变电站开关暂态电磁场计算及对二次设备的影响研究

变电站开关暂态电磁场计算及对二次设备的影响研究

黎明钧

(广东电网有限责任公司云浮供电局)

摘要：随着科学技术的发展，我国的电网也得到了飞速的发展。现阶段，我国的超特高压是我国电力发展的主要方向。这就使得变电站内部的电磁环境变得越来越复杂，也对绝缘和电磁兼容提出了更多的需求。随着测量以及检测等二次设备的下放，就会使得二次设备会直接暴露在开关场复杂的电磁环境当中，很容易受到严重的干扰，在这种情况下，就需要对开关操作引起的暂态场以及其对二次设备造成的影响进行相关研究。本文首先对变电站的二次设备的特点进行了概述；而后，利用CCTV对二次电缆所造成的电磁干扰原理进行了叙述；最后，对暂态磁场对二次电缆的耦合进行了详细的概述。

关键词：变电站开关；暂态电磁场；二次设备

变电站是一个电磁环境非常复杂的系统，在对其强点设备的绝缘进行充分考虑的同时，还要对强点设备的电磁兼容保持足够高的重视度。在进行开关操作的时候，空间会产生强瞬态的电磁场，并且通过电磁辐射的耦合作用对保护和控制电缆的终端产生强烈的干扰。因此，在各类开关的操作当中，隔离开关切合空载母线的操作所激发的空间磁场是最严重的暂态干扰源。需要针对该操作产生的暂态电磁长进行相关计算，并且其对二次设备造成的影响进行相关评估。

一、变电站的二次设备的特点

智能变电站的二次设备在使用期间是利用通信网络交换模拟量、开关量以及控制命令等信息，从而使得代替传统变电站的一次设备和二次设备之间的控制电缆，从而实现光纤网络的直接通信。智能变电设备在开关场的一次设备附近新加入了过程层交换机、合并单元以及智能终端等设备，如图1所示。

在智能变电站的智能电子设备当中，在拥有传统变电站的电缆信号连接的电以太网、开入开出信号、直流电源输入的同时，还增加了光纤通信的连接，可以用于采样值的传输和变电站的事件输出[1]。

瞬态电磁骚扰测量主要是用于智能变电站在现场测量开关操作之下的二次设备设备端口电压、线路电流、交直流电骚扰以及空间瞬态磁场等信号的测量，因此测量系统主要由传感器、屏蔽箱、数字存储示波器、逆变器、锂电池、光纤传输控制系统、触发系统、光纤、存储介质以及计算机等设备构成的。在这个过程当中，示波器会将传感器得输出量进行采集，之后由计算机的控制示波器进行工作，以此来完成数据的存储操作。

二、CCTV对二次电缆所造成的电磁干扰原理

在变电站当中，利用电压的互感器来将一次侧交流的高压转换成可以进行测量、保护以及控制等二次侧低电压，来供仪表或者继电保护装置来进行相关测量。在电压当中的互感器的一次绕组和需要测量、保护或者控制的电路属于并联的关系，二次绕组和需要测量、保护以及控制装置的电压线圈进行连接，从而使得一、二次的侧高压和低压电路形成互相隔离的状态。在互感器的分类当中，根据结构原理的不同可以分为电磁式电压互感器和电容式的电压互感器。电容式的电压互感器是由电容分压器和电磁单元两个部分构成的，其中的电容分压器是由若干个电容器串联组成的，将高压导线和地之间进行良好连接。从电容分压器当中的适当位置处将中压端子和电磁单元进行连接。在高压开关进行操作的时候，在高压的母线上就会产生高频暂态电压，就会通过CCTV对二次电缆的末端产生电磁干扰。如图2所示

从图2中可以得出当暂态电压进行作用的时候，就会利用CCTV的分压电容、接地引线电感以及接地网的作用下产生相应的干扰电位，此时产生的该电位对于二次来说就相当于干扰线，就会通过低阻抗、接地引线电感和二次绕组与屏蔽层之间产生的寄生电容，来对二次电缆当中的一次端产生干扰电压。这个时候，二次电缆就需要接到控制室来作为继电保护和控制的输入信号。其中产生的干扰电压博就会通过它传播到二次电缆的末端，从而在监控系统当中产生干扰电流以及电压。如图3所示，为图2的等值电路图

