GIS金属法兰孔特高频信号传播特性研究与外置式发射天线开发

在未安装内置式特高频(ultra-high-frequency,UHF)传感器的情况下,如何向气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)内部注入UHF电磁波标定信号是目前开展GIS局部放电UHF在线监测系统灵敏度现场校验时面临的关键问题之一。提出了GIS外置式UHF电磁波发射方法,即通过盆式绝缘子金属法兰小孔注入标定信号。通过仿真和理论分析研究了UHF电磁波经过小孔时的传播模式和电场结构,通过加脊降低了矩形波导天线的下限截止频率,研制了双脊波导发射天线,在GIS设备上检验了该发射方法及装置的应用效果。研究表明,UHF电磁波以TE10波型为主模经过小孔传播,双脊波导天线的下限截止频率降到了300 MHz,通过它能够向GIS内部发射300MHz 1.5GHz的UHF标定信号。GIS体外式UHF标定信号注入方法可以为GIS局部放电UHF检测仪器现场灵敏度校验提供标定信号源。     

GIS中典型局放缺陷的UHF信号与放电量的相关分析

超高频(UHF)信号与放电量的关系是局部放电UHF检测研究的难点问题,为了解GIS局部放电UHF法的检测结果与脉冲电流法的参量之间的关系,通过4种典型缺陷的局部放电模型的实验研究,比较了UHF信号的能量、二次积分、峰值电压、峰峰值、波面积等参量与放电量及放电量平方之间的联系。研究表明,UHF信号能量与其放电量平方的线性关系均具有最高的可决系数,即UHF信号能量与放电量平方之间存在线性关系;得到了UHF信号能量与其放电量之间的最佳回归曲线。研究结果对用超高频法定量检测电力设备局部放电具有重要的参考价值和指导作用。     

1100kV GIS设备特高频(UHF)法测量局部放电的应用研究

以交流特高压变电站1100kV GIS设备特高频(UHF)法测量局部放电的应用实例为基础,介绍了用特高频(UHF)法测量GIS局部放电的原理以及内部传感器的构造。通过特高频(UHF)法和常规脉冲电流法同步测量,找出特高频(UHF)信号和视在电荷之间相互关系,结合工厂内的试验数据,得到UHF信号的衰减值,以便现场就可以直接观察出局部放电的电荷量。     

局部放电电磁波在GIS中的衰减特性

局部放电电磁波信号在气体绝缘开关设备(GIS)中传播时受GIS结构影响而产生衰减变化,使得难以从超高频(UHF)检测信号实现对局部放电源信号的有效评估。为分析GIS不同结构部件对电磁波信号的影响,本文采用时域有限差分(FDTD)法对GIS中局部放电电磁波的衰减特性进行建模分析,研究了电磁波信号在GIS中不同部件传播时幅值、能量等参数的变化特性。对局部放电电磁波信号经过绝缘子前后的变化进行试验研究,验证了仿真分析的有效性。研究结果表明,电磁波信号在同轴波导中传播时信号能量衰减很小,但是由于高次模波的色散效应使得信号幅值发生较大程度的减弱;邻近局部放电源的绝缘子对于电磁波信号的衰减作用比其他绝缘子更大;经过L分支的电磁波信号能量衰减和幅值降低程度均较大,但其横电磁波(TEM)分量衰减很小;电磁波经过T分支的垂直部分比直线部分衰减更为严重。     

用于GIS局部放电的树状分形超宽带天线

为检测气体绝缘开关设备(GIS)局部放电的超高频(UHF)信号,基于分形技术设计了一种超宽带小型天线。对天线的几何参数进行了优化仿真。该天线的回波损耗(S11)小于10 dB带宽为0.5~1.5 GHz(相对带宽为100%),在频带内方向性良好,能够实现全向辐射;天线具有较高增益,在0.5~1 GHz频带内方向图主瓣增益为2~4 dB;天线尺寸较小,实际尺寸为200、160、1.6 mm。搭建了模拟局部放电的实验平台,对研制的天线进行测试,结果表明,基于树状分形超宽带天线的UHF局放检测系统抗干扰能力强,可用于GIS现场局部放电检测。     

