GIS中的电磁兼容问题.ppt

第六章 GIS中的电磁兼容问题,第一节 概 述 第二节 GIS中开关操作的快速 暂态过渡过程 第三节 GIS中的暂态地电位升高问题 第四节 GIS中开关操作等暂态过程 产生的瞬态辐射骚扰,第一节 概 述,气体绝缘金属封闭组合电器(Gas-Insulated Switchgear，简称GIS)，是60年代中期出现的一种新型电器装置。GIS的问世，对传统的敞开式高压配电装置(AIS)来说是一次革命，特别是在超高压领域中。三十多年来，GIS的发展非常迅速，其优点得到了国内外电力部门的公认。,一、GIS有下列优点：,占地面积和空间占有体积大为减小。有更好的综合经济指标。安全可靠,人身安全,设备运行可靠.有利于环境保护。采用GIS可使运行人员不受电磁场辐射的影响，因此变电站的设计比采用AIS时简单。安装工作量小，检修周期长。因此，GIS在山区水电站、污秽地区配电系统和城市电网改革中得到广泛的应用，而且在空气稀薄的高海拔地区和地震频繁活动的地区，选用GIS也有着极为广阔的前途。,二、GIS致命的弱点:,(1)当刀闸切合操作会产生电弧重燃，触头两端的电压在几ns内突然跌落，该电压陡波在GIS中产生行波，引起高频振荡而形成特快速瞬变过程(Very Fast Transient，简称VFT)，从而产生特快速瞬变过电压(Very Fast Transient Over-Voltage，简称VFTO)。VFTO严重时在GIS的不同部位，会出现故障。例如，巴西的Graiau 500kV GIS变电站在运行的初期，就曾因刀闸操作产生的VFTO造成GIS外壳内部的火花放电，500kV油纸套管的炸裂和变压器故障等。,(2)VFTO在GIS内部传播时，遇到与外部相联接的地方时，会发生波的折射和反射。当VFTO由GIS向外部传播时，产生暂态地电位升高(TGPR)，TGPR会造成人员受击，控制、保护设备的误动作，二次设备损坏等后果。(3)沿GIS母线导管传播的VFTO和沿GIS壳体与接地系统的TGPR都会形成暂态电磁场，形成辐射骚扰。以上问题是GIS中典型的电磁兼容(EMC)问题，因此是设计变电站时所必须考虑的。,第二节 GIS中开关操作的快速暂态过渡过程,一、VFTO现象及其产生机理VFTO是由GIS内开关操作或GIS内部放电引起的极快速瞬态过电压。由于刀闸的触头运动速度相对较慢，因而将产生电弧重燃，形成上升时间很短的行波，在GIS内部传播，VFTO最高可达。计算和实测表明，VFTO上升时间为520ns，上升率则高达40MV/s。典型波形见图6-1。在设计相关设备时应考虑VFTO的影响。,图6-1 典型的VFT0波形,由开关电弧重燃引起的暂态脉冲的陡变主要决定于电弧的形成时间 tr.tr表示触头间隙从开始游离到完全导通所需要的时间，tr 越小，波头越陡。对于均匀电场中SF6气体而言：常数；绝缘强度,正常GIS由刀闸操作引起的冲击波的tr=520ns，暂态脉冲的最大陡度可由下式求出：式中 为触头间距。均匀电场中，SF6的E0约为空气的23倍，SF6中的最大电压陡度为空气的49倍。,二、VFTO的分类及其特性,(一)分类 当操作GIS隔离开关时，在离它的不同距离处可观察到不同的瞬变过程，可分为内部的和外部的VFTO。这是由于GIS内外装备的布局和阻尼效应引起行波的不同折射、反射的原因。所有在GIS网络内产生的各种行波分量叠加形成其波形,VFTO的分类如图6-2。,图6-2 GIS内部和外部的陡波前过电压的起源和分类,(二)VFTO的特性 GIS中的内部VFTO是由隔离开关和断路器操作及破坏性放电过程中所固有的快速电压波崩溃所产生的两个行进的阶跃电压引起。这些行波通过GIS和相连接的设备传播。