（电工理论与新技术专业论文）变电站瞬态电磁场对二次电缆的电磁耦合机理研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i ti so fg r e a t 山e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u et or e s e a r c ht h e e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n go ft h et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt os e c o n d a r yc a b l ei n s u b s t a t i o n s i nt h i st h e s i ss u p p o r t e db vt h es c i e n t i f i cf u n d sf o ro u t s t a n d i n gy o u n g s c i e n t i s t so fc h i n a r a n tn o 5 0 3 2 5 7 2 3 ) ，t h ew i d e f r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o do f 血e p a r a m e t e r so ft h es i f t e l d e dc a b l ef e g p e r u n i t - l e n g t hp a r a m e t e r s ，t r a i l s f e ri m p e d a n c e a n da d m i t t a n c e ) a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gt o s e c o n d a r yc a b l ed u et ot h e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t si ns u b s t a t i o n sf e g s h o r t c i r e u i tf a u l ll i g h m i n ga n ds w i t c h i n g o p e r a t i o 曲a r ee m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e d c o m p a r e d 、 ，i t h 也ec a l c u l a t e dr e s u l t si nt h e p u b l i s h e dr e f e r e n c e sa n d 也em e a s u r i n gr e s u l t s t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ep r o v e dt ob e c o r r e c t t h em a l ni n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h et r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y as i m p l em e 也o dw h i c hi sa p p l i c a b l ef o r b o t ht h es i n g l e c o r ea n dt h em u l t i c o r es h i e l d e dc a b l e sh a sb e e nd e v e l o p e dt om e a s u r e t h ec o m p l e xt r a n s f e ri m p e d a n c ea n dt r a n s f e ra d m i t t a n c eo ft h es h i e l d e dc a b l ei n m a g n i t u d ea sw e l la si np h a s e t h et e s tc o n d i t i o n sa r er a t h e rs i m p l ea n dt h et e s ts y s t e m c a nb eq u i c k l ys e tu pa n dr u n t h em e a s u r i n gm e t h o di sv e r i f i e dt ob ec o r r e c tb y c o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t ht h o s eo ft h ee x i s t i n gm e t h o d 2 b a s e do nt h ef d t d at i m ed o m a i nm e t h o di sp r e s e n t e df o rt h ee