1、第六章GIS中電磁兼容問題 第六章第六章 GIS中的電磁兼容問題中的電磁兼容問題 n第一節第一節 概概 述述 n第二節第二節 GIS中開關操作的快速中開關操作的快速 暫態過渡過程暫態過渡過程 n第三節第三節 GIS中的暫態地電位升高問題中的暫態地電位升高問題 n第四節第四節 GIS中開關操作等暫態過程中開關操作等暫態過程 產生的瞬態輻射騷擾產生的瞬態輻射騷擾 第六章GIS中電磁兼容問題 第一節第一節 概概 述述 n氣體絕緣金屬封閉組合電器氣體絕緣金屬封閉組合電器 ( Gas-Insulated Switchgear，簡稱，簡稱GIS )， 是是60年代中期出現的一種新型電器裝置。年代中期出現的

2、一種新型電器裝置。 nGIS的問世，對傳統的敞開式高壓配電的問世，對傳統的敞開式高壓配電 裝置裝置( AIS )來說是一次革命，特別是在來說是一次革命，特別是在 超高壓領域中。三十多年來，超高壓領域中。三十多年來，GIS的發的發 展非常迅速，其優點得到了國內外電力展非常迅速，其優點得到了國內外電力 部門的公認。部門的公認。 第六章GIS中電磁兼容問題 一、一、 GIS有下列優點有下列優點： n占地面積和空間占有體積大為減小。有更好的占地面積和空間占有體積大為減小。有更好的 綜合經濟指標。綜合經濟指標。 n安全可靠安全可靠, ,人身安全人身安全, ,設備運行可靠設備運行可靠. . n有利于環境保

3、護。采用有利于環境保護。采用GISGIS可使運行人員不受電可使運行人員不受電 磁場輻射的影響，因此變電站的設計比采用磁場輻射的影響，因此變電站的設計比采用AISAIS 時簡單。時簡單。 n安裝工作量小，檢修周期長。安裝工作量小，檢修周期長。 因此，因此，GISGIS在山區水電站、污穢地區配電系統在山區水電站、污穢地區配電系統 和城市電網改革中得到廣泛的應用，而且在空和城市電網改革中得到廣泛的應用，而且在空 氣稀薄的高海拔地區和地震頻繁活動的地區，氣稀薄的高海拔地區和地震頻繁活動的地區， 選用選用GISGIS也有著極為廣闊的前途。也有著極為廣闊的前途。 第六章GIS中電磁兼容問題 二、二、 GI

4、S致命的弱點致命的弱點: ( 1 ) ( 1 ) 當刀閘切合操作會產生電弧重燃，觸頭兩當刀閘切合操作會產生電弧重燃，觸頭兩 端的電壓在幾端的電壓在幾nsns內突然跌落，該電壓陡波在內突然跌落，該電壓陡波在 GISGIS中產生行波，引起高頻振蕩而形成特快速中產生行波，引起高頻振蕩而形成特快速 瞬變過程瞬變過程( ( Very Fast Transient，簡稱簡稱VFT ) ) ， 從而產生特快速瞬變過電壓從而產生特快速瞬變過電壓( ( Very Fast Transient Over-Voltage，簡稱，簡稱VFTO ) ) 。 nVFTOVFTO嚴重時在嚴重時在GISGIS的不同部位，會出

5、現故障。的不同部位，會出現故障。 n例如，巴西的例如，巴西的Graiau 500kV GIS變電站在運行變電站在運行 的初期，就曾因刀閘操作產生的的初期，就曾因刀閘操作產生的VFTO造成造成 GIS外殼內部的火花放電，外殼內部的火花放電，500kV油紙套管的油紙套管的 炸裂和變壓器故障等。炸裂和變壓器故障等。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 2 ) ( 2 ) VFTO在在GIS內部傳播時，遇到與外部相聯內部傳播時，遇到與外部相聯 接的地方時，會發生波的折射和反射。接的地方時，會發生波的折射和反射。 n當當VFTO由由GISGIS向外部傳播時，產生暫態地電位向外部傳播時，產生暫態地電位 升高升

6、高( (TGPR) )， nTGPR會造成人員受擊，控制、保護設備的誤會造成人員受擊，控制、保護設備的誤 動作，二次設備損壞等后果。動作，二次設備損壞等后果。 ( 3 ) ( 3 ) 沿沿GISGIS母線導管傳播的母線導管傳播的VFTO和沿和沿GIS殼體殼體 與接地系統的與接地系統的TGPR都會形成暫態電磁場，形都會形成暫態電磁場，形 成輻射騷擾。成輻射騷擾。 以上問題是以上問題是GIS中典型的電磁兼容中典型的電磁兼容( ( EMC ) )問題，問題， 因此是設計變電站時所必須考慮的。因此是設計變電站時所必須考慮的。 第六章GIS中電磁兼容問題 第二節第二節 GIS中開關操作的快速暫態過渡過程