在每次阻抗突变时，反射和折射部分都被畸变，各种行波的叠加就形成了陡波前过电压波形。,(1)阶跃电压；(2)由于GIS内母线管道波阻抗的多次微弱变化形成的甚高频范围f1(最高达100MHz)；(3)由于GIS母线管道和电缆末端或架空线终端处波阻抗的显著变化而引起的反射形成的高频范围f2(最高达30MHz)；(4)由大电容的外部装置引起的谐振产生的低频范围f3(0.1MHz至5MHz)。,内部VFTO的波形取决于GIS的内部结构和外部的配置。内部VFTO的幅值范围为系统电压的12.5倍。IEC61321-1技术报告，将内部VFTO、外部VFTO的典型波形如图6-3、图6-4所示。外部VFTO基本上是由内部VFTO造成的，因此，它们具有相似的波形。外部VFTO的峰值主要取决于GIS以外的设备，但同样取决于GIS和GIS的接地连接方法外部VFTO幅值范围为系统电压的12.5倍。,图6-3 由刀闸合闸引起的内部VFTO的典型波形,图6-4 外部VFTO的典型波形,三、VFT0的影响因素,VFTO波形主要取决于GIS的内部结构和外部的配置，并随位置变化。VFTO的幅值还与残余电荷，开关的特性(如弧道电阻，开关结构，分合特性)等有关。,(一)残余电荷对VFTO的影响 由残留电荷产生的电位会因电荷通过绝缘子泄漏而逐渐降低，残留电荷会使VFTO升高，自由导电微粒飘浮的可能性加大。VFTO幅值与残余电荷之间呈线性关系。主要是因为回路本身是线性的。残余电荷不同，同一点的VFTO波形相同，幅值不同。研究表明，残留电荷的幅值与触头间击穿电压的不平衡度显著相关。对于典型的、设计良好的刀闸，这一不平衡度通常为1530，在这样的残留电荷下产生的过电压值不超过2.0p.u。,(二)开关弧道电阻的影响当刀闸起弧时，弧道电阻R对过电压有阻尼作用，在分合闸过程中R是一个时变参数。弧道电阻对VFTO的抑制作用很大。一般来说，各节点过电压幅值随弧道电阻增加而减小.因此GIS中隔离开关中加装合闸电阻可作为限制VFTO的一个措施。,(三)变压器入口电容的影响 一般来说，变压器入口电容增大，各点过电压倍数均增加。VFTO还受其他因素影响，如:回路母线各段的长度支持绝缘子电容量，但其影响程度对各节点来说并不一致。,四、VFT0对避雷器和变压器的影响,例如，某抽水蓄能电站的1号、2号单元的MOA的频繁动作，以及1号主变压器绝缘击穿事故，分析认为：与该电站中的500kV GIS 中刀闸的频繁投切操作有关。GIS中刀闸操作引起的VFTO，虽幅值不算太高，但其等值频率高、陡度大。(1)VFTO作用在避雷器上会产生很大的脉冲电容电流，可引起避雷器的频繁动作;,(2)VFTO沿变压器绕组近似于指数分布，首端匝间绝缘将承受较高的电压；(3)VFTO所含的谐波分量较丰富，会在变压器绕组的局部引起谐振；加上累积效应等因素的影响，可能会使变压器绝缘发生击穿现象。,五、VFTO的研究方法,理论分析、实验室模拟试验、调研和计算机的数值模拟计算，以及现场实测等。其中最可靠的是实测试验和计算机数值模拟相结合的方法。实测固然是最可靠的，但不现实，也没有必要让电力系统承担偌大的风险。关于运行方式，试验条件乃至刀闸断口瞬时电压的幅值概率都可由通用的EMTP数值计算来设定。,六、本节的主要结论,(1)VFTO是由GIS刀闸切合容性负载时由于波阻抗的变化引起大量的波的折反射而形成的，其振荡频率0.1100MHz。(2)GIS的结构布置及连接方式、刀闸的特性、结构及触头运动速度和内部气压等是影响VFTO幅值及波形的主要因素。(3)VFTO最大值一般不超过2.5p.u，低于电气设备的雷电冲击耐受水平，因而VFTO能被MOA限制。一般不会威胁到设计完备的GIS绝缘和与其联接的电气设备。(4)但当GIS中的刀闸操作频繁时，VFTO可引起MOA的频繁动作，由于累积效应等因素的影响，有时也可能会发生变压器绝缘的击穿事故。