l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n ta n a l y s i so ft h ef r e q u e n c yd e p e n d e n tm u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e sf e g o v e r h e a dl i n e u n d e r g r o u n dc a b l ea n dc o a x i a lc a b l e ) c o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t e d r e s u l t si nt h ep u b l i s h e dr e f e r e n c e sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i sm e t h o di s s u f f i c i e n t l yp r o v e dt ob ec o r r e c t 3 af i n i t ee l e m e n tm e t h o di sp r o p o s e dt oa n a l y z et h eg r o u n d i n gp e r f o r n a a n c eo ft h e s u b s t a t i o ng r o u n d i n gg r i d si nf r e q u e n c yd o m a i n t h ea d v a n t a g eo ft h ep r o p o s e dm e 也o d i st h a tt h ee 行j c to f 也ef r e q u e n c yi sc o n s i d e r e dd u r i n gt h ef e mm o d e l i n g i n c o m p a r i s o nw i t hm o ma n dt h em e a s u r i n gr e s u l t s t h i sm e t h o di st e s t e dt ob ec o r r e e ta n d e f f e c t i v e f u r t h e r m o r e c o m b i n e d 丽mt h em e 也o do fn o d a la n a l y s i si nt h ec i r e u i tt h e o r y t h em e 也o dc a nb ec o n v e n i e n t l yu s e df o rm o d e l i n g 也eg r o u n d i n gs y s t e mw i t hm u l t i p l e e x c i t i n gs o u r c e s ( e g v o l t a g es o u r c ea n dc u r r e n ts o u r c e ) a n dl u m p e de l e m e n t s ( e g r e s i s t a n c e ，i n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c e ) c o n n e c t e d 4 b a s e do nt h ef d t d at i m ed o r a a l nm o d e lw h i c hi sa p p l i c a b l ef o rb o 也t h e h o m o g e n e o u sa n dm u l t i 1 a y e rs o i li sp u tf o r w a r dt or e s e a r c ht h ef a r - f i e l dc o u p l i n gt ot h e t r a n s m i s s i o nl i n e a sah y b r i dm e t h o do fm o ma n dt r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d ，a f r e q u e n c yd o r a a i nm o d e li sa l s op u tf o r w a r dt or e s e a r c ht h en e a r - f i e l dc o u p l i n gt ot h e t r a n s m i s s i o nl i n ea n du s e df o rt h en u m e r i c a lp r e d i c t i o no fe m io nt h es h i e l d e dc a b l ed u e t ot h es w i t c h i n go p e r a t i o ni ns u b s t a t i o n s c o m p a r e dw i t ht h ey e s u l t so fe x i s t