实测信号激励条件下GIS局部放电的电磁波传播特性研究

实测信号激励条件下GIS局部放电的电磁波传播特性研究 第 卷 第 期 Vol.47 No.12 47 12 年 月High Voltage Apparatus Dec. 2011 2011 12 34 ?? 实测信号激励条件下局部放电的电磁波传播特性研究 GIS 云玉新李秀卫 ， 山东电力研究院济南 ,， 250002, 摘要典型绝缘缺陷引起的局部放电 过程并应用算法分别以理想的高斯脉冲笔者主要 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , ,,，， GISPDFDTD 信 号 和 真 实电流信号为激励源 研 究 电 磁 波 在内部的传播特性 结 果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 实际电流信号与理想高 PD，GIS，,PD 斯脉冲激励下的电磁波相差较大 超高频电磁波传播特性仿真研究宜采用实测信号作为模拟激励源 关，PDPD。 键词传播特性局放电磁波 , GIS, , , 中图分类号文献标志码文章编号, , ,,, TM937A1001-1609201112-0034-05 Electromagnetic Wave Propagation Characteristic of Partial Dischargein GS Excited by Actual Signal I ， LI Xiu-weiYUN Yu-xin (，，)ShandongE lectrical Power ReseaIrnschti tuteJinan 250002China ()， bsac The parta discharges PDcausedby cassc GIS nsulaton aws are anayzedand the propagatonAtrt:illiiifllicharacteristic of electromagnetic wavee xcited by ideal Gauss pulsesig nal and actual PD currents ignal in GIS is investigated based on FDTD algo rithm. The calculation results shothwa t there is clear difference betweethe n propagation characteristics of the two electromagnetic wavese xcited by ideal Gauss pulse sig nal and actual PD currents ignal. Actual PD signal should preferably be taken asex citing sources fo r simulation of propagation characteristic of PD-excited electromagnetic wave. ;;;Key words: GISpartial dischargeelectromagnetic wavepropagation characteristic 间一般在数十 级最长可在 以上，。μs 10 ms 引言0 中电磁波的传播与谐振模式非常复杂目 GIS ， [3-10] 中的局部放电电流脉冲具有极陡的上升沿前这方面仿真研究所用的激励源均为理想的高 ， GIS 其上升时间为 级激发起高达数 的电磁波ns ，GHz ， 理想的高斯脉冲可以波形光滑左右对称斯脉冲，，。[1]在 腔体构成的同轴结构中传播的 由于 GIS 。 GIS 较方便的模拟激发电磁波及其传播特性但该脉冲，同轴结构使得电磁波不仅以横向电磁波，(transverse 与实际的局部放电电流波形并不完全一致笔者以 。 传播而且会建立高次模波即 electromagnetic，TEM)，，各种绝缘缺陷的真实 电流信号作为激励源考PD ， 横向电波和横向磁波(transverse electric，TE)(transv- 波为非色散波它可以任何 erse mganetic，TM)。 TEM ，虑 内 部 的 实 际 结 构 应 用 电 磁 仿 真 软 件， GIS 频率在 中传 播时但当频率 沿传GIS ， f>100 MHz ， 研究电磁波在 内部的传播特性。 