,(5)VFTO幅值与回路的残余电荷关系较大，一般情况下，其幅值与残余电荷量线性正相关。(6)开关弧道电阻对VFTO幅值影响较大，一般情况下，随弧道电阻的增大，VFTO幅值降低。(7)VFTO还受其他因素影响：如变压器入口C、回路母线各段的长度及支持绝缘子C，其影响程度各点不一。(8)降低VFTO的主要措施有：优化GIS变电站设计；改进GIS变电站联接方式及优选参数，采用优良的隔离开关，隔离开关加装电阻等。,第三节GIS中的暂态地电位升高问题,一、概述美国在AEP的UHV系统中测到高达100kV的暂态地电位升高(TGPR)，加拿大在GIS中测到28.6kV的TGPR，国内某220kV GIS变电站中也测到了上千伏的TGPR，这些数字均已超过传统概念所能接受的数值。,GIS中的刀闸操作、母线接地以及做耐压试验时母线对外壳的瞬间放电都会产生前沿很陡的暂态电压波。GIS的母线是同轴圆筒式结构，当母线上流过前沿很陡的暂态电流时，则会以波的形式传播。因暂态电流的等值频率很高，强烈的集肤效应使电流波仅沿母线的外表层及外壳的内表层流动，并且外壳电位保持为零。只有当电流波遇到波阻抗变化，发生波的折射和反射时，才会使外壳产生暂态地电位升高TGPR 或外壳电位升高TEV。,一方面对二次设备构成过电压的威胁，另一方面电磁场从壳体向四周辐射并可危害到二次设备，引起电磁骚扰。TGPR具有持续时间短，频率高和陡度大的特点，其危害主要表现在：(1)对弱电设备产生骚扰，影响正常的功能，以致误动或拒动；(2)对弱电二次设备的绝缘形成威胁，甚至击穿短路。也可能击穿GIS的某一绝缘部件，乃至间隔造成接地短路事故。(3)如果在暂态过程中触及“接地”的设备外壳(GIS外壳)就会感到刺痛或失控，危及人身安全。,二、TGPR的产生机理,研究TGPR产生机理的常用模型如图6-5所示。GIS空气侧的TEV和外部VFTO产生的机理可通过GIS空气终端看作是三个传输线的连接来分析：(1)同轴GIS传输线;(2)由套管导体和架空线形成的传输线；(3)GIS外壳到大地的传输线。这三部分的传输线的波阻抗分别为Z1、Z2、Z3。,图6-5 GIS中暂态地电位升高原理分析图(a)母线结构；(b)流动波简化模型；(c)等值电路Z1母线对外壳的波阻；Z2套管外侧架空线的波阻 Z3母线外壳对地的波阻,当内部行波传播到 SF6/Air套管时：(1)瞬态电压的一部分被耦合到架空线至地的传输线上并产生外部VFTO；(2)另一部分被耦合到GIS外壳至地的传输线上并产生TEV。设一暂态电压波u0沿母线向套管方向传播，如图6-5（a）所示。当uO波到达A点后发射折、反射。图6-5(b)为波形到达A点前后高频电流的路径。由此可导出图6-5(c)的等值电路。,根据等值电路可计算出外壳上A点的折射波电压u3 式中负号表示外壳上电压u3，总是与母线电压u0符号相反，故A点的折射系数为：,为了保证运行安全，母线外壳至少有一点接地。设p点处有一接地引下线将外壳与接地网相连，此接地引下线可降低p点的暂态电位。其机理如下：(1)接地引下线波阻抗Zp与Z3并联，降低外壳上的折射波电压u3，如图6-6(a)所示。u3沿外壳流动至接地点p，在p点产生折射和反射。由图6-6(b)的等值电路可得:,图6-6 外壳接地引下线的影响(a)接地引下线示意图；(b)计算接地引下线影响的等值电路,由式(6-4)式(6-6)可得:式中,而且K1.,(2)波在引下线上传播，遇到接地网后产生负反射。当反射波到达p点的时间:(为引下线长度,折射波的波头时间为)时，可降低p点的TGPR值。当GIS外壳出现TGPR时，沿电缆外皮流过暂态电流，在芯线上感应出暂态电势，以致骚扰损坏二次设备。