GIS中局部放电产生的超高频电磁波及其测量_张鸣超
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③当 k = kc ,称为临界状态 ,U= 0,由此可作 为判断同轴线中是否存在高次模波的依据 ,此时 , 截止频率为:
f c = knm /2c _X
( 12)
knm 与波导 尺寸有关 , 如对 T Mnm 波 , knm =
nc/( b - a ) ,所有高次模波中截止频率最低的为
T E11 波 , f cmin = 1 /c _X( a+ b )。
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:
GIS中局部放电 ( PD)产生持续时间仅 ns级 的脉冲电流 [1 ]。在高压导体上有针状突出物时 ,因 SF6 气体中负离子释放电子而不需要依靠场致发
射电子 ,正极性下通常发生脉冲放电 ,典型波形如 图 1[2 ] ,其等值频率可 > 1G Hz,属于微波波段。
则场域 ( a≤ r≤ b )内任一点 P ( r ,h) 的场量 E和
表 1给出了 根据本文涉及的 GIS实验装置
同轴线尺寸 ( a = 0. 045m; b = 0. 155m )时几个
较低次 T E波和 TM 波的 f c 计算值。
④ T E、 T M 波的相速 vp 和群速 vg 可表示为:
vp = ( 1 / _X) / vg = ( 1 / _X) /
1 - (kc /k) 2 > vc ( 13)
n = 1 1. 43 2. 77
0. 48 1. 56 2. 82
n = 2 1. 69 2. 94
0. 91 1. 93 3. 02
n = 3 1. 99
1. 28 2. 38
2 高次模波的测量
实际 GIS并非理想同轴线 ,其波阻抗会出现 多次变化导致十分复杂的电磁波传播过程 ,上述 理论分析旨在说明 GIS中存在的电磁波类型和 传输情况。分析表明 ,不同频率的高次模电磁波具 有不同的截止频率。 GIS中 PD信号的高次模波 的频率主要取决于放电类型。 为研究 T EM、 TM、 TE波的传播特性 ,采用三种激发源产生的信号 模拟 GIS中局放脉冲 ,测量通过 GIS不同位置电
1 /b+ ln(b
1 /a /a)
)
+
k 2_XtgW
( 5)
其中 t gW= e/kX; Rs 为导体表面电阻 ; e为介质漏
导率。
T EM 波的传播速度为相速 vp , 等于群速 vg 且等于光速 v c ,即:
vp = vg = k/k = 1 / _X= vc
( 6)
即这种波的传播速度仅与媒质有关而与波的频率
若令 Ez = 0而 Hz ≠ 0, 则电场只有横向分
量 ,这种波称为横电波 ( T E) ,此时
Hz =
[A Jl ( kcr ) +
B Nl ( kcr ) ]
wk.baidu.com
coslh si nlh
ej(kt-
Uz )
( 8)
利用边界条件 r = a , r = b 处 Eh= 0,于是有
Jl ( kca ) / Jl ( kcb) = Nl ( kca ) /Nl ( kcb) ( 9)
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-
Er =
-
j
1 k2c
(U
Ez r
+
k_ r
Hz h
)
Eh =
-
j
1 kc2
(
U r
Ez r
-
k_
Hz r
)
( 7)
Hr =
-
j
1 kc2
(U
Hz r
-
kX r
Ehz )
Hh = -
j
1 kc2
(
U r
Hz r
+
kX Ehz )
式中: U2 =
k2 -
k
2 c
;
U为传播常
数
;
kc
为对
应于
截
止波长的相位常数。
1 GIS同轴线中 U HF电磁波类型
关键词 GIS 局部放电 超高频 高次模波 Key words GI S PD U HF hig h o rder mode
1. 1 同轴线中的 T EM 波
图 2中 a为内导体的外半径 ; b为外导体的内
0 前 言
半径。 媒质 SF6 气体介电常数为 X,导磁率为 _ ,
用 U HF法进行 GIS中局部放电监测是近几 年才发展起来的 [3, 4 ]。该法的最大优点是抗干扰能 力强 ,特别适用于现场监测。
U HF elect ro ma gnetic wav es g ene rated in G IS by PD a re
analysed a nd measured.