在图2当中，C3和C4为分压电容，Ub为在母线引入点的时候产生的暂态电位，Lg为引线电感，Zg为接地网的阻抗，C2为TA二次绕组和屏蔽层之间产生的计生电容，Z0为场为l的二次电缆的波阻抗，在二次电缆的末端负载着和阻抗，也即是保护或者控制电路的输入阻抗[2]，干扰源可以表示为

三、暂态磁场对二次电缆的耦合

1、空间电磁场的计算

在三维坐标系中，坐标变量有，当截止围绕z轴在进行旋转对称的时候，三维坐标自的麦克斯方程就可以变成二维坐标系下的偏微分方程，其中包括TE波和TM波。

由于柱状坐标是对称的，因此，只可以对母线一下的平面内的边界进行考虑。在母线系统当中，需要考虑3个边界，地平面、左边界和右边界。如图4所示

在考虑边界的条件之后，测长分量的一阶连接边界的条件可以分为以下的几种情况；

沿z方向的时候，左边界（j=0-1/2;i+1/2）：

在以上式子当中，c为电磁波在空中的传播速度。对于柱状的左边系统，在导线当中分为有源区和无源区，以此要对两种系统的不同状况进行区别对待。

2、暂态电磁场对二次电缆的耦合

图5为空间的电场分布图，根据公式可以得出单根电缆线上的耦合电压和电流与时间的关系图。

从上图中可以看出电缆上的耦合过电压在达到4kv以上的时候，在逐渐到0的时候，电缆上的耦合电流是很小的。从上图的过电压的波形图来看，当时间到达1.7s的时候，频率达到0.5MHz以上的时候，高频过电压将会对电缆末端的电子设备构成严重的干扰。在这个时候二次电缆中产生的耦合电流是相当小的，这个时候产生的影响主要是蒲河电压。

在不同时刻的电缆内的不同位置处分布的电压分布图如图4所示，可以明显看到变电站的重合闸对其产生的空间电磁场，从而使得耦合到传输线上锁产生的过电压会沿线进行传播和分布。因此，对4个不同时刻的沿线过电压的分布情况下可以得知，在时间达到2s的时候，此时的过电压就已经传播到线缆的末端，并且已经呈现出逐渐减小的状态，此时的过电压在很短的时间之内可以增加到最大值[3]。

在增加到最大值之后就会呈现出衰减趋势，在2s的时候线内的过电压已经达到了4kv，在6s的时候线内的过电压就减小到了0.6kv以下，此时的电缆末端的过电压就会达到4kv。

3、典型智能变电站的实测结果

首先要选择测量的内容，对智能变电站的开关操作进行二次设备的骚扰测量，变电站的类型包括气体绝缘变电站、部分气体绝缘变电站以及空气绝缘变电站三种类型，在三种类型当中对不同风机的电压进行相关覆盖。在进行现场测量的过程当中要对骚扰最为严重的进行相关捕捉测量，需要选择开关投切母线、开关投切线路和开关的投切变压器等不同情况来进行操作，如表1和图6所示

在实验过程当中，由断路器和隔离开关来实现母线和线路1的投切，在实验过程当中，要对每个操作都进行重复3次。其中的测量的物理量包含合并单元内的电流互感器二次侧的骚扰电流、电压互感器二次侧的共模骚扰电压、直流电源骚扰电压和开关附近的空间瞬态磁场。

结果分析：在隔离开关操作到二次设备端口的次数，在产生10次脉冲的时候，在合闸时骚扰脉冲就会由疏到密，所产生的幅值就会越远小，但是分闸的过程却是截然相反的。隔离开关的操作速度越慢的情况下，在其中产生的电弧击穿和重击穿，在合闸的过程中开关的断口距离会变得越来越小，击穿也就会越来越容易，击穿时所用到的电压也就会越来越低。而在这个过程当中，电弧电流的初始幅值是根据击穿电压和母线抗组的比值来进行确定的，因此，在进行合闸操作的时候电流的最大幅值是最早出现的，耦合到二次设备电路的骚扰值也是处于最大的状态的。

在断路器的操作值产生了1到数次脉冲之后，断路器的操作速度会变得越来越快，造成的一次操作过程当中的击穿次数就会变得越来越少。

在图7所示的变电站当中，220kv的GIS母线隔离开关合闸在操作时TV的二次测量结果中，真个瞬态波形就产生了20个脉冲，并且脉冲的幅值是越来越小的。才刚合闸的时候开关断口的间距距离是比较场的，击穿电压也是相对较高的，但是脉冲的时间间隔却是相对较长的，大约为4ms。脉冲时间的间隔随着断口间距的距离的变小二在不断地变小。

