CN110320453B - 基于软件仿真分析气体泄漏对gis局部放电影响的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法及系统，包括：建立GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型；利用等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，获得等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；针对所述模型自由金属微粒缺陷下的局部放电，利用XFdtd三维电磁场仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到模型特高频电磁波的时域波形；针对时域波形，经快速Fourier变换得到放电频谱，从时、频域两方面探究了气体泄露引起的PD UHF信号变化，获得气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。为GIS的局放检测、局放定位、信号监测和信号传播特性的研究提供理论支撑与参考。
Description
技术领域
本公开涉及GIS设备仿真技术领域，特别是涉及基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法及系统。
背景技术
封闭式组合电器(GIS)是一种新型的绝缘电气设备，由于其结构紧凑，占地少，运行安全可靠等优点，已经广泛用于国内外电力系统当中，而GIS内部结构复杂，轻微的局部放电可能会逐步引起绝缘击穿，造成严重的安全事故，因此GIS投运前耐压试验中的PD检测对于确保GIS的安全运行具有重要意义。
然而，GIS投运使用前的耐压试验由于故障、异常放电等原因需反复打开气室检查，且GIS设备在投运后的长期运行过程中，设备器件可能出现磨损老化，由此产生的气体泄漏问题较易发生，会破坏GIS设备的绝缘和灭弧性能，引发严重的局部放电，损坏GIS设备，同时国家标准GBT8905-2008中也有明确指示规定：GIS设备所在工作环境的气体含量应低于1000μL/L、GIS设备每个气室漏气率应小于1％，因此研究GIS内部气体泄漏问题对于电力安全生产以及环境保护等方面都是至关重要的。
目前针对气体泄漏，仅在检测方法方面有所研究，但对气体泄漏的影响未有关注，主要是因为仿真层面上对于气体泄漏的模拟缺乏相关建模方法，而探究气体泄漏问题的实验存在诸多的限制如实验成本高昂、泄漏后的气体难以处理等，因此导致气体泄漏问题的研究难以深入。XFdtd是一种三维电磁场仿真软件，能够计算模型周围瞬态电磁场的分布情况，在电磁波传播特性、GIS局放定位和信号监测等方面的研究上均有广泛应用。XFdtd软件可以对绝缘子厚度、材料、屏蔽电极等因素的变化进行模拟分析，但难以实现对气体密度变化的直接考虑，也就无法构建气体泄漏的环境。虽然XFdtd软件难以直接模拟密度的变化，但它提供了调整腔体的相对介电常数的途径。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响方法，实现了用XFdtd软件仿真模拟GIS气体泄漏情况，完成对GIS局部放电影响的探究分析。
本说明书实施方式提供基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，通过以下技术方案实现：
包括：
建立GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型；
利用等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，获得等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；
针对所述模型自由金属微粒缺陷下的局部放电，利用XFdtd三维电磁场仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到模型特高频电磁波的时域波形；
针对时域波形，经快速Fourier变换得到放电频谱，从时、频域两方面探究了气体泄露引起的PD UHF信号变化，进而实现气体泄露对GIS局部放电模式识别特征参数、放电点定位误差及局部放电放电量检测的影响分析，获得气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。
进一步的技术方案，GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型的建立步骤为：
构建GIS波导结构；
基于GIS波导结构创建材料；
设置边界:使入射的平面波透射到真空介质表面的反射系数为0，来完全吸收掉辐射或散射的电磁波；
确定网格尺寸；
设定PD激励源波形：将波形设定为自由金属微粒缺陷PD正极性激励源；
放置激励源。
进一步的技术方案，等效相对介电常数定义为：容器内部电介质发生变化后的电容值Cx与介质为真空时的电容值C0之比；
通过在XFdtd仿真软件中改变介质相对介电常数的数值便能够实现气体泄漏的模拟。
进一步的技术方案，等效相对介电常数与压强p的4次方呈负相关关系，等效相对介电常数与气体分子数N的4次方呈负相关，可见等效相对介电常数越大，表明GIS腔内气体泄露情况越严重.
