第六章GIS中电磁兼容问题

1、第六章GIS中电磁兼容问题 第六章第六章 GIS中的电磁兼容问题中的电磁兼容问题 n第一节第一节 概概 述述 n第二节第二节 GIS中开关操作的快速中开关操作的快速 暂态过渡过程暂态过渡过程 n第三节第三节 GIS中的暂态地电位升高问题中的暂态地电位升高问题 n第四节第四节 GIS中开关操作等暂态过程中开关操作等暂态过程 产生的瞬态辐射骚扰产生的瞬态辐射骚扰 第六章GIS中电磁兼容问题 第一节第一节 概概 述述 n气体绝缘金属封闭组合电器气体绝缘金属封闭组合电器 ( Gas-Insulated Switchgear，简称，简称GIS )， 是是60年代中期出现的一种新型电器装置。年代中期出现的

2、一种新型电器装置。 nGIS的问世，对传统的敞开式高压配电的问世，对传统的敞开式高压配电 装置装置( AIS )来说是一次革命，特别是在来说是一次革命，特别是在 超高压领域中。三十多年来，超高压领域中。三十多年来，GIS的发的发 展非常迅速，其优点得到了国内外电力展非常迅速，其优点得到了国内外电力 部门的公认。部门的公认。 第六章GIS中电磁兼容问题 一、一、 GIS有下列优点有下列优点： n占地面积和空间占有体积大为减小。有更好的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。综合经济指标。 n安全可靠安全可靠, ,人身安全人身安全, ,设备运行可靠设备运行可靠. . n有利于环境保

3、护。采用有利于环境保护。采用GISGIS可使运行人员不受电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磁场辐射的影响，因此变电站的设计比采用AISAIS 时简单。时简单。 n安装工作量小，检修周期长。安装工作量小，检修周期长。 因此，因此，GISGIS在山区水电站、污秽地区配电系统在山区水电站、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，气稀薄的高海拔地区和地震频繁活动的地区， 选用选用GISGIS也有着极为广阔的前途。也有着极为广阔的前途。 第六章GIS中电磁兼容问题 二、二、 GI

4、S致命的弱点致命的弱点: ( 1 ) ( 1 ) 当刀闸切合操作会产生电弧重燃，触头两当刀闸切合操作会产生电弧重燃，触头两 端的电压在几端的电压在几nsns内突然跌落，该电压陡波在内突然跌落，该电压陡波在 GISGIS中产生行波，引起高频振荡而形成特快速中产生行波，引起高频振荡而形成特快速 瞬变过程瞬变过程( ( Very Fast Transient，简称简称VFT ) ) ， 从而产生特快速瞬变过电压从而产生特快速瞬变过电压( ( Very Fast Transient Over-Voltage，简称，简称VFTO ) ) 。 nVFTOVFTO严重时在严重时在GISGIS的不同部位，会出

5、现故障。的不同部位，会出现故障。 n例如，巴西的例如，巴西的Graiau 500kV GIS变电站在运行变电站在运行 的初期，就曾因刀闸操作产生的的初期，就曾因刀闸操作产生的VFTO造成造成 GIS外壳内部的火花放电，外壳内部的火花放电，500kV油纸套管的油纸套管的 炸裂和变压器故障等。炸裂和变压器故障等。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 2 ) ( 2 ) VFTO在在GIS内部传播时，遇到与外部相联内部传播时，遇到与外部相联 接的地方时，会发生波的折射和反射。接的地方时，会发生波的折射和反射。 n当当VFTO由由GISGIS向外部传播时，产生暂态地电位向外部传播时，产生暂态地电位 升高升

6、高( (TGPR) )， nTGPR会造成人员受击，控制、保护设备的误会造成人员受击，控制、保护设备的误 动作，二次设备损坏等后果。动作，二次设备损坏等后果。 ( 3 ) ( 3 ) 沿沿GISGIS母线导管传播的母线导管传播的VFTO和沿和沿GIS壳体壳体 与接地系统的与接地系统的TGPR都会形成暂态电磁场，形都会形成暂态电磁场，形 成辐射骚扰。成辐射骚扰。 以上问题是以上问题是GIS中典型的电磁兼容中典型的电磁兼容( ( EMC ) )问题，问题， 因此是设计变电站时所必须考虑的。因此是设计变电站时所必须考虑的。 第六章GIS中电磁兼容问题 第二节第二节 GIS中开关操作的快速暂态过渡过程