i n gm e 也o d a n de m t p b o t hm o d e l sa r ed e m o n s t r a t e dt ob ec o r r e c t 5 c o m b i n e dw i 也t h ep r a c t i c a lp r o j e c t s t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gi m p a c t so n s e c o n d a r yc a b l ed u et ot h es h o r t - c i r c u i tf a u l t 1 i g h t n i n ga n ds w i t c h i n go p e r a t i o ni n 5 0 0 k vs u b s t a t i o n sa r er e s p e c t i v e l ys t u d i e d b y 也eo n s i t em e a s u r e m e n t si n5 0 0 k v s u b s t a t i o na n dt h es i r e u l a t e de x p e r i m e n t si nt h et e s tg r o u n d i n gg r i d s ，t h ep r o p o s e d m e 也o d sa r ev e r i f l e d m st h e s i se s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h ei n t e g r a t e de f f e c t sf r o mt h em u l t i p l ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e so nt h es e c o n d a r y e q u i p m e n t st h r o u g h d i f f e r e n tc o u p l i n gp a t h s k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ，t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , c a b l e ，g r o u n d i n gg r i d s ， p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u p l i n gt ot r a n s m i s s i o n l i n e 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：纽 e t 期：迎：壶。2 。 导师签名： 日期： 习一。璧 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景 变电站在有限的空间内汇集了众多的一次设备和二次设备。一次回路中的开关 操作、雷击或系统短路等都会通过电磁耦合对二次回路产生骚扰。因此，变电站是 电力系统电磁兼容的主要研究对象，而变电站电磁兼容问题也就成为电力系统电磁 兼容问题研究的核心内容【l 2 1 。 一方面，随着电力系统输电容量的增加和电压等级的提高，一次回路产生的电 磁骚扰的强度在不断增强；另一方面，二次设备的微型化、数字化、电子化增加了 二次设备对电磁骚扰的敏感性和脆弱性，使得电磁骚扰问题日益突出。尤其是变电 站采用分层分布式的保护和控制系统后，一些二次设备下放安置在变电站的高压开 关场内。这些二次设备与控制室的各种连接电缆暴露于强电磁环境中，是瞬态电磁 场对二次设备产生电磁骚扰的主要耦合途径。所有这一切都说明变电站电磁兼容问 题已经成为不可忽视的重要问题，并已引起电力系统科研、设计、运行等各个部门 的广泛关注。 国际电工委员会( i e c i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 于19 7 3 年成立 了电磁兼容技术委员会( t c 7 7 ) ，对此给予了高度重视，并开展了大量的研究工作， 制定了一系列标准。为指导发电厂和变电站的电磁兼容设计，1 9 9 7 年1 2 月国际大 电网会议( c i g r e c o n s e i li n t e r n a t i o n a ld e sg r a n d sr d s e a u xe l e e t r i q u e s ) w g 3 6 0 4 工作 组发布了国际大电网会议第1 2 4 号导则【3 】，即发电厂和变电站电磁兼容导则。 该导则期望为使发电厂、变电站、控制中心和其他电力设施中的自动化及控制系统 运行不受电磁干扰而给予设计指导。该导则对过去经常遇到的电磁兼容问题进行了 全面评述，收集了解决这些电磁兼容问题的方法和经验，指出了对实验室设备或现 场装置进行电磁兼容试验的必要性。