開關柜表面暫態地電壓信號頻譜特征

朱家福 申桂林

摘要：目前對開關柜進行帶電檢測的主要方法有脈沖電流法、超高頻法、超聲波和暫態地電壓（TEV）檢測法等。其中，TEV檢測法由于靈敏度高，可靠性好等特點，在開關柜的絕緣狀態檢測中得到了廣泛的應用。本文分析局部放電TEV檢測方法的基本原理，并通過有限元積分軟件對TEV信號的頻譜特進行了研究。

關鍵詞：開關柜表面;暫態地電壓信號;頻譜特征

1、影響開關柜外表面TEV因素的理論分析

開關柜內部的放電主要有表面放電、內部放電、尖端放電等。在放電過程中，由局放脈沖激發的電磁波頻率可達數GHz，局放電磁波在設備的金屬殼體表面感應出納秒級的TEV信號，通過在設備外表面上安裝1個特制的電容傳感器可以檢測到這個TEV信號，從而得到開關柜內部的局部放電情況。

當開關柜內部發生局部放電時，局部放電激發的高頻電磁波入射到金屬壁表面，激發表面電流，當TEV傳感器安裝于開關柜外表面時，可以檢測到脈沖電壓，即TEV信號。開關柜的柜體材料一般為覆鋁鋅鋼板或鋼板。開關柜內部發生局部放電時，電磁波通過殼體縫隙，開關柜控制表盤窗口、顯示觀察窗口等向外泄露。

1）電磁波在開關柜腔體內傳播時，可分解為橫電波（TE波）和橫磁波（TM波）。2種電磁波存在特定的傳播模式，分別為TEmn模和TMmn模。TEmn和TMmn波在開關柜金屬腔體內來回反射，當腔體長度等于某種模式電磁波半波導波長的整數倍時，該模式下將會發生諧振，稱為諧振模。因此可將開關柜腔體等效為矩形諧振腔。

2）局部放電電磁波從開關柜縫隙向外輻射時，在縫隙和空氣的交界面只存在切向的電場，縫隙可以等效為1個片狀的磁對稱振子。

局部放電電磁波從開關柜表面縫隙向外泄露時，外表面某點電磁場強度與縫隙的尺寸及縫隙與空氣交界面處電磁場有關。開關柜外表面TEV信號受到開關柜表面縫隙尺寸、開關柜結構及局放脈沖電流方向等因素影響。

2、開關柜局部放電仿真模型構建

本文采用基于有限積分（FIT）的全波3維電磁仿真軟件CST仿真研究開關柜表面TEV信號的頻譜特性。為使研究具有代表性，選擇配電系統常見的2種型號的開關柜進行仿真建模分析XNG15?12型開關柜整體尺寸為500mm×1000mm×1600mm，包含A（500mm×1000mm×350mm）和B（500mm×1000mm×1250mm）2個空間。SM6型開關柜整體尺寸為850mm×500mm×1600mm，包含A（850mm×500mm×350mm）和B（850mm×500mm×1250mm）2個空間。

在開關柜模型內部A和B2個空間是相互獨立的，在如圖所示的正面，設置有用于電磁波泄漏的矩形開口，開口尺寸為300mm×100mm。

XNG15-12型開關柜，在開關柜內部坐標（250mm，500mm，250mm）處設置局部放電激勵源。在開關柜內部坐標（425mm，250mm，250mm）處設置激勵源。2個模型中激勵源的方向為+z。另外，在開關柜外表面（425mm，500mm，1050mm）處設置TEV探測點。局部放電激勵源可以用Gauss電流脈沖來模擬，Gauss電流脈沖的時域形式為

式中：τ為時間常數，決定了脈沖的寬度;I0為脈沖峰值;t為時間;t0為幅度時間函數的中心時間，為峰值時刻。

3、仿真結果分析

3.1開關柜腔體尺寸對TEV信號頻譜的影響

按前面的仿真參數設置，對于XNG15?12型和SM6型2種開關柜分別進行仿真計算，可以得到TEV時域波形，TEV信號中能量較為集中的頻率點與開關柜自身的諧振頻率較為一致，即開關柜內部的結構尺寸會對局部放電電磁波的能量分布產生明顯的影響，TEV信號的頻譜與開關柜的結構尺寸密切相關。

3.2開關柜內部電氣連接對TEV信號頻域特性的影響

TEV信號與開關柜自身的諧振頻率有關，當開關柜內部存在電氣連接時，電磁波在開關柜內部傳播遇到電氣元件會發生反射、衍射，從而影響其諧振頻率。開關柜帶電氣連接和不帶電氣連接2種情況下，TEV信號的頻譜分布基本相同，相對于不帶電氣連接的開關柜腔體，加入電氣連接后，TEV信號在時域波形幅值上會出現明顯的減小，相應地，TEV信號頻譜上各諧振點的幅值也有所減小。

3.3開關柜縫隙對TEV信號頻域特性的影響

依據SM6型開關柜建立仿真模型，探測點的坐標，激勵源波形和波形設置同第2章，局部放電電磁波經開關柜縫隙向外衍射的電磁場與縫隙的尺寸、縫隙與空氣交界面電磁場有關，而縫隙與空氣交界面電磁場的強度和分布受激勵源的方向影響。開關柜縫隙尺寸改變時，TEV信號的頻譜分布不會發生無明顯的變化，但TEV信號頻譜的強度會受到影響;當局部放電電流為垂直方向時，TEV信號頻譜主要受縫隙長度的影響，當局部放電電流為水平方向時，頻譜主要受縫隙高度的影響。

3.4開關柜壁厚對TEV信號頻域特性的影響

為了研究開關柜殼體鋼材料壁厚對TEV信號頻域特性的影響，根據SM6型開關柜建立仿真模型（不帶內部電氣連接），激勵源設置同3.2.1。將開關柜鋼材料壁厚設置為4、6、8和10mm，可得到4種情況下的TEV信號頻譜，為清晰起見，與開關柜壁厚為2mm的情況進行了對比，當開關柜金屬壁厚從2mm增加至10mm時，探測點檢測到的TEV信號頻譜分布基本一致，TEV信號頻譜在各頻點的幅值隨著厚度的增加而減小。

4、結論

1）開關柜內部的結構尺寸會對其表面的TEV信號能量分布產生明顯的影響，TEV信號的頻譜與開關柜自身的諧振頻率密切相關。

2）開關柜內部電氣連接對TEV信號頻譜的強度會產生衰減，但其諧振頻率仍然具有較好的規律性。

3）開關柜的縫隙尺寸、開關柜金屬壁厚及局放電流的方向均會對TEV信號頻譜的強度產生影響，但對頻譜的分布影響較小。

4）當局放電流為垂直方向時，頻譜幅值主要受開關柜縫隙長度的影響，當局放電流為水平方向時，頻譜幅值主要受開關柜縫隙高度的影響。

參考文獻：

[1]? 汪金剛，林偉，王志，等.基于紫外檢測的開關柜電弧在線檢測裝置[J].電力系統保護與控制，2011，39（5）

（作者單位：國網新疆電力有限公司檢修公司）