7、中开关操作的快速暂态过渡过程 一、一、VFTO现象及其产生机理现象及其产生机理 nVFTO是由是由GIS内开关操作或内开关操作或GIS内部放电引内部放电引 起的极快速瞬态过电压。起的极快速瞬态过电压。 n由于刀闸的触头运动速度相对较慢，因而将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，产生电弧重燃，形成上升时间很短的行波， 在在GIS内部传播，内部传播，VFTO最高可达最高可达2.5p.u。 n计算和实测表明，计算和实测表明，VFTO上升时间为上升时间为520ns， 上升率则高达上升率则高达40MV/s。典型波形见图。典型波形见图6-1。 n在设计相关设备时应

8、考虑在设计相关设备时应考虑VFTO的影响。的影响。 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-16-1 典型的典型的VFT0波形波形 第六章GIS中电磁兼容问题 n由开关电弧重燃引起的暂态脉冲的陡变主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要决定于电弧的形成时间 tr . ntr表示触头间隙从开始游离到完全导通所表示触头间隙从开始游离到完全导通所 需要的时间，需要的时间，tr 越小，波头越陡。越小，波头越陡。 n对于均匀电场中对于均匀电场中SF6气体而言：气体而言： 常数；常数； 绝缘强度绝缘强度 0 3 .13 E K t T r 0 E T K 第六章GIS中电磁兼容问题 n

9、正常正常GIS由刀闸操作引起的冲击波的由刀闸操作引起的冲击波的 tr =520ns，暂态脉冲的最大陡度可，暂态脉冲的最大陡度可 由下式求出：由下式求出： 式中式中 为触头间距。为触头间距。 n均匀电场中，均匀电场中，SF6的的E0约为空气的约为空气的2 3倍，倍，SF6中的最大电压陡度为空气的中的最大电压陡度为空气的 49倍。倍。 T K lE td ud 2 0 max 15. 0| l 第六章GIS中电磁兼容问题 二、二、VFTO的分类及其特性的分类及其特性 ( 一一 ) 分类分类 n当操作当操作GIS隔离开关时，在离它的不同隔离开关时，在离它的不同 距离处可观察到不同的瞬变过程，可分距离

10、处可观察到不同的瞬变过程，可分 为内部的和外部的为内部的和外部的VFTO。 n这是由于这是由于GIS内外装备的布局和阻尼效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。应引起行波的不同折射、反射的原因。 n所有在所有在GIS网络内产生的各种行波分量网络内产生的各种行波分量 叠加形成其波形叠加形成其波形,VFTO的分类如图的分类如图6-2。 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6- -2 GIS内部和外部的陡波前过电压的起源和分类内部和外部的陡波前过电压的起源和分类 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 二二 ) VFTO的特性的特性 nGIS中的内部中的内部VFTO是由隔离开关和断路是由隔离

11、开关和断路 器操作及破坏性放电过程中所固有的快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速电压波崩溃所产生的两个行进的阶跃 电压引起。电压引起。 n这些行波通过这些行波通过GIS和相连接的设备传播。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被畸变，各种行波的叠加就形成了陡波 前过电压波形。前过电压波形。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 1 ) 阶跃电压；阶跃电压； ( 2 ) 由于由于GIS内母线管道波阻抗的多次内母线管道波阻抗的多次 微弱变化形成的甚高频范围微弱变化形成的甚高频范围

12、f1( 最高达最高达 100MHz )； ( 3 ) 由于由于GIS母线管道和电缆末端或架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的反射形成的高频范围f2( 最高达最高达 30MHz )； ( 4 ) 由大电容的外部装置引起的谐振产由大电容的外部装置引起的谐振产 生的低频范围生的低频范围f3( 0.1MHz至至5MHz )。 第六章GIS中电磁兼容问题 n内部内部VFTO的波形取决于的波形取决于GIS的内部结构和外部的内部结构和外部 的配置。的配置。 n内部内部VFTO的幅值范围为系统电压的的幅值范围为系统电压的12.5倍。

