局部放电电磁波在GIS中的衰减特性
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GIS超声波局部放电检测技术的应用分析
GIS超声波局部放电检测技术的应用分析随着电力设备的迅速发展，高压电力输配电设备的绝缘失效问题日益突出，尤其是在高压气体绝缘开关设备中，局部放电问题成为了一个十分严重的隐患。
局部放电不仅会导致设备的绝缘性能下降，甚至引发设备的故障和损坏，给电力系统的安全稳定和可靠性带来了严重影响。
为了及时发现和解决这一问题，需要借助先进的检测技术，而GIS超声波局部放电检测技术正是其中的一种。
本文将对GIS超声波局部放电检测技术的应用进行分析，旨在为相关领域的研究和实践提供一定的参考价值。
一、GIS超声波局部放电检测技术概述GIS（Gas Insulated Switchgear）超声波局部放电检测技术是一种利用超声波传感器对GIS设备进行实时和在线监测的技术。
该技术通过捕获和分析设备内部的超声波信号，可以有效检测设备中存在的局部放电现象，实现对设备绝缘状态的可靠评估。
与传统的局部放电检测技术相比，GIS超声波局部放电检测技术具有响应速度快、检测精度高、操作简便等优点，被广泛应用于电力系统和设备的绝缘状态监测和故障诊断中。
二、GIS超声波局部放电检测技术的应用分析1. 技术原理GIS超声波局部放电检测技术的基本原理是利用超声波传感器对GIS设备内部的超声波信号进行捕获和分析。
当GIS设备中存在局部放电时，放电产生的电磁波和机械波会引起设备内部气体的震荡和位移，产生特定频率和振幅的超声波信号。
通过超声波传感器实时监测设备内部的超声波信号，并利用信号处理和分析技术进行特征提取和识别，可以准确判断设备是否存在局部放电现象，进而评估设备的绝缘状态和健康状况。
2. 技术优势GIS超声波局部放电检测技术相比传统的局部放电检测技术具有如下优势：（1）高灵敏度：超声波传感器可以实时捕获微弱的超声波信号，对设备内部的局部放电活动具有高灵敏度，能够及时发现绝缘失效问题；（2）在线监测：技术可以实现对GIS设备的实时和在线监测，无需停机维护，不影响设备的正常运行；（3）检测精度高：通过对超声波信号的特征提取和分析，可以准确识别不同类型的局部放电活动，并对设备的绝缘状态进行可靠评估；（4）操作简便：技术操作简便，无需复杂的设备和环境条件，适用于不同类型的GIS 设备和实际工作场景。
GIS局部放电电磁波信号的传播特性研究
一
（ ２ ）
法 的应 用 至关 重 要 。 本 文 采 用 Ｆ ＴＤ 法 对 ＧＩ Ｄ Ｓ中 局 放 电磁 波 的传 播 特 性 进 行 仿 真 分 析 ，重 点 研 究 了 电磁 波
当边 界 条件 ｒ ａ，电势 一 ；ｒ ｂ ，电势 — — 时 ０ 。则 沿 ｚ方 向传 播 的 电磁 场 量 为 ：
局 部放 电在 ＧＩ Ｓ中 激 励 的 电磁 波 中 不 仅 存 在 横 电 磁波 （ Ｍ） ＴＥ ，还 有 高 次 模 式 分 量 ， 即 ＴＥ和 ＴＭ 波 。 ＴＥ 波 为 非色 散 波 ，可 以 以任 何 频 率 在 同 轴 波 导 中传 Ｍ 播 。ＴＥ和 ＴＭ 波是 色 散 波 ，各 自存 在 截 止 频率 ，只 有
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 。 关键 词 ＧＩ 局 部放 电为 ：
两 导体 间充 有 Ｓ 。 Ｆ 气体 。
Ｅ 一 Ｉ ｌ 志ｒ ＋ Ｂ Ｎ （ ｒ］ ｃｍｅｉ － Ｊ （ ） Ｂ ２ ） Ｃ…￣－ 。 ｏ ｓ
（） ４
式 中 ， － 忌ｒ 、Ｎ （ ）为 第 一 、二 类 贝塞 尔 函数 。 厂 ） （ 愚ｒ 根 据边 界 条 件 ｒ一 口和 ｒ： ｂ时 ， Ｅｚ一０可得 ：
蛋
高压 技 术
ＧＩ 部 放 电 电磁 波信 号 的传 播 特 性研 究 Ｓ局
刘君 华 ，姚 明 ，黄 成 军 ，王 辉 ，江 秀 臣
（． 海 交通 大 学 电 气 工 程 系 ，上 海 １上 ２ ０ ４ ；． 海 电 力 公 司 生 产 技 术 部 ， 上 海 ２ ０ ２ ） ０２ ０２ 上 ０ １ ２
（ ２ ）
法 的应 用 至关 重 要 。 本 文 采 用 Ｆ ＴＤ 法 对 ＧＩ Ｄ Ｓ中 局 放 电磁 波 的传 播 特 性 进 行 仿 真 分 析 ，重 点 研 究 了 电磁 波
当边 界 条件 ｒ ａ，电势 一 ；ｒ ｂ ，电势 — — 时 ０ 。则 沿 ｚ方 向传 播 的 电磁 场 量 为 ：
局 部放 电在 ＧＩ Ｓ中 激 励 的 电磁 波 中 不 仅 存 在 横 电 磁波 （ Ｍ） ＴＥ ，还 有 高 次 模 式 分 量 ， 即 ＴＥ和 ＴＭ 波 。 ＴＥ 波 为 非色 散 波 ，可 以 以任 何 频 率 在 同 轴 波 导 中传 Ｍ 播 。ＴＥ和 ＴＭ 波是 色 散 波 ，各 自存 在 截 止 频率 ，只 有
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路 径 的 衰 减 比直 线路 径 的 衰 减 更 为严 重 。 关键 词 ＧＩ 局 部放 电为 ：
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高压 技 术
ＧＩ 部 放 电 电磁 波信 号 的传 播 特 性研 究 Ｓ局
刘君 华 ，姚 明 ，黄 成 军 ，王 辉 ，江 秀 臣
（． 海 交通 大 学 电 气 工 程 系 ，上 海 １上 ２ ０ ４ ；． 海 电 力 公 司 生 产 技 术 部 ， 上 海 ２ ０ ２ ） ０２ ０２ 上 ０ １ ２
GIS超高频局部放电典型图谱
单周期检测图谱单周期检测图谱单周期检测图谱单周期检测图谱单周期检测图谱单周期检测图谱单周期检测图谱1毛刺放电1. 1 基本特征接地体和带电体部分上的突起(毛刺放电)的特征表现为:•局部场强增加•由于电晕球的保护作用，工频耐压水平不受影响•雷电冲击电压水平会大幅度下降•毛刺如果大于 1-2 mm 就认为是有害的导体上的毛刺与壳体上的毛刺放电图谱是一样的,但导体上的毛刺位于气室中心,其产生的压力波会呈扇形在整个气室传递,在壳体外能在较广的范围内接收到信号,而壳体上的毛刺信号较集中,在放电处信号最强。
也可以根据SF6气体对高频信号的衰减特性，调整带通滤波器的上限频率，如果信号明显降低，表明是壳体上的毛刺放电，如果信号变化不大，表明是导体上的毛刺放电。
一般导体上的毛刺放电更具危险性。
1.2 典型图谱毛刺放电的典型图谱如下:毛刺放电故障连续模式下有效值和峰值都会增大，信号稳定，而50HZ相关性明显，100HZ 相关性较弱。
在相位模式下，一个周期内会有一簇较集中的信号聚集点。
1.3经验判据根据现有经验，毛刺一般在壳体上，但导体上的毛刺更危险。
如果毛刺放电发生在母线壳体上，信号的峰值Vpeak < 2mV, 认为不是很危险，可继续运行。
如果毛刺放电发生在导体上，信号的峰值Vpeak > 3 mV, 建议停电处理或密切监测。
对于不同的电压等级，如110KV/220KV, 可参照上述标准执行。
对于330KV/500KV/750KV，由于母线筒直径大，信号有衰减，并且设备重要性提高，应更严格要求，建议标准提高一些。
