qiáng)、靈敏度高的特點(diǎn),因而具有較大的應(yīng)用前景。超高頻法是一種檢測(cè)局部放電所激發(fā)的超高頻電磁波的方法,但是由于開關(guān)柜內(nèi)部空間狹小,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其內(nèi)部的各種元件會(huì)對(duì)超高頻電磁波信號(hào)的傳播產(chǎn)生復(fù)雜的影響,這樣將不利于超高頻傳感器位置的確定,同樣也難以從檢測(cè)結(jié)果中提取有用的信息。因此開關(guān)柜內(nèi)部超高頻電磁波傳播特性的研究對(duì)于開關(guān)柜局部放電超高頻檢測(cè)的深入研究很有必要。文獻(xiàn)[9-15]運(yùn)用有限時(shí)域差分法對(duì)氣體絕緣組合開關(guān)(gasinsulatedswitchgear,GIS)的電磁傳播特性進(jìn)行了建模仿真研究,但由于GIS是同軸腔體結(jié)構(gòu),與開關(guān)柜柜體的結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的差別,電磁波在其中的傳播規(guī)律與開關(guān)柜中不盡相同,所以文獻(xiàn)[9-15]所得到的結(jié)論并不能完全適用于開關(guān)柜。文獻(xiàn)[16-18]對(duì)變壓器內(nèi)部的電磁傳播特性進(jìn)行了分析。不過變壓器內(nèi)部對(duì)電磁波傳播起主要影響作用的是鐵芯和繞組,而開關(guān)柜內(nèi)部的元件繁多,電磁波在其中的傳播過程中折反射情況復(fù)雜,通過變壓器模型所得到的規(guī)律并不能完全適用于開關(guān)柜。文獻(xiàn)對(duì)開關(guān)柜的暫態(tài)對(duì)地電壓的傳播特性進(jìn)行了仿真分析,文獻(xiàn)主要對(duì)放電源的幅值,脈寬及檢測(cè)點(diǎn)與放電源之間的距離對(duì)電磁波的傳播特性的影響進(jìn)行了分析,對(duì)于開關(guān)柜內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)組件對(duì)電磁波傳播的影響并未做更進(jìn)一步的研究。本文基于時(shí)域有限差分(finite-differencetimedomain,FDTD)法,對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行精確建模,研究了開關(guān)柜內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)組件對(duì)超高頻電磁波傳播特性的影響,并通過仿真和實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)于開關(guān)柜內(nèi)不同放電源下不同檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)情況進(jìn)行了分析,對(duì)開關(guān)柜內(nèi)超高頻傳感器放置位置的確定提供了理論依據(jù)。1局部放電產(chǎn)生的直流電自身和動(dòng)態(tài)環(huán)境由于伴隨局部放電產(chǎn)生脈沖電流信號(hào)的上升沿能達(dá)到ns級(jí),因此局部放電能激發(fā)出頻帶上GHz的電磁波信號(hào)。而開關(guān)柜內(nèi)部絕緣部位發(fā)生的局部放電通?？梢钥醋鍪怯梢粋€(gè)波源產(chǎn)生的,該波源產(chǎn)生的電磁波信號(hào)在介質(zhì)中以球面波的形式傳播,其電磁波信號(hào)遵循Maxwell電磁場基本方程。引入動(dòng)態(tài)相量位A和動(dòng)態(tài)標(biāo)量位φ,Maxwell方程可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)方程式中:ρ為激勵(lì)源;ε為介電常數(shù);μ為空間磁導(dǎo)率;δc為電流密度。式(1)是動(dòng)態(tài)位與激勵(lì)源ρ和電流密度δc之間的關(guān)系。考慮洛倫茲條件:式(1)可化簡為:設(shè)電荷的分布空間為V,考慮體積V中所有電荷的作用則可以得到式(4)的解為式(5)說明,局部放電所產(chǎn)生的電磁波信號(hào)是以速度v沿r方向傳播的,它是時(shí)間t和位移的函數(shù)。開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其傳播模式除了有橫電磁波(TEM),即電場和磁場都垂直于傳播方向平面的電磁波外,還有橫電波(TE)和橫磁波(TM),這2種模型的波的電場方向和磁場方向分別垂直于電磁波傳播方向。2不同的因素對(duì)放電傳播的影響開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,組件繁多,不同的組件因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和材質(zhì)的不同對(duì)電磁波傳播的影響也不同。