13、倍。 nIEC61321-1技术报告，将内部技术报告，将内部VFTO、外部、外部 VFTO的典型波形如图的典型波形如图6-3、图、图6-4所示。所示。 n外部外部VFTO基本上是由内部基本上是由内部VFTO造成的，因此，造成的，因此， 它们具有相似的波形。它们具有相似的波形。 n外部外部VFTO的峰值主要取决于的峰值主要取决于GIS以外的设备，以外的设备， 但同样取决于但同样取决于GIS和和GIS的接地连接方法的接地连接方法 n外部外部VFTO幅值范围为系统电压的幅值范围为系统电压的12.5倍。倍。 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-3 6-3 由刀闸合闸引起的内部由刀闸合闸引起的内部VFT

14、O的典型波形的典型波形 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6- -4 外部外部VFTO的典型波形的典型波形 第六章GIS中电磁兼容问题 三、三、VFT0的影响因素的影响因素 nVFTO波形主要取决于波形主要取决于GIS的内部结的内部结 构和外部的配置，并随位置变化。构和外部的配置，并随位置变化。 nVFTO的幅值还与残余电荷，开关的幅值还与残余电荷，开关 的特性的特性( 如弧道电阻，开关结构，如弧道电阻，开关结构， 分合特性分合特性 )等有关。等有关。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 一一 ) 残余电荷对残余电荷对VFTO的影响的影响 n由残留电荷产生的电位会因电荷通过绝缘子泄漏而逐由残留电荷产

15、生的电位会因电荷通过绝缘子泄漏而逐 渐降低，渐降低， n残留电荷会使残留电荷会使VFTO升高，自由导电微粒飘浮的可能升高，自由导电微粒飘浮的可能 性加大。性加大。 nVFTO幅值与残余电荷之间呈线性关系。主要是因为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。回路本身是线性的。 n残余电荷不同，同一点的残余电荷不同，同一点的VFTO波形相同，幅值不同。波形相同，幅值不同。 n研究表明，残留电荷的幅值与触头间击穿电压的不平研究表明，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 不平衡度通常为不平衡

16、度通常为1530，在这样的残留电荷下产生，在这样的残留电荷下产生 的过电压值不超过的过电压值不超过2.0p.u。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 二二 ) 开关弧道电阻的影响开关弧道电阻的影响 n当刀闸起弧时，弧道电阻当刀闸起弧时，弧道电阻R对过电对过电 压有阻尼作用，在分合闸过程中压有阻尼作用，在分合闸过程中R 是一个时变参数。是一个时变参数。 n弧道电阻对弧道电阻对VFTO的抑制作用很大。的抑制作用很大。 一般来说，各节点过电压幅值随弧一般来说，各节点过电压幅值随弧 道电阻增加而减小道电阻增加而减小. n因此因此GIS中隔离开关中加装合闸电中隔离开关中加装合闸电 阻可作为限制阻可作为限制V

17、FTO的一个措施。的一个措施。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 三三 ) 变压器入口电容的影响变压器入口电容的影响 n一般来说，变压器入口电容增大，一般来说，变压器入口电容增大， 各点过电压倍数均增加。各点过电压倍数均增加。 VFTO还受其他因素影响，如还受其他因素影响，如: n回路母线各段的长度回路母线各段的长度 n支持绝缘子电容量，支持绝缘子电容量， 但其影响程度对各节点来说并不一致。但其影响程度对各节点来说并不一致。 第六章GIS中电磁兼容问题 四、四、VFT0对避雷器和变压器的影响对避雷器和变压器的影响 n例如，某抽水蓄能电站的例如，某抽水蓄能电站的1号、号、2号单元的号单元的 MOA

18、的频繁动作，以及的频繁动作，以及1号主变压器绝缘击穿号主变压器绝缘击穿 事故，分析认为：与该电站中的事故，分析认为：与该电站中的500kV GIS 中中 刀闸的频繁投切操作有关。刀闸的频繁投切操作有关。 nGIS中刀闸操作引起的中刀闸操作引起的VFTO，虽幅值不算太，虽幅值不算太 高，但其等值频率高、陡度大。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容电流，可引起避雷器的频繁动作; 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 2 ) VFTO沿变压器绕组近似于指数分布，沿变压器绕组近似于指数分布， 首端

