（高电压与绝缘技术专业论文）变电站电缆雷击感应过电压机理及防护措施研究.pdf

摘要 变电站电缆雷击感应过电压机理及防护措施研究 摘要 变电站的电磁环境主要包括正常运行时的电磁场和暂态空间电 磁场以及短路、雷电流和开关操作时产生的电磁暂态对二次系统的干 扰，而二次系统的运行可靠性对变电所的运行起决定性作用。因此本 文主要研究的是雷击变电站后通过避雷针引下线进入地网后，在地网 接地体上引起电位不均匀，对二次电缆产生的干扰。 本论文主要有三部分构成。第一部分分析了变电站电缆电磁耦合 途径和电磁耦合模型；第二部分建立地网的集中参数模型，用 姗e m t p 计算出雷电压在地网中的分布；第三部分是根据电缆几何 参数计算出电缆的阻抗参数，建立分布参数模型，通过相模变换将其 解耦，用a r p e m t p 计算得到了电缆芯与屏蔽层问的电压差，并提 出相应的防护措施。 通过计算得到结论：雷电流进入地网后在注入点的附近电压很快 降落到很低；相同幅值的雷电流，波头时间越短的雷电流在接地网和 电缆芯屏之间上产生的电压要越高；雷电流从地网中心点流入，电流 对称地分散到地网的四面八方；相同幅值和波形参数下的雷电流作用 地网时，在地网中心点注入雷电流时在电缆芯线与屏蔽层问产生的干 扰电压要比在地网边角处注入时产生的干扰电压要高很多；在波形相 同的雷电流的作用下，在电缆芯线上产生的干扰电压与雷电流幅值的 大小大致成正比关系；随着土壤电阻率的增加，在电缆末端芯与屏蔽 层间的电压差将急剧增加；随着电缆长度的增加，电缆末端的芯与屏 蔽层间的电压差亦将增加；电缆末端的芯与屏蔽层间的电压差几乎不 随电缆埋深的变化而变化；在同一个雷电流的作用下，当电缆在电缆 屏蔽层两端接地时在电缆芯线上产生的干扰电压，要比电缆屏蔽层一 端接地时的干扰电压小。 关键词：变电站；电缆；雷击；感应过电压；a t p e m t p a b s n a c t m e c h a n i s ma n dp r o t e c t l o nm e t h o ds t u d i e s o fl n d u c e do v e r j v o l 了a g eo nc a b l eb y l i g h t n i n gs t r o k el ns u b s l a t i o n s a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g i l e t i ce m ，孙m m c n ti ns u b s t a t i o n sc o n s i s t so f p o w e r f 把q u e n c ya i l d t r a n s i e i l te l e c 呐m a g l l e t i cf i e l d s ，a r i dt 1 1 ee l e c t r o m a g i l e t i ci m e r f e r e n c e so nt h e s e c o n d a r ys y s t e m 吼d e rt h e s ec 船e s ，s u c h 弱s h o r tc i r c u 屯l i g h t n i n gs t r d k ea i 】d s w i t c h i n go p e r a t i o n a 1 1 dt l l er e l i a b i l i t yo fs e c o n d a r ys y s l e mc r i t i c a l l ya f r e c t st h e p e r f b m 锄c ea i l ds 疵t yo fs u b s t a t i o n s n l e r e f o r et h eh l t e 疏r e n c ep o t e m i a ld i 虢r e l l c c b e t w e e nt t l ec o r ew i r ea n dt l l es h i e l d i n gs h e a t ho n 也ee n do fs e c o n d a r yc a b l e g e n e r a t e db yg r o u n d i n gp o t e m i a l d i f r e r e n c ea l l d g m u n d i n gp o t e n t i a l 、r i s i n g i s d i s c u s s e di nm i st h e s i sw h e nl i 曲t n i n gc 哪n ti si 巧e c t e di n t ot h eg r o u n d i n gg r i db y t l l ea n 它s t e r sd o w n l e a d t h e r ep a n s 躺h l c l u d e di nt l l i st l l e s i s t h ef i r s ti st oi i l t r o d u c ec o u p l i n gm e o r y 锄dc o u p l i n gm o d e la b o u tt l l es e c o n d