1、GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究庞先海1，顾朝敏1，路士杰1，董驰1，李天辉1，韩旭涛2（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄050021；2.西安交通大学，西安710049）摘要：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252 kV GIS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
2、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400 mm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。关键词：GIS；局部放电；特高频法；光检测法；传播特性Comparative Study on Propagation Characteristics
3、 of Optical and Electrical Signals DuringPartial Discharge in GISPANG Xianhai1，GU Chaomin1，LU Shijie1，DONG Chi1，LI Tianhui1，HAN Xutao2（1.State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.Electric Power Science Research Institute，Shijiazhuang 050021，China；2.Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract
4、:Partial discharge of GIS is the main cause of degradation of insulation material and fault of electricalequipment.Detection of partial discharge inside the GIS compartment is helpful to ensure safe and reliable operation of power system.However，in practical project，the internal structure of GIS is
5、more complex，and differentbending angles and insulator structures will inevitably have a certain impact on the propagation characteristics ofelectromagnetic waves and optical signals.In this paper，according to the structure size of 252 kV GIS，a simulationmodel is set up to study the difference of el
6、ectromagnetic wave and optical signal propagation characteristics underdifferent distances，different corner structures and different insulators，and the variation of electromagnetic waveand optical signal inside the equipment compartment is obtained.The simulation results show that with the increaseo
7、f the distance from the discharge source，the amplitude of the electric field intensity of the electromagnetic wave signal away from 400 mm is approximately linearly attenuated and the intensity of the optical signal is exponentially attenuated.The Lshaped and Tshaped corner structures have strong at
8、tenuation to electromagnetic wave and opticalsignal，but the electromagnetic wave is seriously reflected in the corner structure，and the superposition of the original wave and the reflected wave will cause the signal intensity to increase.When the discharge signal passes throughdifferent structures o
9、f insulators，the attenuation of optical signal is much greater than that of electromagnetic wavesignal.The attenuation effect of spacer insulator to electromagnetic wave signal is greater than that of disc insulator，and the propagation of optical signal depends on the size of opening.The research in
10、 this paper provides some theoret第59卷第8期：014601532023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：01460153Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.017_收稿日期：20230319；修回日期：20230521基金项目：国网河北省电力有限公司科技项目资助(kj2022063)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Hebei Electric Power
11、 Co.，Ltd.(kj2022063).0引言气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)具有运行可靠、检修时间长、占地面积小、绝缘性能高等优点，极大程度上缓解了由于传统电气设备体积大而占用城市建设用地的状况1-3。自60年代问世以来，GIS发展迅速，被应用于全国的电力系统4-6。与此同时，由GIS电气设备引起的电力绝缘故障也随之增加7-10。局部放电是造成绝缘材料劣化、电气设备故障的重要征兆和表现形式，检测GIS腔体内部的局部放电情况，能有效反映GIS电气设备内部诸多的潜在缺陷和绝缘故障11-18。随着学者们对于局部放电机理的深入研究，目前应用于实际工程的局
12、部放电检测手段众多，例如脉冲电流法、特高频法、超声波法、化学检测法和光测法。特高频法可避开现场低频的电磁干扰信号，抗干扰能力强，灵敏度高；光测法具有较高的灵敏度，且不受电磁干扰的影响，不影响电气设备的运行，非常适合用于电气设备的在线监测，拥有广阔的应用前景19-20。国内外学者围绕GIS局部放电的特高频和光检测法开展了大量研究，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。基于以上情况，文中根据252 kV GIS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
13、备腔体内部的变化规律，为传感器的安置提供一定的理论指导。1GIS局部放电特高频法与光测法1.1特高频法绝缘材料在产生放电时，往往伴随着电磁波信号的发出，电磁波沿着外壳和主导体形成的同轴结构进行传播，且电磁波信号中包含的频率分量丰富，频率可达数GHz21-23。因此，工程中常利用内置或外置的特高频传感器来检测局部放电的电磁波信号，进而判断电力设备的绝缘状态。经过30多年的发展，国内外学者对于特高频信号产生的原理、传播特性、各种传感器的开发、故障源的定位等方面进行了充分的研究，取得了丰富的成 果。20 世 纪 80 年 代 初，英 国 PEARSON 和HAMPTON 等人将特高频传感器置于 GI
14、S 设备内部，并对420 kV实体GIS开展局部放电监测系统的试验研究，试验结果表明内置式特高频传感器具有较高的检测灵敏度24。德国斯图加特大学KURRER等人对GIS腔体内局部放电特性进行了试验研究，结果表明电磁波信号在GIS腔体中传播时绝缘子结构相较于弯角结构对信号的传播具有更强的衰减作用25。西安交通大学邱毓昌等人对GIS放电脉冲的不同电磁分量在同轴结构中的传播特性进行了仿真和试验研究，试验结果表明脉冲信号在同轴结构中不但能激发横电磁波，而且还能激发横磁波、横电波以及彼此的高次模波，横磁波和横电波可在GIS腔体中相互作用产生谐振，谐振的持续时间比脉冲信号的持续时间长得多；通过仿真发现利用
15、不同位置电磁波的传播时间不同可对局部放电的故障源进行定位，且准确度较高，为后续故障源定位的研究打下理论基础26。1.2光测法当电力设备内部发生局部放电时，气体分子在高场强作用下发生电离，电离产生的光子在设备内部进行传播，就形成了光信号。因此，通过光检测法对电气设备内光信号进行收集和分析，便可实现对局部放电情况的监测27。由于不受现场电磁、振动信号的影响，光测法有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度，非常适合用于电气设备的在线监测，拥有广阔的应用前景。加拿大学者BAMJI S S等人利用光测法对聚乙烯的老化绝缘放电进行试验分析，结果表明电场作用下材料的绝缘特性会发生突变，当试验所加电压高于材料发生起始
16、放电电压时，绝缘材料开始劣化，材料的绝缘性能逐渐下降28。1984年，日本秋田大学YOSHIMURA N等人利用光测法对有机绝缘材料的放电状况进行了试验，并对材料放电所发出的光信号进行光谱分析，试验表明电晕放电产生的光谱主要集中在400 nm以下范围，结合气体放电分析指出，该谱线是由空气中氮分子的能量转换产生的，且材料的分子结构会对电晕放电所发出的光谱分布产生影响29。ical guidance for the placement of actual UHF and optical sensors.Key words:GIS；partial discharge；ultrahigh frequency method；optical detection method；propagation characteristics开关设备庞先海，顾朝敏，路士杰，等.GIS局部放电光、电信号传播特性对比研究 1472023年8月第59卷第8期清华大学魏念荣等人自主设计了多种类型的光纤传感器，并基于此搭建了局部放电光信号检测装置，对高压电机中绝缘放电故障进行检测，试验结果表明光纤传感器输出信号的频率和幅