19、匝间绝缘将承受较高的电压；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，可能会使变压器绝效应等因素的影响，可能会使变压器绝 缘发生击穿现象。缘发生击穿现象。 第六章GIS中电磁兼容问题 五、五、VFTO的研究方法的研究方法 n理论分析、实验室模拟试验、调研和计算机的理论分析、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。数值模拟计算，以及现场实测等。 n其中最可靠的是实测试验和计算机数值模拟相其中最可靠的是实测试验和计算机数值模拟相

20、 结合的方法。结合的方法。 n实测固然是最可靠的，但不现实，也没有必要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。让电力系统承担偌大的风险。 n关于运行方式，试验条件乃至刀闸断口瞬时电关于运行方式，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压的幅值概率都可由通用的EMTP数值计算来数值计算来 设定。设定。 第六章GIS中电磁兼容问题 六、本节的主要结论六、本节的主要结论 ( 1 ) VFTO是由是由GIS刀闸切合容性负载时由于波阻抗的变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，其振荡频率化引起大量的波的折反射而形成的，其振荡频率0.1

21、100MHz。 ( 2 ) GIS的结构布置及连接方式、刀闸的特性、结构及触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头运动速度和内部气压等是影响VFTO幅值及波形的幅值及波形的 主要因素。主要因素。 ( 3 ) VFTO最大值一般不超过最大值一般不超过2.5p.u，低于电气设备的雷，低于电气设备的雷 电冲击耐受水平，因而电冲击耐受水平，因而VFTO能被能被MOA限制。一般不限制。一般不 会威胁到设计完备的会威胁到设计完备的GIS绝缘和与其联接的电气设备。绝缘和与其联接的电气设备。 ( 4 ) 但当但当GIS中的刀闸操作频繁时，中的刀闸操作频繁时，VFTO可引起可

22、引起MOA的的 频繁动作，由于累积效应等因素的影响，有时也可能频繁动作，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。会发生变压器绝缘的击穿事故。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 5 ) VFTO幅值与回路的残余电荷关系较大，一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。般情况下，其幅值与残余电荷量线性正相关。 ( 6 ) 开关弧道电阻对开关弧道电阻对VFTO幅值影响较大，一般幅值影响较大，一般 情况下，随弧道电阻的增大，情况下，随弧道电阻的增大，VFTO幅值降低。幅值降低。 ( 7 ) VFTO还受其他因素影响：如变压器入口还受其他因素影响：

23、如变压器入口C、 回路母线各段的长度及支持绝缘子回路母线各段的长度及支持绝缘子C，其影响，其影响 程度各点不一。程度各点不一。 ( 8 ) 降低降低VFTO的主要措施有：的主要措施有： n优化优化GIS变电站设计；变电站设计； n改进改进GIS变电站联接方式及优选参数，变电站联接方式及优选参数， n采用优良的隔离开关，采用优良的隔离开关， n隔离开关加装电阻等。隔离开关加装电阻等。 第六章GIS中电磁兼容问题 第三节第三节 GIS中的暂态地电位升高问题中的暂态地电位升高问题 一、概述一、概述 n美国在美国在AEP的的UHV系统中测到高达系统中测到高达 100kV的暂态地电位升高的暂态地电位升高

24、( TGPR )， n加拿大在加拿大在GIS中测到中测到28.6kV的的TGPR， n国内某国内某220kV GIS变电站中也测到了上变电站中也测到了上 千伏的千伏的TGPR， 这些数字均已超过传统概念所能接受的这些数字均已超过传统概念所能接受的 数值。数值。 第六章GIS中电磁兼容问题 nGIS中的刀闸操作、母线接地以及做耐压试中的刀闸操作、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。陡的暂态电压波。 nGIS的母线是同轴圆筒式结构，当母线上流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，则会以波的形式过前

25、沿很陡的暂态电流时，则会以波的形式 传播。传播。 n因暂态电流的等值频率很高，强烈的集肤效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。层流动，并且外壳电位保持为零。 n只有当电流波遇到波阻抗变化，发生波的折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射和反射时，才会使外壳产生暂态地电位升 高高TGPR 或外壳电位升高或外壳电位升高TEV 。 第六章GIS中电磁兼容问题 n一方面对二次设备构成过电压的威胁，另一方面一方面对二次设备构成过电压的威胁，另一方面 电

