电力变压器局部放电蝶阀式特高频传感器的研究.doc

电力变压器局部放电蝶阀式特高频传感器的研究 华北电力大学（北京）硕士学位论文电力变压器局部放电蝶阀式特高频传感器的研究姓名赵振兴申请学位级别硕士专业高电压与绝缘技术指导教师李成榕xx0101摘要变压器阀门类型对于局部放电在线检测效果影响很大。 本文研究了变压器放油阀为蝶阀时信号在蝶阀管道中的传播特性，发现信号经过金属阀板后严重衰减和畸变，管道对信号具有高通滤波的作用。 设计了变压器局部放电蝶阀式传感器及其安装装置，此传感器的头部可顺利越过阀板进入变压器内部，大大提高了测?的灵敏度。 研制了?同参数的圆柱、圆锥螺旋天线，并在通过油中典型局部放电试验测试它们的性能。 发现改变圆柱螺旋天线的螺距、长度、直径对天线的响应特性有一定影响，在长度一定时，螺距越小，信号幅值越高；直径越大，低频性能越好。 圆锥螺旋天线首波响应速度比圆柱螺旋天线要慢。 关键词电?变压器，局部放电，特高频，螺旋天线。 ，（），摘要变压器阀门类型对于局部放电在线检测效果影响很大。 本文研究了变压器放油阀为蝶阀时信号在蝶阀管道中的传播特性，发现信号经过金属阀板后严重衰减和畸变，管道对信号具有高通滤波的作用。 设计了变压器局部放电蝶阀式传感器及其安装装置，此传感器的头部可顺利越过阀板进入变压器内部，大大提高了测?的灵敏度。 研制了?同参数的圆柱、圆锥螺旋天线，并在通过油中典型局部放电试验测试它们的性能。 发现改变圆柱螺旋天线的螺距、长度、直径对天线的响应特性有一定影响，在长度一定时，螺距越小，信号幅值越高；直径越大，低频性能越好。 圆锥螺旋天线首波响应速度比圆柱螺旋天线要慢。 关键词电?变压器，局部放电，特高频，螺旋天线。 ，（），声尸明本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文电?变压器局部放电蝶阀式特高频传感器的研究，是本人在华?电?大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进?的研究工作和取得的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中?包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也?包含为获得华?电?大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材?。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名墨堑瞠日期丝留五！矿关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华?电?大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用?同方式在?同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 （涉密的学位论文在解密后遵守此规定）作者签名厶二话一盏埘名期签垡匕电左太堂亟堂焦论塞第一章绪论电?变压器局部放电检测的意义随着国民经济的持续发展，对电?能源需求日益增加。 电?工业也得到了迅猛的发展，正朝着大容?、超高压方向发展，电?网也正组成庞大的区域性甚至跨区域的大电网。 截止?底，全国发电装机容?达到万千瓦，同比增长。 全国发电?达到亿千瓦时，同比增长。 预计到?我国的装机容?将超过亿千瓦，发电?超过亿千瓦时【】。 据?完全统计，?度国家电网公司系统的）及以上电压等级变压器共发生损坏事故台次、事故容?为。 大?故障统计分析表明，在电气设备故障中绝缘故障一直占有较高的比重。 