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。
1 - (kc /k) 2 < vc
显然 , vg 及 v p 均为频率 f 的函数 ,因此高次模波
为色散波。
表 1 TEnm及 TMnm较低次模截止频率计算结果
fc / G Hz
TM波 m= 1 m= 2
TE波 m= 1 m= 2 m= 3
n = 0 1. 34 2. 71
1. 42 2. 74
其中 Jl ( kcr ) , Nl ( kcr ) 为第一、二类贝塞尔函数。
T E、 T M 波有如下特性:
①当频率足够高时 , k > kc ,U为实数 ,此时行 波因子为 e- jUz ,说明电磁波沿 z 轴是传输的 ;
②当频率比较低时 , k < kc ,U为虚数 , e|U|z 为 衰减因子 ,电磁波的相位沿 z 轴不变化 ,波不具有 波动性 ,其幅值按 e|U|z 规律沿 z 轴很快衰减 ,显然 这种波不能传输 ;
24 June. 1998 HIG H VO L T AGE EN GIN EERING Vo l. 24 No. 2
磁波 ,验证高次模波在 GIS中谐振、截止等特性。 电压可激发高次模 波。 将 1ns宽的 极短脉冲经
所用传感器利用微波天线原理 ,传输特性在 f c < GIS终端锥形匹配体注入图 5连接腔 ,分别在 a、
f < 1G Hz内基本保持线性 [6 ]。
b、 c三点用宽频带电容式传感器进行测量 ,其中 b
2. 1 快速瞬态信号激发
点在连接腔内 , a、 c则在连接腔外的母线处。 测得
实验装置见图 3,测量元件为宽频带环形传 的波形见图 6, 6b中信号明显不同于 6a 和 6c,其
感器 , T G为触发间隙 ; SG为陡化间隙。
是为典型的波动方程 ,且 E 和 H的方向均垂直于 传 播 方 向 z 轴。 这 种 波 称 为 平 面 横 电 磁 波 ( T EM )。 利用边界条件 r = a 时 O= u0; r = b时 O= 0,则向 z 方向传播的场量可写为 [5 ]:
Er =
u0 r ln ( b
/a )
ej(kt- kz )
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
若令 Hz = 0而 Ez ≠ 0, 则磁场只有横向分
量 ,这种波称为横磁波 ( T M ) ,此时
Ez =
[C Jl ( kc r) +
D Nl ( kc r) ]
coslh sinlh
ej(kt-
Uz
)
( 10)
利用边界条件 r = a , r = b 处 Ez = 0,于是有
J′ l ( kca ) / J′l ( kcb) = N′l ( kca ) /N′ l ( kcb) ( 11)
22 June. 1998 HIG H VO L T AGE EN GIN EERING Vo l. 24 No. 2
G I S中局部放电产生的超高频电磁波及其测量
U HF Elect romag netic Wav es Ex cit ed by Par ti al Di scharg e i n GIS a nd Thei r Mea surem ent s
节 GIS及每个连接腔可视为微波同轴谐振腔 ,使 PD波形十分复杂。因此 ,实测实际 GIS中电磁波
fectiv e means to monito r the insula tio n of G IS. Ultra - 十分重要。
high freque ncies ( U HF) PD sig na ls pro pag ate in the GI S coax ia l system no t only in the t ransv er se electric and mag netic ( T EM ) mode, but also in the high o rder mo des ( T E and TM ) . In this paper, the tra nsmissio n mode of
主频分量约 800M Hz。 超高频振荡信号在 a、 c点
没有测到 ,表明它不能传播到母筒内。根据连接腔
