±1 100 kV特高壓直流輸電工程輻射電磁干擾水平評估

羅漢武，樂健，王銀鴿，李猛克，徐新堯，崔士剛

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.武漢大學 電氣工程學院，武漢 430072）

0 引 言

我國國土廣袤，能源資源和負荷分布不均衡，“西電東送”、“全國聯(lián)網(wǎng)”成為必要的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略。特高壓工程輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占用土地少，成為電網(wǎng)規(guī)劃的重中之重［1-5］。±1 100 kV輸電工程相對于其他等級直流輸電系統(tǒng)而言有以下優(yōu)點：（1）節(jié)約線路走廊，減少出線回數(shù)；（2）輸送容量相同時，線路和變電站的造價以及運行費用低；（3）上、下級系統(tǒng)電壓配合更為合理。與常規(guī)變電站內(nèi)的電磁干擾水平相比，±1 100 kV工程因其工作電壓高、電流大、換流閥廳內(nèi)的電磁干擾將更為嚴重，對其換流站換流閥廳電磁干擾水平進行評估具有重要現(xiàn)實意義。

隨著特高壓直流工程的建設和發(fā)展，對換流閥輻射電磁干擾的研究開始引起重視。文獻［6］根據(jù)相關標準，給出了換流站輻射電磁干擾的測量方法。文獻［7］針對±500 kV超高壓換流站騷擾源進行研究，測量了瞬態(tài)騷擾和無線電騷擾的水平。文獻［8-9］進行針對±500 kV和±800kV換流站進行建模，采用矩量法計算，研究無線電騷擾水平，對閥廳的屏蔽功能提出要求。文獻［10］建立±1 100 kV換流站二重閥塔的模型，計算了金具表面的電場。這些仿真模型的建立，往往忽略了模型建立的原理，且在建模時側(cè)重換流站的電壓等級，未針對具體的換流閥類型。例如，±800 kV/4 750 A特高壓直流換流閥和±800 kV/6 250 A特高壓直流換流閥結(jié)構不同，在仿真建模時也應有所區(qū)別。

本文對±1 100 kV特高壓直流輸電工程換流閥廳內(nèi)輻射電磁干擾水平進行了評估。通過分析閥廳結(jié)構，確定其輻射電磁干擾的來源，采用電流元作為輻射干擾源模型，應用矩量法進行閥廳內(nèi)輻射電磁干擾的求解。以實際工程為研究對象，基于PSCAD仿真得到電流元模型參數(shù)，利用FEKO軟件進行了該工程換流閥廳輻射電磁干擾水平的評估。

1 ±1 100 kV UHVDC換流站閥廳結(jié)構及電磁干擾來源

1.1 閥廳結(jié)構

±1 100 kV UHVDC換流站，通常由+1 100 kV和+550 kV正極低壓閥廳，-550 kV和-1 100 kV負極低壓閥廳四個閥廳構成［10］。由 ±1 100 kV/5 000 A特高壓直流換流閥構成的換流閥廳，每個閥廳內(nèi)部有6個二重閥塔組成的兩組6脈橋換流裝置。兩組6脈橋的輸入三相電壓相位相差30°，串聯(lián)構成12脈波換流裝置，整個裝置的高低壓端直流出線通過套管引出。交流進線通過套管引入，并與單相換流變連接，每個單相變壓器連接一個橋臂。每個二重閥塔構成一個橋臂，一個橋臂上有兩個半橋，每個半橋有5個閥模塊串聯(lián)而成，閥塔總共五層［11］。

1.2 電磁干擾主要來源

換流閥廳輻射電磁干擾的產(chǎn)生需局部干擾源、傳播路徑和被干擾體三個條件。換流閥由閥模塊構成，閥模塊又由數(shù)個閥組件串聯(lián)而成，閥組件中含有晶閘管、飽和電抗器、均壓電容和阻容回路等器件。正常工作時，換流閥會進行換相過程，每次換相都伴隨閥臂上晶閘管的導通和關斷，每次其兩端電壓會發(fā)生突變，由文獻［12］可知，導通過程中其兩端電壓為：

