摘 要

智能电网在最近的几年中得到了飞速的发展，变电站越来越多地采用监控和控制类的电子设备。当电子设备受到了电磁干扰时，变电站的安全会受到严重的威胁，开关操作产生的瞬态电磁场过程是变电站中最常见和最严重的电磁干扰源，为了确保GIS变电站的安全稳定运行，故开展对GIS开关操作产生的电磁干扰研究尤为重要。论文的主要工作如下：

首先，论文介绍将开关操作下GIS变电站中的电磁干扰源，后对国内外关于电磁干扰的测量和研究进展进行综述。

其次，介绍GIS变电站内的电磁干扰问题，涉及变电站中开关及刀闸操作在系统一次侧的过电压特征，以及开关及刀闸操作产生的电磁干扰影响就地智能设备正常工作的各种耦合途径，包括系统一次侧的暂态过电压、过电流通过CT、CVT和地电位的传导耦合和空间暂态电磁场通过二次电缆的辐射耦合。

最后，介绍CST微波工作室（MWS）的算法以及电缆工作室的仿真原理，分别在两个工作室中建立模型，通过时域全波仿真求解得出空间电磁场，结合场线耦合理论求得在电缆上的干扰电压和干扰电流，并对仿真结果做出适当分析。

关键词：GIS；开关操作；智能组件；电磁干扰；二次电缆

Abstract

Recently with the continuous development of intelligent power grid, more and more monitoring and control electronic equipments have been used in substation. When the electronic equipment is disturbed by electromagnetic interference, the safety of substation will be seriously threatened. Transient electromagnetic field produced by switching operation is the most common and serious electromagnetic interference source in substation. In order to ensure the safe and stable operation of GIS substation, it is particularly important to study the electromagnetic interference caused by switching operation of GIS. The main work of this paper is as follows:

Firstly, the paper introduces the electromagnetic interference sources in GIS substation under switching operation, and then summarizes the measurement and research progress of electromagnetic interference at home and abroad.

Secondly, this paper introduces the problem of electromagnetic interference in GIS substation, which involves the characteristics of Overvoltage on the primary side of the system caused by switching and knife-gate operation in the substation, as well as various coupling ways of electromagnetic interference caused by switching and knife-gate operation affecting the normal operation of local intelligent equipment, including the Transient Overvoltage on the primary side of the system, the transmission coupling of overcurrent through CT, CVT and ground potential, and the spatial transient state. The radiation coupling of the state electromagnetic field through the secondary cable.

Finally, the algorithm of CST Microwave Studio (MWS) and the simulation principle of cable studio are introduced. Models are established in two studios respectively. Space electromagnetic field is obtained by full-wave simulation in time domain. The interference voltage and current on cable are obtained by combining field-wire coupling theory, and the simulation results are analyzed appropriately.

Key Words: GIS; Switching operation; Intelligent components; Electromagnetic interference; Secondary cable