目前的大型电?变压器多为油浸式电?变压器，其绝缘结构主要由油、纸、纸板和其他固体绝缘等构成的固体油绝缘结构。 虽然在设计上具有足够的电气强度和优良的机械性能，但是在制造过程中的偶然因素会造成一些先天性局部缺陷，如气泡、裂缝、悬浮导电质点和电极毛刺等。 正是这些缺陷会造成绝缘体内部或表面出现某些区域电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首先发生放电、而其他区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放叫】。 局部放电是造成绝缘劣化的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式。 局部放电检测能够提前反映变压器的绝缘状况，及时发现设备内部的绝缘缺陷，从而预防潜伏性和突发性事故的发生。 二十世纪七十?代，为此制定了专门的标准，并做了多次?新】。 当前，绝缘预防性维修体制也日益?出它的局限性【。 ，无法满足当前人们对电?可靠性的要求，发展电?设备的状态维修已经成为一种必然趋势【。 】。 对电?变压器局部放电在线监测是实现状态维修的重要前提之一。 变压器局部放电在线监测在国内外已研究了多?，但至今依然存在很多问题，成了电?系统多?来的一个难题。 因此，探索?加有效的检测方法是电?工业的当务之急。 而特高频（）法的出现为有效检测局部放电开辟了新的道?。 电?变压器局部放电的检测方法局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光、声等现象为依据，通过能描述该现象的物?来表征局部放电的状态。 变压器局部放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光、气体生成物等现象，并产生能?损耗引起局部过热。 根据垡匕电?太堂亟堂焦金塞这些物?现象相应地出现了脉冲电流法、射频检测法、特高频法、超声波法、气相色谱法等多种检测方法【。 其中脉冲电流法和超声波检测法应用最为广泛。 脉冲电流法脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种局部放电检测方法。 其测?原?是当局部放电发生时会造成电荷的移动，该移动电荷可在外围测?回?中产生脉冲电流，通过检测该脉冲电流?可实现对局部放电的测?。 脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器，检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心接地线中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电?。 目前广泛用于变压器型式试验、交接和预防性试验、局部放电实验研究以及在线监测工作中，为正式公布的局部放电测?标准。 检测变压器局部放电用的电流传感器通常由罗戈夫斯基线圈制成。 电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器带宽一般在左右，中心频率在之间或?高；宽带传感器带宽为左右，中心频率在，一之间。 脉冲电流法通常被用于变压器出厂试验以及其他离线测试中，其优点是离线测?灵敏度高、放电?可以标定等。 脉冲电流法的缺点主要有】（）由于运?现场干扰严重，导致脉冲电流法无法有效应用于在线监测；（）对于变压器这类具有绕组结构的设备，由于局部放电在绕组内的传播导致脉冲电流法在标定时产生很大的误差；（）当试样的电容?较大时，受耦合电容的限制，测试仪器的测?