26、磁场从壳体向四周辐射并可危害到二次设备，电磁场从壳体向四周辐射并可危害到二次设备， 引起电磁骚扰引起电磁骚扰 。 nTGPR具有持续时间短，频率高和陡度大的特点，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：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，以致对弱电设备产生骚扰，影响正常的功能，以致 误动或拒动；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。也可能击穿路。也可能击穿GIS的某一绝缘部件，乃至间隔的某一绝缘部件，乃至间隔 造成接地短路事故。造成接地短路事故。 ( 3 ) 如果在暂态过

27、程中触及如果在暂态过程中触及“接地接地”的设备外壳的设备外壳 ( GIS外壳外壳 )就会感到刺痛或失控，危及人身安全。就会感到刺痛或失控，危及人身安全。 第六章GIS中电磁兼容问题 二、二、TGPR的产生机理的产生机理 n研究研究TGPR产生机理的常用模型如图产生机理的常用模型如图6-5所示。所示。 nGIS空气侧的空气侧的TEV和外部和外部VFTO产生的机理可通产生的机理可通 过过GIS空气终端看作是三个传输线的连接来分析：空气终端看作是三个传输线的连接来分析： ( 1 ) 同轴同轴GIS传输线传输线; ( 2 ) 由套管导体和架空线形成的传输线；由套管导体和架空线形成的传输线； ( 3 )

28、 GIS外壳到大地的传输线。外壳到大地的传输线。 这三部分的传输线的波阻抗分别为这三部分的传输线的波阻抗分别为Z1、Z2、Z3。 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-5 6-5 GIS中暂态地电位升高原理分析图中暂态地电位升高原理分析图 ( (a) )母线结构；母线结构；( (b) )流动波简化模型；流动波简化模型；( (c) )等值电路等值电路 Z1母线对外壳的波阻；母线对外壳的波阻；Z2套管外侧架空线的波阻套管外侧架空线的波阻 Z3母线外壳对地的波阻母线外壳对地的波阻 第六章GIS中电磁兼容问题 n当内部行波传播到当内部行波传播到 SF6 /Air套管时：套管时： ( 1 ) 瞬态电压的一

29、部分被耦合到架空线至地的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传输线上并产生外部VFTO； ( 2 ) 另一部分被耦合到另一部分被耦合到GIS外壳至地的传输线外壳至地的传输线 上并产生上并产生TEV。 n 设一暂态电压波设一暂态电压波u0沿母线向套管方向传播，沿母线向套管方向传播， 如图如图6-5（a ）所示。当）所示。当uO波到达波到达A点后发点后发 射折、反射。图射折、反射。图6-5( b )为波形到达为波形到达A点前后点前后 高频电流的路径。由此可导出图高频电流的路径。由此可导出图6-5( c )的的 等值电路。等值电路。 第六章GIS中电磁兼容问题 n根据等值电路可计

30、算出外壳上根据等值电路可计算出外壳上A点点 的折射波电压的折射波电压u3 式中负号表示外壳上电压式中负号表示外壳上电压u3，总是，总是 与母线电压与母线电压u0符号相反，故符号相反，故A点的点的 折射系数为：折射系数为： 0 321 3 3 2 u ZZZ Z u 321 3 13 2 ZZZ Z S 第六章GIS中电磁兼容问题 n为了保证运行安全，母线外壳至少有一为了保证运行安全，母线外壳至少有一 点接地。设点接地。设p点处有一接地引下线将外壳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与接地网相连，此接地引下线可降低p点点 的暂态电位。其机理如下：的暂态电位。其机理如下： (

31、 1 ) 接地引下线波阻抗接地引下线波阻抗Zp与与Z3并联，降低并联，降低 外壳上的折射波电压外壳上的折射波电压u3，如图，如图6-6(a)所示。所示。 u3沿外壳流动至接地点沿外壳流动至接地点p，在，在p点产生折点产生折 射和反射。由图射和反射。由图6-6( b )的等值电路可得的等值电路可得: 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-6 6-6 外壳接地引下线的影响外壳接地引下线的影响 ( a ) 接地引下线示意图；接地引下线示意图； ( b ) 计算接地引下线影响的等值电路计算接地引下线影响的等值电路 第六章GIS中电磁兼容问题 n 由式由式( 6-4 )式式( 6-6 )可得可得 : 式中