进一步的技术方案，利用XFdtd三维电磁场仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况：设置等效相对介电常数在εr0～80范围内对SF6气体泄露进行仿真，经数据处理后得到局部放电特高频信号谱图，在等效相对介电常数等于相对介电常数时仿真得到GIS腔内场强分布随时间的变化情况。
进一步的技术方案，对特高频信号幅值E与等效相对介电常数
的关系做进一步仿真，拟合曲线，获得拟合公式，基于拟合公式得出：随着气体泄露程度加重，传感器检测到信号的幅值会随之加强，且趋势是先快后慢，刚开始发生气体泄露时，对局部放电的影响最为剧烈。
进一步的技术方案，气体泄漏对GIS局部放电模式识别特征参数的影响分析包括对脉冲宽度造成的影响、对主频造成的影响及对信号幅值造成的影响。
进一步的技术方案，气体泄漏对放电点定位误差的影响分析时：
在密封性良好的情况下，GIS腔内UHF信号传播速度可近似认为是光速c，以双端行波定位法进行算例分析，建立定位模型；
设放电点为o，在其两侧放置两个传感器m、n，Som表示传感器m与放电点距离，Son表示传感器n与放电点距离；
将激励源放置在靠近外壳处，在等效相对介电常数εr0～80范围内进行仿真，求解Som；
为了量化气体泄露对放电点定位的影响，将GIS腔体近似等效为平行板电容器；
GIS发生气体泄露可等效成两电容器C1、C2的并联，C1代表的是未发生气体泄露部分，等效相对介电常数仍是εr0；C2代表的是气体泄露部分，内部介质的等效相对介电常数视具体情况而定；
获得等效相对介电常数的表达式，进行GIS局放定位的分析，考虑气体泄露所带来的影响，将其补偿到定位误差中。
进一步的技术方案，气体泄漏对PD放电量检测的影响分析，包括：
在
时所接收到的坡印亭矢量模值仿真结果；
坡印亭矢量S表征单位面积上所接收的电磁波能量，对坡印亭矢量波形关于时间t进行积分，就可以得到传感器所接收的UHF信号能量W；
通过计算传感器所接收的UHF信号能量W便能得到此时的放电量q。
本说明书实施方式提供基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响系统，通过以下技术方案实现：
包括：
模型建立模块，建立GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型；
气体泄漏对GIS局部放电影响分析模块，利用等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，获得等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；
针对所述模型自由金属微粒缺陷下的局部放电，利用XFdtd三维电磁场仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到模型特高频电磁波的时域波形；
针对时域波形，经快速Fourier变换得到放电频谱，从时、频域两方面探究了气体泄露引起的PD UHF信号变化，进而实现气体泄露对GIS局部放电模式识别特征参数、放电点定位误差及局部放电放电量检测的影响分析，获得气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
气体泄漏导致的容器内部充气压强的变化会改变容器电容量，因此本公开提出了等效相对介电常数的概念来表征GIS气体泄漏程度，等效相对介电常数越大，实际现场气体泄漏程度越严重，从而实现了用XFdtd软件仿真模拟GIS气体泄漏情况，完成对GIS局部放电影响的探究分析。
目前缺乏在局部放电研究中考虑气体泄漏影响的分析手段，本公开提出一个新的概念等效相对介电常数，并由此在通用仿真软件XFdtd中建立GIS在自由金属微粒缺陷下考虑气体泄露的PD仿真模型，给出气体泄漏对GIS局部放电影响的仿真实例；概念的提出与模型的建立能给其它学者在气体泄漏仿真研究方面提供参考，且本发明通过仿真结果深入探究了气体泄漏对GIS局部放电的影响规律，也为GIS相关领域的研究提供理论支撑，同时本发明涉及的一种基于XFdtd软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法被证明是可行的。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子的GIS同轴波导结构模型示意图；
