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。     

外置式UHF校验信号注入方法的可行性研究

在内置式特高频(ultra-high-frequency,UHF)传感器配置不足的情况下,如何向GIS设备内部注入UHF校验信号是GIS局部放电UHF检测系统灵敏度现场校验中的关键问题之一。文中提出金属法兰孔式UHF校验信号注入方法,并研究其可行性,依据工程电磁兼容原理阐述了电磁波经过小孔后的衰减特性。建立了基于252 kV GIS设备的局部放电UHF信号测试平台,在靠近出线套管的GIS腔体内设置局部放电缺陷,在距离缺陷最近的金属法兰孔处设置发射传感器,在GIS典型部位安装圆盘形传感器,利用其接收局部放电和发射传感器辐射的UHF信号。通过对比局部放电信号和注入信号的频谱分布、衰减特性,分析两者的一致性。研究结果表明,UHF电磁波经过金属法兰孔后的衰减程度随着频率的升高而减小,在600 MHz以下注入信号的能量小于局部放电。在现场校验中应适当提高脉冲源的输出幅值和上升沿时间,使注入信号与局部放电信号的幅值和频谱相当。此研究对于推进GIS局部放电检测系统的现场校验具有重要参考价值。     

内置式特高频传感器在GIS设备上安装布点方案研究

在气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中安装内置式特高频传感器(UHFS),虽然可有效检测局部放电,但受GIS结构的影响,局部放电激励的电磁波信号传播至内置UHFS时,其波形与幅值等参数都发生变化,从而增加了对GIS局部放电进行评估的复杂性。为解决此问题,通过Ansys仿真研究局部放电产生的特高频电磁波在GIS典型结构中传播特性,包括电磁波信号与局部放电源的关系特性、电磁波信号与检测点角度之间的关系特性及电磁波信号在GIS各部件中的传播特性等,提出内置式UHFS在GIS设备上的安装布点原则,并最终在实际工程中进行了试点应用,应用结果表明了该布点方案的合理性及有效性。     

内置式特高频传感器出厂检测方法的研究与应用

内置式传感器的检测性能取决于GIS结构、传感器的布置方式等条件,在运行中对内置式传感器进行拆卸校验困难的情况下,对已安装的内置式传感器开展出厂前的校验工作显得十分重要。笔者以一段待出厂的GIS间隔为试验平台,建立了内置式传感器的检测系统并分别采用了在GIS内部放置局部放电模型及注入人工电压脉冲两种方法对传感器性能进行了校验,通过对数据的分析可以得出:两种测试方法中内置式传感器的响应量均随着与激励源距离的增加而衰减,信号经过L分支后衰减情况比沿同轴直筒传播更为严重;对于同一个传感器,其响应量随着激励信号强度的增大而增大;内置式传感器响应的灵敏度与激励源有关,使用的内置式传感器对脉冲电压信号的响应更为灵敏。内置式传感器的出厂校验对检验GIS厂家在设计产品时选用传感器数量及选择其放置位置的合理性具有重要作用;同时,将内置式传感器在GIS设备运行中采集到的局部放电数据与出厂校验数据进行对比分析,亦是对局部放电缺陷进行判断的重要参考。     

GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性

局部放电水平是高压开关设备状态监测的关键指标,目前广泛采用特高频检测法监测气体绝缘组合开关中的局部放电。为此,利用整套GIS设备建立了试验平台,研究了GIS内部典型缺陷产生的局部放电在盆式绝缘子处泄露出特高频信号的频谱特征。利用多传感器同时测量,研究了特高频信号峰–峰值和累积能量经过GIS中盆式绝缘子、L形拐弯结构、隔离开关和电流互感器等结构的传播衰减特性。试验发现:悬浮金属体放电频谱分布在400 MHz~2 GHz之间,而金属尖端放电所泄露出频谱分布在600 MHz~1 GHz和1.4~1.7 GHz之间;GIS结构中快速隔离开关和电流互感器对局部放电信号累积能量衰减约7 dB,隔离开关打开时对特高频信号累积能量的衰减值比开关闭合时大5 dB。根据以上结论优化特高频检测的频带选择,可提高局部放电特高频检测的灵敏度,合理布置局部放电外置特高频在线传感器,提高监测效率。     

GIS内置碟形特高频传感器特性的仿真研究

特高频局部放电检测是现阶段电力设备现场检测的常用手段,而特高频传感器的灵敏度和频带特性对于其使用效果具有重要的影响。文中使用时域有限差分(FDTD)方法对GIS内置式碟形特高频传感器的特性进行了研究,分析了特高频信号从激发、传播、接收到最终输出这一系列过程中的模态转化和信号衰减情况,并考虑了碟形传感器的形状参数对其测量效果的影响。研究结果对于内置式特高频传感器在GIS设备上的合理布置,以及传感器的优化设计具有重要的意义。     