尺 寸 , 算 得 T E01 和 T M01 波 的 截 止 频 率 约
780M Hz,略低于测得的高频信号 ,可在连接腔内
谐振。 由于腔外母线筒对 T E10及 TM01波的截止
频率分 别 为 1. 42GHz和 1. 34G Hz(表 1) , 因此
GIS是同轴传输线 ,信号传输特性取决于频 率。对工频可用电气集中参数来等值 ; 瞬态信号时 应视为分布参数的传输线 ; 而对微波则应看作同 轴波导。根据分析 , PD信号在 GIS同轴系统中不 仅以横向电磁波 ( T EM)方式传播 ,而且会建立高 次模波即横 向电波 ( T E) 和横向磁波 ( TM )。 另 外 ,由于 GIS中存在支撑绝缘子造成其特性阻抗
H 满足下列麦克斯韦方程:
5 × E = - jk_ H , 5 × H = jkXE ( 1)
5 E = 0, 5 H = 0
( 2)
图 2 G IS同轴波导传输线
经运算后得:
5 2 E + k2_XE = 0, 5 2 H + k2_XH = 0 ( 3)
图 1 SF6 正极性脉冲放电电流波形
方向 ,这种不对称放电脉冲除激发 T EM、 T E0m和 T M0m波外 ,还能激发 T Enm和 TMnm ( n> 0)的高次 模波。 用单极天线 (长度 90m m,直径 4m m )作为 激发源代替图 5中的锥形体 ,注入 1ns宽脉冲在 a、 c两点用电容式传感器测量的波形见图 7。可看 出有 T EM 波和高次模波 ,主频率约 590M Hz,略 高于表 1的 T E波的最低频率 480M Hz。比较 a、 c 两点波形发现传播过程中 ,由于高次模波为色散 波 ,且高次模波的群速与 频率有关并低于 TEM 波的传播速度 ,故信号畸变十分严重 ,同时 T E波
,
Hh =
Er /Z
( 4)
式中: u0为信号幅值 ;k为信号角频率 ; k = k _X
称为相移常数 ; Z= _ /X称为波阻抗。
1998年 6月 高 电 压 技 术 第 24卷第 2期 23
若用衰减常数 T表示导体和介质损耗 ,则 :
T=
Rs ( 2Z
f c = knm /2c _X
( 12)
knm 与波导 尺寸有关 , 如对 T Mnm 波 , knm =
nc/( b - a ) ,所有高次模波中截止频率最低的为
T E11 波 , f cmin = 1 /c _X( a+ b )。
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:
GIS中局部放电 ( PD)产生持续时间仅 ns级 的脉冲电流 [1 ]。在高压导体上有针状突出物时 ,因 SF6 气体中负离子释放电子而不需要依靠场致发
射电子 ,正极性下通常发生脉冲放电 ,典型波形如 图 1[2 ] ,其等值频率可 > 1G Hz,属于微波波段。
则场域 ( a≤ r≤ b )内任一点 P ( r ,h) 的场量 E和
表 1给出了 根据本文涉及的 GIS实验装置
同轴线尺寸 ( a = 0. 045m; b = 0. 155m )时几个
较低次 T E波和 TM 波的 f c 计算值。
④ T E、 T M 波的相速 vp 和群速 vg 可表示为:
vp = ( 1 / _X) / vg = ( 1 / _X) /
1 - (kc /k) 2 > vc ( 13)
n = 1 1. 43 2. 77
0. 48 1. 56 2. 82
n = 2 1. 69 2. 94
0. 91 1. 93 3. 02
n = 3 1. 99
1. 28 2. 38
2 高次模波的测量
实际 GIS并非理想同轴线 ,其波阻抗会出现 多次变化导致十分复杂的电磁波传播过程 ,上述 理论分析旨在说明 GIS中存在的电磁波类型和 传输情况。分析表明 ,不同频率的高次模电磁波具 有不同的截止频率。 GIS中 PD信号的高次模波 的频率主要取决于放电类型。 为研究 T EM、 TM、 TE波的传播特性 ,采用三种激发源产生的信号 模拟 GIS中局放脉冲 ,测量通过 GIS不同位置电
1 /b+ ln(b
1 /a /a)
)
+
k 2_XtgW
( 5)
其中 t gW= e/kX; Rs 为导体表面电阻 ; e为介质漏