图2为本公开实施例子的自由金属微粒缺陷PD激励源波形图；
图3为本公开实施例子的轴向距离200mm处激励源位置示意图；
图4(a)-图4(d)为本公开实施例子的不同等效相对介电常数下的PD UHF信号示意图；
图5为本公开实施例子的PD UHF信号频谱图；
图6(a)-图6(c)为本公开实施例子的
时不同时间腔内场强分布情况示意图；
图7为本公开实施例子的等效相对介电常数与UHF信号幅值关系拟合曲线示意图；
图8为本公开实施例子的双端行波定位原理示意图；
图9(a)-图9(b)为本公开实施例子的GIS发生气体泄露时电容的等效变化示意图；
图10为本公开实施例子的
时所接收到的坡印亭矢量模值示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例子一
该实施例公开了基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响方法，本申请的目的是：为了解决GIS气体泄漏分析研究实验成本高昂、泄漏后的气体难以处理等难题。本公开实施例子的整体技术构思是：针对GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电(partialdischarge，PD)模型，提出了等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，推导得到等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；然后针对GIS同轴波导模型自由金属微粒缺陷下的局部放电，利用XFdtd三维电磁场仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到其特高频(UHF)电磁波的时域波形，再经快速Fourier变换(fast Fouriertransform，FFT)得到放电频谱，从时、频域两方面探究了气体泄露引起的PD UHF信号变化；进而实现了气体泄露对GIS PD模式识别特征参数(脉冲宽度、主频、信号幅值)、放电点定位误差及PD放电量检测的影响分析，并得出影响规律。
在具体实施时，包括以下步骤：
(1)在XFdtd仿真软件中搭建GIS同轴波导模型，并创建材料、设置边界、确定网格尺寸，放置激励源；
(2)提出等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，推导得到等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；
(3)在
范围内进行气体泄漏仿真，经数据处理后得到PD UHF信号谱图，在
时仿真得到GIS腔内场强分布随时间的变化情况。
(4)对PD UHF信号进行影响分析，根据仿真图谱拟合等效相对介电常数与UHF信号幅值的关系曲线，并求出拟合公式，分析气体泄漏对GIS PD模式识别特征参数(脉冲宽度、主频、信号幅值)、放电点定位误差及PD放电量检测的影响；
(5)总结气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。
具体的，步骤(1)中XFdtd仿真软件是一种基于有限时域差分法(FDTD法)的空间电磁场数字仿真软件，仿真频率范围为0.1GHz-3000GHz，通过XFdtd软件能够计算模型周围瞬态电磁场的分布情况，广泛应用于天线及阵列、生物电磁、电磁兼容等各个领域。
XFdtd用于计算电磁场分布是一个基础的概念，也是一个标准的用途定义，这个部分包括以下部分谈到的计算电磁场是从XFdtd的通用作用和原理进行说明的，并不针对本研究对象，电磁场的传播构成了电磁信号，电磁信号的研究必须要以计算电磁场为基础，本研究对象使用该软件主要就是捕捉，探究这种电磁信号。因此这里没有说计算电磁信号而用的是计算电磁场是从最基本的原理说明问题。
其基本原理如下：
对于电磁信号仿真，就是求解麦克斯韦方程组，它是电气领域用于解释电磁现象的基本方程组，能够描述PD激发的UHF电磁信号在GIS腔内的传播规律。设定GIS腔内的SF6气体为无源均匀媒质(为了便于仿真建模，下面均考虑SF6气体)，电容率为ε，磁导率为μ，电导率为σ，E为电场强度，H为磁场强度，则麦克斯韦方程组如式(1)所示：
