gis中的電磁兼容問(wèn)題

gis中的電磁兼容問(wèn)題

氣體隔離裝置（gis）與環(huán)境隔離，占地面積小，運(yùn)營(yíng)安全易用，應(yīng)用越來(lái)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(yán)重的環(huán)境中,暫態(tài)電磁波在二次電纜中感應(yīng)出危險(xiǎn)的電壓并影響GIS控制和保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)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(duì)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?jī)深?lèi),外部干擾相對(duì)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(xiàn)兩種;內(nèi)部干擾源也有兩種,即絕緣擊穿和開(kāi)關(guān)操作引起。隔離開(kāi)關(guān)(DS)和斷路器(CB)的操作會(huì)在GIS內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的特快速暫態(tài)過(guò)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(lái)自DS操作,其次為CB操作、電力電纜通過(guò)接地開(kāi)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(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的TGPR導(dǎo)致故障。DS操作為GIS的常規(guī)操作,十分頻繁,對(duì)其研究尤顯重要。國(guó)外80年代初即有系統(tǒng)研究。我國(guó)雖有多家科研院所和高校開(kāi)展研究但對(duì)于實(shí)際GIS電站的模擬計(jì)算和測(cè)量還處于起步階段。1電流ctDS操作中觸頭運(yùn)動(dòng)速度慢(~1cm/s數(shù)量級(jí)),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(guò)電壓到達(dá)互感器時(shí)通過(guò)繞組間的雜散電容傳入二次側(cè)并進(jìn)入通向低壓設(shè)備的二次電纜內(nèi)部。GIS與架空線(xiàn)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(shí)可以忽略,但隨著頻率的增加而迅速增大。因此,MHz等級(jí)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(wú)限制,還會(huì)產(chǎn)生火花放電,例如在外殼與高壓電纜的屏蔽之間,仍會(huì)危及人身安全。2次電纜的耦合暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)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(guò)電壓通過(guò)PT或CT內(nèi)部的雜散電容傳入與其相連的二次電纜進(jìn)而進(jìn)入二次設(shè)備的方式稱(chēng)為容性耦合;通過(guò)地網(wǎng)進(jìn)入接地的二次電纜的屏蔽層,進(jìn)而感應(yīng)到二次電纜的芯線(xiàn)的方式稱(chēng)為阻性耦合。輻射耦合則是通過(guò)金屬外殼產(chǎn)生的電磁場(chǎng)感應(yīng)到二次電纜。3當(dāng)前形勢(shì)、存在的問(wèn)題和改進(jìn)理念3.1考慮多種傳輸線(xiàn)間的耦合GIS特殊問(wèn)題研究工作大多為內(nèi)部過(guò)電壓計(jì)算。80年代初最早研究TGPR現(xiàn)象是分成3條不同的傳輸線(xiàn)(同軸導(dǎo)體—外殼內(nèi)側(cè);外殼—大地;架空線(xiàn))來(lái)計(jì)算GIS與架空線(xiàn)連接處TGPR的,這種建模方法已被大家所公認(rèn)。根據(jù)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),由于VFTO的高頻特性(主要頻率1~100MHz,最高頻率可達(dá)500MHz),GIS內(nèi)暫態(tài)波過(guò)程在運(yùn)用EMTP程序計(jì)算時(shí),絕大多數(shù)未考慮線(xiàn)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(xiàn)對(duì)GIS建模采用EMTP的頻關(guān)效應(yīng)的分布參數(shù)傳輸線(xiàn)模型,但計(jì)算結(jié)果表明誤差較大。另一問(wèn)題是目前文獻(xiàn)均未考慮GIS相間的耦合問(wèn)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(xiàn)系統(tǒng)(同軸導(dǎo)體—外殼內(nèi)側(cè))間沒(méi)有耦合,但相外傳輸線(xiàn)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(gè)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(xiàn)之間的耦合問(wèn)題。根據(jù)多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)理論,平衡線(xiàn)路的變換陣是常數(shù)變換陣,但不換位線(xiàn)路的變換陣是頻關(guān)的。EMTP中變換陣假定為常變換陣,對(duì)于不平衡和不換位的線(xiàn)路可能產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差,故提高仿真模擬計(jì)算的精度需要:①建立適合GIS傳輸線(xiàn)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(jìn)行計(jì)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(jì)算3.2.1關(guān)于傳輸函數(shù)的非零偏局部建模方法也稱(chēng)采集為精確計(jì)算容性傳導(dǎo)耦合在二次電纜芯線(xiàn)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(xiàn)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(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的特快速瞬態(tài)過(guò)程。