32、式中, 而且而且K1 . 3 3 0 333 33 3 2 2 2 )( / )( / u ZZ Z u ZZZZZ ZZZZ u p p pp pp 013 3 uKSu p p ZZ Z u u K 2 2 33 3 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 2 ) 波在引下线上传播，遇到接地网后产生负波在引下线上传播，遇到接地网后产生负 反射。当反射波到达反射。当反射波到达p点的时间点的时间: ( 为引下线长度为引下线长度 ,折射波的波头时间为折射波的波头时间为 )时，时， 可降低可降低p点的点的TGPR值。值。 当当GIS外壳出现外壳出现TGPR时，沿电缆外皮流时，沿电缆外皮流 过暂态电流，在芯

33、线上感应出暂态电势，以过暂态电流，在芯线上感应出暂态电势，以 致骚扰损坏二次设备。致骚扰损坏二次设备。 n图图6-7为分析感应电势产生机理的阻抗分布图。为分析感应电势产生机理的阻抗分布图。 n当当GIS的外壳电位升高为正时，的外壳电位升高为正时， 二次电缆芯二次电缆芯 线中的感应电势可按图线中的感应电势可按图6-8的等值电路计算。的等值电路计算。 p v l t 2 l 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-7 6-7 二次电缆的阻抗分布图二次电缆的阻抗分布图 Zl 输入阻抗输入阻抗( (GIS端端) )；Z2 连接线阻抗；连接线阻抗； Z3 输出阻抗输出阻抗( (控制室端控制室端) )；Z4

34、4 接地引线阻抗 接地引线阻抗 Z01 电缆的波阻抗；电缆的波阻抗；Z02 电缆外皮的波阻抗电缆外皮的波阻抗 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-86-8 计算芯线感应电势的等值电路计算芯线感应电势的等值电路 第六章GIS中电磁兼容问题 n故芯线上的感应电势为故芯线上的感应电势为 nuc沿电缆芯线传播并骚扰接至电缆沿电缆芯线传播并骚扰接至电缆 终端的二次设备。终端的二次设备。 E ZZ Z ZZ Z u A A c 011 1 2 )( /1/1 1 10120 ZZZ Z A 第六章GIS中电磁兼容问题 三、三、TGPR的特性的特性 nTGPR(或或TEV)基本上是内部基本上是内部VFTO造

35、成造成 的。的。TEV的峰值取决于外壳离地面的高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度、外壳与接地系统连接的方式及接地 系统本身。系统本身。 n 通常，通常，GIS外壳上的外壳上的TEV由三个主要频由三个主要频 率范围的分量叠加在率范围的分量叠加在“阶跃电压阶跃电压”上构上构 成。成。 n由于由于GIS接地联接的阻抗很低，所以，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。阶跃电压通常在最初的几毫秒内衰减。 第六章GIS中电磁兼容问题 n三部分分量是：三部分分量是： ( 1 ) 甚高频范围甚高频范围 f1 ( 最高达最高达100MHz )，由，由 GI

36、S外壳和其内部波阻抗多次轻微变化外壳和其内部波阻抗多次轻微变化 所致所致( 即支撑、弯管、接地联接等即支撑、弯管、接地联接等 )； ( 2 ) 高频范围高频范围 f2 ( 最高达最高达30MHz )，由于，由于 GIS外壳接地引线等波阻抗的显著变化外壳接地引线等波阻抗的显著变化 引起的反射所形成的；引起的反射所形成的； ( 3 ) 低频范围低频范围 f3 ( 0.11MHz )，由外部大，由外部大 设备的集中电容，例如电力线载波系统设备的集中电容，例如电力线载波系统 的耦合电容器引起的谐振而产生的。的耦合电容器引起的谐振而产生的。 第六章GIS中电磁兼容问题 n当有强阻尼时当有强阻尼时( 即有

37、许多低阻抗接地即有许多低阻抗接地 )， TEV的持续时间少于几个微秒。在这种的持续时间少于几个微秒。在这种 情况下低频分量是少的。情况下低频分量是少的。 n因此，因此，TEV波形主要取决于波形主要取决于GIS的接地的接地 而其峰值可能为而其峰值可能为0.010.5倍系统电压。倍系统电压。 n典型的典型的TEV如图如图6-9所示，所示， n表表6-3给出三个频率范围的分量的加权因给出三个频率范围的分量的加权因 数的范围数的范围 第六章GIS中电磁兼容问题 表表6-3 TEV的加权因数的加权因数 i 123 Wi=A(fi)/P 0.10.2 0.70.8 0.050.1 第六章GIS中电磁兼容问