式中t是換流閥導通的時間；e是自然常數(shù)；τ是換流閥導通至其兩端電壓為0的時間；v0是換流閥導通瞬間兩端的電壓，與觸發(fā)角有關；v（t）是換流閥兩端電壓。

對其進行傅立葉變換為：

式中v（f）是v（t）的頻域形式；f為頻率。

傅里葉分解后的結(jié)果表明，晶閘管兩端電壓頻帶較寬，可產(chǎn)生頻帶較寬的電磁干擾。同時該電壓可沿線路傳播，由線路中電容和電感產(chǎn)生電磁振蕩，造成輻射干擾程度加大。

2 基于電流元的干擾源模型

2.1 幾種等效模型的比較

現(xiàn)有文獻在建立干擾源模型時常將用偶極子對換流閥進行等效，主要等效方法包括：

（1）將整個換流閥模塊等效為偶極子，利用偶極子電磁輻射的計算公式進行計算，這樣的處理存在兩個問題：（a）需要知道換流閥兩端的電荷量，以計算出電偶極矩，但電荷量數(shù)據(jù)通常難以獲取；（b）只進行換流閥塔的等效，沒有考慮閥廳交流進線和直流出線，僅用幾個偶極子來等效整個換流閥塔乃至換流閥廳將導致很大的誤差［13］；

（2）將流過電流的線路分成微小電元，每段電元都等效為一個電偶極子，向外輻射電磁波。這樣的等效雖然解決了上述問題（b），但電偶極子的應用不當。電偶極子是兩個等量異號點電荷組成的系統(tǒng)，不能反映干擾源的本質(zhì)［14］。

2.2 電流元模型

本文提出一種基于電流元的輻射電磁干擾等效模型，其基本原理為：

一段載有均勻同相時變電流的導線被稱為電流元，電流元的直徑遠小于其長度，而其長度又遠小于電磁波長及觀察距離。遠小于一般指數(shù)量上要差最少一個量級，均勻同相的電流是指導線上各點電流的振幅相等，且相位相同。

設電流元位于無限大空間，周圍媒質(zhì)為均勻線性且各向同性的理想介質(zhì)。建立直角坐標系，令電流元位于坐標原點，且沿z軸放置，如圖1所示。

圖1 電流元模型Fig.1 Current element model

可求得圖1中P點處的電磁場分量為：

設導線長度為L，則觀測點的電磁場強度為：

該等效方法可有效解決目前干擾源等效存在的問題，原理簡單，且僅需要線路電流即可進行輻射電磁干擾計算。只需將整個換流閥廳內(nèi)部的設備等效為具有相應頻率的電壓和電阻構成的電流元，即可計算出整個閥廳內(nèi)的輻射電磁干擾水平。

2.3 基于PSCAD的電流數(shù)據(jù)求解

首先搭建換流站的寬頻等效模型，通過仿真獲得換流閥兩端以及交流進線和直流出線端口的電壓和電流，并對數(shù)據(jù)進行如下處理：

（1）獲得換流閥開斷過程中閥臂兩端電壓和流過電流的時域波形，設第k支換流閥臂導通時晶閘管兩端電壓為uk（t），電流為ik（t）；

（2）同時獲得閥廳交直流套管出線側(cè)電壓uL（t）和電流iL（t）；

（3）將各時域電壓和電流進行傅里葉分解，得到晶閘管兩端電壓和電流的頻域信息，而以閥廳交直流套管出線側(cè)的電壓和電流頻域信息作為終端電壓和電流。由晶閘管和終端的電壓、電流可得到晶閘管和終端在不同頻率下的等效負載阻抗Zk（f）和ZL（f）。