目前,雖然>10MHz的精確模型少見(jiàn),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(guò)測(cè)量其階躍響應(yīng)確定的建模方法非常實(shí)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(diǎn)—零點(diǎn)消去法(其優(yōu)點(diǎn)在于可以避免確定等值電路參數(shù)時(shí)求解復(fù)雜的場(chǎng)問(wèn)題,而且不需要獲得每一個(gè)PT、CT的物理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),也可用其它方法近似擬合實(shí)測(cè)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(xiàn)計(jì)算GIS的VFTO和TGPR時(shí),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(jì)算誤差很小,但計(jì)算阻性傳導(dǎo)耦合在二次電纜的芯線(xiàn)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(jì)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(xiàn)法和場(chǎng)的方法,都?xì)w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(qiáng)的頻關(guān)效應(yīng)和一定的非線(xiàn)性。電路法和傳輸線(xiàn)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(yán)格的場(chǎng)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(xiàn)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(jì)算公式。但目前尚未開(kāi)展關(guān)于GIS電站內(nèi)阻性傳導(dǎo)耦合的計(jì)算。3.2.3基于不確定產(chǎn)生的干擾電流的測(cè)試計(jì)算外殼產(chǎn)生的輻射對(duì)二次電纜的干擾需要先計(jì)算外殼輻射在GIS室內(nèi)產(chǎn)生的電磁場(chǎng),然后計(jì)算電磁場(chǎng)在二次電纜上引起的干擾電壓。電磁場(chǎng)仿真計(jì)算方式有二:一是應(yīng)用天線(xiàn)理論編制程序計(jì)算;二是應(yīng)用現(xiàn)有的電磁場(chǎng)計(jì)算軟件為外殼建立模型計(jì)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(chǎng)的計(jì)算非常復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。一種簡(jiǎn)易方法采用NEC電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件,其計(jì)算步驟為:①用半徑1cm的細(xì)線(xiàn)段(圓柱體)建模;②求激勵(lì)源引起細(xì)線(xiàn)天線(xiàn)在特定點(diǎn)的輻射場(chǎng);③計(jì)算線(xiàn)路特性阻抗Z=60ln(2h/r),其中h是線(xiàn)路的高度,r為線(xiàn)路半徑。同一水平面上線(xiàn)路的特性阻抗一致,不同水平面上的線(xiàn)路的特性阻抗取平均值,即h取線(xiàn)路的最高和最低高度的平均值。④GIS外殼輻射在特定點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)由細(xì)線(xiàn)電磁場(chǎng)乘修正系數(shù)k獲得,k為半徑1cm細(xì)線(xiàn)的特性阻抗與GIS外殼的特性阻抗之比。該方法計(jì)算同一高度的線(xiàn)路比較準(zhǔn)確;對(duì)高度相差很大的線(xiàn)路計(jì)算誤差較大。比較計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果表明,二者的波形接近而幅值誤差較大(對(duì)三相同體GIS,最大達(dá)50%,對(duì)三相分體GIS則為30%),考慮到建模時(shí)的眾多影響因素、測(cè)量誤差及用該方法所節(jié)省的時(shí)間,這個(gè)結(jié)果還是比較令人滿(mǎn)意的。電磁場(chǎng)計(jì)算完成后即可計(jì)算它在二次電纜外皮上感應(yīng)的電流,進(jìn)而計(jì)算芯線(xiàn)上的干擾電流,但目前還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道(這個(gè)工作文只進(jìn)行了一部分)。不過(guò)因電站內(nèi)的傳導(dǎo)干擾遠(yuǎn)勝于輻射干擾,計(jì)算二次電纜上的干擾電壓時(shí),輻射干擾可略。3.3對(duì)各種測(cè)量的測(cè)量除模擬計(jì)算GIS變電站內(nèi)電磁瞬態(tài)外,另一個(gè)重要的方面是對(duì)它們的測(cè)量。這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)量是分析和計(jì)算的基礎(chǔ),因GIS電站內(nèi)的瞬態(tài)信號(hào)的頻率極高,測(cè)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(chǔ)示波器,還需要深入研究測(cè)量方法。4建立相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型本文簡(jiǎn)述了GIS電站內(nèi)的電磁兼容問(wèn)題及現(xiàn)有的各種VFTO和TGPR以及二次電纜內(nèi)干擾電壓計(jì)算方法。更精確的計(jì)算需要:1)建立適合GIS的傳輸線(xiàn)的頻關(guān)效應(yīng)模型。2)考慮GIS電站