文献【4 】对变电站电磁骚扰特性数据进行了更 新，主要涉及空气绝缘变电站( a i s a i ri n s u l a t e ds u b s t a t i o n ) 和气体绝缘变电站 ( g i s g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ) 在开关操作、系统故障和雷击情况下产生的瞬态电磁 环境以及二次回路中的电快速瞬态电压和共模电流等内容。 变电站二次电缆的屏蔽层采用单端接地还是双端接地目前仍是一个具有争议 的问题。文献【5 7 】建议屏蔽层应单端接地，而文献【8 ，9 】却提出了不同的意见，1 9 9 7 年最新的i e c 国际标准【i o 】推荐二次电缆的屏蔽层采用双端接地。在我国，为了抑制 开关操作导致的瞬态电磁场对变电站二次设备的电磁骚扰，通常将二次电缆的屏蔽 层在开关场侧和控制室侧双端接地。 变电站内的电磁环境极为复杂，主要电磁骚扰源的起因及其传播途径包括： 华北电力大学博士学位论文 高压隔离开关和断路器操作。这些操作可能在母线或线路上引起含有多种 频率分量的衰减振荡波。其产生的瞬态电磁场将通过空间电磁耦合进入二次电缆， 同时通过连接在母线或线路上的测量设备如电流互感器( c t c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 、 电压互感器( p t p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r ) 、电容式电压互感器( c v t c a p a c i t i v ev o l t a g e t r a n s f o r m e r ) 等直接耦合至二次回路。 雷击线路、构架和控制楼。当雷击这些构件时，会有大电流流入接地网， 由于雷电流的频谱较宽，接地网的高接地阻抗将导致接地网上的地电位升分布极不 均匀。因此，在屏蔽层双端接地二次电缆的两个接地点之间会产生很大的瞬态地电 位差，这一地电位差将使得二次电缆的屏蔽层上流过很大的瞬态电流。同时，线路 感应的过电压也会通过测量设备引入二次回路。 系统短路故障。变电站发生系统故障时，在站内架空导体和接地网上会流 过很大的短路电流，并在二次电缆周围产生很强的空间磁场，这一空间磁场将通过 感性耦合在双端接地二次电缆和接地网构成的回路中产生感应电流。同时，短路电 流经接地网入地以后会在接地网上产生地电位差，这一地电位差也将使得双端接地 二次电缆的屏蔽层上流过很大的电流。 靠近高压线路受其工频电磁场作用。这对于电子束类的显示设备产生电磁 骚扰是十分明显的。 局部放电( 电晕、沿面放电) 。产生频率较高的电磁辐射，可能在电子设 备的线路中引起骚扰。 二次回路中的开关操作。由于感性负载的存在，在二次回路的信号、电源 端口以及控制端口产生快速瞬变的脉冲骚扰。 电源本身。如电压波动、电压暂降、短时中断、电源频率变化及谐波等。 静电放电。这是由于工作人员对设备处置造成的，控制设备可能遭受到工 作人员向金属外壳或电子线路静电放电的影响。 无线电发射机( 步话机) 。变电站工作人员用的无线电通信工具( 发射机) 是变电站内高频场的主要来源，产生的电磁骚扰威胁要比局部放电严重。 上述电磁骚扰主要分为两类。一类是稳态电磁骚扰，以工频电压、电流、电场 和磁场的形式存在；另一类是瞬态电磁骚扰，主要以系统故障、雷击和开关操作等 产生的瞬态电压、电流、电场和磁场的形式存在。就二次设备而言，其工作频率大 多在几千赫兹以上的频段，对工频骚扰的敏感程度很低。而瞬态电磁骚扰包含丰富 的高频成分，很容易通过空间电磁耦合或经测量设备( c t 、p t 、c v t 等) 的传导 耦合对二次设备造成骚扰。无论是变电站开关操作，还是雷击和系统故障；无论是 空间电磁耦合，还是共地阻性耦合，均会在双端接地二次电缆的屏蔽层上产生干扰 电流。该电流会通过二次电缆的转移阻抗耦合至电缆芯线，并在二次设备端口产生 干扰电压和电流，严重时影响二次设备的正常工作，甚至危及整个系统的安全运行。 2 第一章引言 系统故障和雷击等在二次回路中产生的瞬态骚扰引起的变电站事 有发生。1 9 8 8 年，我国某5 0 0 k v 变电站在操作2 2 0 k v 隔离开关 电压耦合进入二次回路中打坏几十只晶体管而导致开关误动作。 站的接地装置年久失修或维修不当，接地网腐蚀、引下线断裂， ，包括二次设备、通信电缆和设备等损坏，使变电站的正常运行 如，某变电站从1 9 7 5 年到1 9 7 9 年3 次因雷击或高压线单相接地 使变电站的二次电缆头烧融，并烧坏二次电缆2 0 多米，损坏载 波机9 台。而某水电站数字微波通信系统1 9 9 6 年遭受雷电袭击，击坏2 块p c m 板， 不仅经济蒙受损失，而且影响通信系统通畅。 综上所述，变电站瞬态电磁环境下( 系统故障、雷击和开关操作等) 二次电缆 的电磁耦合问题已成为变电站电磁兼容的重要研究课题之一，研究其耦合机理并进 行数值预测具有极为重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 为了研究变电站瞬态电磁环境下二次电缆的电磁耦合问题，可以采取理论计算 与试验研究相结合的研究手段。