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景以及其意义 1

1.2 国内外研究概况 3

1.2.1 国外研究概况 4

1.2.2 国内研究概况 5

1.3本文主要研究内容 6

第2章 开关操作电磁干扰产生机理 7

2.1 引言 7

2.2 电磁干扰源 7

2.3 开关操作电磁干扰的耦合方式 7

2.4 GIS变电站中的敏感设备 8

2.5 本章小结 9

第3章 CST微波工作室中的仿真分析 10

3.1 CST微波工作室（MWS）算法介绍 10

3.2 模型的建立 12

3.2.1 仿真模型 12

3.2.2 TEV的设置 13

3.3 空间瞬态电磁场仿真结果与分析 15

3.4 本章小结 20

第4章 屏蔽电缆场线耦合仿真分析 21

4.1场线耦合问题的求解方法 21

4.1.1 场的方法 21

4.1.2 路的方法 23

4.2 CST仿真屏蔽电缆场线耦合问题原理 26

4.3 模型建立与仿真设置 28

4.4 仿真结果分析 29

4.5 本章总结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 全文总结 33

5.2 后期展望 33

致谢 34

参考文献 35

第1章 绪论

1.1课题的研究背景以及其意义

在我国经济迅速发展的同时，国民的用电需求也不断的在提高，为了满足用电的需求，我国在过去的十几年里在特高压输电线路建设上进行了大量投资，也因此拥有了世界上最大的特高压输电网络，2008年12月，1000kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程全面竣工，并于2009年1月成为世界上第一条投入商业化运行的1000kV输电线路，这标志着特高压正式进入商业运行阶段，同时也充分的证明了我国具有自主设计和施工建设特高压输变电工程的能力。与500千伏超高压电网相比，特高压电网可以解决我国现有电网输送能力不足的问题，有助于提高输电效率、降低线路损耗、减少投资成本、节约土地资源。与此同时，我国智能变电站的发展也在不断的推进，变电站的二次设备与一次设备的距离不断的缩短，对一次设备的绝缘性以及二次设备的抗干扰性也提出了更高的要求。

气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）是于1960年-1970年期间出现的一种新型的输变电设备，它是将包括隔离开关、断路器、电流互感器、电压互感器、接地开关、母线、避雷器、电缆终端以及进出线管道等电气设备直接或间接的密封在由金属管道和套管组成的管道树内，并充有一定压力的SF6作为其绝缘、灭弧介质。GIS具有占地面积小、体积小，重量轻、元件全部密封不受环境干扰、检修周期长、运行费用低等优点，随着智能变电站的快速发展，GIS设备被广泛的运用于各等级变电站中^[1-3]。

然而，GIS也存在着缺陷，在GIS隔离开关切合操作的同时，由于动、静触头直接的电弧多次击穿与重燃产生瞬态电磁波，瞬态电磁波在GIS内部多次折反射形成了特快速瞬态过电压（Very Fast Transient Over-voltage, VFTO）和特快速瞬态过电流（Very Fast Transient Over-current, VFTC）。瞬态电磁波还会从GIS内部泄露并沿着GIS外壳和大地进行传播，在外壳接地点、外壳分支、及外壳末端等阻抗不连续处经多次折反射形成瞬态外壳电压（Transient Enclosure Voltage, TEV），这使得GIS外壳对地有很大的瞬态电位差，这一瞬态电位差加之于屏蔽电缆上会在其屏蔽层上产生瞬态电流，并由此耦合大量电磁干扰，导致与屏蔽电缆相连的电气设备受到干扰，产生电磁骚扰^[4-6]。

为了打消人们对GIS隔离开关操作产生的VFTO对系统安全运行的影响疑虑，国家电网公司于2009年进行了特高压VFTO仿真和实测试验，在2套全尺寸GIS试验中开展了2000多次的GIS隔离开关操作带电试验，大量的试验结果表明了GIS隔离开关带电操作产生的VFTO的最大值为基准值的2.27倍。而电网的额定电压越高，其对操作过电压也越来越严格，同时，对于电压等级高于300kV的GIS，由于隔离开关操作时会经常有烧坏、击穿二次设备的现象，故其绝缘要求更高。由前苏联、日本和意大利等多国的研究表明1100kV线路上的最大操作过电压允许值为1.6-1.8倍基准值之间，远低于GIS隔离开关带电操作产生的VFTO最大值，所以，GIS隔离开关操作的次数越多，其对一次设备的危害风险也就越大^[7]。

图1-1 GIS中各类快速暂态现象

除了VFTO的作用外，TEV对于系统的威胁也不小，TEV在特高压GIS变电站的幅值高达几千甚至数十千伏，频率一般分布在0-120MHz之间，其上升时间也只有短短几纳秒，就地汇控柜中的智能设备包括合并单元和智能终端等的安全会受到其严重危害。