GIS中电磁波传播特性的仿真研究

为研究UHF信号在GIS中的传播特性,采用时域有限差分法进行了仿真建模和计算。GIS内部的局部放电会在腔体中激励超高频(UHF)电磁波信号,UHF法是通过对局部放电时产生的超高频电磁波信号进行检测,获得局部放电信号的有关信息以实现对设备的绝缘状态诊断和评估。UHF法抗干扰能力较强、灵敏度高。仿真结果表明,UHF信号在GIS内传播时呈现明显的时延特性,有利于局放源的定位;UHF信号的强弱和检测点与局放源的夹角Φ有关,Φ=0°和180°时信号的能量最大;局放脉冲越陡,在GIS腔体中激励的高次模波分量越大。     

L型及T型气体绝缘开关模型中电磁波传播特性的仿真研究

采用有限时域差分方法对L型及T型气体绝缘开关(gas-insulated switchgear,GIS)模型中电磁波的传播特性进行仿真计算,分析L型及T型结构GIS中电磁波的分布及其对自身传播特性的影响。研究表明,受速率色散特性的影响,在GIS腔体的直线部分,随着接收点远离激励源,接收电磁波信号的峰-峰值呈衰减分布,但总体能量变化不大。对于L型及T型结构的GIS,在经过L型及T型结构后,信号能量衰减很大。信号频域分析表明,在0°方向存在横电磁波和横电波的11型模波TE11、21型模波TE21和31型模波TE31等高次模波,而在90°方向只存在横电磁波和T21型模波,且信号频率分量的不同导致在不同接收方向上信号能量的分布也会有差异。     

GIS盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究

随着带屏蔽环式盆式绝缘子的大量应用以及设备尺寸的不断小型化,气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)局部放电特高频法(ultra-high frequency method,UHF)传感器的使用受到了极大限制,局部放电UHF检测日渐困难。针对该问题,以盆式绝缘子均压环作为UHF天线,测试环形天线(盆式绝缘子均压环)接收特性与局部放电视在放电量、传感器位置、传感器接地方式等因素的关系,并比较分析了各种UHF传感器的频率响应特性。结论认为,GIS盆式绝缘子均压环具有良好的UHF接收性能,用其作为UHF天线进行GIS内局部放电测试是可行的。     

利用气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部均压屏蔽环诊断局部放电研究

为发展气体绝缘组合电器(GIS)局部放电的检测与诊断方法,提出利用盆式绝缘子的内部均压屏蔽环作为诊断GIS局部放电的一种新型超高频(UHF)传感器。采用时域有限差分(FDTD)法仿真研究了局放UHF信号传播的主要波导模式和内部均压屏蔽环作为UHF传感器的频率响应特性,进而开展了该新型传感器诊断3种典型绝缘缺陷的试验研究,并与商用UHF传感器的检测特性进行了比较。仿真结果表明:模型GIS的横电磁(TEM)模式分量最大、TE11其次,高次波导模式的截止频率主要分布在250 MHz~1 GHz附近;在3 GHz范围内,均压屏蔽环的共振频率点比较丰富,140 MHz左右存在1个最大谐振点。试验结果表明:该新型传感器的灵敏度明显高于外置式传感器,略低于内置式传感器;高压尖端和悬浮电位缺陷的主要频谱分布1.5 GHz,与主要波导模式的截止频率仿真相符;均压屏蔽环UHF信号的最大共振频率约为115 MHz,与仿真值140 MHz相近。     

GIS中电磁波传播特性的试验研究

GIS内部的局部放电会在腔体中激励超高频（UHF）电磁波信号,局部放电信号可通过超高频传感器进行检测。为研究UHF信号在GIS中的传播特性,在GIS内设置了导体尖端和悬浮电位放电模型,内置式传感器的信号与用示波器在盆式绝缘子浇注孔测试到的UHF信号进行比较。试验结果表明,UHF信号在GIS内有一定的衰减,外置式传感器测得的信号比内置式的衰减大。