XFDTD6.3.8.4 GIS 算法1 FDTD 和 波则不同播方向衰减很快它们具有各,， TE TM 电磁波在其产生的源点传播媒质中的任何位置 、自的截止频率 与 的尺寸有关截面积。 ，ffGIS GIS cc 以及在被接收或吸收的负载上都满足 个麦克斯韦 4 愈大愈低时信号迅速衰减不 若信号频率 ， f。 f< f，，c c 方程该方程组用来描述媒质中任意点的电磁波特 ，[2]能传输当 时信号则基本上可无损耗地传输,f>f，。 c 性麦克斯韦方程组描述为考虑无源均匀媒质。 ， 同时 母线连接腔在超高频波段 GIS (UHF)(300 MHz~ 可视为同轴谐振腔电磁波的谐振持续时 1.5 GHZ) ， 坠 H (1) ×E=-μ 坠t 收稿日期修回日期,2011-07-14, ,2011-08-21 nn+1/2n1/2- 坠E 坠F (i，j，k) F (i，j，k)-F (i，j，k) 2 ×H=σE+ε (2) = +O(Δt)(14 ) 坠t坠tΔt 在 离散中反映电场和磁场各节点空间排 ??B =0圯 H=0(3) FDTD 布的 元胞见图 Yee 1。 ??(4) D=0圯 E=0 式中为电容率为磁导率为电导,,, (1)-(4)ε μ σ 率为电场为磁场，E ,H ,B=μH，D=εE。 先将麦克斯韦的旋度方 程在直角坐 标系中展 开为 个标量场分量的方程再将求解空间沿 个 6 ，3 轴向分成若干网格单元每个单元长度作为空间变 。 元相应得出时间变元用有限差分式表示关于场 ，。 分量对空间和时间变量的微分基 即可得到 ， FDTD 本方程。 设研究的空间是无源的 并且介质参数 ， ε、 μ、 为常数在笛卡儿坐标系中麦克斯韦方程将 σ、 s ，， 化为下列 个标量方程6 图 中的 元胞1 FDTD Yee 坠 坠H 坠H z y Fig. 1 Yee unite cell in FDTD (5) - =(σ+ε )Ex 坠y 坠z坠t 坠 坠H 坠H x z 由图 可见每 个磁场分量由 个电场分量， (6) 1 1 4 - =(σ+ε )Ey 坠z 坠x坠t 环绕同样每 个电场分量由 个磁场分量环绕,，。 1 4 坠 坠H 坠H y x (7) =(σ+ε )E- z 计算时将电场和磁场在时间顺序上交替 抽此外， 坠x 坠y坠t 样抽样时间间隔相差半个时间步长使麦克斯韦， ， 坠E坠E坠 yz(8) - =(s+μ )Hx 坠z 坠y坠t 旋度方程离散以后构成显式差分方程从而可以在， 坠 坠E 坠E 时间上进行迭代求解由给定电磁问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的初因此 。 ，z x =(s+μ )H(9) - y 坠x 坠z坠t 始值算法就可以逐步推进地求得各个时刻，FDTD 坠 坠E 坠E x y 空间电磁场的分布(10) =(s+μ )H。- z 坠y 坠x坠t 局部放电电流实测信号2 GIS 当不考虑磁损耗时令 则以上方程与麦克，， s,0 斯韦方程组等效个方程构成了完整三维问 上述 。 6 中 电流笔者结合其他学者实际测得的 题的情形GIS PD 。 算法是直接对麦克斯韦方程作差分处理 FDTD 及试验结果采用自由金属微粒 高压导体的金属， 、 以求解电磁波在介质中传播和反射问题的算法是 ，突出物种缺陷的绝缘子表面污秽绝缘子气隙 、 、 4 麦克斯韦方程组的一种数值解法其基本思想是。 , 电流信号作为激励源信号波形见图 研究电，， PD 2计算区域空间节点采用 元胞的方法 运 FDTD Yee ， 磁波的传播特性可见中 电流脉冲由图 。 2 ，GIS PD 用中心差分近似对麦克斯韦旋度方程进行离散化， 而且对于不与理想的高斯脉冲的确具有较大差异。并采用交错抽样进行计算。 同的绝缘缺陷在不同的放电条件下所测得的 ， PD将求解空间沿 个坐标轴 向上分成若 干网格3 电流波形在上升时间脉冲宽度脉冲形状等方面、 、 均有较大差异说明不同绝缘缺陷引发的局部放电， 用 分别表示单元沿 个轴向的单元、、，ΔxΔyΔz 3 具有不同的放电机理由它们激励产生的电磁波也，长 度用 表示时间增量网格元顶点的坐标，。 ，，Δt (xyz) [11-15]信号的差别会具有一定的差别应用 。 