a r yc a b l ei n 鲫b s 协t i o n t h e ni st oe s t a b l i s ht l l e m o d e lo fl l l eg r o u n d i n g 鲥da n d 璐ea t p e m t pt oc a l c u l a t et l l ed i s t m m t i o no fm e v o l t a g ca l o n g “搬e r l i g h t n i n gs t m k e n l em i r dp a n si st 0g e ti m p e d a n c ep 啪e t e r o fc a b l eb a s e do ng e o m e t r i cp a 协n e t e ro fc a b l e ，锄de s t a b l i s ht 1 1 ed i s 嫡b u t e d p 猢e t 盯m o d e l o f m es e c o n d a r yc a b l e ，锄du s ea t p e m l l pt 0c a l c u l a t ei n t e 疵r c n c e p o t e m i a ld i 髓r e l l c eb e t 、v e e n l cc o r ew i r ca i l dt h es h i e l d i n gs h e a t h f i n a l l yp m t e c t i o n m e t h o di sg o t a f i e rt l l ec o m p u t a t i o l l ，t h ef o l l o 、v i n gc o n c l u s i o n sa r co b t a i n e d ：m ep o t c n t i a ln e a r m ei n j e c t c dn o d ed r o p p e df h s ta f t e r l i g h t n i n gc u r r e n ti si n j e c t e dt ot l l eg r o u n d i n gg r i d t h ep o t e m i a lo fn l eg r o l l i l d i n g 鲥da n di m e m r e n c ep o t e “a ld i 虢d e n c eb e t w c e nt h c c o r cw i r ea 1 1 dt l l es h i e i d i n gs h e a t l lo nt h ee n do fs e c o n d a r yc a b l ei si i l c r e a s e dw h e n u a b s t r a c t t h cw a v c 一疗o mt i m ed u r a t i o ni sd e c r e a s e dw i t ht h es 蛐e 勰p e a l cv a l u eo fl i g h t n i n g c u n m t 1 l ec 咣mi s s y m m e t r i c a ld i s 研b u t e di ni tw h e nt l 伦l i 曲t i n gc 岍e n ti s i n j e c t e di n t om eg r o 吼d i n gg r i dc e n t e r t h ei n t e r f 音r e n c ep o t e n t i a ld i 丘e r e n c eb e t w e e n m ec o w i m l dn 圮s h i e l d i n gs h e a t i li sm o r ci nt l l eg m u n d i n gg r i dc e n t e rt l l 勰i i lt l e g r o u n d i n g 鲥dc o m e rw h e r et h el i 曲t n i n gc u r r 蜘ti si i l j e c t e d 啪d 盯t l l es 锄e 鹤p e a k v a l u e 锄dw a v e - f b n tt i m ed u r a t i o no fl i g h t n i n gc 咣n t t h ei m 盯f 爸r e n c ep o t e n t i a l d i 缅；r e n c ci si nd i r c c tp l q 矧i o nt op ea ：kv a l u eo fl i g h n l i n gc u n e mw i t l lt i l es 锄e 鹪 w a v e - 劬n tt i m ed u m t i o n t h ep e a l 【v a l u eo ft h ei i l t e r 衙锄c ep o t e n t i a ld i 仃e d c e c a u s e db y 掣d 瑚d i n gp o l e m i a lr i s i n gb e t w e e nt h ec o r cw i r ca n dt 1 