38、题 图图6- -9典型的典型的TEV波形波形 第六章GIS中电磁兼容问题 五、限制暂态地电位升高的措施五、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，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以减小外壳对地的波阻抗 和接地引和接地引 下线的长度。下线的长度。 ( 2 ) 接地线应尽可能靠近进出线端，以提接地线应尽可能靠近进出线端，以提 高接地线的效果。高接地线的效果。 ( 3 ) 沿母线长度方向增加接地引下线的沿母线长度方向增加接地引下线的 数量。数量。 0 321 3 3 2 u ZZZ Z u 3 Z 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 4 ) 采用扁而

39、宽的接地引下线，甚至采用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，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。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，从而也可降低起，可降低阻抗，从而也可降低TEV值。值。 ( 6 ) 在母线外壳和地之间安装金属板或加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，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，从而可以屏蔽波的传播增加反射次数，从而可 达到降低达到降低TEV的作用。的作用。 ( 7 )

40、 GIS下面的接地网应适当加强，以降低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。接地电阻，确保运行人员不受电击。 第六章GIS中电磁兼容问题 n降低二次电缆中的暂态感应电势的措施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、在电缆入口处安装电容、ZnO浪涌吸收器等；浪涌吸收器等； ( 2 ) 采用低波阻抗电缆采用低波阻抗电缆(差模骚扰小差模骚扰小)； ( 3 ) 增加母线外壳与电缆外皮连线的阻抗增加母线外壳与电缆外皮连线的阻抗(共模骚共模骚 扰小扰小) 。 n增强二次设备抗骚扰能力的措施增强二次设备抗骚扰能力的措施 ( 1 ) 对二次设备采用电磁

41、屏蔽措施及防过电压措对二次设备采用电磁屏蔽措施及防过电压措 施施( 如浪涌吸收器如浪涌吸收器 )。 ( 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。亦即使二次线从向外引出。亦即使二次线从TGPR最小的部位最小的部位 向外引出。向外引出。 第六章GIS中电磁兼容问题 n以上措施，可根据实际情况，在设以上措施，可根据实际情况，在设 计计GIS变电站时选用。变电站时选用。 n另外，有条件的情况下，新另外，有条件的情况下，新GIS变变 电站投运时，最好进行投运时的现电站投运时，最好进行投运时的现 场实测，以便发现场实测，以便发现GIS内部缺陷，内部缺

42、陷， 确保人身及设备的安全和变电站的确保人身及设备的安全和变电站的 正常运行。正常运行。 第六章GIS中电磁兼容问题 第四节第四节 GIS中开关操作等暂态过中开关操作等暂态过 程产生的瞬态辐射骚扰程产生的瞬态辐射骚扰 一、一、 产生机理及其危害产生机理及其危害 n 由由GIS开关操作引起开关操作引起VFTO ，VFTO行波沿行波沿 母线外皮和外壳内表面传播。当遇到外壳不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，从而引起外壳电位连续处就会产生折反射，从而引起外壳电位 升升( TEV )。 n沿沿GIS母线导管传播的母线导管传播的VFTO和沿和沿GIS壳体与壳体与 接地系统的暂

43、态地电位升高接地系统的暂态地电位升高( TGPR )都会产都会产 生瞬态电磁场，形成辐射骚扰。生瞬态电磁场，形成辐射骚扰。 第六章GIS中电磁兼容问题 n前者的场强较高，频率亦高，会穿越气前者的场强较高，频率亦高，会穿越气 隔间的法兰形成空间辐射骚扰；隔间的法兰形成空间辐射骚扰； n后者的场强远低于前者，幅值骚扰也小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，频率为数至数十MHz的瞬态电的瞬态电 场。场。 n瞬态电场会对瞬态电场会对GIS周围空间的弱电设备周围空间的弱电设备 产生骚扰，由产生骚扰，由TEV引

44、起的暂态电磁辐射，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也可能会对处于变电站的人身构成一定 的威胁。的威胁。 第六章GIS中电磁兼容问题 n瞬态电磁场的数值和频率取决于瞬态电磁场的数值和频率取决于GIS的的 结构及布置，鉴于对弱电设备的骚扰，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因而变电站采用先进的计算机控制设备 时，必须考虑时，必须考虑EMC问题。问题。 n表表6-4给出了国外对给出了国外对GIS中隔离开关操作中隔离开关操作 产生的瞬态电磁场的典型实测值，测量产生的瞬态电磁场的典型实测值，测量 点位于点位于SF6/Air 附近的母线筒和地之间

