开关柜结构对超高频电磁波传播特性的影响分析

【摘要】开关柜担负着关合电力线路、保护系统安全的双重功能，是发电厂、变电站中的重要基础设备。作为电网的重要组成部分，开关柜设备安全可靠的运行决定了供电的合格率和可靠性。本文针对开关柜结构对超高频电磁波传播特性的影响进行了详细的分析。

【关键词】开关柜；超高频电磁波；传播特性；影响局部放电是指当电气设备绝缘部位的场强足以使绝缘部位发生未形成完整放电通道的放电，是发生在电气设备绝缘部分区域的非贯穿性放电。通常，局部放电对绝缘本身的影响较小，但若不采取措施，局部放电会逐步发展，最终可使设备的绝缘击穿或闪络。

一、开关柜概述

开关柜是一种电气设备，其主要作用是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的部件主要有断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器及各种保护装置等组成。开关柜的分类方法很多，如通过断路器安装方式可分为移开式开关柜和固定式开关柜；按照柜体结构的不同，可分为敞开式开关柜、金属封闭开关柜、和金属封闭铠装式开关柜；根据电压等级不同又可分为高压开关柜、中压开关柜和低压开关柜等。主要适用于发电厂、变电站、石油化工、冶金轧钢、轻工纺织、厂矿企业和住宅小区、高层建筑等各种不同场合。

二、时域有限差分法

时域有限差分法是把关心的空间域化成一定形式的网格，然后将时域微分方程用有限差分方程组代替，在适当的边界和初始条件下解有限差分方程，使电磁波的时域特性直接反映出来，直接给出非常直观的电磁场问题的时域信息，用清晰的图像描述复杂的物理过程。另外，FDTD 是一种基于网格剖分的分析方法，剖分网格尺寸越小，分析结果越精确，但随之运算量也越大，运算也越复杂，对运算所用计算机的性能要求也越高。因此需选择合理的剖分网格尺寸，使得即满足于精度的要求，又具有合理运算量。本文采用基于电磁波数值计算方法FDTD 的全波三维电磁仿真软件XFDTD 仿真开关柜内局部放电超高频电磁波的传播情况。

三、金属柜壁及厚度对超高频信号的影响

1、柜壁对超高频信号的影响。在柜壁处设置幅值1A、脉冲宽度为4ns 高斯脉冲源。然后分别距开关柜壁上不同处设置接受点，仿真分析不同监测距离下UHF 信号的衰减情况及柜壁对信号大小的影响情况。由其结果可知，第一个接受点距柜壁较远，幅值出现在第一个峰值处，其余接收点峰值均是出现在后面的振荡处，所以金属柜壁除了可延长UHF 信号存在的时间，还可增强UHF 信号的幅值。开始时，UHF 信号是直线衰减的趋势，在距柜壁不远处由于柜壁的反射作用UHF 信号开始增强，当检测点距放电源最远且完全位于柜壁上时，UHF 幅值达到最大，甚至大于相对最近处的接收点幅值，说明柜壁对随距离逐渐衰减的UHF 信号幅值存在着显著的增强作用。

2、壁厚对超高频信号的影响。在金属柜体中传播的电磁波，由于能量损耗而使电场强度和磁场强度都按e-az 的指数规律衰减，且随着电导率及磁导率的增加、频率的升高而衰减得越快。电磁波的电场、磁场在金属柜壁的透入深度为衰减常数的倒数。另外，在金属全封闭隔室中，即使1mm 的壁厚，局部放电产生的超高频电磁波也无法穿过柜壁传播。本文研究的是不同壁厚与UHF 信号反射的关系和缝隙存在情况下，不同壁厚与UHF 信号衍射的影响关系。在隔室内右侧底角加1A 的高斯脉冲电流源，脉宽1ns。同时在距离放电源最远的左上角处设置接受源。依次从1mm 到10mm，改变隔室隔板的厚度，仿真研究不同隔板厚度与UHF 衍射信号的关系。由其结果可知，1mm 和10mm 厚度下无论是波形或幅值完全一致，说明柜壁厚度对UHF 信号的反射和衍射都没有明显的加强或减弱的作用。因此，在考虑超高频传感器的安装时，可忽略开关柜柜壁厚度和缝隙存在情况下，隔室隔板厚度的影响作用。