灵敏度受到一定限制；（）测?频率低，频带窄包含的信息?少。 射频检测法在脉冲电流法中，测?信号的频率一般在以内。 由于在该频率范围内，存在大?的现场干扰，为避开干扰，将测?信号的频率上移到射频频段（）来检测局部放电信号【。 其传感器一般采用罗戈夫斯基线圈，信号经传感器耦合到射频放大器、滤波器及检波器，然后由数字采样系统?化，并完成数字处?。 射频检测法可以避开现场中大?的低频及中频干扰，但仍然无法利用硬件完全消除射频范围内的干扰，干扰的抑制工作还必须结合数字算法来进?。 超声波法变压器内油中放电能够产生超声波信号，因此可以用固定在变压器油箱壁上的超声波传感器，接收局部放电产生的超声波，以此来检测局部放电的大小和位置】。 为避免现场中的环境噪声干扰（例如运?中变压器的励磁噪声、散热器风扇、冷却器、潜油泵的噪声、循环油噪声等），根据其频率大多为音频（）的特垡匕电?太堂亟堂僮论塞性，一般选择超声波传感器的频率范围为，一，以避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声等环境噪声对测试结果的影响。 近?来，随着微电子技术和信号处?技术的飞速发展，由于压电换能元件效率的提高和低噪声的集成元件放大器的应用，超声波法的灵敏度和抗干扰能?得到了很大提高【。 该方法具有可以避免电磁干扰的影响可以方?地定位；在线检测与离线检测的结果相同等优点。 但由于超声波在变压器内部的传播过程是一个很复杂的过程，且衰减严重，到达油箱壁外的超声信号很微弱，在某些情况下难以检测到信号，整个系统的灵敏度很难令人满意。 目前还无法利用超声波信号对局部放电进?模式识别和进?定?分析，主要作为一种辅助测?方法，与其它检测方法联合使用【。 气相色谱法英文简称（）。 当变压器内部发生局部放电时，各种绝缘材?发生分解破坏，会在油中产生新的生成物，特别是在变压器油中会产生各种?同的气体。 通过检测变压器油中气体生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的故障类型和故障程度。 目前，该方法广泛应用于变压器的油气分析，在指导变压器的安全运?方面取得了一定的成绩【。 在大?实践的基础上，制定了三比值法的推荐标准【】。 该方法的优点是?受外界电磁干扰的影响，缺点在于局部放电导致油中气体的生成是一个长期的过程，油中气体含?反映的是一个历史积累情况，对于突发性故障，并?能及时反映在油中气体的变化上，而且油中气体含?能放映绝缘?化的程度。 特高频（）法法是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的电磁波，实现局部放电的检测。 在?代末，法测?局部放电首先应用在设备中【引。 该技术的特点在于检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测?中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高；而且可识别故障类型和进?定位【。 检测的特点使其在局部放电检测领域具有其他方法无法比拟的优点，因而在近?来得到了迅速的发展和广泛的应用【。 变压器局部放电法检测研究现状变压器油隔板结构的绝缘强度比较高，?论上其局部放电能够激发出很高频率坐匕电左太堂亟堂僮论文的电磁波，最高可达数赫兹，】。 ?首先将技术应用于变压器的局部放电测?。 他们在实验室中检测到了几种缺陷放电的信号，研制了的天线并用于实际变压器中。 他们将天线插入变压器放油阀中，天线面与油箱壁在同一平面上，所测信号通过一个波导结构从变压器引出并送入检测装置，其检测灵敏度可达。 英国大学的等人在特高频检测研究的基础上，也对变压器进?