朱家福 申桂林

摘要：目前对开关柜进行带电检测的主要方法有脉冲电流法、超高频法、超声波和暂态地电压（TEV）检测法等。其中，TEV检测法由于灵敏度高，可靠性好等特点，在开关柜的绝缘状态检测中得到了广泛的应用。本文分析局部放电TEV检测方法的基本原理，并通过有限元积分软件对TEV信号的频谱特进行了研究。

关键词：开关柜表面;暂态地电压信号;频谱特征

1、影响开关柜外表面TEV因素的理论分析

开关柜内部的放电主要有表面放电、内部放电、尖端放电等。在放电过程中，由局放脉冲激发的电磁波频率可达数GHz，局放电磁波在设备的金属壳体表面感应出纳秒级的TEV信号，通过在设备外表面上安装1个特制的电容传感器可以检测到这个TEV信号，从而得到开关柜内部的局部放电情况。

当开关柜内部发生局部放电时，局部放电激发的高频电磁波入射到金属壁表面，激发表面电流，当TEV传感器安装于开关柜外表面时，可以检测到脉冲电压，即TEV信号。开关柜的柜体材料一般为覆铝锌钢板或钢板。开关柜内部发生局部放电时，电磁波通过壳体缝隙，开关柜控制表盘窗口、显示观察窗口等向外泄露。

1）电磁波在开关柜腔体内传播时，可分解为横电波（TE波）和横磁波（TM波）。2种电磁波存在特定的传播模式，分别为TEmn模和TMmn模。TEmn和TMmn波在开关柜金属腔体内来回反射，当腔体长度等于某种模式电磁波半波导波长的整数倍时，该模式下将会发生谐振，称为谐振模。因此可将开关柜腔体等效为矩形谐振腔。

2）局部放电电磁波从开关柜缝隙向外辐射时，在缝隙和空气的交界面只存在切向的电场，缝隙可以等效为1个片状的磁对称振子。

局部放电电磁波从开关柜表面缝隙向外泄露时，外表面某点电磁场强度与缝隙的尺寸及缝隙与空气交界面处电磁场有关。开关柜外表面TEV信号受到开关柜表面缝隙尺寸、开关柜结构及局放脉冲电流方向等因素影响。

2、开关柜局部放电仿真模型构建

本文采用基于有限积分（FIT）的全波3维电磁仿真软件CST仿真研究开关柜表面TEV信号的频谱特性。为使研究具有代表性，选择配电系统常见的2种型号的开关柜进行仿真建模分析XNG15?12型开关柜整体尺寸为500mm×1000mm×1600mm，包含A（500mm×1000mm×350mm）和B（500mm×1000mm×1250mm）2个空间。SM6型开关柜整体尺寸为850mm×500mm×1600mm，包含A（850mm×500mm×350mm）和B（850mm×500mm×1250mm）2个空间。

在开关柜模型内部A和B2个空间是相互独立的，在如图所示的正面，设置有用于电磁波泄漏的矩形开口，开口尺寸为300mm×100mm。

XNG15-12型开关柜，在开关柜内部坐标（250mm，500mm，250mm）处设置局部放电激励源。在开关柜内部坐标（425mm，250mm，250mm）处设置激励源。2个模型中激励源的方向为+z。另外，在开关柜外表面（425mm，500mm，1050mm）处设置TEV探测点。局部放电激励源可以用Gauss电流脉冲来模拟，Gauss电流脉冲的时域形式为

式中：τ为时间常数，决定了脉冲的宽度;I0为脉冲峰值;t为时间;t0为幅度时间函数的中心时间，为峰值时刻。

3、仿真结果分析

3.1开关柜腔体尺寸对TEV信号频谱的影响

按前面的仿真参数设置，对于XNG15?12型和SM6型2种开关柜分别进行仿真计算，可以得到TEV时域波形，TEV信号中能量较为集中的频率点与开关柜自身的谐振频率较为一致，即开关柜内部的结构尺寸会对局部放电电磁波的能量分布产生明显的影响，TEV信号的频谱与开关柜的结构尺寸密切相关。

3.2开关柜内部电气连接对TEV信号频域特性的影响

TEV信号与开关柜自身的谐振频率有关，当开关柜内部存在电气连接时，电磁波在开关柜内部传播遇到电气元件会发生反射、衍射，从而影响其谐振频率。开关柜带电气连接和不带电气连接2种情况下，TEV信号的频谱分布基本相同，相对于不带电气连接的开关柜腔体，加入电气连接后，TEV信号在时域波形幅值上会出现明显的减小，相应地，TEV信号频谱上各谐振点的幅值也有所减小。

3.3开关柜缝隙对TEV信號频域特性的影响

依据SM6型开关柜建立仿真模型，探测点的坐标，激励源波形和波形设置同第2章，局部放电电磁波经开关柜缝隙向外衍射的电磁场与缝隙的尺寸、缝隙与空气交界面电磁场有关，而缝隙与空气交界面电磁场的强度和分布受激励源的方向影响。开关柜缝隙尺寸改变时，TEV信号的频谱分布不会发生无明显的变化，但TEV信号频谱的强度会受到影响;当局部放电电流为垂直方向时，TEV信号频谱主要受缝隙长度的影响，当局部放电电流为水平方向时，频谱主要受缝隙高度的影响。

3.4开关柜壁厚对TEV信号频域特性的影响

为了研究开关柜壳体钢材料壁厚对TEV信号频域特性的影响，根据SM6型开关柜建立仿真模型（不带内部电气连接），激励源设置同3.2.1。将开关柜钢材料壁厚设置为4、6、8和10mm，可得到4种情况下的TEV信号频谱，为清晰起见，与开关柜壁厚为2mm的情况进行了对比，当开关柜金属壁厚从2mm增加至10mm时，探测点检测到的TEV信号频谱分布基本一致，TEV信号频谱在各频点的幅值随着厚度的增加而减小。

4、结论

1）开关柜内部的结构尺寸会对其表面的TEV信号能量分布产生明显的影响，TEV信号的频谱与开关柜自身的谐振频率密切相关。

2）开关柜内部电气连接对TEV信号频谱的强度会产生衰减，但其谐振频率仍然具有较好的规律性。

3）开关柜的缝隙尺寸、开关柜金属壁厚及局放电流的方向均会对TEV信号频谱的强度产生影响，但对频谱的分布影响较小。

4）当局放电流为垂直方向时，频谱幅值主要受开关柜缝隙长度的影响，当局放电流为水平方向时，频谱幅值主要受开关柜缝隙高度的影响。

参考文献：

[1]  汪金刚，林伟，王志，等.基于紫外检测的开关柜电弧在线检测装置[J].电力系统保护与控制，2011，39（5）

（作者单位：国网新疆电力有限公司检修公司）