这一问题可以分解为图1 1 所示的1 2 个小问题，而 这些问题又可以归结为以下五个方面的内容： 屏蔽电缆参数( 单位长参数、转移阻抗和转移导纳) 的宽频测量方法( 问 题1 ) 含频变参数多导体传输线的时域计算方法( 问题2 ) 变电站接地网的电磁场频域分析方法( 问题3 、5 、6 和7 ) 外部电磁场作用下的场线耦合计算模型( 问题8 ) 变电站二次电缆电磁耦合问题的试验研究方法( 问题9 、1 0 、1 1 和1 2 ) 。 其中，内容和是研究二次电缆电磁耦合问题的基础，内容是为了研究系统故 障和雷击通过变电站接地系统的阻性耦合方式以及空间磁场的感性耦合方式对双 端接地二次电缆造成的电磁干扰，内容是为了研究变电站开关操作通过空间电磁 耦合在二次电缆上产生的电磁干扰，内容是通过现场试验或模拟试验的方法研究 系统故障、雷击和开关操作时二次电缆的电磁耦合问题。由于图1 1 中问题4 架空 导体电流产生的磁场计算方法比较简单，有现成公式可用，本文不予专门讨论。下 面首先综述近年来国内外在变电站电磁兼容尤其是二次电缆的电磁耦合方面取得 的研究进展，最后重点介绍内容、和的国内外研究现状。 在变电站电磁兼容研究方面，最具代表性的是美国电力科学研究院 ( e p r i e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 自1 9 7 8 年开展的以变电站电磁瞬态为课题的 专项研究工作。全部工作历时十五年，分两个阶段完成。 3 华北电力大学博士学位论文 第一阶段的研究工作于1 9 8 3 年结束，并提交了阶段性研究报告】。研究工作包 括测量系统的研制、变电站电磁环境的测量和数据分析方法研究以及一些初步研究 结果。文献 1 2 ，1 3 】提出了一种分析变电站瞬态电磁干扰问题的时域计算模型，计算 了变电站内的空间瞬态电场和磁场，并与实测数据进行了对比。研究表明，开关操 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间的辐射 性电磁耦合产生。变电站的开关操作、系统短路故障和雷击可能导致强度较大的高 频电磁干扰。 二次电缆电磁耦合 屏蔽电缆参数的宽频测量( 1 ) 含频变参数多导体传输线的时域分析( 2 ) 理论计算 试验研究 系统故障 空间磁场的感性耦合 垂蓁重薹蠢蓁垂薹5 ：6 ) 雷击一高频情况下接地系统的阻性耦合( 7 ) 开关操作一高频情况下的空间电磁耦合( 8 ) 系统故障 毳耋蓑墓 ；言， 雷击模拟试验( 1 1 ) 开关操作一现场试验( 1 2 ) 图1 1 变电站瞬态电磁环境下二次电缆电磁耦合的分解研究方法 第二阶段的研究工作从1 9 8 6 年至1 9 9 3 年，提出了完整的研究报告【1 4 】，发表了 一系列的论文【9 1 5 川】。文献 9 】给出了变电站开关操作产生的瞬态电磁干扰对几种变 电站电缆和内部电缆线影响的测量结果，介绍了通过c t 和c v t 的场耦合和直接耦 合的模型，并将预测分析的结果与实测数据作了对比。文献 1 6 ，1 7 】总结了变电站瞬 4 第一章引言 态电磁干扰的建模方法和测量技术，并分析比较了开关操作、系统短路故障和雷击 三种瞬态电磁干扰波形的特点。 此外，俄罗斯、加拿大、法国、意大利、德国、瑞士、瑞典和日本等国家也开 展了大量的研究工作f 1 8 也8 1 ，并提出了一些计算方法。在俄罗斯专家发表的论文【2 8 】 中，有针对性地研究了变电站接地故障和雷击变电站导致的地电位升及地电位差对 二次电缆系统的干扰问题，并对变电站隔离开关或断路器操作引起的二次回路干扰 电压进行了测量。 我国电力系统电磁兼容问题研究始于二十世纪八十年代初期。当时，结合第一 条5 0 0 k v 输电线路的配套工程凤凰山5 0 0 k v 变电站的调试，有针对性地做过一些瞬态 电压和电流的测量工作以及大量的工频电磁场的预测计算和测量研究工作【2 引。到目 前为止，我国有关科研单位及高校已对电力系统电磁兼容问题进行了大量研究，研 究重心也逐步从定性分析和试验研究向定量研究转移。 中国电力科学研究院对高压线路的电磁环境进行了深入研究【3 0 ，3 1 】，还组织翻译 了c i g r e 第3 6 0 4 工作组在1 9 9 7 年1 2 月出版的发电厂和变电站电磁兼容导则，这 对于国内研究这一领域的问题具有指导意义。武汉高压研究所在开展了一系列的分 析、测量和标准化工作【3 2 。6 1 后，负责起草了由中华人民共和国国家经济贸易委员会 作为电力行业指导性文件而发布的技术文件5 0 0 k v 变电所保护和控制设备抗扰度 要求【3 。为了对变电站的瞬态电磁环境进行有效的监测，该所还专门配备了一辆 屏蔽测量车。南京自动化研究院和四方公司的研究工作则主要侧重于二次设备的抗 干扰问题【2 】2 。清华大学对变电站接地【3 8 4 0 1 及电力线路对附近金属管线的干扰【4 1 】等问 题进行了分析研究。文献【4 2 】研究了开关操作时母线瞬态电压通过电容式电压互感 器在二次电缆上产生的干扰电压及其特征，并提出了抑制开关操作瞬态电磁干扰的 防护措施。 在国家自然科学基金委员会、教育部和国家电力公司的资助下，华北电力大学 近年来在电力系统电磁兼容方面开展了大量的研究工作【4 孓4 7 1 。