其它气室，如开关气室，由于内部结构更复杂，绝缘间距相对短，应更严格要求，建议标准提高一些。
在耐压过程中发现毛刺放电现象，即使低于标准值，也应进行处理，使缺陷消灭在初始阶段。
注意：只要信号高于背景值，都是有害的，应根据工况酌情处理。
2 自由颗粒2.1 基本特征自由颗粒,其表现特征为:•雷电冲击电压影响很小•工频耐压会有很大的降低•超声传感器接收到典型的机械撞击信号•飞入高场强区非常危险•信号表征不重复，随机性强2.2 典型图谱颗粒故障的连续模式图谱中，有效值和峰值会很大，往往达几百上千毫伏，其信号不稳定，表现为周期性的波动，而100HZ和50HZ相关性没有。
第3章特高频局部放电检测技术
第3章特高频局部放电检测技术第三章特高频局部放电检测技术目录第1节特高频局放检测技术概述 (3)1.1 发展历程 (3)1.2 技术特点 (5)1.2.1 技术优势 (5)1.2.2 局限性 (6)1.2.3 适用范围 (7)1.2.4 技术难点 (7)1.3 应用情况 (9)1.3.1 国外应用情况 (9)1.3.2 国内应用情况 (10)第2节特高频局放检测技术基本原理 (11)2.1 特高频局放电磁波信号基本知识 (11)2.1 GIS内部电磁波的传播特性 (11)2.3 特高频局放检测技术基本原理 (13)2.3 特高频局放检测装置组成及原理 (14)第3节特高频局放检测及诊断方法 (18)3.1 检测方法 (18)3.1.1 操作流程 (18)3.1.2 注意事项 (20)3.2 诊断方法 (21)3.2.1 诊断流程 (21)3.2.2 现场常见干扰及排除方法 (22)3.2.3 放电缺陷类型识别与诊断 (25)3.2.4 放电源定位 (28)3.2.5 局部放电严重程度判定 (29)第4节典型案例分析 (30)4.1 220kV GIS盆式绝缘子内部气隙缺陷检测 (30)4.2 110kV电缆-GIS终端绝缘内部气隙缺陷检测 (32)4.3 220kV GIS内部刀闸放电缺陷检测 (37)参考文献 (43)第1节特高频局放检测技术概述1.1 发展历程电力设备内发生局部放电时的电流脉冲（上升沿为ns级）能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，特高频（Ultra High Frequency，UHF）局部放电检测技术就是通过检测这种电磁波信号实现局部放电检测的目的。
特高频法检测频段高（通常为300M～3000MHz），具有抗干扰能力强、检测灵敏度高等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、定位和故障类型识别[1]。
特高频法过去曾被称为“超高频法”。
但是按照中华人民共和国无线电频率划分规定，300MHz~3000MHz频带划分为特高频，因此该检测方法的正式名称为特高频法。
GIS局部放电检测方法及原理
GIS局部放电检测方法及原理局部放电（Partial Discharge，PD）是指在绝缘材料内部或表面的缺陷处产生的电气放电现象。
对于高压设备来说，局部放电是一种常见的故障现象，它会导致设备的绝缘性能下降，甚至引起设备的损坏和故障。
因此，准确地检测和定位局部放电对于高压设备的正常运行和维护至关重要。
GIS（Gas Insulated Switchgear）是一种常用于高压电力系统中的绝缘开关设备，它采用SF6（六氟化硫）气体作为绝缘介质。
局部放电检测对于GIS设备尤为重要，因为SF6气体中的水分和杂质会导致局部放电的发生和发展。
局部放电检测方法主要可以分为以下几种：1.电流法：通过测量设备中的电流来检测局部放电。
当局部放电发生时，会产生很小的电流信号，可以通过高灵敏度的电流传感器进行检测。
电流法检测的优点是简单、直接，可以实现在线监测，但其对放电的定位能力有限。
2.光纤法：利用光纤传感器对局部放电进行检测。
光纤传感器可以将放电信号转化为光信号，通过光纤传输到检测系统进行分析。
光纤法的优点是高灵敏度、抗干扰能力强，且可以实现多点监测和远程监控。
3.超声法：通过检测局部放电产生的超声波信号来确定放电源的位置。
超声波可以通过绝缘材料传播，当局部放电发生时，会产生高频的超声波信号。
超声法的优点是对放电的定位能力强，可以准确地确定放电源所在的位置。
4.热像法：通过红外热像仪对设备进行检测，通过测量设备表面的温度分布来判断是否存在局部放电。
局部放电会产生热量，导致设备表面温度的升高，可以通过热像法进行检测。
热像法的优点是对设备进行非接触式检测，可以实现远程遥测和实时监测。
局部放电检测的原理主要包括以下几个方面：1.电场效应：局部放电的发生和发展会引起绝缘材料内部或表面电场的变化。
通过对电场分布和变化进行监测和分析，可以检测到局部放电的存在。
2.微波效应：局部放电会产生高频的电磁波信号，可以通过检测和分析这些信号来判断放电源的位置和强度。
局部放电电磁波在GIS中的衰减特性
（3）
式中，I0 为脉冲电流的幅值；t0 为延迟时间常数；σ 为衰减时间常数。
设脉冲电流幅值为 10mA，σ =0.17ns，t0=0.9ns， 脉冲电流波形如图 3 所示。其中脉冲上升时间 tr 为 0.28ns，下降时间 tf 为 0.28ns，脉宽 tw 为 0.73ns。
向位置布置（探针阻抗为 50Ω，有效高度为 10mm）。 3.2 仿真结果分析
2010 年 8 月 第 25 卷第 8 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.25 No. 8 Aug. 2010
局部放电电磁波在 GIS 中的衰减特性
刘君华 1 徐敏骅 2 黄成军 1 郭灿新 1 姚林朋 1 江秀臣 1
Keywords ： Gas insulated switchgear, partial discharge, electromagnetic wave, amplitude attenuation, energy attenuation
1 引言
气体绝缘开关设备（ Gas Insulated Switchgear,
54
电工技术学报
2010 年 8 月
流，放电通道长度为 10mm。在同轴腔内壁ϕ =0°与 ϕ =90°处以 25cm 间隔分别布置探针 1～8。
图 2 同轴波导仿真模型 Fig.2 Coaxial waveguide simulation model
采用如下高斯函数模拟局放电流脉冲[13]。
i(t) = I0e−(t−t0 )2 / 2σ 2
关键词：气体绝缘开关设备 局部放电 电磁波 幅值衰减 能量衰减 中图分类号：TM83
GIS组合电器耐压试验中局部放电故障分析
GIS组合电器耐压试验中局部放电故障分析发表时间：2016-10-12T14:49:52.533Z 来源：《电力设备》2016年第14期作者：杨海东孙云峰[导读] GIS 组合电器的现场局部放电试验也越来越受到重视。
（山东泰开高压开关有限公司山东泰安 271000）摘要：GIS 组合电器的现场局部放电试验也越来越受到重视。
本文首先对GIS 组合电器耐压试验做了说明，然后列举了GIS 组合电器耐压试验，最后详细阐述了GIS组合电器耐压试验中局部放电故障原因及特征。