為此,本文分別對(duì)電流互感器(currenttransformer,TA)、斷路器、絕緣子和母線對(duì)電磁波傳播的影響進(jìn)行了仿真分析。2.1網(wǎng)格尺寸及模型邊界本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的開關(guān)柜進(jìn)行精確1:1建模,該固定式開關(guān)柜尺寸為1110mm×1250mm×2620mm,模型如圖1所示。圖中O1~O6表示放電點(diǎn);A~K表示檢測(cè)點(diǎn)。該模型包括了開關(guān)柜柜體、隔板、電流傳感器、斷路器、絕緣子、套管和母線等部件。該模型各部分材料參數(shù)見表1。FDTD是一種基于網(wǎng)格剖分的分析方法,剖分網(wǎng)格尺寸越小,分析結(jié)果越精確,但隨之運(yùn)算量也越大,運(yùn)算也越復(fù)雜,對(duì)運(yùn)算所用計(jì)算機(jī)的性能要求也越高。因此需選擇合理的剖分網(wǎng)格尺寸,使得即滿足于精度的要求,又具有合理運(yùn)算量,網(wǎng)格尺寸的最大值由式(6)確定如下式中:Lmax為網(wǎng)格尺寸最大值;c為光速;f為激勵(lì)最高頻率。超高頻法的分析頻帶為300MHz~3GHz,設(shè)定仿真最高分析頻率為3GHz,由式(6)可得Lmax=10mm,本文的仿真模型采用均勻網(wǎng)格剖分,因此3個(gè)方向的計(jì)算步長均為10mm。模型邊界采用完全匹配層(perfectlymatchedlayer,PML)。當(dāng)確定網(wǎng)格尺寸為10mm后可得仿真的時(shí)間步長為19.26ps。本文選擇Gaussian電流脈沖模擬局部放電源,其時(shí)域表達(dá)式為式中:τ為常數(shù),決定了Gaussian脈沖波形的脈寬;I0為Gaussian脈沖的幅值;t為脈沖波形時(shí)間;t0為脈沖峰值出現(xiàn)的時(shí)間值。本文中Gaussian脈沖的幅值為1A,脈寬為616ps,對(duì)該電流脈沖波形進(jìn)行積分,得到放電脈沖的放電量為359.6pC。2.2ta的光譜特性TA中有鐵芯、繞組等部件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其尺寸在開關(guān)柜中部件中相對(duì)較大,而且A、B、C3相均有TA,故開關(guān)柜中TA對(duì)電磁波傳播影響極大。本文在仿真模型中TA上端的絕緣子表面放置放電源,在TA相對(duì)于放電源的近、遠(yuǎn)端分別設(shè)置50Ω的檢測(cè)探針,進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)比2個(gè)檢測(cè)探針的結(jié)果,得出TA對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律。圖2(a)和圖2(b)分別是有TA遠(yuǎn)端和近端的探針檢測(cè)到的時(shí)域波形和頻譜圖,其中頻譜圖中的基準(zhǔn)值為1mW(下同)。由時(shí)域波形圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)電磁波通過TA后,波形幅值出現(xiàn)嚴(yán)重衰減,幅值衰減了6dB左右。而且可以看出電磁波通過TA的過程中,當(dāng)波形出現(xiàn)1個(gè)峰值后,幅值迅速衰減20dB以上。由頻譜圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):TA對(duì)于電磁波的低頻分量(頻率<1.5GHz,下同)衰減較劇烈,高頻分量(頻率>1.5GHz,下同)幾乎沒有改變。由以上仿真分析可以得出,TA對(duì)電磁波信號(hào)有較強(qiáng)的衰減作用,會(huì)嚴(yán)重影響到天線對(duì)局放的檢測(cè)效果。超高頻傳感器的安裝位置應(yīng)該避開TA附近的區(qū)域。2.3hp-2波長電壓和頻率對(duì)信號(hào)的影響斷路器是開關(guān)柜中最重要的部件,通常位于開關(guān)柜中的斷路器室。本文仿真模型中的斷路器為真空斷路器,外部由絕緣瓷瓶包裹,絕緣瓷瓶內(nèi)部有金屬屏蔽層,用以阻止斷路器觸頭電弧的發(fā)展。本文在斷路器支撐絕緣子表面放置放電源,在斷路器相對(duì)于放電源的遠(yuǎn)、近端分別安裝50Ω的檢測(cè)探針,進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)比2個(gè)檢測(cè)探針的結(jié)果,得出斷路器對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律。圖3(a)和圖3(b)分別是斷路器遠(yuǎn)端和近端的探針檢測(cè)到的時(shí)域波形和頻譜圖。由時(shí)域波形圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn),斷路器對(duì)電磁波幅值的衰減不大,電磁波經(jīng)過斷路器后波形幅值僅衰減了0.9dB。