gis中的电磁兼容问题

gis中的电磁兼容问题

气体隔离装置（gis）与环境隔离，占地面积小，运营安全易用，应用越来越广泛。由于电站体积小,一次和二次设备距离很近,二次电缆处于电磁污染严重的环境中,暂态电磁波在二次电缆中感应出危险的电压并影响GIS控制和保护设备的正常运行。二次设备的微型化、数字化和智能化也增加了二次设备对瞬态干扰的敏感性和脆弱性。GIS中的干扰源可分为内、外部两类,外部干扰相对较弱。外部干扰源又有外部故障(相间或相地短路)和雷击架空线两种;内部干扰源也有两种,即绝缘击穿和开关操作引起。隔离开关(DS)和断路器(CB)的操作会在GIS内产生高达数百MHz的特快速暂态过电压(VFTO),并引起暂态地电位升高(TGPR),1983年CIGRE调查表明有半数以上的电站发生TGPR引起的事故,TGPR主要来自DS操作,其次为CB操作、电力电缆通过接地开关放电和变电站外部的雷电波,接地网和接地电阻不能阻止高达数百MHz的TGPR导致故障。DS操作为GIS的常规操作,十分频繁,对其研究尤显重要。国外80年代初即有系统研究。我国虽有多家科研院所和高校开展研究但对于实际GIS电站的模拟计算和测量还处于起步阶段。1电流ctDS操作中触头运动速度慢(~1cm/s数量级),触头间电弧在SF6气体中多次熄灭与重燃,产生波头很陡(一般为1~20ns)的电压,并向两端传播。因集肤效应,高频电流只存在于GIS金属壳的内表面。在壳体连接处的反射与折射产生波的叠加,过电压到达互感器时通过绕组间的杂散电容传入二次侧并进入通向低压设备的二次电缆内部。GIS与架空线和电缆以及电压互感器(PT)和电流互感器(CT)在外壳连接处接合,在此处波传到金属外壳外部。虽然电极和接地电阻的阻抗值(它们是感性的)在工频时可以忽略,但随着频率的增加而迅速增大。因此,MHz等级的VFTO在金属壳与地之间感应数十kV高的电压即TGPR,尽管衰减很快,若无限制,还会产生火花放电,例如在外壳与高压电缆的屏蔽之间,仍会危及人身安全。2次电缆的耦合暂态过电压对二次设备的耦合有传导和辐射两种形式。传导耦合中暂态过电压通过PT或CT内部的杂散电容传入与其相连的二次电缆进而进入二次设备的方式称为容性耦合;通过地网进入接地的二次电缆的屏蔽层,进而感应到二次电缆的芯线的方式称为阻性耦合。辐射耦合则是通过金属外壳产生的电磁场感应到二次电缆。3当前形势、存在的问题和改进理念3.1考虑多种传输线间的耦合GIS特殊问题研究工作大多为内部过电压计算。80年代初最早研究TGPR现象是分成3条不同的传输线(同轴导体—外壳内侧;外壳—大地;架空线)来计算GIS与架空线连接处TGPR的,这种建模方法已被大家所公认。根据现有国内外文献,由于VFTO的高频特性(主要频率1~100MHz,最高频率可达500MHz),GIS内暂态波过程在运用EMTP程序计算时,绝大多数未考虑线路参数的频关效应和大地(作为理想导体处理)的影响。文献对GIS建模采用EMTP的频关效应的分布参数传输线模型,但计算结果表明误差较大。另一问题是目前文献均未考虑GIS相间的耦合问题。三相分体结构因其金属外壳屏蔽作用,相内传输线系统(同轴导体—外壳内侧)间没有耦合,但相外传输线系统(外壳—大地)如果距离很近,则应考虑它们之间的相互耦合。三相共体式结构的三相导体处于同一个金属套管内,相互耦合必须考虑。总之,不管电站的结构方式如何,均需考虑多导体传输线之间的耦合问题。根据多导体传输线理论,平衡线路的变换阵是常数变换阵,但不换位线路的变换阵是频关的。EMTP中变换阵假定为常变换阵,对于不平衡和不换位的线路可能产生较大的计算误差,故提高仿真模拟计算的精度需要:①建立适合GIS传输线的频关效应模型。②考虑GIS电站内的相间耦合,若采用相模变换法进行计算,应考虑变换阵的频关特性,研究解决频关变换阵的数值算法。