图6-7为分析感应电势产生机理的阻抗分布图。当GIS的外壳电位升高为正时，二次电缆芯线中的感应电势可按图6-8的等值电路计算。,图6-7 二次电缆的阻抗分布图 Zl 输入阻抗(GIS端)；Z2 连接线阻抗；Z3 输出阻抗(控制室端)；Z4 接地引线阻抗Z01 电缆的波阻抗；Z02 电缆外皮的波阻抗,图6-8 计算芯线感应电势的等值电路,故芯线上的感应电势为uc沿电缆芯线传播并骚扰接至电缆终端的二次设备。,三、TGPR的特性,TGPR(或TEV)基本上是内部VFTO造成的。TEV的峰值取决于外壳离地面的高度、外壳与接地系统连接的方式及接地系统本身。通常，GIS外壳上的TEV由三个主要频率范围的分量叠加在“阶跃电压”上构成。由于GIS接地联接的阻抗很低，所以，阶跃电压通常在最初的几毫秒内衰减。,三部分分量是：(1)甚高频范围 f1(最高达100MHz)，由GIS外壳和其内部波阻抗多次轻微变化所致(即支撑、弯管、接地联接等)；(2)高频范围 f2(最高达30MHz)，由于GIS外壳接地引线等波阻抗的显著变化引起的反射所形成的；(3)低频范围 f3(0.11MHz)，由外部大设备的集中电容，例如电力线载波系统的耦合电容器引起的谐振而产生的。,当有强阻尼时(即有许多低阻抗接地)，TEV的持续时间少于几个微秒。在这种情况下低频分量是少的。因此，TEV波形主要取决于GIS的接地而其峰值可能为0.010.5倍系统电压。典型的TEV如图6-9所示，表6-3给出三个频率范围的分量的加权因数的范围,图6-9典型的TEV波形,五、限制暂态地电位升高的措施,(1)降低母线筒高度，增大母线筒直径，以减小外壳对地的波阻抗 和接地引下线的长度。(2)接地线应尽可能靠近进出线端，以提高接地线的效果。(3)沿母线长度方向增加接地引下线的数量。,(4)采用扁而宽的接地引下线，甚至采用与母线筒平行的金属板作接地引下线，这样可使引下线的电感降低。(5)各组外壳管道在进出线端部互联在一起，可降低阻抗，从而也可降低TEV值。(6)在母线外壳和地之间安装金属板或加装与母线筒垂直并相连的接地金属板，以屏蔽波的传播增加反射次数，从而可达到降低TEV的作用。(7)GIS下面的接地网应适当加强，以降低接地电阻，确保运行人员不受电击。,降低二次电缆中的暂态感应电势的措施:(1)在电缆入口处安装电容、ZnO浪涌吸收器等；(2)采用低波阻抗电缆(差模骚扰小)；(3)增加母线外壳与电缆外皮连线的阻抗(共模骚扰小)。增强二次设备抗骚扰能力的措施(1)对二次设备采用电磁屏蔽措施及防过电压措施(如浪涌吸收器)。(2)二次设备引出线应在远离各进出线端的部位向外引出。亦即使二次线从TGPR最小的部位向外引出。,以上措施，可根据实际情况，在设计GIS变电站时选用。另外，有条件的情况下，新GIS变电站投运时，最好进行投运时的现场实测，以便发现GIS内部缺陷，确保人身及设备的安全和变电站的正常运行。,第四节 GIS中开关操作等暂态过程产生的瞬态辐射骚扰,一、产生机理及其危害 由GIS开关操作引起VFTO，VFTO行波沿母线外皮和外壳内表面传播。当遇到外壳不连续处就会产生折反射，从而引起外壳电位升(TEV)。沿GIS母线导管传播的VFTO和沿GIS壳体与接地系统的暂态地电位升高(TGPR)都会产生瞬态电磁场，形成辐射骚扰。,前者的场强较高，频率亦高，会穿越气隔间的法兰形成空间辐射骚扰；后者的场强远低于前者，幅值骚扰也小得多，但同样会建立起场强为数至十几kV/m，频率为数至数十MHz的瞬态电场。瞬态电场会对GIS周围空间的弱电设备产生骚扰，由TEV引起的暂态电磁辐射，也可能会对处于变电站的人身构成一定的威胁。,瞬态电磁场的数值和频率取决于GIS的结构及布置，鉴于对弱电设备的骚扰，因而变电站采用先进的计算机控制设备时，必须考虑EMC问题。