XFdtd仿真软件采用有限时域差分法(FDTD法)求解麦克斯韦方程。FDTD法是用中心差商代替场量对时间和空间的一阶偏微商，通过在时域的递推模拟波的传播过程，从而获取场分布，其优势在于能够直接离散时域波动方程，不需要任何形式的导出方程，不会因为数学模型限制其应用范围，只需赋予各网格相应的参量，就能实现各种复杂时域宽带信号的模拟，获取空间某一点的时域信号波形。
有限时域差分法求解时是将GIS腔内ε、μ、σ等介质参数常数化，从而将式(1)的麦克斯韦方程转化成式(2)所示的六个标量方程，如下所示；
这样就解决了电磁场的三维问题，并且能够实现各种复杂时域宽带信号的模拟。然后用有限差分来表示偏导数，在坐标系x、y、z三个方向上分成多个网格单元，每个网格单元的长度作为空间的变化量，从而得到对应的时间变化量，使用有限差分方程表示场分量对于空间以及时间的微分，进而完成对模型周围瞬态电磁场分布情况的计算。
具体实施时，步骤(1)中创建材料、设置边界、确定网格尺寸、放置激励源均为仿真环境设置环节，其主要包括：
1)构建GIS波导结构。设内导体直径18mm，外导体直径b＝398mm，外导体壁厚80mm，同轴波导全长1500mm，为了减小内部电磁波谐振影响，GIS腔体两端都设置为开通，如图1所示。
2)创建材料。内导体(导杆)与外导体(金属外壳)为金属材质(PEC)。密封性良好的GIS腔内，SF6气体相对介电常数为εr0＝1.002049(25℃，0.1MPa)。
3)设置边界。XFdtd软件提供了自由空间中的PLM(perfectly matched layer)吸收边界条件。在该条件下，可以使入射的平面波透射到真空介质表面的反射系数为0，来完全吸收掉辐射或散射的电磁波，设置该模型为7层PLM吸收边界。
4)确定网格尺寸。仿真网格最大尺寸Lmax、仿真最高频率fmax、时间步长Δt之间存在着一定的数学关系，如式(3)、式(4)所示：
其中c是光速，设置Lmax＝5mm，仿真最高频率fmax、时间步长Δt由软件自动生成，fmax＝6GHz，Δt＝9.61149ps，网格类似一个长方体晶块，Δx，Δy，Δz分别为其长，宽，高的变化量。
5)设定PD激励源波形。理论和实践表明，PD源脉冲波形可以用如式(5)所示的组合高斯函数来表示。自由金属微粒缺陷最常见，引起的放电程度也是最严重的，因此将波形设定为自由金属微粒缺陷PD正极性激励源对于影响规律的探究具有普适性，脉冲幅值标幺化为1，自由金属微粒缺陷PD激励源波形如图2所示。
其中，i(t)为PD源信号的数学模型，t0为单个脉冲出现峰值的时间，τr代表高斯脉冲上升时间，τf代表高斯脉冲下降时间；I0为源信号的峰值电流，x代表放电时刻。
6)放置激励源。将激励源放置在靠近外壳处，距坐标原点轴向距离为200mm，坐标为(0，-180，200)(单位：mm)，放置处如图3所示。
具体实施时，步骤(2)中等效相对介电常数的定义为：等效相对介电常数
为容器内部电介质发生变化(含量改变、种类改变等)后的电容值Cx与介质为真空时的电容值C0之比，如式(6)所示：
实际现场检测气体泄漏的依据是设备内部密度的变化，然而XFdtd软件无法实现对密度的仿真，为了模拟GIS内部气体泄露的情况，因此本发明提出了等效相对介电常数的概念，用等效相对介电常数的变化来表征GIS腔内气体泄露程度；从表达式上看，等效相对介电常数与相对介电常数的表达式相同，但值得注意的是，相对介电常数的定义是在标准状态(25℃、0.1MPa)的前提下满足的，而本发明定义的等效相对介电常数应用的研究对象是GIS腔内气体泄露情况，相当于相对介电常数在此条件下的特殊定义，并没有标准状态的限制，且表征的不仅仅是介质极化的难易程度，同时也能代表气体泄露程度的变化情况，因此通过在XFdtd仿真软件中改变介质相对介电常数的数值便能够实现气体泄漏的模拟。
XFdtd软件可以直接改变相对介电常数这个物理量，给其赋任意值；而新概念等效相对介电常数在上面已说明，其数值和相对介电常数相等，因此改变相对介电常数的值就相当于改变等效相对介电常数的值，等效相对介电常数能表征气体泄漏程度，因此就能实现气体泄漏环境的模拟。
具体实施时，步骤(2)中等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系推导如下：
式(7)是理想气体的状态方程，其中p为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为气体常量，T为气体绝对温度。把气体体积V与气体质量m、密度ρ之间的关系式(8)代入式(7)中得到密度ρ与压强p和温度T的关系式(9)，其中M是气体摩尔质量。
