gis中的電磁兼容問題

gis中的電磁兼容問題

氣體隔離裝置（gis）與環(huán)境隔離，占地面積小，運營安全易用，應(yīng)用越來越廣泛。由于電站體積小,一次和二次設(shè)備距離很近,二次電纜處于電磁污染嚴重的環(huán)境中,暫態(tài)電磁波在二次電纜中感應(yīng)出危險的電壓并影響GIS控制和保護設(shè)備的正常運行。二次設(shè)備的微型化、數(shù)字化和智能化也增加了二次設(shè)備對瞬態(tài)干擾的敏感性和脆弱性。GIS中的干擾源可分為內(nèi)、外部兩類,外部干擾相對較弱。外部干擾源又有外部故障(相間或相地短路)和雷擊架空線兩種;內(nèi)部干擾源也有兩種,即絕緣擊穿和開關(guān)操作引起。隔離開關(guān)(DS)和斷路器(CB)的操作會在GIS內(nèi)產(chǎn)生高達數(shù)百MHz的特快速暫態(tài)過電壓(VFTO),并引起暫態(tài)地電位升高(TGPR),1983年CIGRE調(diào)查表明有半數(shù)以上的電站發(fā)生TGPR引起的事故,TGPR主要來自DS操作,其次為CB操作、電力電纜通過接地開關(guān)放電和變電站外部的雷電波,接地網(wǎng)和接地電阻不能阻止高達數(shù)百MHz的TGPR導(dǎo)致故障。DS操作為GIS的常規(guī)操作,十分頻繁,對其研究尤顯重要。國外80年代初即有系統(tǒng)研究。我國雖有多家科研院所和高校開展研究但對于實際GIS電站的模擬計算和測量還處于起步階段。1電流ctDS操作中觸頭運動速度慢(~1cm/s數(shù)量級),觸頭間電弧在SF6氣體中多次熄滅與重燃,產(chǎn)生波頭很陡(一般為1~20ns)的電壓,并向兩端傳播。因集膚效應(yīng),高頻電流只存在于GIS金屬殼的內(nèi)表面。在殼體連接處的反射與折射產(chǎn)生波的疊加,過電壓到達互感器時通過繞組間的雜散電容傳入二次側(cè)并進入通向低壓設(shè)備的二次電纜內(nèi)部。GIS與架空線和電纜以及電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)在外殼連接處接合,在此處波傳到金屬外殼外部。雖然電極和接地電阻的阻抗值(它們是感性的)在工頻時可以忽略,但隨著頻率的增加而迅速增大。因此,MHz等級的VFTO在金屬殼與地之間感應(yīng)數(shù)十kV高的電壓即TGPR,盡管衰減很快,若無限制,還會產(chǎn)生火花放電,例如在外殼與高壓電纜的屏蔽之間,仍會危及人身安全。2次電纜的耦合暫態(tài)過電壓對二次設(shè)備的耦合有傳導(dǎo)和輻射兩種形式。傳導(dǎo)耦合中暫態(tài)過電壓通過PT或CT內(nèi)部的雜散電容傳入與其相連的二次電纜進而進入二次設(shè)備的方式稱為容性耦合;通過地網(wǎng)進入接地的二次電纜的屏蔽層,進而感應(yīng)到二次電纜的芯線的方式稱為阻性耦合。輻射耦合則是通過金屬外殼產(chǎn)生的電磁場感應(yīng)到二次電纜。3當(dāng)前形勢、存在的問題和改進理念3.1考慮多種傳輸線間的耦合GIS特殊問題研究工作大多為內(nèi)部過電壓計算。80年代初最早研究TGPR現(xiàn)象是分成3條不同的傳輸線(同軸導(dǎo)體—外殼內(nèi)側(cè);外殼—大地;架空線)來計算GIS與架空線連接處TGPR的,這種建模方法已被大家所公認。根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)外文獻,由于VFTO的高頻特性(主要頻率1~100MHz,最高頻率可達500MHz),GIS內(nèi)暫態(tài)波過程在運用EMTP程序計算時,絕大多數(shù)未考慮線路參數(shù)的頻關(guān)效應(yīng)和大地(作為理想導(dǎo)體處理)的影響。文獻對GIS建模采用EMTP的頻關(guān)效應(yīng)的分布參數(shù)傳輸線模型,但計算結(jié)果表明誤差較大。另一問題是目前文獻均未考慮GIS相間的耦合問題。三相分體結(jié)構(gòu)因其金屬外殼屏蔽作用,相內(nèi)傳輸線系統(tǒng)(同軸導(dǎo)體—外殼內(nèi)側(cè))間沒有耦合,但相外傳輸線系統(tǒng)(外殼—大地)如果距離很近,則應(yīng)考慮它們之間的相互耦合。三相共體式結(jié)構(gòu)的三相導(dǎo)體處于同一個金屬套管內(nèi),相互耦合必須考慮?？傊?不管電站的結(jié)構(gòu)方式如何,均需考慮多導(dǎo)體傳輸線之間的耦合問題。根據(jù)多導(dǎo)體傳輸線理論,平衡線路的變換陣是常數(shù)變換陣,但不換位線路的變換陣是頻關(guān)的。EMTP中變換陣假定為常變換陣,對于不平衡和不換位的線路可能產(chǎn)生較大的計算誤差,故提高仿真模擬計算的精度需要:①建立適合GIS傳輸線的頻關(guān)效應(yīng)模型。②考慮GIS電站內(nèi)的相間耦合,若采用相模變換法進行計算,應(yīng)考慮變換陣的頻關(guān)特性,研究解決頻關(guān)變換陣的數(shù)值算法。