安放于GIS内部或GIS外壳上的传感器以及安放在GIS附近的汇控柜中的IED（Intelligent Electronic Device, IED）是智能组件的重要组成，同时由于它们与一次设备的距离很短，故传感器与IED也最容易受到暂态干扰。不过，GIS变电站中的传感器与IED都有做一定的屏蔽手段，所以电磁干扰也很难干扰此类设备。二次电缆是它们之间的传输载体，空间暂态电磁干扰正是通过二次电缆耦合至就地汇控柜的智能组件当中，汇控柜现场如图1-2、1-3所示。此外，地电位也会升高，二次电缆两端会将形成电位差，进而通过传导干扰耦合到智能组件端口，影响其正常工作。这种瞬态干扰不仅可以破坏设备的绝缘性能，而且会干扰智能组件的数据传输，由GIS隔离开关操作产生的瞬态电磁场具有随机性以及复杂性的特征，目前对于它在屏蔽电缆上产生的响应也主要通过实验来研究。

综上所述，为了提高就地汇控柜内的智能组件设备在GIS隔离开关操作过程中的抗干扰能力，有必要对GIS隔离开关操作产生的电磁干扰进行研究，通过对GIS隔离开关操作时周围电场强度的测量，再利用场线耦合理论得出在屏蔽电缆上的响应，对其进行分析研究，有助于开展合理防护措施的实行。

图1-2 1000kV特高压南阳站汇控柜 图1-3 1000kV特高压长治站汇控柜

1.2 国内外研究概况

从上世纪六十年代以来，国内外的电力相关企业以及科研机构、科研院校对GIS隔离开关引起的电磁骚扰进行了大量的研究试验，包括了有关于电磁骚扰的产生机理研究、电磁干扰的实测研究以及电磁骚扰的建模研究等。

1.2.1 国外研究概况

事实上国外对于电磁骚扰的研究甚至可以追溯到19世纪，随着电气运输、通信的高速发展，电磁兼容问题研究室在各发达国家都有成立，并且都有着交流与合作，在1945年，电磁兼容问题方面的军用标准和制作规范在国际上正式被确立，这标志着电磁兼容研究发展进入了一个新时期。

美国电科院对不同电压等级的变电站进行了开关操作，系统的对其产生的电磁骚扰进行了测量、比较，并且得出了GIS开关操作产生的电磁骚扰特征，研究成果主要有：对八个不同变电站的电磁瞬态骚扰进行了实际测量，得出瞬态电磁场的波形以及特征参数；建立了变电站瞬态电磁骚扰的时域计算模型，且将仿真结果与实际测量数据进行了对比，发表了一系列的论文。

与此同时，瑞典、俄罗斯、克罗地亚、印度等国家也进行了大量电磁骚扰的研究测量工作。瑞典学者J. Meppelink于1989年对一个800kV GIS试验设备以及420kV GIS变电站中测量了瞬态电磁场和TEV；俄罗斯的电力专家于2002年在国际大电网会议（CIGRE）发表了他们在变电站进行的长期实际测量成果，主要包括对变电站隔离开关操作引起的对二次回路骚扰电压的测量结果。克罗地亚学者Ivo Uglesic等对123kV变电站中开关操作引起的电磁骚扰进行了研究，研究结果表明了即使在二次回路中测量到的骚扰电压和骚扰电流不高，但二次设备也有可能会因此而产生故障；印度学者M. Mohana Rao等测量了在245kV GIS隔离开关操作产生的VFTO、瞬态电磁场和二次电缆上骚扰电压，同时M. Mohana Rao，B. D. Russell对二次电缆上的骚扰电压进行了研究，得出了二次电缆上的骚扰电压的主要影响因素包括瞬态电磁场的特性、电缆的终端阻抗以及电缆屏蔽层接地方式等^[8-9]。

GIS变电站内部暂态过程的计算都是基于多导体传输线理论在时域内进行大多数计算是运用电磁瞬态程序（Electro Magnetic Transient Program, EMPT）来进行VFTO的数值仿真。Ford和Fujimuto在1980年初最先开始在基于多导体传输线理论的基础上进行建模，得出了VFTO的计算方法，该方法得到了大家的公认以及采用，但建立的等效电路模型的频率适用范围在1MHz以内；Okabe和Takami学者的计算模型中，GIS外壳绝缘法兰被等效成电容元件，GIS外壳被等效成金属导体，大地被等效成无限大导体平板的均匀传输线，由EMPT程序仿真完成计算；A. M. Sahni运用了具有频变效应的分布参数的传输线模型，但仿真结果与实际测量结果有一定的差别^[10-11]。