由于整个脉冲群的波形是保持一致的，因此在该隔离开关进行合闸操作的时候，同时也对合并单元箱内的直流电源骚扰和镀金地面的磁场进行相关测量的。图8为直流电源正负极端口的骚扰电压波形，并且波箱呈现出阻尼震荡波的形式出现，最大幅值为375.4v，主频为13MHz。

图8直流电源骚扰最达脉冲波形图

综上所述，当信号频谱比较接近的时候，差别在于一次母线的瞬态电流博和电压博耦合在各个测量端口的路径不同，从总体来看，骚扰具有幅值高和频率高的特点。

开关的瞬态特性是根据电路本身的结构和布局来进行集中体现的。在同一个电路之下，进行重复的操作可以得到基本一致的波形图；但是如果在相反的情况下，也就是不同的电路之下，由于操作所产生的瞬态波形也是会有相当大的差别的。

表2为在隔离开关操作的时候产生的最大电磁骚扰情况，在上表的直流电源端口骚扰电压、交流电源共模骚扰电压、TA二次侧骚扰电流个TV二次侧共模骚扰电压都是根据实际测量所得到的最大骚扰幅值。在隔离开关进行操作的时候，大约会产生10次骚扰脉冲，在这个过程当中的重复频率是个时变量，是根据隔离开关断口的距离而进行决定的。在距离比较大的时候，可能在每半周波才会进行击穿1次，重复频率是相对较小的。但是当断口的距离处于很小的状态的时候，重复的频率就会很高[4]。根据电磁兼容的角度来对最大的重复频率进行关注的话，隔离开关操作的时候产生的脉冲最大重复频率可以达到1500Hz。在这个过程中，直流电源的骚扰频率最大是大于500v的，交流电源的共模骚扰最大一般都处于大于1700v的状态下，空间磁场的强度最大可以接近80A/m，TA二次侧骚扰电流最大一般都在大于70A的情况下。

表3为在短路操作的时候所产生的最大电磁骚扰情况，经过实验可以发现，在进行分闸操作的时候，所产生的骚扰要比合闸的时候所产生的骚扰小，甚至有些情况下是捕捉不到信号的。断路器在进行操作的时候，骚扰脉冲一般是不大于3个的，并且都会集中在四分之一的工频周期之内，因此，可以对脉冲的重复频率进行忽视。从表3中可以看出，直流电源骚扰最大接近500v，交流电源共模骚扰最大是大于1100v的，在此时产生的空间强度大于70A。

总的来说，电压的等级越高的情况下，骚扰幅值也就会越大，并且给GIS的操作骚扰的频谱是要比AIS要大的多的。根据在实验中所测量得到的数据以及国内外的文献中的记载，开关电磁环境要比继保室更为严酷，在继保室可以拥有良好的屏蔽和接地，并且和骚扰源的距离是相对较远的。GIS的瞬态骚扰频率要比AIS的骚扰频率高的多，不仅仅是因为管道内部的去游离作用，另外一方面是因为GIS的尺寸要比同样等级的AIS的要小得多，在折反射之后会导致更高的震荡频率。

结语：综上所述，变电站内的暂态磁场分布是相当复杂的，许多的外在因素都会对模型和算法的精确度造成相当大的影响，需要对其进行全方面全面的全面考虑。应该对变电站内的暂态电磁场进行相关测量，准确把握变电站内的暂态数据；并且在计算模型上也要进行相关改善，在进行计算模型的时候，还要对各种因素进行相关考虑。另外，在对空间电场的计算方面，不仅要对二维平面的空间电场分布进行计算，还要对三维空间的电场分布进行更进一步的计算。从而，充分全面掌握电磁场的分布，以及对二次设备的造成的影响，保障变电站的正常运行状态，促进我国的电力事业的发展。

参考文献：

[1]王志川,郑镇,梁丽君,苏琳,周军.变电站开关暂态电磁场对二次电缆的耦合干扰分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2014,05:157-160.

[2]谢雪梅.变电站开关暂态电磁场计算及对二次设备的影响研究[D].重庆大学,2014.

[3]赵军,陈维江,张建功,周卓懿,袁宇波.智能变电站二次设备对开关瞬态的电磁兼容抗扰度要求分析[J].高电压技术,2015,05:1687-1695.

[4]于刚,何金良,茆必成.开关操作暂态电压对变电所二次电缆的电磁干扰[J].电工技术杂志,2002,12:19-21+25.