对开关操作引起的瞬 态电磁干扰进行了深入研究，建立了带分支的多导体传输线模型，并开发了变电站 瞬态电磁干扰预测软件包【4 3 】：自主开发研制了光纤瞬态电场和磁场传感器，参加了 十余座5 0 0 k v 变电站瞬态电磁干扰的现场测量，并对测量数据进行了初步的分析整 理【“】；建立了电压和电流互感器的宽频等效电路模型，计算了变电站瞬态电磁干扰 通过传导耦合在二次设备端口产生的干扰电压和干扰电流【4 5 】；研究了复杂土壤中接 地网的接地性能，提出了完整的分析变电站接地网接地性能的频域电磁场数值计算 方法，并自主开发了变电站接地网频域电磁场数值计算软件包【4 6 4 7 。 为了研究变电站开关操作、雷击及系统故障对站内二次电缆的电磁干扰问题， 我国有关科研单位及高校对实际5 0 0 k v 变电站接地网和试验接地网进行了如下测 量，作者参与了部分测试工作。 5 华北电力大学博士学位论文 2 0 0 3 年7 月，在华北电网公司的组织下，配合丰万顺的万全5 0 0 k v 变电站 内人工接地试验，对不同接地方式的二次电缆进行了干扰测试。 2 0 0 5 年3 月，在华北电网公司的组织下，结合万全5 0 0 k v 变电站的调试， 测量了开关操作时不同接地方式的二次电缆的共模和差模干扰电压。 2 0 0 5 年6 月，为了模拟雷击变电站接地网时对二次电缆的电磁影响，华北电 力大学在二校区试验接地网上利用浪涌发生器进行了冲击电流接地试验。 2 0 0 5 年1 0 月，为了模拟变电站系统单相接地短路故障，华北电力大学在二 校区试验接地网上利用电焊机向试验接地网注入试验电流，并进行了有关测试。 在变电站瞬态电磁场对二次电缆的电磁耦合研究方面，国内外学者大多通过现 场测量进行定性分析，而在数值计算方面开展工作较少。文献1 4 8 将双端接地的二 次电缆看作集中参数元件进行整体建模，研究了系统故障时二次电缆的电磁干扰问 题。文献【4 9 利用戴维南等效电路研究了雷击情况下二次电缆的电磁干扰问题，该 方法对于传输线模型没有零电位参考点，缺乏必要的理论依据。对于外界电磁场作 用下在架空导体上产生的感应电压和电流，国内外相关研究较多 5 0 - 5 4 ，且已形成了 较为完善的理论体系【5 5 弓7 1 。但是这些研究工作大多局限于远场激励即均匀平面波情 况，计算过程相对简单。而变电站开关操作时在周围空间产生的瞬态电磁场为近场， 其时域形式无法直接利用解析公式进行描述，必须借助于电磁场数值计算方法求解 得到。文献【58 】利用矩量法计算了开关操作时变电站内的空间电磁场分布，为进一 步研究开关操作产生的空间瞬态电磁场对二次电缆的电磁耦合奠定了基础。 前面综述了近年来国内外在变电站电磁兼容尤其是二次电缆的电磁耦合方面 取得的研究成果，下面分别介绍本节开始提到的前三个方面内容的国内外研究现 状。 ( 1 ) 屏蔽电缆参数的宽频测量 在电气与电子系统中，屏蔽电缆主要用于联接不同的系统和设备，并实现不同 系统之间能量与信息的传输。随着数字设备和集成电路的广泛应用，变电站内二次 系统对雷电和开关操作等导致的瞬态电磁场极为敏感，在空间瞬态电磁场作用下， 电磁能量可能通过转移阻抗和转移导纳耦合进入屏蔽电缆内部，在内导体上产生感 应电压和感应电流。这将会干扰甚至破坏与屏蔽电缆联接的电子设备，从而对整个 系统的安全运行构成威胁。变电站二次电缆这类长距离的屏蔽电缆是外界电磁能的 收集器，为了预测变电站瞬态电磁场对屏蔽电缆的电磁耦合，有必要对屏蔽电缆的 单位长参数、转移阻抗以及转移导纳进行专门研究。 单位长参数是反映屏蔽电缆电气特性的重要参数，电缆上各点的电压和电流响 应均可通过电缆的单位长参数来求取。文献 5 5 ，5 6 系统地阐述了各种多导体传输线 系统单位长参数( 电感、电容、电阻和电导) 的计算方法，内容涉及解析法和数值 6 第一章引言 计算方法，同时简单介绍了相应的测量方法。实际应用中，屏蔽电缆的结构比较复 杂，且单位长参数的频变特性较为显著。因此，为了较为准确地分析屏蔽电缆的传 输特性，有必要通过实验方法测量得到屏蔽电缆的单位长参数。文献 5 9 ，6 0 对布置 在完纯导电金属平面上的多导体传输线系统的单位长参数进行了实验研究，并对测 量结果进行了分析。这种测量方法需要多次测量端口电压和电流，待测量较多，且 过程较为繁琐。 转移阻抗和转移导纳作为表征外界电磁场对屏蔽电缆耦合机理的重要参量，目 前国内外已有不少学者对其理论计算方法进行了研究。文献1 6 1 首次提出了管状屏 蔽电缆转移阻抗的计算公式，在此基础上文献 5 7 1 详细介绍了管状屏蔽电缆、编织 型屏蔽电缆以及螺旋缠绕式屏蔽电缆转移阻抗和转移导纳的理论计算模型，此后文 献 6 2 6 5 又对编织型屏蔽电缆转移阻抗的计算公式进行了改进，提高了理论计算的 准确性。但是，这些理论计算模型通常依赖于某些简化的假设条件，并且在实际应 用中对于电缆型号相同的不同电缆样品，其转移阻抗和转移导纳也不尽相同。因此， 对转移阻抗和转移导纳进行实验测量就显得极为重要。 作为i e c 推荐采用的测试方法之一，三同轴法【5 0 ，6 6 7 1 】已被广泛应用于屏蔽电缆 的转移阻抗和转移导纳测量。现有的测量装置大多是在三同轴系统的基础上进行结 构改进和应用拓展，有些测量装置只能测量转移阻抗而不能兼顾转移导纳，还有一 些测量装置对测试条件过于苛刻，实现起来存在一定的困难。