了实验室研究【引，并进?了现场实测，。 他们以盘式电容作为耦合特高频信号的天线传感器，在变压器顶部靠近高压侧的箱体上开一介质窗，传感器通过介质窗提取局部放电信号，送入频谱分析仪，选取最优频率后，使用频谱仪的（）模式进?分析，取得了一定的成果。 法国输配电研究中心的等人在实验室内研究了各种典型局部放电模型的特性，通过频谱仪的方式检测，并据此建立了模式识别方法【，】。 此外他们还在真实变压器模型上对比研究了法和超声检测的灵敏度，其试验结果表明方法的灵敏度远高于超声方法，且基本?受纸板等绝缘障碍物的影响。 国内方面，西安交通大学王国利【】等人在变压器的局部放电检测方面作了许多工作，他们基于混频技术建立了检测频带可调的窄带检测系统，通过神经网络方法还实现了局部放电类型的自动识别。 华?电?大学王伟等人则采用检波技术对原始信号进?调?【】，并研制了基于检波技术的电?变压器在线监测装置。 该装置已经于?月底通过变压器事故放油阀在河南某主变上进?了在线安装和试运?，并成功地检测到局部放电信号。 之后又发明了人孔、手孔等传感器安装方式。 】，在将该技术实用化方面做出了一些成绩。 清华大学，则试图通过在变压器内部引出线的附近安置天线的方法来测?变压器的内部放电，在实验室内和现场都进?了探索。 近?来，国内外还出现了通过射频和超声波进?联合来检测局部放电的方法。 联合检测有利于发挥两种方法的优势来保证局部放电检测的可靠性，而且可替代电气脉冲超声波法进?定位【。 如澳大利亚的西门子研究机构研制了射频和超声波复合探头，并通过变压器油箱上的油孔或观察窗以内部安装的方式进?放电检测。 目前，基于的局部放电检测技术在学术界和工程界都得到了广泛关注，将局部放电检测技术应用于变压器的研究已经成为当前的一个研究热点【。 检测法目前存在的问题变压器局部放电法检测仍处于有待探索和完善的阶段，华?电?大学高电压与电磁兼容实验室开发的在线监测系统可用于及以上各电压等级电?变压器，实现局部放电检测和放电模式识别，已在国内多个现场运?，取得大?实际垡匕电?太堂巫！堂位论塞经验，运?中发现，阀门类型对于检测效果影响很大【】。 目前使用的传感器为平面等角螺旋天线，对于通径较大的人手禾球阀等，检测效果很好，而对于电抗器和变压器，放油阀多为蝶阀和截止阀，放油管道中央存在金属遮挡物，由于尺寸所限，等角螺旋天线只能安装在阀外侧，如图、所示，实测发现信号衰减很大，灵敏度?够?想，难以实现局部放电检测。 懑幽壤溺阉豳圈图并联电抗器局部放电图电抗器放油阀（蝶阀）内部结构在线检测装置针对以上现场局部放电检测的经验，目前还有以下几个问题亟待解决）变压器放油阀（蝶阀）结构对局部放电信号的传播有何影响，是否可以实现法检测局部放电；）如果可以实现法检测，新型传感器及其安装装置应采取何种结构设计，其天线方向系数、增益、频带等主要性能参数如何；）对于典型局部放电模型，新型传感器的时域、频域特性是?么，能否实现放电模式识别。 本文的研究工作针对上述变压器局部放电检测要解决的问题，本文作了以下几方面的研究工作）采用时域有限差分仿真研究局部放电信号在蝶阀管道中的传播特性，重点研究蝶阀结构对于电磁波的衰减的影响，并进?实验验证。 ）结合天线?论，设计研制多种螺旋天线，比较参数对天线性能的影响。 ）针对通径的蝶阀设计传感器在线安装装置。 ）在实验室变压器模型上建立局部放电测试系统，对各利，放电模型（如针板放、内部放电、悬浮放电等模型）进二试验，以脉冲电流法作为比对，测试蝶阀传感器的灵敏度、时域波形、频谱特性。 第二章蝶阀结构对局部放电信号传播的影响本章在?论分析局部放电电磁波的辐射、传播和接收原?