1 es h i e l d i n gs h e a m i n c r e a sq u i c k l y 州mt l l ei n c r e 鹊eo fs o i l 佗s i s t i v i 劬锄di ti l l c r e a s e sw i t hm el e n g t h o f c a b l e ，t o o b u t “d o e sn o tv a r y 、 ，i t i lt h eb 谢a ld e p t ho f t h cs e c o n d a r yc a b l e u n d e r t l l e 跚e 鹞p e a l 【v a l u c 锄dw a v c 疗o n tt i m ed u r a t i o fi i g l l t n i n gc u r r e n t ，t 1 1 ep e a l 【 v a l l l eo ft h ei i l t e 疵r e l l c ep o t e n t i a id i 仃e r e n c eb e t w e e nt h ec o r ew i r e 锄dt l l es h i e l d i n g s h e a t hi sl e s si l i l d e rt w o - e n dg r o u n d i n go fc a b l es h j e l dm a no n e - e n dg r o 瑚d i n go f c a b l es h i e l d k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ，c a b l e ，l i 曲协i n gs t o k e ，i n d u c e do v e r - v o l t a g e ，a r p e m t p n i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 作者签名： 拯童型： 日 期：塑6 ：f 星 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和背景 继水质污染、大气污染、噪声污染之后，电磁污染已被世界公认为第四大 污染。由于电磁兼容污染的隐蔽性，人们往往对电磁污染不够重视。但随着工 业技术的发展，许多发达国家已经开始对此制定了相应的管理方法和技术标准。 这标志着电磁兼容已经越来越受到人们的重视，也表明了电磁环境技术研究工 作的重要性：它不仅具有很高的学术研究价值，同时也具有广泛的应用情景。 根据国际电工委员会( i e c ) 的定义，电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中 能正常工作，且不对该环境中的任何事务构成不能承受的电磁骚扰的能力【1 1 。概 括的说，如果在一个系统中各种用电设备能和谐的正常工作而不致相互发生电 磁干扰造成性能改变或遭受损坏，就认为这个系统中的用电设备是相互兼容的。 对电气和电子设备来说，电磁兼容分析的目就是：电气和电子设备或系统在它 们所处的电磁环境中是否能不因干扰而降低其工作性能，它们自身发射电磁能 量不影响其它设备或系统的正常工作，彼此之间互不干扰，在共同的电磁环境 下完成各自功能的共存状态。 电力系统是一个由一次、二次设备组成的特殊的电磁环境，其中存在着许 多的电磁骚扰和相互作用。当前电力系统正朝着电压等级更高、容量更大、电 力网络更密集、系统更复杂、设备更先进的方向发展，导致了电力系统产生的 电磁骚扰更严重、更复杂；另一方面，先进的电力系统采用了更多的自动化及 其它电子及计算机等控制、测量、通信和保护系统，而以固态电子为基础的先 进设备和系统耐受电磁骚扰的能力更弱，更容易受到外界电磁环境的影响。因 此电力系统的电磁兼容问题f 1 益突出，它不仅是影响电力系统安全可靠生产的 一个十分重要的因素，而且涉及到电力设施的规划、设计和运行的各个方面， 甚至对电力水平和运行成本都产生影响。所以，电磁兼容问题已经受到电力系 统设计、制造、运行各个部门的广泛的关注【1 】。 在电力系统中，除了系统正常运行时的空间电磁场外，电力系统还具有各 种电干扰源，如大型感性负荷操作、大故障电流、电力电子器件的操作等产生 的高能高频暂态干扰。随着以计算机为基础的复杂的控制系统和信号系统的使 第一章绪论 用的不断增加，导致一些与电磁兼容有关的特殊问题。电力系统开关操作、短 路故障以及雷电等通过各种途径在变电站所产生的暂态干扰会通过各种耦合方 式在二次系统内产生相应的干扰电压。二次系统中的设备，包括继电保护、控 制、信号、通信、监测等的仪器和仪表都属于弱电设备，特别是对电子和微电 子装置，其耐压水平和抗干扰能力都比较弱，如不采取措施，可能会影响电力 系统的安全可靠运行；从电力系统不同仪器和控制设备发送的通过电缆传输的 低水平电信号，当它们到达接受端时，可能发生信号的畸变。这种畸变一般是 由信号源或沿电缆传输过程中引起的。接受信号中的干扰信号能引起测量和控 制能力的误差，在特殊情况下可损坏设备，这将导致系统停止工作，造成巨大 的经济损失。另外空间电磁波也将对电力系统电子设备及仪器产生干扰，导致 其误动或损坏。 