除三同轴法外，线注 入法【| 7 2 7 4 】也是i e c 的推荐方法，它是目前测量频率最高的测试方法。除了i e c 推荐 的两种方法，电流探针法【”】凭借其测量快速准确的特点也获得了一定的应用。 ( 2 ) 含频变参数多导体传输线的时域计算方法 对于单位长参数不随频率变化的多导体传输线模型，相应的时域求解方法【5 5 】 很多，理论体系比较完善，且已形成了广泛应用的通用软件( 如电路仿真软件p s p i c e 和电磁瞬态计算程序e m t p 等) 。而对于单位长参数随频率变化的多导体传输线系 统( 如架空线路、埋地电力电缆和通信电缆等) ，瞬态研究方面所开展的工作较少。 对于架空线和电力电缆参数频变特性的建模方法，国内外已有不少学者进行了 研究1 7 昏8 3 】，且大多采用相模变换理论将实际的物理问题转化为等效的数学问题进行 求解烨j 。文献 7 6 】利用常实数模变换矩阵对含频变参数的架空线系统进行了研究， 但不适用于电力电缆的瞬态分析。文献 7 9 】同时考虑单位长参数和相模变换矩阵的 频变特性，可以用于电力电缆的瞬态分析，但是过程较为繁琐。文献【8 1 】建立了一 种新的电力电缆阻抗模型，直接在相域进行求解，缺点是没有考虑电缆导纳参数的 频变特性。文献 4 3 ，8 5 ，8 6 将时域有限差分法( f d t d f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ) 应用于架空导线的瞬态分析，取得了很好的效果。 与国际上通用的电磁瞬态计算程序e m t p 相比，时域有限差分法f d t d 具有以 7 华北电力大学博士学位论文 下特点： 架空线路的瞬态分析：e m t p 可以方便地处理这一问题，优点是计算速度快， 缺点是无法考虑多层土壤的影响。f d t d 同样可以解决这一问题，优点是可以考虑 多层土壤的影响，缺点是计算代价稍大。 电力电缆的瞬态分析：e m t p 可以处理这一问题，但是需要同时考虑单位长 参数和相模变换矩阵的频变特性，过程较为繁琐。f d t d 可以同时考虑电缆阻抗参 数和导纳参数的频变特性，处理这一问题更为有效。 通信电缆的瞬态分析：e m t p 无法建模，f d t d 可以有效解决这一问题，计 算时所需的通信电缆的单位长参数可以通过实验方法测量得到。 综上所述，不同方法各有利弊，时域有限差分法f d t d 可以在时域有效求解含 频变参数的多导体传输线模型，并且可以获得沿线的电压和电流波过程。 ( 3 ) 变电站接地网的电磁场频域分析方法 接地网在变电站安全运行中起着极为重要的作用，不仅为站内各种电气设备提 供一个公共的参考地，还可以在系统发生故障时排泄故障电流并降低变电站的地电 位升，从而确保站内工作人员的人身安全及各种电气设备的正常运行。随着电网电 压等级的提高，变电站的接地网规模不断扩大，其安全性问题也日益突出，已成为 电力系统电磁兼容的重要研究课题之一。 在我国，传统的接地网设计是依靠设计手册上的经验公式再结合设计者自身的 经验完成的1 8 ”。这些经验公式在设计简单的小面积接地网时是有效的，但对于复杂 条件下大型接地网的安全性设计存在明显的缺陷。伴随着计算机的飞速发展，从二 十世纪七十年代开始，电磁场数值计算方法被广泛应用于变电站接地网的接地性能 分析 8 8 - 9 1 】。文献 8 8 1 应用边界元法( b e m b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 分析接地网的接 地性能，由于在不同土壤层的分界面上需要引入大量电荷变量，导致该方法计算量 较大，且边界元法在分析接地网的不等电位分布和频域特性时存在较大困难。文献 f 8 9 9 1 利用矩量法( m o m m e t h o do f m o m e n t ) 分析大型变电站接地网的频域特性，通 过与测量结果进行比较，验证了计算方法的正确性。该方法不仅适用于水平分层、 垂直分层和半球形分层土壤结构，还可以用于复合土壤结构。但对于复合土壤结构， 计算过程较为繁琐，且通用性较差。 有限元方法( f e m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 作为一种有效的数值计算方法，分析接 地网接地性能时可以方便地考虑土壤结构、土壤电阻率、地网埋深和电流注入点等 各种因素的影响。文献 9 2 9 5 初步应用有限元方法分析了接地网的接地性能。其中， 文献【9 2 】采用三维有限元的a v 方法，文献 9 3 】采用一维有限元和三维有限元相结 合的a v 方法，其优点是可以考虑频率对接地性能的影响，但是计算代价太高。文 献 9 4 ，9 5 采用一维有限元和三维有限元相结合的标量电位方法，计算量大大降低， 8 第一章引言 但是该方法的有限元计算公式是基于恒定电流场理论得到的，无法考虑频率对接地 网接地性能的影响。 1 3 本文主要工作 针对以上问题，结合国家杰出青年科学基金项目“电磁干扰的耦合机理” ( n o 5 0 3 2 5 7 2 3 ) ，本文重点研究了屏蔽电缆的参数测量方法及变电站系统短路故障、 雷击和开关操作对站内二次电缆的电磁耦合机理，为了检验本文计算方法的正确 性，进行了大量的试验研究。