GIS變電站機(jī)箱外殼屏蔽效能的預(yù)測(cè)研究

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通供電分公司 張 弛

江蘇省電氣裝備與電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室（南京師范大學(xué)） 趙旭東

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通供電分公司 魯 燕

江蘇省電氣裝備與電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室（南京師范大學(xué)） 陳澤南

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）變電站運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)流使電磁環(huán)境變得復(fù)雜，導(dǎo)致外殼產(chǎn)生感應(yīng)電流，造成電能損耗，引起GIS絕緣損壞，產(chǎn)生重大隱患。在外部裝機(jī)箱外殼可大大減少變電站復(fù)雜環(huán)境的影響。考慮設(shè)備散熱和接線(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)機(jī)箱外殼開(kāi)孔進(jìn)行了研究。首先對(duì)敏感設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行建模，導(dǎo)入仿真軟件中進(jìn)行仿真，然后根據(jù)電磁場(chǎng)理論建立外殼的等效模型，利用通過(guò)多層自適應(yīng)交叉近似算法提取外殼等效模型的相關(guān)參數(shù)，預(yù)測(cè)外殼的屏蔽效能，最后與仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證有效性。

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）一般為全封閉的結(jié)構(gòu)，用氣體SF6來(lái)絕緣，是由接地開(kāi)關(guān)、斷路器、母線(xiàn)、隔離開(kāi)關(guān)、電壓互感器、避雷器、電流互感器組成的整體。GIS有著結(jié)構(gòu)小、占地面積小、環(huán)境干擾小、高可靠性、方便維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用在電力系統(tǒng)中。

GIS在運(yùn)行時(shí)，由于斷路器的頻繁開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射噪聲干擾使金屬外殼產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場(chǎng)。復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)影響二次側(cè)敏感設(shè)備的正常工作，使得敏感設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性變得十分困難，甚至造成設(shè)備的損壞，威脅電能質(zhì)量和用電的可靠性，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)箱屏蔽是一種最為有效且方便的抑制輻射噪聲的方法，可以起到保護(hù)機(jī)箱內(nèi)部的敏感設(shè)備不受外部環(huán)境的輻射噪聲干擾，也可以使機(jī)箱內(nèi)的敏感設(shè)備產(chǎn)生的輻射噪聲不會(huì)影響外圍設(shè)備的正常工作。機(jī)箱可以將電磁波和電磁能量吸收和反射。

由于考慮敏感設(shè)備散射和信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題，機(jī)箱會(huì)帶有開(kāi)孔導(dǎo)致屏蔽效果的減弱。所以討論機(jī)箱開(kāi)孔對(duì)機(jī)箱屏蔽效果的影響十分重要，有助于在工程中發(fā)揮機(jī)箱保護(hù)敏感設(shè)備的最好效果。

1 環(huán)流的機(jī)理分析

如圖1所示，GIS外殼感應(yīng)電壓由電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)引起，由于GIS在工作時(shí)導(dǎo)電桿中會(huì)有較大的電流流過(guò)，線(xiàn)路和外殼通過(guò)電磁耦合產(chǎn)生電磁感應(yīng)電壓：

圖1 GIS電磁感應(yīng)模型

如圖2所示，當(dāng)GIS運(yùn)行時(shí)，GIS導(dǎo)電桿和外殼、大地存在雜散電容會(huì)靜電感應(yīng)耦合得到電位差。GIS外殼的靜電感應(yīng)電壓可由公式(2)表示，其中Ua表示導(dǎo)電桿運(yùn)行電壓，Cab表示導(dǎo)電桿和外殼間的電容，Cb表示外殼和大地間的電容。

圖2 GIS靜電感應(yīng)模型

實(shí)際GIS中導(dǎo)電桿和外殼間的電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外殼和地間的電容。靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電壓特別小，可以忽略。所以外殼上的電壓近似等于導(dǎo)桿電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓。

2 GIS結(jié)構(gòu)和建模

GIS外殼結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要有母線(xiàn)外殼、斷路器箱體外殼和進(jìn)出線(xiàn)套管組成。

圖3 GIS結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出在GIS變電站中，有三部分組成，每個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生較大的輻射噪聲。各部分的噪聲在空間中互相影響，形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境以GIS母線(xiàn)外殼為例，分析箱體外殼的屏蔽效果.