近年来，国内外由于二次系统的电磁干扰问题导致系统设备损坏的事故经 常发生。电磁干扰导致二次系统传输信号发生畸变，引起测量和控制系统的误 差或误动，在特殊情况下可损坏设备，这将导致系统停止工作。另外，严重时 电磁干扰也会导致二次电缆及二次设备的破坏，这些都将造成巨大的经济损失。 所以电力系统中的电磁兼容问题得到了电力部门的普遍关注。随着电气和电子 技术的发展，随着电力系统自动化程度和对运行可靠性的要求的不断提高，以 微电子为主要元件的保护、控制、信号、通信、监控等设备在一些大型变电站 中得到广泛的应用，但这些设备对电磁暂态干扰有更明显的敏感性和脆弱性。 而雷击造成的暂态电磁干扰是其中最严重也是最难以防范的。由于电力系统普 遍采用数字化的控制和测量设备，以及与之配套的数字传送电缆，遭受雷击后 ( 不管是直击雷还是感应雷) 都会从这些电缆中侵入测量和控制设备，轻者造 成测量、计量误差，重者会造成控制设备误动。尤其是后者，将会对电力系统 造成难以估量的损失。 因此，分析电力系统的电磁兼容，限制电力系统的二次系统的干扰和影响， 以及提高二次系统的抗干扰能力，对于确保电力系统的安全稳定运行和可靠性 起着至关重要的作用。另外，研究电力系统的电磁环境，分析可能对周围环境 的l 乜子设备的干扰和影响，不仅具有很强的应用背景，同时也具有较大的理论 意义。 2 第一章绪论 1 _ 2 变电站电磁兼容问题的提出 电磁兼容问题的研究范围非常广泛，包括电磁干扰产生机理、耦合方式、 测量技术、防护技术以及电磁环境数值预测方法等。电力系统电磁兼容问题研 究热点较多，其中可以通过数学建模和数值预测进行研究的电磁环境及电磁干 扰问题主要包括以下几点： ( 1 ) 大型变电站接地网安全性设计问题； ( 2 ) 大型变电站保护与控制等二次设备下放开关场问题； ( 3 ) 超高压变电站开关操作产生的快速瞬态电磁环境问题； ( 4 ) 超高压紧凑型输电线路设计和己有线路加挂自承式全介质光缆问 题； ( 5 ) 超高压输电线路与输油、输气和输水等会属管线公用走廊问题； ( 6 ) 城网地下，地上变电站和高压电缆阻性、感性电磁干扰问题。 这些电磁兼容问题也是伴随我国电力工业发展新近产生的工程问题，直接 关系到电力工程建设和电力系统的安全运行。 目前，电磁兼容问题己引起电气工程工作者日益广泛的重视。电磁兼容作 为微电子学的一个分支亦已渐趋成熟，每年都有大量的文章发表；但是对强辐 射环境中的电磁兼容问题，许多人还不大了解，而强辐射环境( 超高压变电站 严酷的电磁环境) 不仅存在强辐射本身对电气或电子设备( 系统) 的直接影响， 而且强辐射还会产生电磁脉冲，对电气及电子设备( 系统) 产生严重的电磁干 扰。在当今社会中，电磁兼容问题不仅是影响到电力系统安全可靠生产的一个 十分重要的因素，而且还涉及到电力设施的规划、设计和运行维护的各方面， 甚至对电力运行成本都产生影响。我们可以把电力系统电磁兼容问题主要归结 为三个方面：( 1 ) 输变电工程的电磁环境问题；( 2 ) 变电站电磁兼容技术问题；( 3 ) 电力质量问题。 长期以来，我国一直把保护与控制等二次设备安装在变电站控制楼内。虽 然控制楼内的电磁环境较好，但是这样不仅需要在一次设备和二次设备之问铺 设大量的信号电缆和控制电缆，同时占用了大量建筑面积，而且在信号传输过 程中还造成了很多不可靠的因素。因此，将保护与控制等二次设备由控制楼下 放到开关场具有重要的技术经济性。在三峡输变电工程中，几乎所用的5 0 0 k v 变电站都采用了二次设备下放这种技术方案。因而对原有的保护与控制等二次 设备的抗电磁干扰能力提出了更高的要求。因此，预测变电站内的瞬态电磁环 第一章绪论 境，对于解决变电站保护与控制等二次设备下放后的电磁兼容问题具有非常重 要的意义。通过预测电磁环境，可以进一步预测电磁干扰水平，为提出合理的 电磁干扰抑制措施提供坚实可靠的科学依据，避免进行事后补救由于电磁兼容 问题造成的大量人力、物力的浪费。 变电站包括一次和二次系统，是复杂电磁环境的代表，绝大多数的电磁骚 扰现象在变电站中均有发生，在这种恶劣的电磁环境中运行的设备必须具有很 强的抗干扰性能。而且问题的严重性还在于越是重要的高压大容量的枢纽变电 站，由于他们在电力系统中的地位和重要性，越是要应用更加先进的二次设备 对一次设备进行保护和监控。与此同时，由于一次系统中电压容量大，反过来 会对二次回路产生更加强烈的暂态干扰。暂态干扰对二次设备可能造成两种后 果，一种是破坏其绝缘，形成永久性的破坏；另一种是干扰其正常的工作，使 它误动作。此外，由于一次系统趋向于高电压大容量运行，对二次系统造成更 强烈的影响，尤其在故障、高压开关动作、雷击时在空间产生更强的暂态电磁 场，成为变电站主要电磁干扰源。这些暂态干扰源会通过电导性耦合、电容性 耦合及电感性耦合等在二次线路系统内产生相应的高频暂态电压。这就涉及到 二次设备本身的安全问题和电缆中信号传输的正确性问题。如果不采取抗干扰 措施，将会危及二次线路系统的器件，影响变电站的安全可靠运行。特别是现 在为了节省电缆布线，减少工程量，要求把继电保护设备安置在变电站的高压 开关场内，如何保证继电保护设备的可靠运行，降低其所在环境的电磁骚扰水 平则成为一个必须着重研究解决的实际问题。