的基础上，采用时域有限差分（）法仿真研究了局部放电电磁波在变压器蝶阀管道内的传播特性，揭示了蝶阀结构对局部放电电磁波衰减和畸变的影响，实验验证了仿真结果的正确性，总结了信号在蝶阀管道内的衰减规?。 局部放电电磁波的辐射特性。 元电流辐射的基本?论振荡电流是产生辐射的源，辐射的强弱与电流的大小有关。 元电流的辐射特性是各种辐射问题的基础【。 所谓元电流就是指长度极短的一小段天线，这段天线上的电流均匀分布。 图求解电流辐射的坐标糸通过图中的球面坐标系，元电流产生的电磁场的瞬时值表达式为警专（耐曲）专（咖刎?笺警【专咖（耐制专（刎圳】半唔西（咖刎也（口一半七。 刎一纠吉。 国一鼢）】乏垡丘电?太堂亟堂焦金塞式中，为电流，单位为安培（）；为元电流长度，单位为米（）；为天线轴与观察点向径之间的夹角；为电磁波在媒质中传播的相位常数，州九；九为电磁波的波长，单位为米（）；为从电流元中心到观察点的距离，单位米（）；为电磁波角频率，单位为弧度秒（）；为媒质的特征阻抗，单位为欧姆（）；队分别为媒质的磁导率和介电常数。 式（）、（）表明，电场强度和磁场强度的表达式随着该点与元电流之间距离?同而?同。 为了?于分析，可近似划分为三个区域来进?讨论近区、远区和菲涅尔区。 ）近区场当或入时，矿归，式（）和（）中起主要作用的为第一项，由此可简化为等硎?册一告洫口（）式中应用了。 式（）中给出的电场强度表达式与电偶极矩为的电偶极子产生的电场强度相同；磁场强度与元电流产生的磁场强度相同。 由（）式可知，在近区的时变电磁场中，电场和磁场的分布规?与静态场的分布相近似，因此也被称为似稳区。 在似稳区内，同一点上的电场和磁场的方向虽然垂直，但其相位却相差，所以坡印廷矢?在一个周期内的平均值为零。 这似乎表明，在近区只有功率的交换而无功率的传输。 事实上，近区也有平均功率在传输，而且正是这部分功率提供了远区所需的辐射功率，只是这部分传输功率相对于存储在近区的功率来说，可以忽略?计。 ）远区场在（入）的区域称为远区或辐射区，此时场?方程可简化为岛笔生（）一知）丘口一一肘、氕?日万秒（研一鼢）（）该式表明，在辐射区内，场强的相位滞后于激励源的电流相位，这是由于电磁波以有限速度传播所表现出的推迟效应。 远区场的能?密度表示为圭蟛肛，）些电左太堂亟堂僮论奎这说明电场能?密度与磁场能?密度相等。 电磁波总的能?密度为；（）辐射场平均能流密度为（瓦）（）菲涅尔区的场当?满足近区或远区的假设条件时，场?的各个分?都?能忽略，这些区域称作菲涅尔区。 此时，电磁场的总场中包含了近区场和远区场的贡献。 ）远区场的特点由式（）可知，辐射场的平均能流密度是一个恒为正值的?，说明有电磁能?沿向径的方向往外辐射，电磁能?的辐射具有下列特性（）电场和磁场分?都与成正比。 等相位面是一个球面，即元电流在远区产生的辐射波为球面波。 （）辐射的方向性。 在远区，坡印廷矢?以及、与巾角无关，表明辐射场具有轴对称性，但都是角的函数，这也就是说，场?及坡印廷矢?的大小是?同的。 天线元辐射的方向图如图所示，当。 ，即在球面的赤道方向时，辐射最强；当。 即沿元电流轴线方向上，场?为零。 （）辐射的高频性。 电流幅值一定，电场和磁场的大小与波长九成反比，即波长越短，辐射越强。 （）辐射的尺寸相关性。 电流元的辐射功率与（）成正比。 厂、髟、。 ，图元电流辐射的方向图局部放电电磁波辐射的原?坐匕电?太堂亟堂僮金室当变压器绝缘结构中发生局部放电时，沿放电通道将会有过程极短的脉冲电流产生，并激发瞬态电磁波辐射，其规?遵循麦克斯韦的电磁场基本方程。 引入动态向?位和动态标?位来分析局部放电产生的时变电磁场，这时麦克斯韦基本方程组转化为动态位方程讯一鼍川肛抄限加稃仁，够丝一一、式中，?为动态向?位，一；缈为动态标?位，；元为电流密度，；为激励源，。 式（）表示了动态位与激励源和电流密度五之间的关系，考虑洛伦兹条件?