pV＝nRT (7)
V＝m/ρ (8)
设气体分子数为N，气体分子的质量为m0，密度ρ与气体分子数N的关系如式(10)所示，NA为阿佛加德罗常数。将式(9)、式(10)联立可得p表达式(11)，研究表明，在其他条件不变的前提下，气体相对介电常数与压强p的4次方呈负相关关系，也就是等效相对介电常数与压强p的4次方呈负相关关系，如式(12)所示，α、β为常系数，
与气体分子数N的4次方呈负相关，可见等效相对介电常数越大，表明GIS腔内气体泄露情况越严重。
公式(12)说明了等效相对介电常数与温度是负相关的(温度T在分母位置)。
具体实施时，步骤(3)中设置等效相对介电常数在εr0～80范围内对SF6气体泄露进行仿真，主要是因为在潮湿的气象环境下一旦发生局部放电，由于电导率的改变，湿空气中的水分子被吸附于介质的表面，形成一层很薄的水膜，而水的相对介电常数为80，没有发生气体泄漏时(以SF6气体为例)，相对介电常数为εr0，因此等效相对介电常数的变化范围便是εr0～80；
具体实施时，步骤(3)中数据处理方法为快速Fourier变换(fast Fouriertransform，FFT)，FFT变换是把原始的N点序列，依次分解成一系列的短序列，从而删除重复计算、减少乘法运算和简化结构。从XFdtd软件中直接得到的一般为时域波形，经FFT数据处理后得到仿真频谱图。
XFdtd软件可以直接改变相对介电常数这个物理量参数，给其赋任意值；而等效相对介电常数其数值和相对介电常数相等，因此改变相对介电常数的值就相当于改变等效相对介电常数的值，等效相对介电常数能表征气体泄漏程度，因此就能实现气体泄漏环境的模拟。
具体实施时，步骤(3)中信号图谱，
时PD UHF信号波形图参见图4(a)，
时PD UHF信号波形参见图4(b)，
时PD UHF信号波形参见图4(c)，
时PDUHF信号波形参见图4(d)。PD UHF信号频谱参见图5。
εr0为GIS腔内全部充满SF6气体时的相对介电常数的值。
具体实施时，步骤(3)中
时GIS腔内场强分布随时间的变化情况，0.001us腔内场强分布情况参见图6(a)所示，0.002us腔内场强分布情况参见图6(b)所示，0.00471835us腔内场强分布情况参见图6(c)所示。
具体实施时，步骤(4)中对PD UHF信号的影响分析如下：
根据图4(a)-图4(d)的时域波形对比分析可以发现，随着等效相对介电常数的增加，或者说随着气体泄露程度的加重，PD UHF信号形状发生明显的畸变，并开始出现振荡，同时波形变化速度放缓，或者说波形的陡度减小，同时波形持续的时间也会增加。
根据图5的频谱对比分析可以发现，随着等效相对介电常数的增加，信号高频分量(4～6GHz)含量有所衰减，而信号低频分量含量大幅增加。这是由于波形陡度减小，波形变化的比较缓慢，导致了高频分量的衰减；而波形持续的时间大大增加，导致了低频分量的迅速增加。
从图6(a)-图6(c)的仿真结果看，当时间变化时，PD激发的UHF信号逐渐波及到整个腔内，离放电源越远，时间越长，而该传输时间与UHF信号的传播速度相关，在距离恒定的情况下，以场强布满整个腔内的时刻为截点，时间越短，UHF信号的传播速度越快，因此可以用场强布满腔内的时间来表征PD UHF信号在GIS腔内的传播速度。在
(未发生气体泄露)的前提下，当t＝0.001us时，场强刚刚开始扩散，也就是信号刚开始传播，当t＝0.002us时，场强几乎扩散至腔内一半，在t＝0.00471835us时，场强恰好布满整个腔内，改变等效相对介电常数的取值，以同样的思路仿真探究
时场强布满腔内的时间，其结果分别为0.0104841us、0.0259749us、0.0425996，由此可见，随着气体泄露程度的增加，信号传播速度大幅降低，最多可以放缓100倍。
具体实施时，步骤(4)中对UHF信号幅值E与等效相对介电常数
的关系做进一步仿真，拟合曲线如图7所示。分别采用指数函数、对数函数、幂函数、多项式对关系曲线进行拟合，R2值分别为0.4766、0.5225、0.8818、0.9990。R2值越趋近于1，表示拟合程度越好，可见多项式的拟合程度最好，其拟合公式为y＝0.00003x5-0.0028x4+0.1042x3-1.897x2+16.993x+71.639，阶数为5阶，x为等效相对介电常数的值，y为UHF信号幅值大小，拟合公式表明，在实际现场工作时，随着气体泄露程度加重，传感器检测到信号的幅值会随之加强，趋势是先快后慢，刚开始发生气体泄露时，对局部放电的影响最为剧烈。