因此变电站中的电磁兼容问题变 得十分突出。 1 3 国内外研究概况 变电站是强电设备和弱电二次设备最为集中的场所。控制设备等二次设备通 过测量、控制、通信线路及其它电缆与一次设备和其它变电站相连，极易受到 电磁干扰。因此变电站内的电磁兼容问题显得日益严峻。在许多国家，由于开 关操作、雷电、系统短路等原因已在许多变电站引起了二次系统器件的损坏和 导致开关的误动作，以致影响系统的正常运行。变电站内的电磁兼容问题现已 受到世界各国的普遍重视，各国学者对此进行了大量的理论研究和试验研究。 通过分析各种参考文献，针对国内外对变电站电磁兼容问题所作的研究，概括 4 第一章绪论 起来主要包括以下几方面： ( 1 ) 正常运行的空间电磁场的分布； ( 2 ) 操作、短路或雷电时在不同位置产生的空间电磁场； ( 3 ) 开关操作或雷电时经互感器传递到二次系统的电磁干扰； ( 4 ) 短路电流或雷电流经接地系统流入大地，经二次电缆传到二次系统的电 磁干扰； ( 5 ) 空间电磁场在二次系统产生的电磁干扰。 电力系统电磁兼容研究内容的基本原理是采用电磁场和电路理论，通过建 立包括变电站母线及设备、接地系统、二次系统及主要设备在内的复杂系统的 电磁环境分析模型，对各个问题单独建立数学分析模型。通过数值计算分析正 常运行或操作、短路或雷电时在不同位置产生的空间电磁场，同时分析短路电 流或雷电流经接地系统流入大地时，经二次电缆传到二次系统的电磁干扰的强 度，以及开关操作时电磁暂态通过电流互感器和电压互感器对二次系统产生的套 干扰。 1 3 1 国外研究概况。 崔 最早研究变电站电磁兼容的是上世纪6 0 年美国电力工程技术人员，认识到 变电站中的电磁干扰问题是主要对从电子电路到电缆的电磁干扰耦合过程进行 了研究，其成果后来形成了美国国家标准协会( a n s i - a m e r i c 觚n a t i o n a ls t a l l d a r d s餮 i n s t i t u t e ) 的a n s ic 3 7 9 0 标准中的一部分内容【2 。 自1 9 7 0 年开始，主要对变电站高压开关场内的电磁干扰进行了研究。但由 于记录仪器的触发信号不易控制，因此所测得的信号难以代表最严重的干扰情 况。1 9 7 8 年美国电力科学研究院( e p r j e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi i l s t i t u t c ) 启动了编 号为r p l 3 5 9 的研究项目，建立了一套新的变电站保护和控制系统，对变电站开 关柜的电磁干扰进行了研究，但并未研究二次设备所处的电磁环境。通过研究 表明，丌关操作产生的电弧并非主要的电磁干扰源，电磁干扰主要通过母线与 二次设备问的辐射性电磁耦合产型”。 上世纪8 0 年代初到9 0 年代术，美国和加拿大及其它国家的电力科学工作 者对变电站内开关操作、瞬时故障和雷电冲击时的电磁环境进行了合理而有效 的预测，收集了一些变电站内瞬态电磁干扰数据，讨论了高压母线上干扰源耦 合至屏蔽控制线各芯线上的电磁干扰特性，为继续深入研究进行了有益的尝试 第一章绪论 1 3 4 ，圳。 近年来，国际上对电力系统的电磁兼容环境问题非常关注。2 0 0 1 年8 月在 印度召开的第1 2 届国际高电压会议( i s h ) 上将电力系统的电磁环境问题列为 会议的一个主要议题；在2 0 0 3 年8 月在荷兰召开的第1 3 届国际高电压会议( i s h ) 上已经将电磁环境列为会议的优先议题。 国外对变电站瞬态电磁环境的研究情况，通过归纳主要采用三种方法对变 电站瞬态电磁场进行研究。第一种方法是对变电站进行现场实测的方法。从解 决电磁兼容问题的本质而言，对变电站内的瞬态电磁环境进行实际测量是必不 可少的。但是，由于开关操作的速度较快，电磁场强度较高，对测量系统的要 求较苛刻，测量系统很难得到令人满意的测量结果，而且测量代价较大，重复 性较差。同时，现场测量必须在变电站建成后进行测试，起不到指导工程设计 的作用。第二种方法是模拟测试的方法，即在高压实验室进行模拟试验。虽然 测量代价降低了，但是依然存在较大的难度，而且所测结果不能真实地反映变 电站的实际情况。即使是相同电压等级的实验室的模拟试验，也不能等同现场 的各种复杂情况，因为变电站的结构布置决定了电磁于扰的主要频率及耦合强 度，也决定了电磁干扰的强度。只能做些简单的模拟试验，这些试验数掘能够 用来检验数值计算，但对实际变电站二次系统的设计很难提供指导性意见。第 三种方式是电磁环境的预测和评估，可以采用对变电站瞬态电磁环境进行数值 预测的方法。这样可以避免购置昂贵的测量设备，节约大量的资金，而且重复 性很好，可以进行更加深入细致的研究。更为令人满意的是，数值预测可以在 变电站未建成j j 即可开始进行，从而为设计人员提供必要的数据，直接为工程 设计服务，可以使设计人员具有更加明确的设计目标，可以能够在设计阶段系 统考虑各种因素的影响，找出系统的薄弱环节，这样能够防患于未然，在设计 阶段做好二次系统的电磁兼容设计，确保系统的安全稳定运行。另外，在数值 预测中，建立模型的过程本身就是对干扰途径、干扰机理、干扰源、被干扰者 的全面分析与综合的过程，因此通过建模可以更好的理解电磁干扰的机理。