肛鲁，且有以吾，则式（）可简化为专?鲁一厩伊专?窘一詈该动态位的达朗贝尔方程，在时变场的无源区域（和菇均为），所有电荷的作用，其解为认毛弘）去匈矿，一二）（?）考虑体积中（）砸朋列，砉一矿亿式（）和（）说明局部放电产生的电磁波是以速度沿着方向传播的，它是时间与位置的函数，该电磁波的能?以速度沿着方向分布，即沿电磁波的传播方向流动。 由于局部放电电流形成的通道很细，放电?径一般很短，式（）、（）中的积分区域实际上接近一短线，所以局部放电电流可以用元电流来等效，其辐射特性遵循元电流的辐射规?。 变压器结构组件对局部放电信号传播的影响堡匕电左太堂亟堂僮金塞电磁波在油纸绝缘介质中的传播局部放电辐射的电磁波以球面波的形式向外传播，在辐射区球面波的特性可近似用均匀平面波来描述。 则电磁波在媒质中的传播常数可表示为国（）式中为衰减常数，单位。 在波的传播过程中，场?的振幅以的规?衰减为相移常数，表示单位长度的相移?，单位。 为磁导率，单位为材?的介电常数，单位。 性能优良的绝缘介质电导率近似为零，上，故衰减常数近似为零，于是）这表明，电磁波在油纸单一介质中传播损耗很小，可以近似忽略。 电磁波在电介质中传播的波阻抗、波速和波长入可分别表示为居警弘孚；（）（），产【。 心陋肚詈赤（）（）万胆、由此可见，波在相对介电常数大于的电介质中传播与在真空中相比，其波阻抗将增大，波速降低，波长变短。 变压器油的约为，电磁波在油中的波速约为；普通纤维纸的约为，对应的电磁波传播速度约为。 而新型纸的介电常数在之间，对应的电磁波速约在之间。 在?同介质的界面处，电磁波将发生反射和折射，在界面上入射波、反射波和透射波之间的关系与界面两侧材?的磁导率和介电常数有关。 任意点源可展成型和型平面波谱的积分型叠加，而平面波在平面分层复合介质中的传播，可用反射系数和透射系数描述【。 设有一型向平面电磁波分?入射到图所示的单界面（）处，则上半空间同时存在入射波和反射波，而下半空间只存在透射波，它们的场可分别表示为垡匕电?太堂亟堂焦论塞乞，（）疆（一如）疆白（如）（一）乞，（）珏（一如）、。 式中，阿和愿分别表示界面处反射波或透射波与入射波幅值之比，称为局部反射系数和局部透射系数。 图平面电磁波分?在单界面上的反射和透射根据介质分界面条件可得波在介质单界面处的局部反射与透射系数疆丝！生！二丝！墨七后（）丝生！毛乞同?，可推导出波在介质单界面处的局部反射与透射系数尺删竺！生！垒占七（）丁堡鱼占由式（）和（）可知，当两种电介质的和接近时，电磁波几乎无反射地全部透射到下一层介质中。 油纸绝缘是一种良好的绝缘配合，其磁导率都近似为，二者的介电常数接近，因此，局部放电的信号在油纸界面处的反射?大；当绝缘纸在浸完油后，其介电常数还要与油有所接近，因此油纸绝缘界面带来的衰减非常小。 导体对电磁波传播的影响对于良导体有上成立，式（）中的传播参数可作如下近似舭謦肛箩仁詹小厣署川肚吉古刮三（?）口、蝶阀结构对局部放电信号传播影响的仿真仿真的目的利用软件对电磁波在蝶阀管道中的传播特性进?仿真，可以揭示信息与原始放电特征之间的内在联系，探究蝶阀结构对信号衰减和畸变的规?。 充分挖掘的有用信息，为局部放电的诊断提供科学的指导。 通过将复杂问题分解为基本问题进?处?，并设置?同的辐射源、材?特性等参数，软件仿真具有灵活、方?且高效的特点。 仿真研究方法垡匕电左太堂亟堂焦盆塞时域有限差分法时域有限差分方法（，英文缩写）是通过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，把时间离散化后，加上初始条件和边界条件，即可按时间步进法求解。 在此方法中，?必求解问题的格?函数，对处?复杂散射体和源分布问题是一种有效的方法。 