UHF PD 记为能够区分不同的绝缘缺陷类型从而为基于 ， UHF(i，j，k)=(iΔx，jΔy，kΔ(11) 时 域 信 号 的 放 电 源 模 式 识 别 奠 定 理 论 基 础 。 PD z) 是美国 公司开发的高频电磁仿 真 XFDTD Remcom 任意一个空间和时间的函数可表示为(12) n软件软件用 算法解麦克斯韦方程组可应用，， FDTD ，，，，，F (ijk)=F(iΔxjΔykΔzn 式中为整数用中心有限差、，、 、、。 (11)(12)ijkn 的频范围约 而且具有激励源。 100 kHz~3 000 GHz Δt) 分式将函数对空间和时间的偏导数表示为 的用户自定义接口可以根据其要求的格式将信号，nnn 坠F (i，j，k) F (i+1/2，j，k)-F (i-1/2，j，k) 2 +O(Δx ) = 数据转换成的源文件即可导入.src ，。 坠xΔ (13) x 年 月 第 卷 第 期 201112 47 12 36 ?? 图 仿真计算模型及设置3 GIS Fig. 3 Computation modeland settingof GIS 设 置 两 个 检 测 点 分 别 在 即 ，，Cell (83 35 180) ( l= 2 和 即 输出，，， 686 mm) Cell(8335280) ( l=1 586 mm)3 量为检测点的径向场强分量 为了防止电磁波。 EX 反射的影响通管的两端设为开口 ，。 GIS 检测点 和检测点 的仿真结果见图 1 2 4、5。 图 中的分别为 自由金属微 粒 正负、、、、 45 (a)(b)(c) PD 电流脉冲激励以及等宽度理想高斯脉冲激励作用 下可见检测点处径向场强及其频谱由图 ， 。 4 ，PD 实测正负电流脉冲与理想高斯脉冲的波形相似性 很好但前两者与后者所激励的场强幅值振荡衰 ，、 减时间以及频谱均存在明显不同后者幅值小振荡 ，， 衰减时间短中局放激发电 这主要是由于在 。 GIS ， 图 中 种典型缺陷 的脉冲电流信号波形 2 GIS 4 PD 磁波中高次模成分的比例随脉冲电流变化率 di/dt Fig. 2 Pulse current signalwaveforms of four classical 的增大而增大因此实测 信号激发的电磁波高次 ，PD insulation flaws in GIS 模成分及超高频分量比理想高斯脉冲要丰富的多， 在 腔体内的传播衰减较小而理想高斯脉冲低 GIS , 频激发高次模成分相对较小低频频率分量也相对 ，局部放电电流实测信号激励 条 件 下 3 GIS 较多激发的电磁波在 内传播过程中沿传播方 ，GIS 的电磁波传播特性向能量衰减较大进行分析比较可见不同 对图 。 4、5 ， 激励下检测点 和检测点 的电磁波波形和特征 1 2 采用 通管作为仿真计算模型见图， 252 kV GIS 相似只是检测点 的幅值和各频率分量减少了约，2 通管内导体直径为 外壳内径为该 3。 GIS 180 mm， 单根通管长度为 应用三维实体 398 mm，1 500 mm。 说明通过盘式绝缘子后 信号激发的电磁 5 dB， PD 绘图软件 对 节通管与 个盘式绝缘子进行 Pro/E 2 1 波振荡衰减速度较快各频率分量的衰减也较大，。 建模在各连接处均采用法兰与导角盘式绝缘子 ，， 接下来用图 所示的绝缘子表面污秽 电 2(c)PD 在通管的中部尺寸与实物保持一致所建 将 ，。 Pro/E 流信号作为激励源并与相同脉冲宽度的理想高斯， 的模型导入 并设置 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 属性绝缘子.IGS XFDTD，, 信号激励进行比较仿真时间设为 其他仿真 ，80 ns， 设置与前文相同检测点 的仿真结果见图 由图，1 6。 的 相 对 介 电 常 数电 导 率(relative eprmitivity)ε=4， 可见与自由粒子激发的 脉冲电流相似虽然 ，，6 PD 为 导体与外壳均设置为理想导体， (conductivity) 0 边 界 条 件 设 置 为(perfectelectric conductor，PEC)， 吸收边界 网格，。 PML (perfectly matchedlay erPML) 剖分尺寸为 对应的仿真信， 电流与理想高斯脉冲宽度相同实际 但由于前(Cell)4 mm×4 mm×4 mm， PD 号频率为 仿真步长设置为 仿真时 7.49 GHz，7.7 ps， 者左右不对称上升沿很陡激发的电磁波高频分， ， 间长度设置为 23 ns。 