在 这些数值预测中用的软件包主要有n e c 、e m t p ( 或a t p e m t p ) 、c d e g s 。 n e c ( n u m 硎c a le i e c t m m a g i l e t i cc o d e ) 是基于矩量法的电磁场数值计算软件 包，主要用于复杂天线的建模和计算比。通过求解电磁场积分方程，得到包括 天线电流分布和空间电磁场的计算结果。n e c 采用频域方法，所得结果为单个 频点的正弦稳态解。n e c p r o 为n e c 软件提供数据前处理功能，可以方便地建 6 第一章绪论 立复杂几何结构模型。e m t p ( e l e c 们m a g i l e t i ct r a i l s i e n tp m g r 枷) 是对电力系统进 行电磁瞬态数值计算的软件包，在国际上应用较广。该软件包包含了许多有价 值的电力设备瞬态分析模型，在传输线方面基于传输线方程的b e r g e r o n 法，在 时域上采用数值方法计算电路的瞬态电磁过程。目前有两个版本：e m t p 和 a r p e m t p ，前者价格昂贵，后者可免费使用。因此， = r p e m t p 得到了大量的 应用。c d e g s ( c u 玎e n td i s t 曲u t i o i l e l e c 仰m a g l l e t i ci n t e i 俪蜘c e g f o u n d i n g 柚d s o i ls 衄l c t u r ea 1 1 a l y s i s ) 是由加拿大s e s 公司开发的电力系统电磁干扰分析软件 包，它由八个工程模块组成。该软件包主要涉及电力系统接地设计、带电金属 网产生的电磁场分析、公用走廊中线路间干扰、金属管道的阴极保护研究以及 雷击和故障情况下瞬态分析等方面。c d e g s 建立了复杂导体的分析模型，其中 包括各种管道以及多层土壤的模型。c d e g s 主要采用频域方法，己成功的解决 了国际上上百个工程项目。虽然c d e g s 软件包是目l j 国际上最优秀的电力系统 电磁干扰计算软件，但是c d e g s 不能很好地解决变电站二次设备下放问题。此 外，c d e g s 还不能用于对一次设备和气体绝缘变电站的电磁干扰等问题进行研 究。 1 3 2 国内研究概况 国内在变电站电磁环境数值分析和计算方面，主要有华北电力大学对变电 站的空间电磁场进行过分析【2 ，7 8 9 1 ，并开发出相应的预测软件。清华大学和西安 交通大学对接地网短路、开关操作时二次系统电磁干扰都进行了深入的分析和 研究i l o ，2 ，1 3 1 。主要是运用仿真软件e m t p 和c d e g s 进行仿真研究。 目前，国家电力公司非常重视研究变电站瞬态电磁环境问题，并将电力系 统电磁兼容问题列为今后电力系统发展中必须解决的关键问题之一同时在武 汉高压研究所、南京自动化研究院和华北电力大学建立了电磁兼容实验室，除 了装备符合国际电工委员会( i e c i n l e h l a t i o n a le l e c 仃o t e c l l l l i c a lc o m m i s s i o n ) 电磁 兼容标准( 即i e c 6 1 0 0 0 4 系列的标准) 的电磁兼容性实验系统外，还引进了空 删瞬念电磁场测量系统和电力系统电磁干扰预测分析软件。 1 4 本文主要工作 本文主要针对雷击变电站后，雷电流通过避雷针或避雷器等保护设备的接 7 第一章绪论 地引下线进入接地网后进行了研究，主要工作如下： ( 1 ) 熟悉国际上通用的电磁暂态仿真软件a r p e m t p ； ( 2 ) 分析变电站电缆电磁耦合的途径和电磁耦合模型； ( 3 ) 对地网的结构进行剖析，选择比较恰当的模型和参数，给出了雷电 流注入地网后，地网接地体的集中参数模型，并用a t p - e m t p 计算 出地网接地体上各个节点的电压，并对计算的结果进行了分析； ( 4 ) 通过电缆的相模变换，给出了电缆的分布参数模型，运用a r p e m t p 计算出雷击变电站后电缆上芯与屏蔽层间的电压差，最后对变电站 二次电缆提出了具体的防护措施。 8 第二章变电站电磁兼容理论 第二章变电站电磁兼容理论 2 1 变电站电缆电磁耦合机理 雷电流流入接地网后，使地网电位升高，干扰源主要通过三种途径耦合到 二次电缆上，即容性耦合、感性耦合、阻性耦合 2 1 1 容性耦合 由于电容实际上由两个导体构成的，因此两根导体就构成了一个电容。由 于这个电容的存在，一个导线中的能量就能够耦合到另一个导线中，这种耦合 就称为电容耦合，即容性耦合【l ”。对于变电站中，一次线路和二次线路之日j 通 过静电感应会在二次回路中产生于扰电压，这种即为容性耦合。如下图2 1 。 k z i 图2 一l 容性耦合原理图 f i g 2 - ls c h e m a t j cd i a g r a mo f c a p j t i v ec o u p l i n g 干扰源通过它和被干扰线路之间的杂散电容q 及电阻而在干扰源与地之间 形成漏电流，导致被干扰线路的对地电压以以及由以而在二次回路中产生的电 压u 。一般情况下，g e ，z ，两端的干扰电压u 主要取决于干扰源的频率。 