具体实施时，步骤(4)中气体泄漏对GIS PD模式识别特征参数的影响分析如下：
1)对脉冲宽度造成的影响
由图4(a)-图4(d)可得
时脉冲宽度分别为0.000470874us、0.000980186us、0.00224866us、0.00330572us，可见气体泄漏会大幅增加信号脉冲宽度，最多可增加3.37倍。
2)对主频造成的影响
由图5可见，当
较小时，即GIS密封性良好或气体泄漏程度较轻时，UHF信号主频为0GHz，但随着气体泄露程度加深，主频将发生变化，例如
时，主频为2GHz，
时，主频为1.5GHz。
3)对信号幅值造成的影响
由图4(a)-图4(d)可见，等效相对介电常数的增加会使得放电点处PD UHF信号幅值迅速增加，即局部放电的程度加重；但随着等效相对介电常数的增加，对局部放电程度的增益会逐渐放缓，在等效相对介电常数为30时，UHF信号幅值达到最大值，幅值最大为135.48，增幅超过50％，表明此时的局部放电程度最严重；此后，UHF信号幅值随着等效相对介电常数的增加反而缓慢减小，主要是由于随气体泄露程度的加深，这种增益会趋于饱和，如果气体泄露程度进一步加深，局部放电程度将有所减轻。
具体实施时，步骤(4)中气体泄漏对放电点定位误差的影响分析如下：
在密封性良好的情况下，GIS腔内UHF信号传播速度可近似认为是光速c，以双端行波定位法进行算例分析，定位模型如图8所示。
设放电点为o，在其两侧放置两个传感器m、n，式(13)、(14)中，Som表示传感器m与放电点距离，Son表示传感器n与放电点距离，则传感器m、n接收UHF信号的时延Δt如式(15)所示，进而得到Som的表达式(16)，从而定位放电点。
将激励源放置在靠近外壳处，距坐标原点轴向距离为800mm，坐标为(0，-180，800)，在坐标(0，-180，600)处放置传感器m，在坐标(0，-180，1400)处放置传感器n，在等效相对介电常数εr0～80范围内进行仿真，利用式(16)求解Som，结果如表1所示：
表1气体泄露对放电点定位误差的影响结果
为了量化气体泄露对放电点定位的影响，将GIS腔体近似等效为平行板电容器，如图9(a)所示，而GIS发生气体泄露可等效成两电容器C1、C2的并联，如图9(b)所示，C1代表的是未发生气体泄露部分，等效相对介电常数仍是εr0；C2代表的是气体泄露部分，内部介质的等效相对介电常数视具体情况而定，这里考虑最坏的情况，即C2内的介质全部变为水。假设气体泄露程度为γ％，则此时等效相对介电常数的表达式如式(17)所示。
由上述结果可以看出，
每增加0.5，或者说气体泄露程度每增加0.63％，放电点定位的误差率就会增加15％左右，当气体泄露程度超过4.43％后，放电点定位就会发生错误，因此在进行GIS局放定位的研究中，需要考虑气体泄露所带来的影响，将其补偿到定位误差中，如此才能更科学的完成局部放电源的定位分析。
具体实施时，步骤(4)中气体泄漏对PD放电量检测的影响分析如下：
在
时所接收到的坡印亭矢量模值仿真结果如图10所示：
坡印亭矢量S表征单位面积上所接收的电磁波能量，对坡印亭矢量波形关于时间t进行积分，就可以得到传感器所接收的UHF信号能量W，且目前研究普遍认为放电量平方与UHF信号能量呈线性相关性，其中δ为常系数，如式(18)所示：
通过计算传感器所接收的UHF信号能量W便能得到此时的放电量q，就图10而言，对其进行积分可得W＝2.6835×10-4，q＝1.6381×10-2δ。不同
所对应的放电量如表2所示：
表2气体泄露对所检测的PD放电量的影响结果
由上述结果可以看出，气体泄露会导致传感器检测到的PD UHF信号能量增加，从而导致检测的PD放电量增大，但随着气体泄露程度的加重，放电量的增速放缓，其放电量最多可放大到原来的12倍。这意味着在实际现场工作中，气体泄露会导致GIS局部放电检测的误报，本达不到局部放电检测标准的微弱放电在气体泄露的影响下被检测为严重局部放电，导致工作人员难以查找放电原因，且极大的影响了工程效率。
具体实施时，步骤(5)中气体泄漏对GIS局部放电的影响规律总结如下：
1)气体泄露会导致信号波形陡度减小，导致高频分量含量减少，同时波形持续时间延长，导致低频分量含量增加。
2)气体泄露会极大降低信号传播速度，气体泄露越严重，放电信号的传播速度越慢，最高可降低100倍。