3.2在二次电缆中干扰电压的计算3.2.1关于传输函数的非零偏局部建模方法也称采集为精确计算容性传导耦合在二次电缆芯线上感应的干扰电压,必须建立PT和CT在高频下的模型。现有文献的PT、CT、CVT(电容式电压互感器)、CCVT(耦合电容式电压互感器)在<10MHz的精确模型,不适于GIS内频率高达数百MHz的特快速瞬态过程。目前,虽然>10MHz的精确模型少见,但把PT、CT、CVT、CCVT看作表示传输函数的黑匣子,而传输函数则通过测量其阶跃响应确定的建模方法非常实用。近似处理传输函数采用最小二乘法拟合技术的极点—零点消去法(其优点在于可以避免确定等值电路参数时求解复杂的场问题,而且不需要获得每一个PT、CT的物理设计和结构细节,也可用其它方法近似拟合实测的传输函数)。用已有的中频或高频模型和上述方法结合修正模型参数以建立合适的模型是折衷的方法。3.2.2建立地网模型现有的文献计算GIS的VFTO和TGPR时,均未考虑地网的影响(假定大地为理想导体)。虽然引起的计算误差很小,但计算阻性传导耦合在二次电缆的芯线上感应的干扰电压则需精确的地网模型,建立地网模型也可使TGPR的模拟计算更为准确。建立地网等值模型方法有三:电路法、传输线法和场的方法,都归结为建立地网的多端口的电路模型。在地网模型中,阻抗参数(R、L、C)有很强的频关效应和一定的非线性。电路法和传输线法基于“拟静态”假设分析地网模型只适用于低频的情况,高频情况要用严格的场的方法。除了建立地网模型外,还需要研究二次电缆的屏蔽与芯线之间的转移阻抗,这方面的工作已比较成熟并给出了二次电缆转移阻抗和导纳的计算公式。但目前尚未开展关于GIS电站内阻性传导耦合的计算。3.2.3基于不确定产生的干扰电流的测试计算外壳产生的辐射对二次电缆的干扰需要先计算外壳辐射在GIS室内产生的电磁场,然后计算电磁场在二次电缆上引起的干扰电压。电磁场仿真计算方式有二:一是应用天线理论编制程序计算;二是应用现有的电磁场计算软件为外壳建立模型计算。不管采用哪种方式,由于GIS结构的复杂性,金属套管辐射场的计算非常复杂、费时。一种简易方法采用NEC电磁场数值计算软件,其计算步骤为:①用半径1cm的细线段(圆柱体)建模;②求激励源引起细线天线在特定点的辐射场;③计算线路特性阻抗Z=60ln(2h/r),其中h是线路的高度,r为线路半径。同一水平面上线路的特性阻抗一致,不同水平面上的线路的特性阻抗取平均值,即h取线路的最高和最低高度的平均值。④GIS外壳辐射在特定点产生的电磁场由细线电磁场乘修正系数k获得,k为半径1cm细线的特性阻抗与GIS外壳的特性阻抗之比。该方法计算同一高度的线路比较准确;对高度相差很大的线路计算误差较大。比较计算与实测结果表明,二者的波形接近而幅值误差较大(对三相同体GIS,最大达50%,对三相分体GIS则为30%),考虑到建模时的众多影响因素、测量误差及用该方法所节省的时间,这个结果还是比较令人满意的。电磁场计算完成后即可计算它在二次电缆外皮上感应的电流,进而计算芯线上的干扰电流,但目前还没有文献报道(这个工作文只进行了一部分)。不过因电站内的传导干扰远胜于辐射干扰,计算二次电缆上的干扰电压时,辐射干扰可略。3.3对各种测量的测量除模拟计算GIS变电站内电磁瞬态外,另一个重要的方面是对它们的测量。这些数据的准确测量是分析和计算的基础,因GIS电站内的瞬态信号的频率极高,测量需要瞬态响应特性好的传感器和高速的数字存储示波器,还需要深入研究测量方法。4建立相关网络模型本文简述了GIS电站内的电磁兼容问题及现有的各种VFTO和TGPR以及二次电缆内干扰电压计算方法。更精确的计算需要:1)建立适合GIS的传输线的频关效应模型。2)考虑GIS电站