当频率较低时，杂散电容上流过的电流主要通过z l 和互入地，令 z = z lz ( 互+ 互) ，此时u = u ，崛z 。当频率较高时，电流主要经g 入地， 故腻u + = u c 。f c t 。 9 第二章变电站电磁兼容理论 2 1 2 感性耦合 当一根导线上的电流发生变化时，而引起周围的磁场发生变化时，若另一 根导线在这个变化的磁场中，则这根导线上就会感应出电动势，于是一根导线 上的信号就耦合进了另一根导线，这种耦合就称为感性耦合l i ”。 在变电站中，一次线路和二次线路之间通过互感耦合产生的干扰的原理如 图2 - 2 所示。当两个线路互相平行且距离很近时，这种干扰就很大。若一次线路 流过的电流为，则二次线路上的干扰电压珥= 肘。幽出 + 图2 - 2 感性耦合原理图 f i g 2 2s c h e m a t j cd i a g m mo fi n d u c t i v ec o u p l i n g 2 1 3 阻性耦合 变电站中高频电流经过接在母线上的一次设备( 电压互感器、电流互感器 等) 的接地引下线流入地中时，在引下线的电感和接地电阻上产生的高频压降 通过电缆外皮的接地点作用于电缆的外皮上，使电缆外皮中流过高频电流，在 芯线上感应骚扰电压，这种即为阻性耦合【1 1 ( 严格的说来应为阻性耦合和感性耦 合的结合) 。如图2 3 。 1 0 第二章变电站电磁兼容理论 确 ，i 7 u i i 图2 3 阻性耦合原理图 f j g 2 3s c h e m a t i cd i a 铲a mo fi m p e d a n c cc o u p l i n g 一次回路和二次回路之间的公共阻抗上的压降在二次回路中感应干扰电 压该阻抗一般为公共入地阻抗或地回路阻抗。即为图中的互一般互互， 故乏上的压降以将作用在由互和互构成的回路上，z ，上的压降为u “乙。 综上所述，在这三种耦合机理中，阻性耦合和感性耦合跟干扰源电流有关， 而容性耦合与干扰源电压有关有时候三种耦合往往同时存在，只是随线路结 构条件变化而使其中一个或两种占主导作用。实际上，干扰源对二次回路的耦 合方式是非常复杂的，同一干扰源通常会以几种干扰方式对二次回路产生干扰。 2 2 变电站电磁干扰的分类 变电站中干扰源进入二次电缆的情况可归为两种：共模干扰和差模干扰。 共模干扰是指出现于导线和地之间的干扰。差模干扰是指出现于信号回路内的 与正常信号电压相串联的一种干扰。 2 2 1 共模干扰 共模干扰出现于导线( 信号线、电源线) 与地之间的干扰，它的出现往往是由 于地电位升高所引起，如图2 - 4 所示，u 。是正常信号源，m 是测量仪器，z 。是 仪器的输入阻抗。若由于某种原因，a 点地电位突变，这相当于在该点与地之间 接入一个电压源u g 。它作用于回路中所有端子与地之日j ，称之为共模电压。在 绝对平衡的电路内，如果a d 、b c 两根连线完全一样，c 端、d 端对地的杂散 电容也完全一样，则在c 、d 两端不会出现干扰信号，只是对地电位都有变化。 如若线路阻抗和杂散电容不同，由共模电压u g 引起的电流i l 、1 2 就不同，在c 、 d 两端作用的共模电压也就不同，于是在c 、d 两端就会出现干扰信号，称之为 第二章变电站电磁兼容理论 共模干扰电压。 m 图2 5 差模干扰示意图 。 f i 9 2 5d i a g r a m m a t i cs k 咖ho f d i 髓n t 徘m o d ei n t e 啭r e n c e 差模干扰出现于信号回路的与正常信号电压相串联的一种干扰。最常见于 不- 平衡线路( 如同轴电缆) 的磁耦合。当有电磁波作用于两条信号线时，在信号回 路内出现感应电压u c ，它与正常信号u 。相串联，共同作用于m 的输入端。如 图2 5 所示。 1 2 第二章变电站电磁兼容理论 2 3 雷击变电站时地网对二次电缆的耦合计算模型 雷击变电站时引起地网电位升高且分布不均匀，对二次电缆的耦合可归为 两种情况：共模耦合和差模耦合。 2 3 1 共模耦合 由于本文只研究雷击地网时干扰源的影响，并将干扰源等值以e ( t ) 表示，并 考虑末端接地阻抗，共模电压同时作用于电缆的芯线和屏蔽层，然后在电缆末 端形成共模干扰电压，其等值电路如图2 6 所示： 其中： 图2 - 6 共模耦合等值电路 f i g 2 - 61 n b ee q u i v a i tc i 枷j to f c o m m o n m o d ec o u p l n g z i 为电缆首端元件的等效阻抗； z 2 为电缆末端设备的输入阻抗； z 3 为电缆末端接地阻抗，对地短路时取r 3 = o 0 3 q ，l 3 = o 5 日用； 接地阻抗的长度取o 5 m ；对地悬空时取：c 3 = o o o l ，； u ( t ) 为芯和屏蔽层问的干扰电压； 2 3 2 差模耦合 当电缆屏蔽层流过感应电流时，通过转移阻抗耦合至电缆芯线，最终会在 电缆末端产生干扰电压u ( 1 ) 。将电缆屏蔽层电流流动看作是回路中有驱动电势存 第二章变电站电磁兼容理论 在，并视为等值电压源e ( t ) ，计算时只考虑等值电压源e ( 1 ) ，将有用信号视为电 流源歼路。