GIS局部放电超高频电磁波的传播特性研究

SF6气体中的局部放电过程可激发产生超高频电磁波。为研究GIS中超高频电磁波的传播特性,采用时域有限差分法仿真计算GIS中超高频信号的传播特性。仿真计算表明,GIS中局部放电产生电磁波在传播过程中存在延迟现象,有利于局部放电点的定位。因GIS中存在不连续点,超高频信号在传播过程中产生衰减,通过绝缘子时平均衰减3dB,通过T型接头时最严重的支路信号平均衰减10dB,而传播过程中产生的谐振使其衰减变慢。     

GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究北大核心CSCD

GIS局部放电是造成绝缘材料劣化、电气设备故障的主要原因,检测GIS腔体内部的局部放电情况,有助于保证电力系统的安全可靠运行。然而在实际工程中,GIS内部结构较为复杂,不同弯角和绝缘子结构必然会对电磁波和光信号的传播特性产生一定的影响。文中根据252kVGIS的结构尺寸,建立仿真模型,研究不同距离、不同弯角结构、不同绝缘子下电磁波和光信号传播特性的差异,得到电磁波和光信号在设备腔体内部的变化规律。仿真结果表明,随着与放电源距离的增大,电磁波信号在400mm以外电场强度幅值近似呈线性衰减趋势,光信号强度整体呈指数衰减的趋势;L型、T型弯角结构对电磁波和光信号均有较强的衰减,但电磁波在弯角结构中反射严重,原始波与反射波叠加会造成信号强度增加;放电信号在经过不同绝缘子结构时,光信号的衰减远大于电磁波信号,盆式绝缘子比圆盘式对电磁波信号的衰减作用更大,光信号的传播依赖于开孔的大小。文中的研究为实际特高频、光传感器的安置提供一定的理论指导。     

GIS局部放电特高频在线监测系统传感器配置方案研究

笔者通过在一个220 kV GIS线变间隔断路器气室、母线气室和进线气室安装尖刺故障模型,在盆式绝缘子和绝缘衬垫上进行检测,验证了特高频传感器的灵敏度及衰减特性。结果表明:在外加电压7 kV、视在放电量为5 pC的试验条件下,UHF传感器就可以准确地检测放电信号,并准确判断放电类型及故障位置。试验发现局部放电产生的电磁波经过L型、T型、断路器仓、CT等结构,发生了明显衰减。不带金属屏蔽环的盆式绝缘子和绝缘衬垫,更有利于检测放电产生的电磁波信号。根据测试结果提出了合理的GIS局部放电特高频在线监测系统传感器配置方案。     

应用正向传输系数的GIS局部放电UHF传感器布置方式现场校核方法

为保证特高频(ultra-high-frequency,UHF)法在气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)局部放电在线监测中应用的有效性,提出了一种基于微波网络正向传输系数(S21参数)的GIS局部放电UHF传感器布置方式现场校核方法。首先,在252 k V GIS真型试验平台上利用网络分析仪测试传感器间的S21参数,同时采用脉冲注入法间接计算传感器间的传递函数,结果表明:两者的频谱特性具有较好的一致性;在此基础上,研究了S21参数与不同缺陷类型局部放电频谱之间的相似度,结果表明:S21参数能有效反映UHF传感器对局部放电信号的接收特性。然后,在252 k V GIS真型试验平台上测试得到传感器间若要满足5 p C局部放电检测灵敏度,要求S21参数平均值?-75 d B。最后,将提出的方法应用于1100 k V GIS局部放电UHF传感器布置方式有效性的现场校核中,取得了良好的效果。研究成果可为GIS局部放电在线监测和带电巡检中UHF传感器的差异化布点提供参考。     

不同电压等级GIS局部放电UHF信号传播特性仿真研究

特高频局部放电检测是进行气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)状态评估的一项重要技术手段。通过信号注入方式对特高频传感器在GIS上配置的合理性和局放特高频监测系统灵敏度进行校核是确保状态监测有效实施的重要手段。不同电压等级的GIS结构尺寸不同,对UHF信号的传播和衰减的影响也不相同,因此所需注入校核信号的幅值也不尽相同。文中根据真实GIS建立110、220、500、1 000 kV 4种电压等级下的直腔体、L型、T型仿真模型,通过CST仿真软件对比研究并分析了同一结构下不同电压等级的GIS中UHF信号以及同一电压等级不同结构中UHF信号的传播衰减情况;据此得出了不同电压等级GIS各种典型结构下UHF信号的衰减量,为UHF传感器的配置合理性评价及现场校核信号注入值的确定奠定了基础。     

基于光纤迈克尔逊干涉仪的GIS内置局部放电超声传感技术

气体绝缘开关设备(gas insulation switchgear, GIS)局部放电超声传感器主要采用外置安装方法。受制于GIS设备内部的复杂结构和SF6气体的强声波吸收率,局部放电产生的超声波信号传达至GIS外壳时往往非常微弱,传统的压电传感器灵敏度难以满足对局部放电微弱声波信号的检测需求。因此,基于光纤传感器的全绝缘和抗电磁干扰特性,提出了一种内置型迈克尔逊超声传感技术,设置仿真和试验研究光纤对于GIS内部电场分布的影响。分析光纤环的尺寸对超声信号检测灵敏度的影响,搭建平台测试光纤超声传感器的频响特性和抗干扰性能。在此基础上,搭建了GIS局部放电检测试验平台开展局部放电检测试验。结果表明：内置式迈克尔逊超声传感光纤环布置在GIS局部放电模型附近后可以检测到8.8 pC的尖端放电、15.3 pC的自由颗粒放电和53.5 pC的沿面放电,且相同放电量下压电传感器未测得有效信号。     