关键词：GIS组合电器；耐压试验；局部放电；自由金属颗粒一、GIS 组合电器耐压试验GIS 组合电器耐压及局部放电检测试验系统由控制台、自耦调压器、滤波器、并联补偿电抗器、电压器试验变压器以及快速保护装置等组成。
系统与待试验的 GIS 组合电器用连接筒联结。
其试验连接图如图1所示。
图1 GIS 组合电器耐压试验连接图系统额定输入采用380V/50 Hz的工频交流电，经过调压器变为 0～380 V 的可调电压送入滤波器滤波，再被送入试验变压器的低压端，控制台经过对采集到的数据进行处理后发升压指令对试验变压器升压至 110 k V（按试验需求确定电压值，最高可升至 600 k V）。
试验变压器低压侧并联电抗器降低对电网侧的无功需求。
快速保护装置用于系统在出现放电、过压等情况时保护整个试验系统。
局部放电测试仪的定位是利用高频电磁波信号在传播过程中的衰减，比较各个传感器所检测到的信号的大小，信号最大的传感器位置即为靠近放电源的位置。
试验要求高压引线应尽可能短，引线表面毛无刺并保证试验接线牢固可靠，不可将高压输出线接到均压环上，非升压相接地应可靠，避免接地不良产生悬浮电位放电等等。
二、GIS组合电器故障的检测方法目前，有关局部放电检测的方法有：电测法、非电测法。
电测法又包括：超声波检测方法、脉冲电流检测方法(ERA)、高频检测方法(HF)、甚高频检测方法(VHF)、超高频检测方法(UHF)。
GIS设备局部放电图谱噪声抑制方法
GIS设备局部放电图谱噪声抑制方法于虹【摘要】针对GIS设备典型缺陷的局部放电图谱主要受白噪声干扰的问题,提出一种空域修正阈值的小波去噪方法.首先对小波变换的各种去噪算法进行了比较分析,由于小波去噪中的阈值算法存在着固有缺陷的使去噪效果并不十分理想,也不够稳定,然后本文提出将小波阈值算法与空域相关算法有机结合,同时给出一种新的阈值选择方法,对信号进行联合去噪.实验结果表明,本文提出的方法与传统方法具有明显优势,不但能在较强干扰情况下有效地将PD信号提取出来,且去噪后能量损失小,反映原始信号的特征尖峰点得到了较好的保留,波形峰值下降比较小.【期刊名称】《云南电力技术》【年(卷),期】2014(042)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】GIS设备;局部放电;图谱;去噪【作者】于虹【作者单位】云南电网公司电力研究院,昆明650217【正文语种】中文【中图分类】TM8随着我国经济的高速稳定发展,电力需求快速增长。
大容量的电力系统的安全稳定运行和供电可靠性是一个不容忽视的问题。
在联网的情况下,系统一旦发生故障,将造成大面积的停电,其维修费用和造成的经济损失都是无法估量的,因此电网的安全运行就显得格外重要。
气体绝缘开关设备GIS以其可靠性高、占地面积小等优点,在电力系统中得到广泛的应用。
GIS设备的正常运行是确保电力系统安全稳定运行的重要因素,而GIS结构复杂、造价高、缺陷难以发现,故障发生后修复时间长。
对于存在缺陷的GIS设备,在一定的条件下,会产生相应的放电图谱,放电图谱主要反映出放电点相对于试验工频电源的相位特征,经过多个周期的循环,获得放电点的相位统计特性。
不同的图谱对应了不同的放电故障类型,利用图谱可以区分出不同的放电类型。
但这些图谱无法直观的给出GIS内部缺陷的具体形态等信息。
同时,现市场上各种厂商的局部放电检测仪所提供的图谱缺陷识别仅能对设备内部单一缺陷的典型特征图谱进行识别。
而在生产实际中,往往会采集到特征不明显的图谱,这些设备就无能为力了。
GIS中局部放电产生的超高频电磁波及其测量_张鸣超
无关 ,因此可以传播任意频率的波 ,或者说无截止 频率。 1. 2 TM 波和 T E波
上面是将 GIS看作同轴双导线系统 ,故能够 传输 T EM 波。 也可将内外导体看作同轴圆柱波
导 ,由于任意截面形状的金属空管中不可能存在
T EM 波 ,此时从单个圆柱波导来看 ,电磁场场量
满足麦克斯韦方程 ( 1) ,展开后得:
西安交通大学 (西安 710049) 张鸣超 王建生 邱毓昌
摘 要 分析和测量了 G IS中 PD 信号的传输特性 ,在超 及波阻抗不连续 ,使高频波在其中多次折反射 ,每
高 频 ( U HF)波段 , PD 信 号的 传输 不仅 以 T EM 波 ,而且 主要是以高次模 ,即 T E波和 TM 波传播。 Abstract Pa rtia l discharg e ( PD ) detectio n is o ne of ef-
图 4 由瞬 态脉冲激发的 T EM、 T E01及 T M01波
2. 2 连接腔中的谐振 实际 GIS包含各种元件 (如支撑绝缘子等 ) ,
使同轴系统特性阻抗及波阻抗不连续 ,此时瞬态
图 5 测量谐振腔中 T E、 T M 波的实验装置
图 6 连接腔 ( b)及母线处 ( a、 c)测到的信号
2. 3 单极天线激发 许多局部放 电发生在 GIS同轴系统的半径
800M Hz信号不能传输到连接腔之外 ,即该连接
腔起到了谐振腔的作用。
图 3 实验装置
快速瞬态脉冲通过引燃触发间隙产生 ,对陡 化间隙为闭合的情况 ,由环形传感器 (图 3右侧测 量点 )测到的信号见图 4a,无高次模的高频信号 ; 陡化间隙距离为 1mm 时 ,测到的信号见图 4b,其 中包含了大量高频分量 ; 传播 7. 5m 后 (图 3中左 侧测量点 )信号快速衰减 (图 4c) ,而且与 T EM 相 比有约 23ns时延。 将环形传感器 (位置同 4b)垂 直放置以便主要测量高次模波 ,波形如图 4d, 与 4b相比仅有高频分量。 频谱分析发现其频率约 2G Hz,高于表 1T En1和 T Mn1高次模的下限 截止 频率。 另外 ,由于陡化间隙对称于传播方向 ,故只 有 T E0m及 T M0m才能由陡化间隙激发 ,即 n= 0, 因此这种高频分量可认为是 T E01和 T M01波。
GIS局部放电特高频检测技术的研究
GIS局部放电特高频检测技术的研究一、概述随着电力系统的不断发展，气体绝缘组合电器（GIS）因其优异的绝缘性能和紧凑的结构设计，在电力传输和分配中得到了广泛的应用。
GIS设备在运行过程中，由于设计制造缺陷、安装过程中的不当操作以及运行环境的恶化等原因，可能会产生局部放电现象。
局部放电是GIS设备绝缘性能恶化的重要征兆，长期存在将严重影响设备的正常运行，甚至导致整个电力系统的故障。
对GIS局部放电的检测与监测显得尤为重要。
特高频（UHF）检测技术作为一种新型的局部放电检测手段，因其具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，近年来在GIS局部放电检测中得到了广泛的应用。
特高频检测技术通过接收GIS设备内部局部放电产生的特高频电磁波信号，实现对局部放电的有效检测和定位。
该技术不仅可以用于设备的预防性维护，还可以在设备运行过程中进行实时监测，及时发现并处理潜在的绝缘缺陷，从而提高GIS设备的运行可靠性和电力系统的稳定性。
本文旨在深入研究GIS局部放电特高频检测技术，分析其检测原理、方法及应用现状，并探讨该技术在GIS局部放电检测和定位中的优化与改进。
通过本文的研究，期望能为GIS设备的故障诊断和预防性维护提供更为准确、有效的技术手段，为电力系统的安全稳定运行提供有力保障。
1. GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）的重要性及其在电力系统中的应用GIS，即气体绝缘金属封闭开关设备，是现代电力系统中不可或缺的关键组成部分。
其重要性不仅体现在提高电力系统的运行效率和稳定性上，更在于对电力输送和分配过程的安全保障。
GIS设备以其独特的结构和性能优势，在电力系统中发挥着日益重要的作用。
GIS设备具有出色的绝缘性能。
相比于传统的空气绝缘开关设备，GIS采用气体绝缘，大大提高了设备的绝缘强度，使其能够承受更高的电压等级，满足大规模、远距离电力输送的需求。
GIS 设备结构紧凑、占地面积小，有效解决了传统开关设备占地面积大、空间利用率低的问题，特别适用于城市电网和工矿企业等空间有限的场所。
GIS内特高频局放信号传播特性研究
GIS内特高频局放信号传播特性研究特高频法作为一种抗电磁干扰能力突出、灵敏性高的局放检测手段，在局放测试中大量使用，研究GIS内特高频局部放电信号传播特性具有重要的工程实用意义。
本文通过搭建GIS腔体FDTD仿真模型，仿真分析了特高频信号在GIS 直腔体内的传播特性，研究了特高频信号在对应直腔体中的衰减特性，对现场特高频检测系统选择、阈值设定、传感器优化布置、绝缘故障诊断具有重要的意义。
标签：GIS ；特高频；局部放电；传播特性；FDTD0 引言当前新建变电站多采用GIS，具有运维方便、使用寿命长等优点[1]。
GIS局放检测具有一系列方法，其中UHF法具有以下优点：在特高频电磁波区段检测，从源头上避开了高频电磁及电晕干扰；能够进行故障点位置的判定，能依据相应的频谱图谱实现故障类型识别[2]。
当发生局部放电时，GIS腔体会激发产生特高频信号，其在GIS腔体中传播特性复杂[3]。
加之现场设备众多，人员缺乏专业理论，对特高频信号传播特性不熟悉，这给现场特高频检测的阈值设定、传感器优化布置、绝缘诊断带来较大困难。
为此，研究GIS腔体内部特高频信号的传播特征十分必要。
1 相关理论及仿真软件1.1 时域有限差分法1966年K.S.Yee首次提出时域有限差分法（FDTD），其直接对麦克斯韦微分方程组离散求解，能够解决宽频、瞬态电磁场及大尺寸结构仿真计算[4 ]。
FDTD差分分割采用中心差商代替微商，同时对正六面体进行空间分割。
三维计算建模的时间、空间尺度应满足公式（1），方可确保系统稳定：1.2 仿真软件XFdtd是Remcom公司产品，它适合解决大尺寸复杂精细结构、具有强大的后处理和自定义脚本功能、能够支持多种放电信号源，为GIS的局放试验提供精准的仿真分析。
2 模型搭建根据国网烟台供电公司万华变电站220kV GIS参数搭建了直腔体的试验模型。
局放源设置在边界1m处位置。
导杆设置15mm长的细线来模拟内导体上的尖端放电。
GIS超声波局部放电检测技术的应用分析
GIS超声波局部放电检测技术的应用分析一、GIS超声波局部放电检测技术概述GIS超声波局部放电检测技术是利用超声波传感器监测GIS内部的放电活动，以识别可能存在的缺陷和故障隐患。
其工作原理是通过检测内部放电活动所产生的超声波信号，从而实现对GIS设备的故障检测和预警。
超声波检测技术具有高灵敏度、高分辨率和无损检测的优点，可对GIS设备进行全面、准确的检测，对设备的安全运行起着关键作用。
二、GIS超声波局部放电检测技术的应用1. 故障预警和监测GIS超声波局部放电检测技术可用于实时监测GIS设备的放电活动，及时发现可能存在的故障隐患，并提前预警，从而减少设备的突发故障和意外停机，保障电网系统的安全稳定运行。
2. 缺陷识别和定位通过对GIS设备内部放电活动及超声波信号的分析和处理，可以准确识别不同类型的设备缺陷，并确定其位置和程度，为设备的维护和修复提供重要依据。
3. 健康状态评估通过对GIS设备的超声波局部放电检测数据进行长期监测和分析，可以对设备的健康状态进行评估和分析，为设备的维护和管理提供科学依据，延长设备的使用寿命。
4. 故障诊断与分析当GIS设备发生故障时，超声波局部放电检测技术可以快速准确地诊断故障的原因和性质，为故障的修复和维护提供重要的技术支持。
三、技术发展趋势1. 联网监测技术随着物联网技术的发展，GIS超声波局部放电检测技术将与物联网技术结合，实现对GIS设备的远程、自动化、实时监测，大大提高设备监测的效率和准确性。
2. 数据分析与智能诊断未来，超声波局部放电检测技术将与大数据分析、人工智能等技术相结合，建立更加智能化的故障诊断与预测模型，实现对GIS设备故障的快速准确诊断和预测。
GIS带电检测
-7-
1.2、超声波检测（AE）
b.局放类缺陷：可检测三种局放缺陷类型，尖端放电、表面放电及悬浮放 电。对绝缘内部的空穴放电不灵敏。 可根据放电幅值大小，相位图特征区分三种放电类型，一般悬浮放电 能量较大，连续模式下检测数值较大。
对比振动及局放缺陷信号频率特征： 振动缺陷中心频率较低，局放类缺陷中心频率较高； 中心频率较低的超声传感器可能无法检测到某些中心频率较低的振动缺 陷。 如： DFA100 对于振动较灵敏。 DFA500 对频率较低振动不灵敏。
可以观察超声传感器的型号及传感器出厂检测报告，可了解传感器的中 心频率。
-8-
放电源定位
幅值法 壳体轴向寻 找信号最大点
频率法 改变检 测带宽
时差法 布置多 个传感器
声电联合法 布置特高频 和超声波传感器
圆周上寻找 信号最大点 信 号 变 化 不 明 显 GIS导 体信号
信号变 化情况 信 号 变 化 明 显 GIS壳 体信号
-5-
1.1、特高频检测（UHF）
f=V/λ
f-频率 V-电磁波的传播速度（3.0×108m/s） λ-波长 针对浇注口位置，当信号频率较大时， 才会发生明显衍射现象，信号传播出来。 所以有： a.浇注口相当于高通滤波器，频率较 小信号无法传播出来。 b.对比环氧树脂盆子，浇注口检测范 围可能更小。
-11-
3、红外成像技术
GIS内部发热的主要原因： 合闸不到位，触头发热，继而烧熔，引起电弧 GIS外壳温度异常 的原因多种，主要有 内部接头发热引起， 罐体环流引起，涡流 引起，以及外部环境。
-12-
3、红外成像技术
-13-
4、红外检漏技术
GIS带电检测
2018 年 3月
GIS局部放电UHF电磁波传播特性仿真研究
GIS局部放电UHF电磁波传播特性仿真研究仿真研究了GIS中局部放电UHF电磁波的传播特性。
结果表明，GIS盆式绝缘子对局放电磁波有衰减作用，邻近局放源的第一个绝缘子比其他绝缘子对电磁波的衰减作用更强，局放电磁波在经过绝缘子传播时，电磁波的能量分布会发生变化，能量集中的频点“上移”。
标签：GIS；超高频；电磁波；CST引言GIS因其可靠性高，占地面积小、维护简单和检修周期长等优点而在城市电网中得到了广泛的应用。
由于GIS的运行电压高，且其内空间极为有限致使其内部电场强度很高，因此一旦GIS内部出现某种缺陷，极易发生设备故障。
研究表明，GIS的常见故障为绝缘性故障，且多由局部放电引起[1]。
GIS内部产生的局放是一系列具有极短上升时间的脉冲。
就单个局放脉冲而言，其上升时间可短至1ns以下，包含从低频到数GHz频率成分的能量分布[2-3]，并且在GIS中激发出UHF频段的电磁波[4]。