45、，附近的母线筒和地之间， 该位置是场强最大处。该位置是场强最大处。 n图图6-12和图和图6-13分别给出了国外分别给出了国外230kV GIS中暂态电场和中暂态电场和230kV GIS中暂态磁场中暂态磁场 典型的实测波形。典型的实测波形。 第六章GIS中电磁兼容问题 表表6-4 GIS中隔离开关操作产生的瞬态电磁场中隔离开关操作产生的瞬态电磁场 ( SF6 / Air 附近的母线筒和地之间的典型实测值附近的母线筒和地之间的典型实测值) 系统电压系统电压( kV ) 230500 电电 场场 场强场强( 峰峰-峰值峰值 ) 5 kV/m 7 kV/m 主导频率主导频率 115 MHz 20MH

46、z 持续时间持续时间 1S 4S 波形类型波形类型 双极性双极性 双极性双极性 磁磁 场场 场强场强( 峰峰-峰值峰值 ) 80 A/m 110A/m 主导频率主导频率40 MHz 10 MHz 持续时间持续时间 4 S 10 S 波形类型波形类型 双极性双极性 双极性双极性 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6- -12 典型的典型的230kV GIS中暂态电场实测波形中暂态电场实测波形 第六章GIS中电磁兼容问题 图图6-6-13 典型的典型的230kV GIS中暂态磁场实测波形中暂态磁场实测波形 第六章GIS中电磁兼容问题 二、二、GIS外壳对沿外壳对沿GIS母线传播母线传播VFTO 产生

47、的辐射电磁场的屏蔽作用产生的辐射电磁场的屏蔽作用 ( 一一 ) 理想介质中的正弦平面电磁波理想介质中的正弦平面电磁波 n设空间任一点设空间任一点(原点原点)处电场强度为：处电场强度为： )sin( 00 tEE m 000 /ZEH )sin()sin( 0 0 0 0 tEt Z E H m m 由于由于 则则 第六章GIS中电磁兼容问题 n离原点离原点x处，与表达式为：处，与表达式为： )sin( )(sin 0 0 xtE v x tEE m m )sin( )sin( 0 0 0 xtE xt Z E H m m 第六章GIS中电磁兼容问题 n可见，在理想介质中，正弦平面电磁波可见，在

48、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，而且它们在是距离与时间的正弦函数，而且它们在 相位上是相同的。相位上是相同的。 n上式中上式中 为媒质的波阻抗，为媒质的波阻抗， 为波的相位系数，为波的相位系数，取决于波的取决于波的 频率及空间电介质的电容率与磁导率。频率及空间电介质的电容率与磁导率。 / 0 Z v/ 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 二二 ) 导电媒质中的平面电磁波导电媒质中的平面电磁波 n若此空间仅沿若此空间仅沿x方向传播平面电磁波，方向传播平面电磁波， 则此时则此时 n 不考虑反向行波时不考虑反向行波

49、时(媒体无限大时媒体无限大时) Zy yxzx HHEE HHEE , ,0,0 )sin( E x myy xteEE )(sin )(sin 0 H x my H x mzz xte Z E xteHH 第六章GIS中电磁兼容问题 n 从上式可以看出，在导电媒质从上式可以看出，在导电媒质 中的正弦平面电磁波，其中的正弦平面电磁波，其E矢量矢量 与与H矢量在空间仍是彼此正交的。矢量在空间仍是彼此正交的。 n与理想电介质中不同，沿着波的与理想电介质中不同，沿着波的 传播方向传播方向( x方向方向 )波的振幅逐渐波的振幅逐渐 衰减，而且空间任一点上彼此相衰减，而且空间任一点上彼此相 位不同。位不同。 第六章GIS中电磁兼容问题 ( 三三 ) 波的传播系数与透入深度波的传播系数与透入深度 n波的传播系数为波的传播系数为 n 称为波幅的衰减系数；称为波幅的衰减系数；称为波的相位系称为波的相位系 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性质。衰减系数愈大，波在导电媒质中衰减 愈快。