表6-4给出了国外对GIS中隔离开关操作产生的瞬态电磁场的典型实测值，测量点位于SF6/Air 附近的母线筒和地之间，该位置是场强最大处。图6-12和图6-13分别给出了国外230kV GIS中暂态电场和230kV GIS中暂态磁场典型的实测波形。,图6-12 典型的230kV GIS中暂态电场实测波形,图6-13 典型的230kV GIS中暂态磁场实测波形,二、GIS外壳对沿GIS母线传播VFTO 产生的辐射电磁场的屏蔽作用,(一)理想介质中的正弦平面电磁波设空间任一点(原点)处电场强度为：,由于,则,离原点x处，与表达式为：,可见，在理想介质中，正弦平面电磁波在空间任一点的电场强度与磁场强度都是距离与时间的正弦函数，而且它们在相位上是相同的。上式中 为媒质的波阻抗，为波的相位系数，取决于波的频率及空间电介质的电容率与磁导率。,(二)导电媒质中的平面电磁波 若此空间仅沿x方向传播平面电磁波，则此时 不考虑反向行波时(媒体无限大时),从上式可以看出，在导电媒质中的正弦平面电磁波，其E矢量与H矢量在空间仍是彼此正交的。与理想电介质中不同，沿着波的传播方向(x方向)波的振幅逐渐衰减，而且空间任一点上彼此相位不同。,(三)波的传播系数与透入深度 波的传播系数为 称为波幅的衰减系数；称为波的相位系数。它们都决定于波源的频率及周围媒质的性质。衰减系数愈大，波在导电媒质中衰减愈快。工程中规定，当波从电介质中进入导电媒质后，其振幅衰减到原波幅的(36.8)时，波所行经的距离称之为透入深度(见图6-14)。,透入深度以d 表示，即 可见，此时波的透入深度与媒质的电导率、磁导率以及波的交变频率三者乘积的平方根成反比。,理论上讲，电磁波进入导电媒质后要行经无限远距离，波的振幅才能衰减到零。但在实际上，当波在导体内传播时，经过几个透入深度的距离后，其振幅已趋近于零。利用这一理论，可达到电磁屏蔽的目的。表6-5 列出了常用金属的电磁性能及平面波进入这些金属时的透入深度。从表中可看出，当电磁波频率较高时，易实现电磁屏蔽。由于铝具有质量轻、价格低以及屏蔽性能好等优点，因此，常用铝作为屏蔽罩(壳)，如GIS外壳。但对屏蔽工频而言，则以铁制屏蔽罩效果最佳。,一般情况下，GIS内部VFTO频率为几十MHz，设为50MHz，内部发射电磁波的外壳入射时，透入深度为：对于220kV GIS外壳壁厚6mm，足以将内部幅射的电磁波衰减到“零”。因此，GIS外壳对沿GIS母线传播VFTO产生的辐射电磁场具有强烈的屏蔽作用。,三、沿GIS壳体与接地系统的暂态地电位升高产生的辐射电磁场,GIS外壳基本上屏蔽掉了沿GIS母线传播VFTO产生的辐射电磁场.沿GIS壳体与接地系统的暂态地电位升高产生的辐射电磁场对外部来说是一个主要的骚扰源，其骚扰强度可利用基于天线理论的数字电磁计算程序进行计算或通过实测得到。,四、GIS中开关操作等暂态过程产生的瞬态辐射骚扰的防护措施,(一)限制产生瞬态场的激励源(1)限制产生VFTO GIS变电站内的瞬态电磁骚扰归根结底是由于GIS内开关操作引起电弧重燃而产生的，如果能限制VFTO，则可减小辐射骚扰。(2)限制TEV或TGPR TEV在外壳上将通过耦合、传导和辐射形成外壳周围的瞬态电磁场，因而限制TEV或降低TEV，则可减小辐射骚扰。,(二)二次设备采取屏蔽措施 必要时可采用屏蔽效能更好的双层屏蔽措施.双层屏蔽之间的距离有一最佳值，它与所选用的材料、网孔大小及屏蔽体尺寸有关。对二次设备屏蔽进行精良的设计，基本可以屏蔽掉绝大部分电磁骚扰。,(三)工作人员应注意的防护措施(1)尽量减少对GIS开关的操作，特别是小电容负载情况下的操作。(2)制定相应防护措施，如:采用隔离带，采取预警措施，地面表层设绝缘走道等。,