由此得到差模耦合时的等值电路，如图2 7 所示。 厂( 1 一一一一一一一一卜丌 z 。铲；譬 ffffffh f | 肚哕 图2 7 差模耦合等值电路 f i g 2 6t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f d i 俄r e n t i a l m o d ec o up l i n g 其中： z l 为电缆首端元件的等效阻抗； z 2 为电缆末端设备的输入阻抗； z 3 为电缆末端接地阻抗，对地短路时取r 3 = o 0 3 q ，l 3 = o 5 h j ，l ； 接地阻抗的长度取o 5 m ；对地悬空时取：c 3 = 0 0 0 1 f ； u ( t ) 为芯和屏蔽层间的干扰电压； 2 4a t p e m t p 仿真软件 2 4 1a t p e m t p 简单介绍【1 5 ，1 6 1 7 l a r p ( a l t e m a t i v et r a n s i e n tp m g r a m ) 是国际上通用的计算电磁暂态的数字 仿真软件之一。最初由加拿大不列颠哥伦比亚大学的h w d o m m e l 于2 0 世纪5 0 年代术创立。美国邦纳维尔电力局( b p a ) 对程序的丌发作出了巨大的贡献。电 力管理局工作期间编制的bp ：ae m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e mp r o g r a m ) 程序 的继续和发展。这两个程序的功能和输入数据卡片的填写大致相同，主要用于 模拟计算机电力系统的电磁暂态过程，为电力系统的科研、设计和安全运行提 1 4 第二章变电站电磁兼容理论 供可靠的依据。 a t p 的基本原理是根据元件的不同特性，建立相应的代数方程、常微分方 程和偏微分方程，形成节点导纳矩阵。采用优化节点编号技术和稀疏矩阵算法， 以节点电压为未知量，利用矩阵三角分解法求解，最后求得各支路的电流，电 压和所有消耗的功率和能量在稳态计算中应将非线性元件线性化，包括利用 简单的迭代进行潮流计算；在稳态计算中非线性特性可以用分段线性化来处理， 也可以进行迭代求解 a r p 程序是目前世界上e m t p 最广泛使用的一个版本，a t p e m t p 程序几 乎可以为每一个人免费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。a t p e m t p 程序的基本功能是进行电力系统仿真计算，典型的应用是预测电力系统在某个 扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的变量随时间变化的规律；将a t p e m t p 的稳态分析和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。 另外，a r p e m t p 程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。 目前，a r p e m t p 的数学模型包括如下几种： 集总参数电阻r 、电感l 、电容c ； 多相石等值电路； 多相分布参数输电线路 非线性电阻； 非线性电感器，既可以模拟常规的单值特性曲线，也可以包括剩磁 “ 和磁滞； 时变电阻； 开关，用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变，二极管 和晶闸管。 电压和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可以用 f o r n 认n 或1 a c s 来定义波形； 动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可以模拟单 相、两相和三相感应电机和直流电机。它与t a c s 控制系统模型相 连接，从而可以模拟出电压调节器和调速器等动态特性。 控制系统可以用t a c s 来实现，允许不同种类的非线性运算和逻辑 运算。控制系统的输入和输出可以和e m t p 的电网路相接口。 a = r p 可以支持以下程序： 第二章变电站电磁兼容理论 1 l i n ec o n s t a n t s 和计算架空线和电缆电气参数的c a b l e 队r a m e t e r s ： 2 输入数据产生的频率特性线路模型：设置j m a r l l 、s e m l y e n 和 n o d a ： 3 变压器模型数据的计算( x f o 刚e r 和b c l r a n ) ； 4 饱和曲线与磁滞曲线的转化； 5 数据库的模块化； 2 4 2a 丁p d 旧w 程序 a 1 r p d r a w 是用w i n d o 懈图像和鼠标对e m t p 的a t p 版做预处理的程序，协 助创建和编辑电力网的交互式仿真模型。该程序于1 9 9 6 1 9 9 7 年由挪威的 s i n t e fe n e r g yr c s e a r c h 创建，由h 锄sk l h e i d a l e n 教授用b o r l a l l dp a s c a l 语言编 写，有标准的视窗层。