這是由于斷路器瓷瓶內(nèi)部有一層金屬屏蔽層,電磁波在進(jìn)入瓷瓶時(shí)會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)不同發(fā)生折反射,使得波形有一定的衰減。而電磁波不能穿過金屬,只能繞過該屏蔽層進(jìn)行傳播,發(fā)生衍射,弱化了之前折反射造成的衰減效果,使得電磁波只出現(xiàn)了較小幅度的衰減。另一方面,由于瓷瓶的存在,會(huì)使得波形發(fā)生一定的畸變。對(duì)比頻譜圖可發(fā)現(xiàn),斷路器對(duì)電磁波頻譜影響有限,僅對(duì)高頻分量有一定的衰減。由以上仿真結(jié)果可以得出,斷路器對(duì)電磁波傳播的影響有限,在安裝超高頻傳感器時(shí),不必刻意避開斷路器附近的區(qū)域。2.4不同探針對(duì)sa-pcr的影響絕緣子在開關(guān)柜內(nèi)主要用于支撐母線或斷路器,在開關(guān)柜內(nèi)部絕緣子的數(shù)量較多,分布較廣,電磁波在開關(guān)柜內(nèi)部傳播將無可避免地會(huì)傳播至絕緣子附近區(qū)域,所以研究絕緣子對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律十分必要,本文在斷路器支撐絕緣子表面放置放電源,在TA上端絕緣子相對(duì)于放電源的遠(yuǎn)、近端分別安裝50Ω的檢測(cè)探針,進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)比2個(gè)檢測(cè)探針的結(jié)果,得出絕緣子對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律。圖4(a)和圖4(b)分別是有絕緣子遠(yuǎn)端和近端探針檢測(cè)到的時(shí)域波形和頻譜圖。由時(shí)域波形圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn),電磁波信號(hào)在經(jīng)過絕緣子后的衰減較小,幅值幾乎沒有改變。不過電磁波波形會(huì)有明顯畸變。而對(duì)比頻譜圖可以發(fā)現(xiàn),絕緣子會(huì)對(duì)削弱電磁波信號(hào)的低頻分量。由以上仿真結(jié)果可以得出,絕緣子對(duì)電磁波傳播的影響較小,不過絕緣子的存在會(huì)畸變波形,對(duì)信號(hào)的識(shí)別產(chǎn)生一定的影響。2.5影響信號(hào)的仿真計(jì)算母線在開關(guān)柜內(nèi)分布較廣,而且材料為金屬,對(duì)開關(guān)柜內(nèi)電磁波傳播的影響不容忽視。本文在TA上端絕緣子表面放置放電源,在TA下端連接母線相對(duì)于放電源的遠(yuǎn)、近端分別安裝50Ω的檢測(cè)探針,進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)比2個(gè)檢測(cè)探針的結(jié)果,得出母線對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律。圖5(a)和圖5(b)分別是有母線和沒有母線的情況下探針檢測(cè)到的時(shí)域波形和頻譜圖。由時(shí)域波形圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn),母線對(duì)于電磁波信號(hào)的衰減作用較強(qiáng),信號(hào)幅值衰減了3.5dB左右,這可能是由于電磁波在傳播過程中碰到導(dǎo)體平面后發(fā)生了反射損耗。從頻譜圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),有母線的情況下,電磁波會(huì)抑制高頻分量的電磁波,會(huì)減少高頻分量在頻譜上的分布。通過以上仿真結(jié)果可以得出,母線會(huì)衰減電磁波波形幅值,不利于傳感器對(duì)電磁波信號(hào)的接收,所以超高頻天線的安裝位置應(yīng)當(dāng)盡量避開母線附近的區(qū)域。3開關(guān)柜內(nèi)部諧波的傳播特性由2.2~2.5節(jié)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),開關(guān)柜內(nèi)部的各種部件對(duì)電磁波傳播的影響各不相同,而且相互的影響并不是簡單地疊加,對(duì)于開關(guān)柜內(nèi)部電磁波的傳播特性的研究必須將所有部件綜合考慮。超高頻傳感器作為超高頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,其安裝位置對(duì)于監(jiān)測(cè)效果的影響較大,本節(jié)通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部超高頻傳感器最佳安裝位置的確定進(jìn)行了研究。