（4）基于電流元模型建立輻射電磁干擾源模型，并采用后續(xù)方法進行閥廳內(nèi)輻射電磁干擾的計算。

利用PSCAD仿真得到的不同位置的部分頻率點的閥臂電壓和阻抗如表1所示［8］。

3 電磁輻射強度求解

目前通常采用時域方法進行電磁干擾仿真求解，主要方法包括：有限差分法FDM、有限元法FEM、矩量法MOM、時域有限差分法FDTD等。這些方法具有不同適用范圍，在天線近區(qū)，電磁波波長與場空間在同一量級，可視為低頻，可采用FEM、FDM、MOM等方法求解；當電磁波波長小于距被求位置的距離時，可視為中頻，可用FDTD法求解；當電磁波波長遠小于距被求位置的距離時，可視為高頻，可用幾何射線法求解。

表1 閥臂電壓和阻抗頻率特性Tab.1 Frequency characteristics of the voltage and impedance of valve leg

換流站閥廳占地范圍數(shù)百米內(nèi)，對于頻率在3 MHz以上的電磁波，可用 FDTD法求解，頻率在3 MHz以下的電磁波，可用FEM、FDM、MOM求解。

FEM法雖使用范圍廣，但需要的計算機內(nèi)存大，易造成空間色散誤差。此外由于只能在有限區(qū)域內(nèi)計算，需設置吸收邊界條件，復雜材料邊界如介質(zhì)和導體表面強加邊界條件不容易；FDM法與實際試驗結(jié)果誤差較大，需要通過試驗結(jié)果進行修正。本文選取MOM矩量法來進行輻射電磁干擾的求解，矩量法的數(shù)學處理過程可采用加權余量法或定義泛函內(nèi)積等方法，無需設置吸收邊界條件，也不存在空間色散誤差，且數(shù)值結(jié)果精度高［15］。

4 仿真結(jié)果與分析

本文選用以MOM為基礎算法的仿真軟件FEKO，對±1 100 kV換流閥軟件建模時采用了以下原則：

（1）閥臂采用串聯(lián)阻抗+電壓源的細導線模型；

（2）管母采用細導線模型；

（3）閥廳的交直流出線采用串聯(lián)阻抗模型。仿真模型如圖2所示。

圖3給出了Y方向電場強度的仿真結(jié)果。由圖3可以看出，隨著頻率的變大，換流閥的輻射強度逐漸減小，其原因在于干擾源中高次諧波分量含量低，同時主回路中濾波設備對高頻分量的濾波效果明顯。

圖2 閥廳閥塔仿真模型Fig.2 Simulation model of the valve tower

圖3 Y方向電場強度Fig.3 Electric field intensity in Y direction

從Y方向上看，數(shù)值在閥廳圍墻的中間區(qū)域最大，在閥塔的前方出現(xiàn)極值，這也驗證了每個閥塔屏蔽罩存在的必要性。

從整體數(shù)值分析，頻率為100 kHz時，干擾電場強度最大，達到近43 mV/m；頻率為500 kHz時，干擾強度最小，約為3 mV/m。根據(jù)GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》中的要求，頻率范圍在0.1 MHz～3 MHz的電磁干擾總限值為40 V/m，可以看到在某些頻率點上電磁干擾的強度超出了該標準要求的范圍。

5 結(jié)束語

本文介紹了±1 100 kV/5 500 A特高壓直流輸電工程換流閥和換流閥廳的結(jié)構，給出了基于電流元的輻射電磁干擾源模型，相比于現(xiàn)有偶極子和電偶極子等效方法，原理簡單且精度高，選用矩量法并通過FEKO軟件進行了換流閥廳輻射電磁干擾的仿真計算，所得主要結(jié)論如下：

（1）從頻率上看，受到干擾源特性和濾波設備的影響，輻射電磁干擾的強度隨頻率的變大逐漸減小，在某些頻率點上電磁干擾的強度超出了該標準要求的范圍；

（2）從距離上看，閥廳圍墻中間區(qū)域輻射電磁干擾最大，在閥塔的前方出現(xiàn)極值，需要采取進一步的輻射電磁干擾屏蔽措施。