局放超高频检测仿真和电磁波理论分析的研究

由于变压器中局放上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激起1GHz以上的超高频电磁信号，在进行仿真时的软件应该为高频电磁场仿真软件。为了提高计算精度和缩短计算时间，仿真软件所采用的方法最好是时域法。国内外用于PD超高频检测仿真的主要方法为时域有限差分法(FDTD)。 FDTD是近年来发展很快的一种电磁场数值计算方法，它用各离散点上函数的差商来近似代替该点的偏导数，将含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进以求解空间电磁场。FDTD法采用交替抽样的离散方式，在空间和时间上处理电磁场E, H分量，在计算中将空间某一网格点的电场(磁场)与周围磁场(电场)直接相关联，且介质参数已赋值给计算空间的每一个元胞，利用计算机技术，通过求解差分方程，可方便解出各网格点的场值。FDTD法在GIS的局部放电超高频仿真中应用的较早，有学者研究了GIS局部放电超高频电磁波信号与视在放电量的关系，发现UHF信号可以在一定程度上反映出GIS的绝缘状态，而与视在放电量的关系还需进一步研究。电力变压器内部结构比GIS更为复杂，所以变压器超高频信号与视在放电量关系的仿真研究会更加的复杂。有研究表明利用时域有限差分法研究了超高频天线周围螺钉对UHF信号的影响，研究发现：在几个螺钉的对称中心，螺钉对信号基本不影响。

由于仿真中我们得到的是检测点的暂态电场信号，而在实际中我们用超高频天线和传感器得到的是电磁波信号，所以两者不能直接进行对比。为了印证仿真的正确与否，我们设计了一种单极子探针来检测局部放电所产生的暂态电场，根据前人的方法与仿真波形对比；由于仿真时的种种近似和误差，仿真暂态电场信号与实测的并不是完全一样，所以也用一定时间范围内的仿真和测量的UHF能量进行对比。

通常电力变压器绝缘结构中的局部放电可看作是一点源发出的，在油中传播时它们遵循电磁场的麦克斯韦的方程，通过引入动态向量位和动态标量位，麦克斯韦基本方程可转化为动态方程，可看出局部放电电磁波是时间和位置的函数，是一种横电磁波。在变压器超高频局部放电检测过程中，电磁波在变压器内传播时会遇到3种情况：1)经过单一介质(变压器油)；2)复合介质(油一绝缘板)；3)金属导体(变压器箱体)。UHF电磁波信号在变压器内传播时要经过多种不同的组合介质，在组合介质交界面处电磁波会发生折反射，如果两种组合介质的林和。相近时，入射波会几乎无反射的进入下一层介质。在变压器内部，为了使在变压器组合介质上的电场接近，常选用相对介电常数比较接近介质组合(如油和纸绝缘)，UHF信号在这种组合绝缘介质中的衰减很小。由于趋肤效应，电磁波不能透过变压器箱体，并且频率越高趋肤深度越小，如果把变压器箱体看作是理想电导体，电磁波将发生全反射。有学者研究时引入光程的概念，说明了铁心对电磁波传播的影响。入射电磁波在沿曲面传播时不断沿切线方向发出绕射射线，故其能量迅速衰减，对局部放电UHF信号的检测很不利。