理想高斯脉量要丰富的多低频分量则相对较少，。将图 所示的自由金属微粒 的电流信号 2(a)PD 冲激励下电磁波沿 腔体能量衰减相对较大检， GIS 转换为激励源文件并导入 作为自定义 .src ，XFDTD 测点场强幅值很小振荡衰减时间较长比较 另外，。 ，激励 源外 壳 底 部 的 激励源设 置在靠 近 。 GIS Cell 图 与图 可见绝缘子表面污秽与自由金属微粒 4 6 ,即 这是自由 金属微粒 (83 ，35，380)， l=2 486 mm， 1缺陷局部放电所激发的电磁波的包络与频谱都具 容易发生的位置表示剖分单元同 PD ，Cell(X，Y，Z)，有明显的差别结构说明对于相同的 不同波 ， GIS ， 时采用相同脉冲宽度的理想高斯信号激励进行比。 形的激励电流会激发出不同的电磁波。 图 自由金属微粒 电流激励下的仿真结果检测点 4 PD ,1, Fig. 4 Simulation results of partial discharges excitedby free metal particle(monitoring point 1) 图 自由金属微粒 电流激励下的仿真结果检测点 5 PD ,2, Fig. 5 Simulation results of partial discharges excitedby free metal particle(monitoring point 2) 图 绝缘子表面污秽 电流激励下的仿真结果检测点6 PD ,1, Fig. 6 Simulation results of partial discharges excitedby dreck on insulator(monitoring point 1) 年 月 第 卷 第 期 201112 47 12 38 ?? LIU Jun-hua，WANG Jiang，QIAN Yong，et al. Simulation 结语4 analysis on the propagation characteristics of electromagnetic wave in GIS[J]. High Voltage Engineerin，200g7，33 (8), 介质中的放电现象是电 场能以电荷 积聚及电139-142. 子运动的形式进行积累与释放的过程不同的绝缘 ，刘君华姚 明王 江等基于 中电磁波传播路 ，，，. GIS [9] 缺陷引发的局部放电过程不尽相同其激发的电磁 ，径特性的局放源定位方法电力系统自动化[J]. ，2008，32 波也存在差异实测电流信号与 笔者分别以 。 GIS PD (21),77-81. 理想高斯脉冲为激励源研究了电磁波在 内部 ，GIS LIU Jun-hua，YAO Ming，WANG Jiang，et al. A partial 的传播特性主要对自由金属微粒以及绝缘子表面 ，discharge location method basedon the characteristics of 污秽 种缺陷情况进行了仿真研究研究结果表明2 。 ， the electromagnetic wave propagation route in GIS[J]. 局部放电实际电流所激发的电磁波与理想高斯 GIS ，，, Automationof Electric PowerSystem s200832(21)77-81.脉冲并不相同而且不同绝缘缺陷引起的局部放电 ， 所激发的电磁波也存在较大差异电磁波传播特性 。 唐炬朱伟孙才新等局部放电的超高频检 ，，，. GS I[10] 仿真研究中宜采用实测 信号作为模拟激励源PD 。 测高电压技术[J]. ，2003，29(12,)22-23. TANG Ju，ZHU Wei，SUN Ca-ixin，et al. Analysisof UHF 参考文献, method usedin partial discharge detectionin G IS[J]. High Voltage Engineerin，200g3，29(12,)22-23. 张鸣超王建生邱毓昌中局部放电测量用超高频 [11] ，，. 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