3)气体泄漏会影响PD模式识别，主要表现在对特征参数的影响，就本发明仿真算例而言，气体泄漏会大幅增加信号脉冲宽度，最多可增加3.37倍，还会相应改变主频数值；此外，气体泄露会增大GIS腔内局部放电(PD)超高频(UHF)信号的幅值，加重局部放电程度，但随着气体泄露程度的加深，这种增益会趋于饱和，如果气体泄露程度进一步加深，UHF信号的幅值反而会有所减小，局部放电程度有所减轻。
4)就本发明仿真算例而言，气体泄露会导致传感器检测到的局部放电能量增加，从而导致检测的放电量增加，但随着气体泄露程度的加重，放电量的增速放缓，其放电量最多可放大到原来的12倍。
5)就本发明仿真算例而言，气体泄露程度每增加0.63％，放电点定位的误差率就会增加15％左右，说明实际现场进行故障定位时，要进行气体泄露检测补偿定位误差，这样不至于定位结果偏离实际值太多。
本公开针对气体泄漏对GIS局部放电影响的研究，采用试验方法成本高昂，且目前缺乏仿真层面的相关研究，本发明先提出等效相对介电常数的概念，并通过在XFdtd仿真软件中搭建GIS同轴波导在自由金属微粒缺陷下的PD仿真模型，为探究气体泄漏对局部放电的影响提供仿真手段，再根据不同气体泄漏情况下PD UHF信号的变化，探究分析气体泄露对GIS PD模式识别特征参数、放电点定位误差及PD放电量检测的影响，为GIS的局放检测、局放定位、信号监测和信号传播特性的研究提供理论支撑与参考。
实施例子二
本说明书实施方式提供基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响系统，通过以下技术方案实现：
包括：
模型建立模块，建立GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型；
气体泄漏对GIS局部放电影响分析模块，利用等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，获得等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；
针对所述模型自由金属微粒缺陷下的局部放电，利用XFdtd三维电磁场仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到模型特高频电磁波的时域波形；
针对时域波形，经快速Fourier变换得到放电频谱，从时、频域两方面探究了气体泄露引起的PD UHF信号变化，进而实现气体泄露对GIS局部放电模式识别特征参数、放电点定位误差及局部放电放电量检测的影响分析，获得气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。
该实施例子中的具体模块的实现参见实施例子一中相应的内容，此处不再进行具体的描述。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，包括：
建立GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型；
利用等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，获得等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；等效相对介电常数定义为：容器内部电介质发生变化后的电容值Cx与介质为真空时的电容值C0之比；
通过在XFdtd仿真软件中改变介质等效相对介电常数的数值便能够实现气体泄漏的模拟；
针对所述自由金属微粒缺陷下的局部放电模型，利用XFdtd仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到模型特高频电磁波的时域波形；
针对时域波形，经快速Fourier变换得到放电频谱，从时、频域两方面探究气体泄露引起的PD UHF信号变化，进而实现气体泄露对GIS局部放电模式识别特征参数、放电点定位误差及局部放电放电量检测的影响分析，获得气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。
2.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型在建立步骤为：
构建GIS波导结构；
基于GIS波导结构创建材料；