油中局部放电辐射的电磁波信号的频谱很宽，法是瞬态电磁场分析的一种有效方法，具有广泛的适用性，而且?于实现；通过采用脉冲源做激励，结合傅立叶变换只需通过一次计算，?可获得脉冲所包含的各种有效频率的响应，同频域方法相比将节省大?的计算时间。 因此，本文采用法对变压器内局放信号的辐射和传播特性进?仿真计算和?论研究。 方法的?论基础方法直接在时域求解如下微分形式的麦克斯韦方程一塑一（一）一“班占丝（）班在直角坐标系中化成标?方程组为盟三堡一堡如砂堡土，堡一堡、（）一一苏昆堕三堡一堡砂锄，一，一占三一占（）在进?软件仿真时，参数单元长度和时间间隔的选择应满足精度要求和稳定性条件。 为达到一定的精度，应比频谱中最高频率分?的波长还要小。 又由于实际光滑的曲面边界是用阶梯状边界面近似，也要求尽?小。 为保证按时间步进计算的稳定性，根据有限差分?论，必须满足。 垃车（）其中。 是媒质中最大波速，为空间维数。 以以翘一一一，一三点呜啦百以一砂堡砂盟如堡！左厶堂亟土堂缱论毫边界条件对于散射问题，通常在计算区中引入总场边界条件，如图所示，计算区划分为总场区和散射区【引。 这样做的好处是应用惠?斯原?，可以在连接边界处设置入射波，使入射波的加入简单?；可以在吸收边界处设置吸收边界条件，利用有限计算区域就能模拟开域的电磁散射过程；根据等效原?，应用数据存储输出边界处的近区场?可以实现远区场的外推计算。 对于辐射问题，激励源直接加到辐射天线上，整个计算区域为辐射场，如图所示。 图散射时区域的划分图辐射时区域的划分仿真模型及仿真结果软件是公司开发的高频电磁分析模拟软件。 利用有限差分时域（）演算法解方程式，在任意导体及电介质环境下之时与空问领域的电磁场问题。 可应用的频谱范围，从无线电波（），微波（），毫米波（）乃至于光学频率，即约至。 主要应用于天线设计，微波电?设计，生物电磁学，电磁兼容分析，电磁散射计算，光子学研究等领域。 该软件计算精度高，仿真速度快。 仿真模型图蝶阀管道二二维幽堡电左太堂亟堂位论塞回、，叫?暖凌艄黝嘲缫豳?图蝶阀管道仿真模型剖面示意图蝶阀管道的三维图如图所示，其剖面示意图如图所示，管道外壁材?设置为?想导体，外边界设为完全吸收边界（）。 根据蝶阀管道实际尺寸设计的管道内径为，长度为，阀板直径为。 激励源采用高斯脉冲，分为平面波入射和线电压源辐射两种情况，线电压源距管道入处（即点）。 取样点为管道入口处的（）和阀板后侧的（）。 电磁波从蝶阀管道入口处开始沿方向传播。 网格单元，时间步长。 高斯脉冲电压时间宽度为。 高斯脉冲是研究瞬变电磁场问题常用的激励信号，其能?相对集中且比较均匀地分布在较宽的频率范围内，而且它能逼近一些实际信号源产生的窄脉冲。 高斯脉冲电压函数如图所示，其时域形式为础）等笋（）对脉冲电压求导后得到电流脉冲函数，如图所示，其时域形式为耶，孚唧卜兰掣弘，。 对高斯脉冲电压函数作傅立叶变换得到频谱如图所示，其上限截止频率约为。 ）三（一一竿）（）堡匕！丑厶羔亟堂位论塞、?”坚。 卫二廿时间（）图高斯脉冲电压波形口、一，已霉趔呵避哥时间（）图高斯脉冲电流波形频率（）图高斯脉冲电压频谱波形仿真结果激励源为高斯脉冲平面波的情况当激励源为高斯脉冲平面波入射时，图中、两点电场时域波形如图、图所示。 点电场幅值约为，点电场幅值，均为衰减震荡波形，点幅值为点的倍。 随着电磁波从管道口?断向管道深处传播，并经由蝶阀阀板的阻隔，发生折反射，信号幅度随距离严重衰减。 图平面波入射示意罢磐丑誊舢，喜、，四馨蠼锄也时间（）图一点（）电场时域波形加孤嘶时间（）图点（）电场时域波形由波导?论可知，管道本身相当于一个空心波导结构，具有高通滤波的作用，直径为（）的空心圆波导的下限截至频率为?（）由此可得直径为的管道的下限截至频率为。 