1 电磁波在同轴波导中的传播理论根据单相GIS结构，将其简化为一个内径为2a，外径为2b的同轴波导，其中a为导体半径，b为GIS外壳内半径，如图1所示。
研究表明，GIS腔体内局部放电激励的电磁波信号中存在横电磁波和高次模波，即TEM和TE、TM波。
由图3，当GIS内部发生局部放电时，对于同类型的检测点，电场强度的幅值随着传播距离的增加而减小。
电磁波信号幅值在经过第一个绝缘子时产生较大衰减，而在第二个和第三个绝缘子前后的衰减较小。
这是由于电磁波的高次模分量在经过第一个绝缘子时因绝缘子的反射和泄漏等损耗而迅速衰减，从而造成信号的较大衰减，并使得第一个绝缘子后的电磁波信号主要以TEM模分量为主，此信号再经过绝缘子时的衰减程度就会小得多。
3 结束语文章采用有限积分软件对GIS中局放电磁波的传播特性进行仿真研究，得到以下结论：（1）GIS盆式绝缘子对局放电磁波有衰减作用，邻近局放源的第一个绝缘子比其他绝缘子对电磁波的衰减作用更强；（2）局放电磁波在经过绝缘子传播时，电磁波的能量分布会发生变化，能量集中的频点“上移”。
GIS中局部放电电磁波的模式特性
2009 年 7 月
高 电 压 技 术
第 35 卷第 7 期
・1 6 5 5 ・
波各模式分量与局放源之间的关系论述较少 。因 此 ,本文从局放源的激励特性出发 ,通过采用时域有 限差分法 ( FD TD ) 进行仿真计算分析 , 着重研究了 GIS 中局放激励的电磁波模式分布特性以及各模式 分量与局放源各因素之间的关系特性 , 进一步揭示 了 GIS 中局放激励的电磁波的特性 ,为在实际运用 中提高 U H F 法的有效性打下理论基础 。
T EM 模的场在同轴波导横截面上的分布与二维静
式中 , C1 、 C2 、 D 为常数 。 根据边界条件 r = a 和 r = b 时 , Eφ = 0 可得
J′ m ( kc a) N′ m ( kc b) - J ′ m ( kc b) N′ m ( kc a) = 0 。
( 7)
( 7 ) 为 TM 和 T E 模的本征值方程 ,可用 式 ( 5) 、
( 8)
β β
态场相同 ,电磁场满足下列拉普拉斯方程 2 t E = 0;
2
t
H = 0。
( 2)
由于边界条件 r = a 时 , 电势 Ф = U0 ; r = b 时 , 电势 Ф = 0 。则沿 z 方向传播的电磁场量为
Er = U0 e - jk z ; rln ( b/ a) ( 3)
Abstract : In order to explore t he characteristics of elect romagnetic waves ( EM2waves) which were excited by partial discharge in gas insulated switchgear ( GIS) , t he model fo r analyzing t he characteristics of PD signals in GIS is es2 tablished and simulated by using finite difference time domain ( FD TD) met hod. The characteristics of dist ribution of EM2wave modes which were excited by partial discharge in GIS and t he relatio nship between EM2wave modes and PD source were emp hatically analyzed. Firstly , t he characteristics of EM2wave modes dist ributio n in GIS were re2 searched . Secondly , t he relationship between PD source and EM2wave modes were st udied by changing t he parame2 ters of PD sources. The simulation result s show t hat TE11 (0° ) , T E21 (0° ) and TE31 (0° ) are t he dominant component s of t he corresponding high o rder mode , so it can be concluded t hat t he EM2wave signals at t he po sitions of φ= 0° and φ = 180° are t he st rongest . The EM2wave modes of PD signal in GIS are related wit h t he PD p ulse waveform , t he lo2 cation of PD so urce and t he lengt h of PD channels. Key words : GIS ; partial discharge ; U H F ; EM2wave ; mode ; FD TD
GIS局部放电带电测试特性研究
GIS局部放电带电测试特性研究摘要：GIS对电网的安全稳定运行有很重要的作用。
因此，有必要研究其运维策略，提高高压电气设备运行可靠性，确保电力系统的正常稳定运行。
本文从带电测试的角度对目前GIS故障诊断的类型以及局部放电检测方法进行分析。
关键词：GIS；带电测试；局部放电检测1、GIS局部放电带电测试原理电力设备的绝缘系统中，只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局部放电。
它是由于局部电场畸变、局部场强集中，从而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的。
它可能发生在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面或内部。
局部放电是一种脉冲放电，它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化。
GIS内部的局部放电在空间产生电磁波，在接地线上流过高频电流，使外壳对地呈高频电压。
同时，所产生的机械效应使管道内气体压力骤增，产生声波和超声波，并传到金属外壳上，使外壳产生机械振动。
另外，局部放电产生光效应和热效应可使绝缘介质分解。
总之，这些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化可以为监测电力设备内部绝缘状态提供检测信号。
目前，GIS绝缘带电测试最方便有效的方法就是局部放电检测。
局部放电既是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因。
由于绝缘击穿的后果经常比较严重，因而受到国内外的关注。
显然，对GIS进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其进一步发展，提高GIS的可靠性。