3.1檢測(cè)結(jié)果分析本文根據(jù)2.2~2.5節(jié)仿真結(jié)果,在仿真模型中設(shè)置不同的檢測(cè)點(diǎn),再根據(jù)文獻(xiàn)中開關(guān)柜中最常見的放電類型及放電部位設(shè)置不同的放電源,通過對(duì)比在不同的放電源下,各檢測(cè)點(diǎn)的波形幅值的強(qiáng)弱情況,確定開關(guān)柜中最佳檢測(cè)點(diǎn),即超高頻傳感器的最佳安裝位置。放電點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的位置如圖1所示,坐標(biāo)位置如表2所示。放電源的參數(shù)設(shè)置同2.1節(jié),各檢測(cè)點(diǎn)場強(qiáng)幅值如表3所示。為便于比較各檢測(cè)點(diǎn)場強(qiáng)幅值的相對(duì)大小,將每種放電點(diǎn)各檢測(cè)點(diǎn)場強(qiáng)幅值分別除以每種放電情況下場強(qiáng)幅值的最大值,進(jìn)行歸一化處理。接著將歸一化處理后的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在不同放電點(diǎn)下的場強(qiáng)幅值求和,并求出每個(gè)點(diǎn)在不同放電情況下幅值的方差。場強(qiáng)幅值的和表明該點(diǎn)總體的檢測(cè)效果,場強(qiáng)幅值越大,效果越好;方差表明該點(diǎn)對(duì)不同放電情況檢測(cè)結(jié)果的波形性,方差值越小,波動(dòng)性越低,結(jié)果如表4所示。由表4可以看出,各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在不同放電點(diǎn)下的檢測(cè)性能不同,這與放電點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)間的距離及放電點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)之間有無遮擋物有關(guān)。綜合考慮總體檢測(cè)效果和對(duì)各放電點(diǎn)檢測(cè)情況的波動(dòng)性,總體來說,位于前柜底板右側(cè)的C點(diǎn)和位于前柜門右下側(cè)的I點(diǎn)具有較好的監(jiān)測(cè)效果。從實(shí)際安裝的角度出發(fā),I點(diǎn)距離TA的距離較近,安裝后可能會(huì)引入新的絕緣隱患,而且I點(diǎn)位于前柜門上,相對(duì)底板來說固定傳感器較難。而C點(diǎn)位于前柜底板,距離開關(guān)柜內(nèi)部的各種部件較遠(yuǎn),而且底板上比較容易固定傳感器。所以綜合考慮,C點(diǎn)為本開關(guān)柜局部放電超高頻監(jiān)測(cè)傳感器的最佳安裝位置。3.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法由表4中數(shù)據(jù)可以看出,在同一個(gè)平面上各檢測(cè)點(diǎn)的場強(qiáng)幅值相差很小。因此,重復(fù)驗(yàn)證每個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)波形情況意義不大。基于此,本文根據(jù)表4中各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)總體檢測(cè)效果和檢測(cè)波動(dòng)性,在每個(gè)面上選取1個(gè)檢測(cè)效果最好的點(diǎn)作為試驗(yàn)驗(yàn)證點(diǎn),即點(diǎn)C、F、I、K(表4中灰色區(qū)域的檢測(cè)點(diǎn))。試驗(yàn)接線圖如圖6所示。圖中,Cx放電缺陷模型分別采用與仿真對(duì)應(yīng)的絕緣內(nèi)置內(nèi)部氣隙放電模型、沿面放電模型、針板放電模型和懸浮微粒放電模型,超高頻天線傳感器頻帶為400MHz~2GHz,平均增益為2dB,數(shù)字示波器型號(hào)為TektronixTDS7104,帶寬1GHz,每個(gè)通道最高采樣頻率20GHz。每次試驗(yàn)時(shí),保持同種放電點(diǎn)下的加壓值和放電量(由脈沖電流法所測(cè)得波形幅值控制)一致,且加壓3min后開始采集數(shù)據(jù),每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在每種放電下采集3次數(shù)據(jù),算出平均值作為最終結(jié)果。將各檢測(cè)點(diǎn)天線傳感器波形幅值按3.1節(jié)進(jìn)行歸一化處理,與3.1節(jié)仿真結(jié)果對(duì)比如圖7(a)~(d)所示:在放電點(diǎn)為斷路器懸浮微粒放電O3的情況下,各點(diǎn)的試驗(yàn)值均與仿真值有偏差,這是由于懸浮微粒放電為不穩(wěn)定放電,在電場作用下,金屬微粒會(huì)產(chǎn)生位移,這樣放電強(qiáng)度隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化,無法保證每次試驗(yàn)放電情況完全一致。總體來說,由于試驗(yàn)具有隨機(jī)性,加上局部放電也具有隨機(jī)性,某些放電源下的仿真值和試驗(yàn)值有所誤