从以下电场归一化频谱可以看到，在图中点位于管道入口处，以下的能?分布比较均匀；而图中点位于距管道入口处，以垡匕电左太堂亟堂僮论塞下的能?急剧降低。 仿真结果表明管道的截止频率为左右，与?论分析结果符合的很好，而在以下的电磁波衰减很大。 频谱并非平滑曲线，出现多个特征峰，这与信号在管道和蝶阀阀板之间发生多次折反射有密切关系。 趔扭匠颧爨趔粤熟爨图点电场归一化频谱频率（）图点电场归一化频谱激励源为线电压源的情况当激励源为线电压源时（线电压源长，距蝶阀管道），如图所示。 堡电?态堂砸堂僮论室图线电压源辐射示意图、两点电场时域波形图、所示，点电场幅值约为，点电场幅值，均为衰减震荡波形，点幅值为点的倍。 电磁波在蝶阀管道内随距离迅速衰减。 、趔丑竖哥时间（）图点电场时域波形墨趔馨蠼脚时间（）图点电场时域波形对于线电压源的辐射，蝶阀管道的高通滤波作用也十分明显，从图可以看出，点处电场频谱在以下能?急剧减少。 蝶阀的结构造成电磁波多次折反射，形成多个特征峰。 趔扭臣蒸爨（时间（）图点电场归一化频谱耋哪薹舢薹哪堇墨翘爨时间（）图点电场归一化频谱从仿真结果可以看出，蝶阀管道对于信号具有高通、衰减作用，同一传感器置于点处应比点检测效果好。 通过以上分析可以得知）在进入管道后向前传播，并经由蝶阀阀板的阻隔，发生折反射，信号幅度随距离迅速下降。 ）管道对于低于截止频率的电磁波具有很大的衰减，而对于高于截止频率的电磁波而言其衰减很小。 ）管道对于电磁波传播而言相当于空心圆波导，其截止频率由管道内径决定。 管道内径越大，其截止频率越低。 故大通径的阀门有利于传感器在?宽频带内接收信号。 蝶阀结构对信号传播影响的试验验证局放检测系统为了验证图中、两点的仿真结果，将两个相同的等角螺旋天线传感器分别置于变压器箱体模型上的球阀和蝶阀内，进?典型局部放电实验。 球阀内由于无金属遮挡物，传感器可直达箱体内壁，传感器的位置等同于图中的点；蝶阀内由于中心有阀板阻挡，传感器无法进入，其位置等同于图中的点。 放电点与两个传感器之间距离均为。 同时，在箱体内壁放置短探针单极天线，其具有?失真接收脉冲电磁波信号的特点，?于对测?结果进?比对。 局放模型采用油中针板放电，如图所示。 传感器获取的信号通过馈线引入垡址岜左厶堂亟堂僮论室型数字示波器（关于局部放电模拟测?系统和典型放电模型将在第四章详细介绍），为了?好地观察原始信号，没有使用放大器处?信号。 气尹可罩胬舛铜电极绝缘纸板“”一“四螺母图油中针极放电模型本文平面等角螺旋天线结构如图所示，该天线接收频带为，内外径尺寸为，图为采用标准网络分析仪测得的该天线的驻波特性。 由该图【以看出，该天线在有效工作频带内电压驻波（）基本上小于，在之间曲线的平坦度非常好，说明该天线在宽频带内匹配良好。 （沃线俸版图图平面等角螺旋天线弧；曲一?，一一；！、，、；。 、卜、”钞?“?分?；，；?。 ，?，、，。 、。 。 、，、（）天线实物图平面等角螺旋天线驻波特性本文采用的短探针单极天线如图所示，其中探针长度为，其?论谐振频率为，在其中心频率两侧有一定带宽。 接地板为直径、厚铝圆盘。 图短探针单极天线示意图试验结果分析系统加压至，油中针板模型产生的放电，测?的典型时域波形和平均功率谱密度图如图所示。 为球阀处安装的等角螺旋天线接收到的时频波形，为蝶阀处安装等角螺旋天线接收到的视频波形，为作对比用短探针单极天线的时频波形。 在图（）中，系统背景噪声水平在左右。 由于没有使用放大器，原始信号幅值较低幅值为，波形较为清晰；信号与背景噪声区分度很低，信噪比?高；信号幅值为，波形较为清晰。 可以看出放油阀结构对信号的接收有较大影响，电磁波在传播过程中发生了严重的衰减。 图（）中，球阀传感器接收到信号频谱主要集中在和之间，