它还可以弥补耐压试验的不足，通过局部放电在线监测能发现GIS制造和安装的“清洁度”，能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，并能确定故障位置，从而进行有效的处理，确保设备的安全运行。
因此，开展GIS局部放电带电测试具有十分重要的现实意义。
2、GIS内部缺陷种类及其放电特征造成GIS内发生局部放电的原因往往是多方面的，影响介质性能的缺陷主要有严重的装配错误、自由金属微粒、导体之间电气或机械接触不良、电极突出物、绝缘子缺陷、SF6中混有水蒸气等几类。
GIS局部放电带电检测技术分析
GIS局部放电带电检测技术分析【摘要】GIS是气体绝缘开关设备,英文全称Gas Insulated Switchgear的缩写。
因其空间体积小、占地面积少、安全可靠、安装维护简单等优点，被广泛应用于输变电系统中，其可靠平稳运行对电力系统的安全稳定至关重要。
但由于其结构复杂，检修工艺繁杂，封闭、可视化差的特点，常规停电检修往往需要耗费大量的时间和人力，且难以发现GIS内部早期的绝缘缺陷。
随着带电检测技术的发展，可在GIS保持运行状态时对其进行局部放电带电检测，及时发现GIS早期的绝缘缺陷并进行针对性的检修处置，避免了缺陷进一步发展而导致故障的发生。
关键词：GIS设备；局部放电；带电检测技术由于GIS在电力系统中的重要作用，其可靠平稳运行至关重要，了解其结构特点，局部放电特征及带电检测方法具有十分重要的意义。
1、GIS简介GIS由断路器、母线、隔离开关、接地开关、避雷器、互感器等电气元件组成，金属外壳，导电杆和绝缘件封闭在内部并充入一定压力的SF6气体,其中SF6气体具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能，因此GIS又称为六氟化硫封闭式组合电器。
GIS具有以下优点：1.高度集成化，体积小、质量轻，占地面积少。
2.可靠、安全。
带电部分不与外界接触，全部密封于惰性气体SF6中，基本不受外部环境的影响，可靠性很高，且由于带电部分的封闭隔离，极大降低了触电风险。
同时由于元件的组合集成化，其抗震性能优良。
封闭的金属壳体，能实现对电磁和静电的屏蔽，且噪音小，抗无线电干扰能力强。
3.安装维护简单。
大部分组装工作和试验工作均可在工厂内完成，运抵现场的往往是单元或间隔形式，现场安装时间短，安装费用低。
同时由于其合理的结构布局，良好的灭弧能力，不受潮湿、灰尘及外部污染影响，具有较长的使用寿命，极大的延长了其检修周期，维护工作量较小。
4.适应环境适应能力强。
GIS由于其相对封闭的特点，可以适用于大多数条件恶劣的环境。
GIS虽然具有诸多优点，但由于其较为复杂的结构、封闭可视化差的特点，常规停电检修耗时费力，且难以发现其内部的早期绝缘缺陷。
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由瞬态电磁场理论可知，天线输出信号与接收
的入射电场和天线本身的响应性能有关。为研究电
磁波在同轴波导中的衰减特性，减少天线响应性能
对研究结果的影响，须使设置的探针响应与频率无
关，因此其长度在整个频谱内满足[14]：
l λ/2
（4）
式中，λ 为频谱内最小波长。
探针的输出电压为
v(ω) = he (ω)E(ω)
GIS 中最简单的结构就是直筒部分，它是一段 典型的同轴结构。采用 FDTD 计算程序进行仿真分 析，为使仿真结果具有实际指导意义，以国内 220kV GIS 尺寸进行建模[12 ]，如图 2 所示，其内导体外半 径为 a=4.5cm，外壳内半径为 b=19cm，外半径为 21cm，导体材料都为铝。腔体总长为 L=3m，两端 设为吸收边界。局放源位于腔内距离左边端口 0.5m 的外导体处，为一个沿 GIS 腔体径向分布的放电电
（5）
式中，he(ω)为天线的有效高度；E(ω)为天线入射场
强；ω 为角频率。
探针耦合的电磁波能量为
∫ e(t) = 1 v(t)2 dt ZL
（6）
式中，ZL 为天线的阻抗；v(t)为天线输出电压波形。
本文从电磁波传播理论出发，采用时域有限差 分（Finite Difference Time Domain, FDTD）法建立 GIS 中各种部件（直筒、绝缘子、L 分支、T 分支 等）仿真模型，深入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及其原 因，并通过对局部放电电磁波信号经过绝缘子前后 变化特性的试验研究验证了仿真分析的有效性，为 GIS 中 UHF 法的有效标定打下基础。
2. Shanghai Extra High Voltage Power Transmission Company Shanghai 200062 China)
Abstract Ultra-high frequency (UHF) electromagnetic waves (EM-waves) excited by partial discharge (PD) in gas insulated switchgear (GIS) can hardly be applied effectively to evaluate the PD source signal level as the EM-waves are affected by the GIS structure. For studying the influence of GIS structure on the EM-wave signals, the attenuation characteristics of EM-waves in different parts of GIS are investigated by using FDTD method in this paper and the spacer attenuation characteristic in actual GIS is studied with UHF sensors. The simulation results show that EM-wave signal amplitude will decrease a lot as the disperse effect of high order modes in coaxial waveguide, but the energy propagation is hardly affected. The EM-wave attenuation of the insulator which is near PD source is more serious than other insulators. EM-wave amplitude and energy both attenuate a lot when it pass L branch, but TEM mode attenuates a little. The attenuation of EM-wave in plumb way is more serious than straight way when signals propagate through the T branch.