导率。
T EM 波的传播速度为相速 vp , 等于群速 vg 且等于光速 v c ,即:
vp = vg = k/k = 1 / _X= vc
( 6)
即这种波的传播速度仅与媒质有关而与波的频率
若令 Ez = 0而 Hz ≠ 0, 则电场只有横向分
量 ,这种波称为横电波 ( T E) ,此时
Hz =
[A Jl ( kcr ) +
B Nl ( kcr ) ]
wk.baidu.com
coslh si nlh
ej(kt-
Uz )
( 8)
利用边界条件 r = a , r = b 处 Eh= 0,于是有
Jl ( kca ) / Jl ( kcb) = Nl ( kca ) /Nl ( kcb) ( 9)
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-
Er =
-
j
1 k2c
(U
Ez r
+
k_ r
Hz h
)
Eh =
-
j
1 kc2
(
U r
Ez r
-
k_
Hz r
)
( 7)
Hr =
-
j
1 kc2
(U
Hz r
-
kX r
Ehz )
Hh = -
j
1 kc2
(
U r
Hz r
+
kX Ehz )
式中: U2 =
k2 -
k
2 c
;
U为传播常
数
;
kc
为对
应于
截
止波长的相位常数。
1 GIS同轴线中 U HF电磁波类型
关键词 GIS 局部放电 超高频 高次模波 Key words GI S PD U HF hig h o rder mode
1. 1 同轴线中的 T EM 波
图 2中 a为内导体的外半径 ; b为外导体的内
0 前 言
半径。 媒质 SF6 气体介电常数为 X,导磁率为 _ ,
用 U HF法进行 GIS中局部放电监测是近几 年才发展起来的 [3, 4 ]。该法的最大优点是抗干扰能 力强 ,特别适用于现场监测。
U HF elect ro ma gnetic wav es g ene rated in G IS by PD a re
analysed a nd measured.
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。
1 - (kc /k) 2 < vc
显然 , vg 及 v p 均为频率 f 的函数 ,因此高次模波
为色散波。
表 1 TEnm及 TMnm较低次模截止频率计算结果
fc / G Hz
TM波 m= 1 m= 2
TE波 m= 1 m= 2 m= 3
n = 0 1. 34 2. 71
1. 42 2. 74
其中 Jl ( kcr ) , Nl ( kcr ) 为第一、二类贝塞尔函数。
T E、 T M 波有如下特性:
①当频率足够高时 , k > kc ,U为实数 ,此时行 波因子为 e- jUz ,说明电磁波沿 z 轴是传输的 ;
②当频率比较低时 , k < kc ,U为虚数 , e|U|z 为 衰减因子 ,电磁波的相位沿 z 轴不变化 ,波不具有 波动性 ,其幅值按 e|U|z 规律沿 z 轴很快衰减 ,显然 这种波不能传输 ;
24 June. 1998 HIG H VO L T AGE EN GIN EERING Vo l. 24 No. 2
磁波 ,验证高次模波在 GIS中谐振、截止等特性。 电压可激发高次模 波。 将 1ns宽的 极短脉冲经
所用传感器利用微波天线原理 ,传输特性在 f c < GIS终端锥形匹配体注入图 5连接腔 ,分别在 a、
f < 1G Hz内基本保持线性 [6 ]。
b、 c三点用宽频带电容式传感器进行测量 ,其中 b
2. 1 快速瞬态信号激发
点在连接腔内 , a、 c则在连接腔外的母线处。 测得
实验装置见图 3,测量元件为宽频带环形传 的波形见图 6, 6b中信号明显不同于 6a 和 6c,其
感器 , T G为触发间隙 ; SG为陡化间隙。
是为典型的波动方程 ,且 E 和 H的方向均垂直于 传 播 方 向 z 轴。 这 种 波 称 为 平 面 横 电 磁 波 ( T EM )。 利用边界条件 r = a 时 O= u0; r = b时 O= 0,则向 z 方向传播的场量可写为 [5 ]:
Er =