3.2在二次電纜中干擾電壓的計算3.2.1關(guān)于傳輸函數(shù)的非零偏局部建模方法也稱采集為精確計算容性傳導(dǎo)耦合在二次電纜芯線上感應(yīng)的干擾電壓,必須建立PT和CT在高頻下的模型?，F(xiàn)有文獻的PT、CT、CVT(電容式電壓互感器)、CCVT(耦合電容式電壓互感器)在<10MHz的精確模型,不適于GIS內(nèi)頻率高達數(shù)百MHz的特快速瞬態(tài)過程。目前,雖然>10MHz的精確模型少見,但把PT、CT、CVT、CCVT看作表示傳輸函數(shù)的黑匣子,而傳輸函數(shù)則通過測量其階躍響應(yīng)確定的建模方法非常實用。近似處理傳輸函數(shù)采用最小二乘法擬合技術(shù)的極點—零點消去法(其優(yōu)點在于可以避免確定等值電路參數(shù)時求解復(fù)雜的場問題,而且不需要獲得每一個PT、CT的物理設(shè)計和結(jié)構(gòu)細節(jié),也可用其它方法近似擬合實測的傳輸函數(shù))。用已有的中頻或高頻模型和上述方法結(jié)合修正模型參數(shù)以建立合適的模型是折衷的方法。3.2.2建立地網(wǎng)模型現(xiàn)有的文獻計算GIS的VFTO和TGPR時,均未考慮地網(wǎng)的影響(假定大地為理想導(dǎo)體)。雖然引起的計算誤差很小,但計算阻性傳導(dǎo)耦合在二次電纜的芯線上感應(yīng)的干擾電壓則需精確的地網(wǎng)模型,建立地網(wǎng)模型也可使TGPR的模擬計算更為準(zhǔn)確。建立地網(wǎng)等值模型方法有三:電路法、傳輸線法和場的方法,都歸結(jié)為建立地網(wǎng)的多端口的電路模型。在地網(wǎng)模型中,阻抗參數(shù)(R、L、C)有很強的頻關(guān)效應(yīng)和一定的非線性。電路法和傳輸線法基于“擬靜態(tài)”假設(shè)分析地網(wǎng)模型只適用于低頻的情況,高頻情況要用嚴格的場的方法。除了建立地網(wǎng)模型外,還需要研究二次電纜的屏蔽與芯線之間的轉(zhuǎn)移阻抗,這方面的工作已比較成熟并給出了二次電纜轉(zhuǎn)移阻抗和導(dǎo)納的計算公式。但目前尚未開展關(guān)于GIS電站內(nèi)阻性傳導(dǎo)耦合的計算。3.2.3基于不確定產(chǎn)生的干擾電流的測試計算外殼產(chǎn)生的輻射對二次電纜的干擾需要先計算外殼輻射在GIS室內(nèi)產(chǎn)生的電磁場,然后計算電磁場在二次電纜上引起的干擾電壓。電磁場仿真計算方式有二:一是應(yīng)用天線理論編制程序計算;二是應(yīng)用現(xiàn)有的電磁場計算軟件為外殼建立模型計算。不管采用哪種方式,由于GIS結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,金屬套管輻射場的計算非常復(fù)雜、費時。一種簡易方法采用NEC電磁場數(shù)值計算軟件,其計算步驟為:①用半徑1cm的細線段(圓柱體)建模;②求激勵源引起細線天線在特定點的輻射場;③計算線路特性阻抗Z=60ln(2h/r),其中h是線路的高度,r為線路半徑。同一水平面上線路的特性阻抗一致,不同水平面上的線路的特性阻抗取平均值,即h取線路的最高和最低高度的平均值。④GIS外殼輻射在特定點產(chǎn)生的電磁場由細線電磁場乘修正系數(shù)k獲得,k為半徑1cm細線的特性阻抗與GIS外殼的特性阻抗之比。該方法計算同一高度的線路比較準(zhǔn)確;對高度相差很大的線路計算誤差較大。比較計算與實測結(jié)果表明,二者的波形接近而幅值誤差較大(對三相同體GIS,最大達50%,對三相分體GIS則為30%),考慮到建模時的眾多影響因素、測量誤差及用該方法所節(jié)省的時間,這個結(jié)果還是比較令人滿意的。電磁場計算完成后即可計算它在二次電纜外皮上感應(yīng)的電流,進而計算芯線上的干擾電流,但目前還沒有文獻報道(這個工作文只進行了一部分)。不過因電站內(nèi)的傳導(dǎo)干擾遠勝于輻射干擾,計算二次電纜上的干擾電壓時,輻射干擾可略。3.3對各種測量的測量除模擬計算GIS變電站內(nèi)電磁瞬態(tài)外,另一個重要的方面是對它們的測量。這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量是分析和計算的基礎(chǔ),因GIS電站內(nèi)的瞬態(tài)信號的頻率極高,測量需要瞬態(tài)響應(yīng)特性好的傳感器和高速的數(shù)字存儲示波器,還需要深入研究測量方法。4建立相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型本文簡述了GIS電站內(nèi)的電磁兼容問題及現(xiàn)有的各種VFTO和TGPR以及二次電纜內(nèi)干擾電壓計算方法。更精確的計算需要:1)建立適合GIS的傳輸線的頻關(guān)效應(yīng)模型。2)考慮GIS電站