波导内电磁波能量以群速传播，各模波相应的 群速为
ugmn = up
1
−
⎛ ⎜
⎝
fcmn f
⎞ ⎟ ⎠
（2）
式中， up 为电磁波的相速， up = 1/ µε 。 由式（2）可知，在同轴波导中，TEM 波传播
速度为相速，即光速，与频率无关。而高次模波传 播速度与频率有关，对于某一高次模波，即截止频 率相同时，电磁波频率 f 越高，传播速度越快。因 此，高次模波在同轴波导中传播时存在色散效应。
（1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海 200240 2. 上海超高压输变电公司 上海 200062）
摘要 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。
54
电工技术学报
2010 年 8 月
流，放电通道长度为 10mm。在同轴腔内壁ϕ =0°与 ϕ =90°处以 25cm 间隔分别布置探针 1～8。
图 2 同轴波导仿真模型 Fig.2 Coaxial waveguide simulation model
采用如下高斯函数模拟局放电流脉冲[13]。
i(t) = I0e−(t−t0 )2 / 2σ 2
Keywords ： Gas insulated switchgear, partial discharge, electromagnetic wave, amplitude attenuation, energy attenuation
1 引言
气体绝缘开关设备（ Gas Insulated Switchgear,
为研究电磁波信号在同轴波导中传播的变化特 性，取ϕ =90°处的探针 1 和探针 8（距离 1.75m） 的信号进行分析。两探针测得的电场及其 400MHz 低通滤波后（只存在 TEM 波）的信号如图 4 所示。
（a）探针 1（ϕ =90°）
图 3 局放电流波形
Fig.3 Partial discharge current pulse
传播。TE 和 TM 波是色散波，各自存在截止频率，
只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波
导中传播。各高次模波的截止频率 fcmn 取决于同轴 波导的尺寸和传输媒质，分别为[11]
fcmm
=
kmn 2磁导率；ε 为媒质的介电常数；kmn 为各高次模对应的截止波数，与波导尺寸有关。
2 同轴波导中电磁波特性
根据 GIS 的结构，可将 GIS 近似为两根同轴导
体构成的波导系统，如图 1 所示。其内导体为母线，
外半径为 a。外导体为外壳，其内半径为 b。由电磁
波理论可知，在同轴波导中除了可以传输横电磁波
（TEM）外，还可以传播高次模波（TE 和 TM 波）。
TEM 波为非色散波，可以以任何频率在同轴波导中
2010 年 8 月 第 25 卷第 8 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.25 No. 8 Aug. 2010
局部放电电磁波在 GIS 中的衰减特性
刘君华 1 徐敏骅 2 黄成军 1 郭灿新 1 姚林朋 1 江秀臣 1
图 1 同轴波导系统
Fig.1 Coaxial wave-guide system
同轴波导中截止频率最低的高次摸为 TE11 波， 其截止频率 fcTE11 ≈ 1 ⎡⎣π µε (a + b)⎤⎦ 。以国产 GIS 为 例，如 220kV 和 330kVGIS 的 a=4.5cm，b=19cm[12]， 则 fcTE11 为 406.4MHz。
（3）
式中，I0 为脉冲电流的幅值；t0 为延迟时间常数；σ 为衰减时间常数。
设脉冲电流幅值为 10mA，σ =0.17ns，t0=0.9ns， 脉冲电流波形如图 3 所示。其中脉冲上升时间 tr 为 0.28ns，下降时间 tf 为 0.28ns，脉宽 tw 为 0.73ns。
向位置布置（探针阻抗为 50Ω，有效高度为 10mm）。 3.2 仿真结果分析
收稿日期 2009-01-14 改稿日期 2009-05-05
GIS）中局部放电（以下简称局放）的单个脉冲持 续时间很短（上升时间＜1ns），其在 GIS 腔体内激 励频率高于 1GHz 的电磁波[1]。超高频（Ultra High Frequency, UHF）法通过检测 GIS 中局放时产生的 超高频电磁波信号，有效地避开了现场的电晕等干
3 电磁波在同轴波导中的衰减特性
由电磁场理论可知，天线接收的电磁波能量是 衡量电磁波传播衰减的一个重要指标。而信号的幅 值是信号检测系统中评估信号的最直接也是最重要 的参量，在背景噪声一定时，它决定了检测系统的 灵敏度。因此，为研究局放电磁波在 GIS 中的传播 衰减特性，下面对电磁波在同轴波导中（GIS 直筒 部分）的传播过程中的电场幅值与能量的变化特性 进行仿真分析。 3.1 仿真模型
的入射电场和天线本身的响应性能有关。为研究电
磁波在同轴波导中的衰减特性，减少天线响应性能
对研究结果的影响，须使设置的探针响应与频率无
关，因此其长度在整个频谱内满足[14]：
l λ/2
（4）
式中，λ 为频谱内最小波长。
探针的输出电压为
v(ω) = he (ω)E(ω)
GIS 中最简单的结构就是直筒部分，它是一段 典型的同轴结构。采用 FDTD 计算程序进行仿真分 析，为使仿真结果具有实际指导意义，以国内 220kV GIS 尺寸进行建模[12 ]，如图 2 所示，其内导体外半 径为 a=4.5cm，外壳内半径为 b=19cm，外半径为 21cm，导体材料都为铝。腔体总长为 L=3m，两端 设为吸收边界。局放源位于腔内距离左边端口 0.5m 的外导体处，为一个沿 GIS 腔体径向分布的放电电
（5）
式中，he(ω)为天线的有效高度；E(ω)为天线入射场
强；ω 为角频率。
探针耦合的电磁波能量为
∫ e(t) = 1 v(t)2 dt ZL
（6）
式中，ZL 为天线的阻抗；v(t)为天线输出电压波形。
本文从电磁波传播理论出发，采用时域有限差 分（Finite Difference Time Domain, FDTD）法建立 GIS 中各种部件（直筒、绝缘子、L 分支、T 分支 等）仿真模型，深入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及其原 因，并通过对局部放电电磁波信号经过绝缘子前后 变化特性的试验研究验证了仿真分析的有效性，为 GIS 中 UHF 法的有效标定打下基础。
2. Shanghai Extra High Voltage Power Transmission Company Shanghai 200062 China)