3 GIS外殼仿真建模與分析

3.1 基于CST軟件的仿真建模

根據(jù)GIS變電站外殼物理結(jié)構(gòu)構(gòu)造外殼物理模型，將其導(dǎo)入電磁仿真軟件中進(jìn)行仿真分析，GIS變電站外殼模型示意圖如圖4所示。

圖4 GIS變電站外殼模型示意圖

圖4中GIS變電站外殼的參數(shù)如下；r=2cm，R=6cm，h=100cm，厚度為2mm。本文為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程只考慮外殼正面較大開(kāi)口（信號(hào)線(xiàn)控）而忽略其余較小開(kāi)孔（如散熱孔等）。

使用CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)模塊對(duì)電磁屏蔽特性進(jìn)行仿真，設(shè)置控制機(jī)箱外殼材料為95%的鋁，磁導(dǎo)率10H/m，電導(dǎo)率35000000S/m.激勵(lì)源設(shè)置為垂直方向，電場(chǎng)模大小為10V/m的平面波，探針設(shè)置在控制機(jī)箱外殼的幾何中心A點(diǎn)。

3.2 CST仿真結(jié)果分析

本文引入屏蔽效能來(lái)度量電動(dòng)汽車(chē)控制機(jī)箱的屏蔽效果，屏蔽效能定義分別為：

其中E0是不加屏蔽時(shí)空間內(nèi)某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，Es為加屏蔽后同一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，屏蔽效能的單位為dB。

殼體幾何中心A點(diǎn)的屏蔽效能仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 A點(diǎn)屏蔽效能仿真結(jié)果

4 基于傳輸線(xiàn)理論的多層自適應(yīng)交叉近似算法

4.1 GIS變電站外殼的傳輸線(xiàn)等效電路

根據(jù)傳輸線(xiàn)理論可以將矩形外殼等效為終端短路的波導(dǎo)，其上的開(kāi)孔為終端短路的無(wú)損雙導(dǎo)體微帶線(xiàn)則由傳輸線(xiàn)電報(bào)方程得到：

4.2 基于多層自適應(yīng)交叉近似算法的近似求解

在Sp*q中p和q代表列和行的迭代的第k個(gè)條目。

開(kāi)始

步驟1：

初始化第一個(gè)組織（列）索引。

步驟2：

以p1和q1表示方程的初始邊界值完成了第一次迭代。

對(duì)于下一次迭代，首先找到最大條目的I2的行號(hào)。

步驟3：

現(xiàn)在找到最大的條目的列號(hào)J1。

步驟4：

第K次迭代：在迭代方程中找到最高條目的列號(hào)Jk。

步驟5：

結(jié)束

對(duì)MLACA算法的詳細(xì)描述表明，該算法僅需對(duì)其原始矩陣的有限知識(shí)即可近似求解。MLACA算法是可控制的自適應(yīng)算法，其中，當(dāng)達(dá)到所需目標(biāo)時(shí)，錯(cuò)誤將停止。如果解決方案沒(méi)有秩矩陣或沒(méi)有更多壓縮，則MLACA算法將自動(dòng)收斂。

將探針設(shè)置在距離開(kāi)孔面30cm處的B點(diǎn)。根據(jù)算法參數(shù)結(jié)果代入公式(4)計(jì)算B點(diǎn)屏蔽效能與仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 B點(diǎn)屏蔽效能計(jì)算值和仿真值

建立了GIS變電站機(jī)箱外殼的簡(jiǎn)化物理模型，并利用CST軟件進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真，得出外殼內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)的屏蔽效能。

通過(guò)多層自適應(yīng)交叉近似算法處理仿真獲取的外殼幾何中心處的屏蔽效能信息，得到外殼等效傳輸線(xiàn)電路模型的相關(guān)參數(shù)。利用等效傳輸線(xiàn)電路模型得到外殼內(nèi)部中軸線(xiàn)上不同點(diǎn)的屏蔽效能信息，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能有效的預(yù)測(cè)100MHz-1000MHz范圍內(nèi)的外殼內(nèi)部中軸線(xiàn)上各點(diǎn)的屏蔽效能。