u0 r ln ( b
/a )
ej(kt- kz )
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
若令 Hz = 0而 Ez ≠ 0, 则磁场只有横向分
量 ,这种波称为横磁波 ( T M ) ,此时
Ez =
[C Jl ( kc r) +
D Nl ( kc r) ]
coslh sinlh
ej(kt-
Uz
)
( 10)
利用边界条件 r = a , r = b 处 Ez = 0,于是有
J′ l ( kca ) / J′l ( kcb) = N′l ( kca ) /N′ l ( kcb) ( 11)
22 June. 1998 HIG H VO L T AGE EN GIN EERING Vo l. 24 No. 2
G I S中局部放电产生的超高频电磁波及其测量
U HF Elect romag netic Wav es Ex cit ed by Par ti al Di scharg e i n GIS a nd Thei r Mea surem ent s
节 GIS及每个连接腔可视为微波同轴谐振腔 ,使 PD波形十分复杂。因此 ,实测实际 GIS中电磁波
fectiv e means to monito r the insula tio n of G IS. Ultra - 十分重要。
high freque ncies ( U HF) PD sig na ls pro pag ate in the GI S coax ia l system no t only in the t ransv er se electric and mag netic ( T EM ) mode, but also in the high o rder mo des ( T E and TM ) . In this paper, the tra nsmissio n mode of
主频分量约 800M Hz。 超高频振荡信号在 a、 c点
没有测到 ,表明它不能传播到母筒内。根据连接腔
尺 寸 , 算 得 T E01 和 T M01 波 的 截 止 频 率 约
780M Hz,略低于测得的高频信号 ,可在连接腔内
谐振。 由于腔外母线筒对 T E10及 TM01波的截止
频率分 别 为 1. 42GHz和 1. 34G Hz(表 1) , 因此
GIS是同轴传输线 ,信号传输特性取决于频 率。对工频可用电气集中参数来等值 ; 瞬态信号时 应视为分布参数的传输线 ; 而对微波则应看作同 轴波导。根据分析 , PD信号在 GIS同轴系统中不 仅以横向电磁波 ( T EM)方式传播 ,而且会建立高 次模波即横 向电波 ( T E) 和横向磁波 ( TM )。 另 外 ,由于 GIS中存在支撑绝缘子造成其特性阻抗
H 满足下列麦克斯韦方程:
5 × E = - jk_ H , 5 × H = jkXE ( 1)
5 E = 0, 5 H = 0
( 2)
图 2 G IS同轴波导传输线
经运算后得:
5 2 E + k2_XE = 0, 5 2 H + k2_XH = 0 ( 3)
图 1 SF6 正极性脉冲放电电流波形
方向 ,这种不对称放电脉冲除激发 T EM、 T E0m和 T M0m波外 ,还能激发 T Enm和 TMnm ( n> 0)的高次 模波。 用单极天线 (长度 90m m,直径 4m m )作为 激发源代替图 5中的锥形体 ,注入 1ns宽脉冲在 a、 c两点用电容式传感器测量的波形见图 7。可看 出有 T EM 波和高次模波 ,主频率约 590M Hz,略 高于表 1的 T E波的最低频率 480M Hz。比较 a、 c 两点波形发现传播过程中 ,由于高次模波为色散 波 ,且高次模波的群速与 频率有关并低于 TEM 波的传播速度 ,故信号畸变十分严重 ,同时 T E波
,
Hh =
Er /Z
( 4)
式中: u0为信号幅值 ;k为信号角频率 ; k = k _X
称为相移常数 ; Z= _ /X称为波阻抗。
1998年 6月 高 电 压 技 术 第 24卷第 2期 23
若用衰减常数 T表示导体和介质损耗 ,则 :
T=
Rs ( 2Z