四、隔室及缝隙对超高频信号的影响

1、隔室对超高频信号的影响。为了研究隔室对电磁波信号的影响，研究了全封闭隔室和实际存在缝隙的隔室信号的对比情况。同时在全封闭隔室和带缝隙的隔室内右侧底角加1A 的高斯脉冲电流源，脉宽2ns。在隔室内电流源正上方和隔室外正上方设置接受源。通过相隔不远隔室内外的接受源接收信号的情况，说明金属隔室对信号有很强的屏蔽作用，几乎没有信号的传出。通过全封闭隔室下的UHF波形与存在缝隙隔室下的UHF 波形对比得出，隔室内的信号大小与波形基本相似。但由于间隙的存在，隔室外的信号没有大幅度的衰减，依然能很好监测到隔室内部的UHF 信号。

2、隔室缝隙对超高频信号的影响。以KYN28A-12 型开关柜为例，由于不同型号开关柜存在大小不一的间隙。所以为了研究缝隙长度对超高频信号大小的影响，设置一条缝隙并保持缝隙宽度不变，然后不断改变缝隙长度，对不同缝隙长度下的超高频信号进行仿真分析。本文依次对10mm、18mm、19mm、20mm、30mm、40mm、50mm、65mm 长度进行仿真研究。

在隔室内右侧底角（23，23，23）加1A 的高斯脉冲电流源，脉宽1ns。同时在距放电源最远的左上角（80，107，76）处设置接受源。

不同缝隙长时监测点UHF 信号如图1 所示。UHF 信号幅值与缝隙长度的对应关系如图2 所示。

由图2 可看出，18mm 及以下长度的缝隙都不能很好的传播超高频信号，对超高频信号有很强的阻碍作用。而19mm 及以上的缝隙则可很好的传播超高频信号，并逐渐随着缝隙长度的增大，监测点信号也逐渐增强。同理，在缝隙长度一定的情况下，也存在着临界缝隙宽度传播超高频信号。

电磁波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象称为衍射。电磁波在任何情况下都会发生衍射现象，电磁波的直线传播也只是衍射现象的极限表现。当隔室内由于局部放电产生的超高频电磁波穿过隔室传播时，由于缝隙的存在，电磁波会发生衍射现象。相对于其它低频段电磁波，超高频电磁波由于波长更接近缝隙的宽度，更易发生衍射，也更有利于监测隔室内的局部放电UHF信号。随着缝隙长度的增加并不断接近电磁波波长时，衍射强度越来越大，衍射现象也越来越明显。

图1　不同缝隙长度下的UHF 波形

图2　缝隙长度与UHF 信号幅值的关系曲线

结语

开关柜作为在电力系统中大量应用、直接向配电网和用户供电的电气设备，其发生故障造成停电事故带来的经济损失和社会损失较大。超高频法是一种检测局部放电所激发的超高频电磁波的方法，但由于开关柜内部空间狭小，结构复杂，其内部的各种元件会对超高频电磁波信号的传播产生复杂的影响，这样将不利于超高频传感器位置的确定，同样也难以从检测结果中提取有用的信息。因此，开关柜内部超高频电磁波传播特性的研究对开关柜局部放电超高频检测的深入研究很有必要。

参考文献：

[1] 葛德彪. 电磁波时域有限差分方法[M]. 西安电子科技大学出版社，2014.

[2] 王娟. 基于UHF 的高压开关柜局部放电在线监测的研究[D].

保安：华北电力大学，2014.