1.2.2 国内研究概况

我国在开关操作电磁骚扰的测量及其研究这方面相对于国外起步慢很多，但随着我国特高压和智能电网的建设，GIS设备得到了广泛的应用，同时电磁环境也越来越复杂，电力系统的兼容问题被国家电网公司认定为电力系统发展中必须要解决的重要问题，随着电磁兼容实验室的不断建立，变电站电磁兼容和电磁骚扰特性研究也相继的不断展开。武汉大学发布了《500kV变电所保护和控制设备抗扰度要求》研究成果，并且在国家电网公司的的大力支持下开展了一系列关于变电站电磁兼容问题方面的研究和测量工作，对长江三峡输变电工程的几座500kV变电站开关操作产生的瞬态骚扰数据进行了现场测量和分析，计算得到了500kV GIS变电站的瞬态骚扰水平；张卫东，陈沛龙等学者对特高压GIS真型试验平台中VFTO对二次电缆骚扰电压进行了实测工作并对其进行了频域、时域分析，基于多导体传输线理论与场线耦合理论，建立了由VFTO产生的空间电磁场对二次电缆骚扰的耦合模型并对其进行了仿真，也计算出了传输线系统的宽频电气参数，得出了屏蔽电缆芯线对屏蔽层之间的骚扰电压和主频分布；胡榕，崔翔等学者依托国家电网武汉1000kV交流特高压实验基地的2个特高压GIS设备试验回路，开展了对TEV特性的试验研究，对大量的TEV测量结果进行统计和分析，得到了1000kV特高压GIS设备的TEV波形特征，同时也分析了不同测量点的击穿电压与VFTO、TEV的相关性；杜巍，李永刚等学者得出了一种基于时域有限元的VFTO计算方法，利用时域有限元的方法来求解GIS设备等效电路模型；华北电力大学开展了开关操作对智能组件电磁干扰的研究，针对在GIS设备传感器均已安装好，现场实测开关操作对GIS智能组件的电磁干扰水平存在困难的条件下，提出一种在不改变GIS设备传感器和智能组件的前提下，进行GIS设备传感器和智能组件电磁干扰水平测量的模拟测试方法，采用该方法分别对该校252kV试验平台和某220kV智能变电站进行了试验测量。同时，还研制了一套电磁瞬态测量系统对500kV GIS变电站开关操作在汇控柜内智能组件端口测试的干扰电压进行了测量，其测量结果表明GIS汇控柜智能组件端口的共模干扰电压比差模干扰电压幅值更大，可高达326.75kV^[12-17]。

1.3本文主要研究内容

本课题紧密的结合了GIS变电站的实际运用背景，针对GIS隔离开关操作电磁干扰问题，通过仿真研究，得出GIS变电站开关操作时的电磁场分布，再运用场线耦合理论来计算屏蔽电缆上的感应电压，感应电流。

本课题的主要研究工作可分为以下几个部分，具体如下：

第一部分先介绍了开关操作下GIS变电站中的电磁干扰源，后对国内外关于电磁骚扰的测量和研究进展进行了综述。

第二部分主要介绍了开关操作电磁干扰的产生机理。首先对其电磁干扰源进行说明，介绍了常见的电磁干扰源类型，然后对电磁干扰的两种耦合方式进行简述，为第三章的TEV检测以及GIS单相试验回路模型仿真提供了理论基础。

第三部分对介绍了CST微波工作室（MWS）的算法，并建立了GIS单相试验回路仿真模型，以TEV作为平面波激励信号，测得不同测量位置的空间电磁场（包括电场强度和磁场强度），对仿真结果进行分析，得出相关结论。

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