Abstract Ultra-high frequency (UHF) electromagnetic waves (EM-waves) excited by partial discharge (PD) in gas insulated switchgear (GIS) can hardly be applied effectively to evaluate the PD source signal level as the EM-waves are affected by the GIS structure. For studying the influence of GIS structure on the EM-wave signals, the attenuation characteristics of EM-waves in different parts of GIS are investigated by using FDTD method in this paper and the spacer attenuation characteristic in actual GIS is studied with UHF sensors. The simulation results show that EM-wave signal amplitude will decrease a lot as the disperse effect of high order modes in coaxial waveguide, but the energy propagation is hardly affected. The EM-wave attenuation of the insulator which is near PD source is more serious than other insulators. EM-wave amplitude and energy both attenuate a lot when it pass L branch, but TEM mode attenuates a little. The attenuation of EM-wave in plumb way is more serious than straight way when signals propagate through the T branch.
波导内电磁波能量以群速传播，各模波相应的 群速为
ugmn = up
1
−
⎛ ⎜
⎝
fcmn f
⎞ ⎟ ⎠
（2）
式中， up 为电磁波的相速， up = 1/ µε 。 由式（2）可知，在同轴波导中，TEM 波传播
速度为相速，即光速，与频率无关。而高次模波传 播速度与频率有关，对于某一高次模波，即截止频 率相同时，电磁波频率 f 越高，传播速度越快。因 此，高次模波在同轴波导中传播时存在色散效应。
（1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海 200240 2. 上海超高压输变电公司 上海 200062）
摘要 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。
54
电工技术学报
2010 年 8 月
流，放电通道长度为 10mm。在同轴腔内壁ϕ =0°与 ϕ =90°处以 25cm 间隔分别布置探针 1～8。
图 2 同轴波导仿真模型 Fig.2 Coaxial waveguide simulation model
采用如下高斯函数模拟局放电流脉冲[13]。
i(t) = I0e−(t−t0 )2 / 2σ 2
Keywords ： Gas insulated switchgear, partial discharge, electromagnetic wave, amplitude attenuation, energy attenuation
1 引言
气体绝缘开关设备（ Gas Insulated Switchgear,
为研究电磁波信号在同轴波导中传播的变化特 性，取ϕ =90°处的探针 1 和探针 8（距离 1.75m） 的信号进行分析。两探针测得的电场及其 400MHz 低通滤波后（只存在 TEM 波）的信号如图 4 所示。
（a）探针 1（ϕ =90°）
图 3 局放电流波形
Fig.3 Partial discharge current pulse
传播。TE 和 TM 波是色散波，各自存在截止频率，
只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波
导中传播。各高次模波的截止频率 fcmn 取决于同轴 波导的尺寸和传输媒质，分别为[11]
fcmm
=
kmn 2磁导率；ε 为媒质的介电常数；kmn 为各高次模对应的截止波数，与波导尺寸有关。
2 同轴波导中电磁波特性
根据 GIS 的结构，可将 GIS 近似为两根同轴导
体构成的波导系统，如图 1 所示。其内导体为母线，
外半径为 a。外导体为外壳，其内半径为 b。由电磁
波理论可知，在同轴波导中除了可以传输横电磁波
（TEM）外，还可以传播高次模波（TE 和 TM 波）。
TEM 波为非色散波，可以以任何频率在同轴波导中
2010 年 8 月 第 25 卷第 8 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.25 No. 8 Aug. 2010
局部放电电磁波在 GIS 中的衰减特性
刘君华 1 徐敏骅 2 黄成军 1 郭灿新 1 姚林朋 1 江秀臣 1
图 1 同轴波导系统
Fig.1 Coaxial wave-guide system
同轴波导中截止频率最低的高次摸为 TE11 波， 其截止频率 fcTE11 ≈ 1 ⎡⎣π µε (a + b)⎤⎦ 。以国产 GIS 为 例，如 220kV 和 330kVGIS 的 a=4.5cm，b=19cm[12]， 则 fcTE11 为 406.4MHz。
（3）
式中，I0 为脉冲电流的幅值；t0 为延迟时间常数；σ 为衰减时间常数。
设脉冲电流幅值为 10mA，σ =0.17ns，t0=0.9ns， 脉冲电流波形如图 3 所示。其中脉冲上升时间 tr 为 0.28ns，下降时间 tf 为 0.28ns，脉宽 tw 为 0.73ns。
向位置布置（探针阻抗为 50Ω，有效高度为 10mm）。 3.2 仿真结果分析
收稿日期 2009-01-14 改稿日期 2009-05-05
GIS）中局部放电（以下简称局放）的单个脉冲持 续时间很短（上升时间＜1ns），其在 GIS 腔体内激 励频率高于 1GHz 的电磁波[1]。超高频（Ultra High Frequency, UHF）法通过检测 GIS 中局放时产生的 超高频电磁波信号，有效地避开了现场的电晕等干
3 电磁波在同轴波导中的衰减特性
由电磁场理论可知，天线接收的电磁波能量是 衡量电磁波传播衰减的一个重要指标。而信号的幅 值是信号检测系统中评估信号的最直接也是最重要 的参量，在背景噪声一定时，它决定了检测系统的 灵敏度。因此，为研究局放电磁波在 GIS 中的传播 衰减特性，下面对电磁波在同轴波导中（GIS 直筒 部分）的传播过程中的电场幅值与能量的变化特性 进行仿真分析。 3.1 仿真模型