特高压GIS局部放电超声波传播特性仿真

超声波法是一种非破坏性的电力设备局部放电检测方法,运用数值计算方法可以有效地分析超声波的声场特性。为明确特高压GIS局部放电超声波信号的传播特性,采用有限元计算方法仿真研究了特高压GIS不同位置发生局部放电时超声波信号的传播特性。按照某1 100 k V特高压GIS实际尺寸,建立了特高压GIS三维仿真模型,设置单极子声源分别位于GIS中心导体和盆式绝缘子处,布置多个超声波传感器位于GIS外壳不同位置用于接收局部放电产生的超声波信号。仿真得到了GIS壁面上接收的来自不同位置单极子声源产生的超声波声压分布图,以及传感器上超声波信号的时频域特性。分析了超声波信号不同传播路径之间的博弈过程,通过对比不同传感器接收到的超声波信号的先后顺序确定了单极子声源在不同位置时超声波信号的传播路径。仿真结果表明,当单极子声源位于中心导体远离盆式绝缘子时,超声波率先到达距离单极子声源直线距离最近的GIS外壳,然后向两侧传播;当单极子声源位于中心导体靠近盆式绝缘子或者单极子声源位于盆式绝缘子时,超声波将沿着盆式绝缘子传播至GIS外壳,然后向两侧传播。传感器接收到的超声波频谱主要集中在30~40 k Hz,在更高的频率范围内(60~80 k Hz),超声波信号迅速衰减。随着传感器到局放源距离的增加,超声波信号近似以指数规律衰减,在经过盆式绝缘子时,衰减更为严重。     

外部传感器GIS局部放电超高频检测的研究

根据GIS局部放电脉冲所激发的电磁波传播特性的宽频带特征,设计出一种新型超宽带天线局部放电检测系统,利用该系统检测252 kV GIS母线段中不同气压下固定微粒局部放电模型的实验结果表明外部传感器超高频局部放电检测系统可在线检测GIS局部放电。     

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。     

GIS浇注孔传播内部局部放电UHF电磁波的特性

运行中的大多数气体绝缘关设备(gas insulated switchgear,GIS)上未安装内置式特高频(ultra-high-frequency,UHF)传感器,并且盆式绝缘子被金属环覆盖,因此,常规的检测方法无法检测其内部局部放电的UHF信号,检测金属环浇注孔处辐射出来的UHF信号成为实现GIS局部放电UHF检测的唯方法。在理论分析浇注孔对UHF电磁波的传播衰减特性的基础上,基于时域有限差分法(finitedifference-time-domain,FDTD)仿真了局部放电UHF信号在GIS中的传播过程,重点分析了浇注孔处的电场强度分布和频谱特性,并在GIS平台上进行了试验验证,取得了较好的致性。研究表明,浇注孔处UHF信号的电场强度主分量的方向平行于孔的窄边,其主要能量集中在0.7?2 GHz之间。此结论为改进UHF检测系统的性能提供了重要的指导方向和理论依据。     

GIS中局部放电UHF信号传播特性研究

采用实验和仿真相结合的方法分析GIS内UHF信号的传播特性,得出了一些衰减数据,为现场局部放电UHF传感器的安装布置提供了一定的指导思想,具有实际意义.     

GIS局部放电电磁波信号的传播特性研究

为研究局部放电电磁波在GIS中的传播特性,采用时域有限差分(FDTD)法仿真进行建模和仿真计算.仿真结果表明GIS中的电磁波信号经过绝缘子衰减较大,且由绝缘子泄漏到GIS外面的电磁波信号存在截止频率;电磁波信号经过L型分支的衰减比经过绝缘子更大;电磁波信号经过T型分支垂直路径的衰减比直线路径的衰减更为严重.     

GIS中特高频电磁波模式转换及传播效率的仿真研究

GIS内除了能传递TEM波之外,还存在高次模波分量,如TE11波和TM01波。这些模态之间将相互转换,因此导致分析局部放电特高频信号在GIS内部传播的衰减特性变得困难。为此笔者对特高频信号的各种模态电磁波进行了仿真研究,分析了它们在各种典型GIS管道结构中的模态转换规律,以及GIS筒体结构对特高频电磁波信号在传播过程中所造成的影响,从而揭示了各种模态的特高频电磁波在GIS中传播的规律,解释了局部放电信号在GIS内部各种结构的传播衰减特性,并用试验进行验证。     

特高频局部放电信号在GIS部分典型结构内传播的衰减特性研究

正利用时域差分有限法(FDTD)对UHF信号在其中的传播特性进行了仿真分析,并借助252 kVGIS产品实物和局部放电试验平台进行了实测验证。仿真和实测结果表明:UHF信号在GIS部分典型结构传播时,其衰减量由大到小依次为断路器(合闸状态)隔离开关(合闸状态)L形拐角不通气盆式绝缘子。