高壓GIS外殼的屏蔽效能計算與優化

2021-03-02 08:21:52江蘇省醫療器械檢驗所劉寒春

電子世界 2021年24期

江蘇省醫療器械檢驗所劉寒春

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear，GIS）一般為全封閉的結構，用氣體SF6來絕緣，是由接地開關、斷路器、母線、隔離開關、電壓互感器、避雷器、電流互感器組成的整體。GIS有著結構小、占地面積小、環境干擾小、高可靠性、方便維護的優點，因此被廣泛使用在電力系統中。

由于考慮敏感設備散射和信號傳輸的問題，機箱會帶有開孔導致屏蔽效果的減弱。所以討論機箱開孔對機箱屏蔽效果的影響十分重要，有助于在工程中發揮機箱保護敏感設備的最好效果。

1 GIS結構與環流機理分析

1.1 GIS結構

GIS外殼結構圖如圖1所示，主要有母線外殼、斷路器箱體外殼和進出線套管組成。

圖1 GIS結構圖

從圖1中可以看出在GIS變電站中，有三部分組成，每個部分都會產生較大的輻射噪聲。各部分的噪聲在空間中互相影響，形成了復雜的電磁環境。

1.2 GIS環流機理分析

GIS在運行時，由于斷路器的頻繁開關會產生很強的電磁輻射噪聲干擾使金屬外殼產生較大的感應電流和感應磁場。復雜的電磁環境會影響二次側敏感設備的正常工作，使得敏感設備的數據測量的準確性變得十分困難，甚至造成設備的損壞，威脅電能質量和用電的可靠性，造成嚴重的經濟損失。機箱屏蔽是一種最為有效且方便的抑制輻射噪聲的方法，可以起到保護機箱內部的敏感設備不受外部環境的輻射噪聲干擾，也可以使機箱內的敏感設備產生的輻射噪聲不會影響外圍設備的正常工作。機箱可以將電磁波和電磁能量吸收和反射。

如圖2所示，GIS外殼感應電壓由電磁感應和靜電感應引起，由于GIS在工作時導電桿中會有較大的電流流過，線路和外殼通過電磁耦合產生電磁感應電壓：

圖2 GIS電磁感應模型

如圖3所示，當GIS運行時，GIS導電桿和外殼、大地存在雜散電容會靜電感應耦合得到電位差。GIS外殼的靜電感應電壓可由公式(2)表示，其中Ua表示導電桿運行電壓，Cab表示導電桿和外殼間的電容，Cb表示外殼和大地間的電容。

圖3 GIS靜電感應模型

實際GIS中導電桿和外殼間的電容遠遠大于外殼和地間的電容。靜電感應產生的電壓特別小，可以忽略。所以外殼上的電壓近似等于導桿電流產生的電磁感應電壓。

2 GIS外殼建模與仿真

2.1 GIS外殼建模

根據GIS變電站外殼物理結構構造外殼物理模型，將其導入電磁仿真軟件中進行仿真分析，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變電站外殼的參數如下；r=10mm，R=30mmm，h=600mm，厚度為2mm。本文為了簡化分析過程只考慮外殼正面較大開口（信號線控）而忽略其余較小開孔（如散熱孔等）。

使用CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)模塊對電磁屏蔽特性進行仿真，設置控制機箱外殼材料為95%的鋁，磁導率10H/m，電導率35000000S/m。激勵源設置為垂直方向，電場模大小為10V/m的平面波，探針設置在控制機箱外殼的幾何中心O點及殼體中軸線上距離開孔面300mm的P點。

2.2 CST仿真結果分析

本文引入屏蔽效能來度量電動汽車控制機箱的屏蔽效果，屏蔽效能定義分別為：

其中E0是不加屏蔽時空間內某點的電場強度，Es為加屏蔽后同一點的電場強度，屏蔽效能的單位為dB。

殼體幾何中心O點的屏蔽效能仿真結果如圖5所示。

圖5 O點屏蔽效能仿真結果

3 傳輸線理論的GIS外殼屏蔽效能研究

3.1 GIS外殼屏蔽效能計算

根據傳輸線理論可以將矩形外殼等效為終端短路的波導，其上的開孔為終端短路的無損雙導體微帶線則由傳輸線電報方程得到：

通過多層自適應算法求解上述方程得到P點的屏蔽效能。并與CST仿真計算P點屏蔽效能對比。計算P點屏蔽效能與仿真對比結果如圖6所示。

由圖6可知，通過傳輸線理論計算值與CST仿真曲線擬合性較好。驗證了通過傳輸線理論計算屏蔽效能的正確性。

圖6 P點屏蔽效能計算值和仿真值

3.2 GIS外殼屏蔽效能優化

通過上面驗證過得傳輸線理論計算屏蔽效能方法對外殼中軸線上點距離殼體正面距離屏蔽效能進行研究。根據公式(3)可以得到屏蔽效能與中軸線上距離開孔面不同距離點的屏蔽效能如圖7所示，結果表明，在距離開孔面25cm和45cm處屏蔽效能較小，電磁屏蔽效果相對較差，在37cm處屏蔽效能較大，電磁屏蔽效果好。因此在設計內部電路時，應將敏感電路放置在距離開孔面37cm處取得更好的屏蔽效果。