设置边界:使入射的平面波透射到真空介质表面的反射系数为0，来完全吸收掉辐射或散射的电磁波；
确定网格尺寸；
设定PD激励源波形：将波形设定为自由金属微粒缺陷PD正极性激励源；
放置激励源。
3.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，等效相对介电常数与压强p的4次方呈负相关关系，等效相对介电常数与气体分子数N的4次方呈负相关关系，可见等效相对介电常数越大，表明GIS腔内气体泄露情况越严重。
4.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，利用XFdtd仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况：设置等效相对介电常数在εr0～80范围内对SF6气体泄露进行仿真，经数据处理后得到局部放电特高频信号谱图，在等效相对介电常数等于相对介电常数时仿真得到GIS腔内场强分布随时间的变化情况，εr0为SF6气体相对介电常数，该相对介电常数指GIS腔内全部充满SF6气体时的相对介电常数的值。
5.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，对特高频信号幅值E与等效相对介电常数
的关系做进一步仿真，拟合曲线，获得拟合公式，基于拟合公式得出：随着气体泄露程度加重，传感器检测到信号的幅值会随之加强，且趋势是先快后慢，刚开始发生气体泄露时，对局部放电的影响最为剧烈。
6.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，气体泄漏对GIS局部放电模式识别特征参数的影响分析包括对脉冲宽度造成的影响、对主频造成的影响及对信号幅值造成的影响。
7.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，气体泄漏对放电点定位误差的影响分析时：
在密封性良好的情况下，GIS腔内UHF信号传播速度可近似认为是光速c，以双端行波定位法进行算例分析，建立定位模型；
设放电点为o，在其两侧放置两个传感器m、n，Som表示传感器m与放电点距离，Son表示传感器n与放电点距离；
将激励源放置在靠近外壳处，在等效相对介电常数为εr0～80的范围内进行仿真，求解Som，εr0为SF6气体相对介电常数；
为了量化气体泄露对放电点定位的影响，将GIS腔体近似等效为平行板电容器；
GIS发生气体泄露可等效成两电容器C1、C2的并联，C1代表的是未发生气体泄露部分，等效相对介电常数仍是εr0；C2代表的是气体泄露部分，内部介质的等效相对介电常数视具体情况而定；
获得等效相对介电常数的表达式，进行GIS放电点定位的分析，考虑气体泄露所带来的影响，将其补偿到定位误差中。
8.如权利要求1所述的基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的方法，其特征是，气体泄漏对PD放电量检测的影响分析，包括：
在
时得到所接收到的坡印亭矢量模值仿真结果，εr0为SF6气体相对介电常数，
为等效相对介电常数；
坡印亭矢量S表征单位面积上所接收的电磁波能量，对坡印亭矢量波形关于时间t进行积分，就可以得到传感器所接收的UHF信号能量W；
通过计算传感器所接收的UHF信号能量W便能得到此时的放电量q。
9.基于软件仿真分析气体泄漏对GIS局部放电影响的系统，其特征是，包括：
模型建立模块，建立GIS自由金属微粒缺陷下的局部放电模型；
气体泄漏对GIS局部放电影响分析模块，利用等效相对介电常数的概念来表征气体泄露程度，获得等效相对介电常数与气室压强、气室温度、气室分子数的变化关系；
等效相对介电常数定义为：容器内部电介质发生变化后的电容值Cx与介质为真空时的电容值C0之比；
通过在XFdtd仿真软件中改变介质等效相对介电常数的数值便能够实现气体泄漏的模拟；
针对所述自由金属微粒缺陷下的局部放电模型，利用XFdtd仿真软件模拟气体泄露情况下的放电情况，得到模型特高频电磁波的时域波形；
针对时域波形，经快速Fourier变换得到放电频谱，从时、频域两方面探究气体泄露引起的PD UHF信号变化，进而实现气体泄露对GIS局部放电模式识别特征参数、放电点定位误差及局部放电放电量检测的影响分析，获得气体泄漏对GIS局部放电的影响规律。
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