全文共分七章，各章的具体内容如下。 第一章指出了研究变电站瞬态电磁环境下二次电缆的电磁耦合问题具有极为 重要的理论意义和实用价值，同时综述了国内外的研究现状，指出了目前尚有待解 决的问题，明确了本文的研究思路。 第二章基于传输线理论，推导出转移阻抗和转移导纳与单位长参数的数学关 系，并在此基础上提出了一种新的简便测试方法。通过与其他测量方法的测量结果 进行比较，验证了本章测量方法的正确性。 第三章讨论了架空导体和埋地导体频变参数的计算方法，并在此基础上利用时 域有限差分法f d t d 重点研究了架空线、埋地电力电缆和同轴电缆系统的瞬态电磁 过程。通过与其他方法的计算结果以及实验结果进行比较，验证了本章计算方法的 正确性。 第四章在频率不是很高的情况下，基于恒定电流场理论，采用一维有限元和三 维有限元相结合的标量电位方法分析变电站接地网的接地性能。本章计算方法的最 大优点在于可以考虑频率对接地网接地性能的影响。通过与矩量法和华北电力大学 试验接地网的测量结果进行比较，验证了本章计算方法的正确性和有效性。 第五章重点研究了远场作用下场线耦合的时域计算方法和近场作用下场线耦 合的频域计算方法，通过与现有方法和e m t p 的计算结果进行比较，验证了本章计 算方法的正确性。 第六章结合工程实例研究了系统短路故障、雷击和开关操作对5 0 0 k v 变电站二 次电缆的电磁耦合问题，并通过5 0 0 k v 变电站的现场试验和华北电力大学试验接地 网上的模拟试验验证了本文计算方法的正确性。 第七章对本文的研究工作做了全面的总结，阐明了作者的主要学术贡献，指出 了尚有待进一步研究的问题。 图1 2 为本文的结构框图，图中标出了章与章之间的相互联系。 最后需要说明的是，由于本文中频域公式与时域公式的表达有明显的区别，因 而未在电压、电流等频域变量符号上打点标记。 9 华北电力大学博士学位论文 图l 一2 本文结构框图 1 0 第二章屏蔽电缆转移阻抗和转移导纳的宽频测量 第二章屏蔽电缆转移阻抗和转移导纳的宽频测量 目前，三同轴测量系统【5 0 6 6 - 7 1 , 9 6 】已被广泛应用于屏蔽电缆的转移阻抗和转移导 纳测量。本章基于传输线理论，推导出转移阻抗和转移导纳与单位长参数的数学关 系，并在三同轴方法的基础上提出了一种新的简便测试方法。该方法可以同时得到 转移阻抗和转移导纳的幅频特性与相频特性，且对于多芯屏蔽电缆同样适用，测量 得到的单位长参数可以用于屏蔽电缆系统的瞬态分析。 2 1 屏蔽电缆参数 2 1 1 单位长参数 在频域，多导体传输线模型可由如下电报方程描述 _ d v ：一z i( 2 1 a ) 堕：一w f 2 i b ) 式中，v - - i v , k k 】7 和i = 【1 2 i m 】r 分别为多导体传输线的电压和电 流列向量，z 和y 分别为单位长串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵，且有 z = r + j t o l ( 2 - 2 a ) y = g + j r a c( 2 - 2 b ) 式中，r 、l 、g 和c 分别为多导体传输线的单位长电阻、电感、电导和电容矩阵。 将+ l 多导体传输线模型看作无源2 n 端口的网络，其端口电压和端口电流关 系如下 网餐暑端( o 豫j l i ( 0 口， l i ( f ) j 卜z t “) m n) j 、7 式中，z 为多导体传输线的长度，m ”电2 、m 2 ，和m 2 2 分别为2 n 端口网络的转移 参数矩阵西的子矩阵，且有【5 5 】 m l l ( f ) = c o s h ( 厨1 ) = y 。c o s h ( y , 厩) y ( 2 - 4 a ) m 1 2 u ) = - z 。s i n h ( 4 y z ) = - s i n h ( 4 z y ) z 。 ( 2 - 4 b ) m 2 i ( ，) = z _ ls i n h ( z 4 - 瓦i ) = 一s i n h ( y z f ) z ：1 ( 2 - 4 c ) 西2 2 ( f ) = c o s h ( 4 v - 云) = yc o s h ( z , 厨i ) y 。( 2 - 4 d ) 式中，z 。= y 一1 孓丢为多导体传输线的特性阻抗矩阵。 1 1 华北电力大学博士学位论文 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) n 以得到多导体传输线终端短路时( 所有导体在终端与参考 导体短路) 始端的输入阻抗矩阵即短路阻抗矩阵 z 。= z 。t a n h ( q y z l ) = t a n h ( q z y o z 。( 2 - 5 a ) 同理，可以得到多导体传输线终端开路时( 所有导体在终端与参考导体开路) 始端 的输入阻抗矩阵即开路阻抗矩阵 z 。= z 。c o t h ( 4 y z l ) = e o t h ( q z y ) z 。( 2 - 5 b ) 由式( 2 5 ) 可以得到单位长串联阻抗矩阵z 和并联导纳矩阵y 与短路阻抗矩阵 z 。和开路阻抗矩阵z 。的数学关系 r = ；衲n h 陋z ：) ”2 ( 2