7、中開關操作的快速暫態過渡過程 一、一、VFTO現象及其產生機理現象及其產生機理 nVFTO是由是由GIS內開關操作或內開關操作或GIS內部放電引內部放電引 起的極快速瞬態過電壓。起的極快速瞬態過電壓。 n由于刀閘的觸頭運動速度相對較慢，因而將由于刀閘的觸頭運動速度相對較慢，因而將 產生電弧重燃，形成上升時間很短的行波，產生電弧重燃，形成上升時間很短的行波， 在在GIS內部傳播，內部傳播，VFTO最高可達最高可達2.5p.u。 n計算和實測表明，計算和實測表明，VFTO上升時間為上升時間為520ns， 上升率則高達上升率則高達40MV/s。典型波形見圖。典型波形見圖6-1。 n在設計相關設備時應

8、考慮在設計相關設備時應考慮VFTO的影響。的影響。 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-16-1 典型的典型的VFT0波形波形 第六章GIS中電磁兼容問題 n由開關電弧重燃引起的暫態脈沖的陡變主由開關電弧重燃引起的暫態脈沖的陡變主 要決定于電弧的形成時間要決定于電弧的形成時間 tr . ntr表示觸頭間隙從開始游離到完全導通所表示觸頭間隙從開始游離到完全導通所 需要的時間，需要的時間，tr 越小，波頭越陡。越小，波頭越陡。 n對于均勻電場中對于均勻電場中SF6氣體而言：氣體而言： 常數；常數； 絕緣強度絕緣強度 0 3 .13 E K t T r 0 E T K 第六章GIS中電磁兼容問題 n

9、正常正常GIS由刀閘操作引起的沖擊波的由刀閘操作引起的沖擊波的 tr =520ns，暫態脈沖的最大陡度可，暫態脈沖的最大陡度可 由下式求出：由下式求出： 式中式中 為觸頭間距。為觸頭間距。 n均勻電場中，均勻電場中，SF6的的E0約為空氣的約為空氣的2 3倍，倍，SF6中的最大電壓陡度為空氣的中的最大電壓陡度為空氣的 49倍。倍。 T K lE td ud 2 0 max 15. 0| l 第六章GIS中電磁兼容問題 二、二、VFTO的分類及其特性的分類及其特性 ( 一一 ) 分類分類 n當操作當操作GIS隔離開關時，在離它的不同隔離開關時，在離它的不同 距離處可觀察到不同的瞬變過程，可分距離

10、處可觀察到不同的瞬變過程，可分 為內部的和外部的為內部的和外部的VFTO。 n這是由于這是由于GIS內外裝備的布局和阻尼效內外裝備的布局和阻尼效 應引起行波的不同折射、反射的原因。應引起行波的不同折射、反射的原因。 n所有在所有在GIS網絡內產生的各種行波分量網絡內產生的各種行波分量 疊加形成其波形疊加形成其波形,VFTO的分類如圖的分類如圖6-2。 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6- -2 GIS內部和外部的陡波前過電壓的起源和分類內部和外部的陡波前過電壓的起源和分類 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 二二 ) VFTO的特性的特性 nGIS中的內部中的內部VFTO是由隔離開關和斷路是由隔離

11、開關和斷路 器操作及破壞性放電過程中所固有的快器操作及破壞性放電過程中所固有的快 速電壓波崩潰所產生的兩個行進的階躍速電壓波崩潰所產生的兩個行進的階躍 電壓引起。電壓引起。 n這些行波通過這些行波通過GIS和相連接的設備傳播。和相連接的設備傳播。 在每次阻抗突變時，反射和折射部分都在每次阻抗突變時，反射和折射部分都 被畸變，各種行波的疊加就形成了陡波被畸變，各種行波的疊加就形成了陡波 前過電壓波形。前過電壓波形。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 1 ) 階躍電壓；階躍電壓； ( 2 ) 由于由于GIS內母線管道波阻抗的多次內母線管道波阻抗的多次 微弱變化形成的甚高頻范圍微弱變化形成的甚高頻范圍

12、f1( 最高達最高達 100MHz )； ( 3 ) 由于由于GIS母線管道和電纜末端或架母線管道和電纜末端或架 空線終端處波阻抗的顯著變化而引起空線終端處波阻抗的顯著變化而引起 的反射形成的高頻范圍的反射形成的高頻范圍f2( 最高達最高達 30MHz )； ( 4 ) 由大電容的外部裝置引起的諧振產由大電容的外部裝置引起的諧振產 生的低頻范圍生的低頻范圍f3( 0.1MHz至至5MHz )。 第六章GIS中電磁兼容問題 n內部內部VFTO的波形取決于的波形取決于GIS的內部結構和外部的內部結構和外部 的配置。的配置。 n內部內部VFTO的幅值范圍為系統電壓的的幅值范圍為系統電壓的12.5倍。

13、倍。 nIEC61321-1技術報告，將內部技術報告，將內部VFTO、外部、外部 VFTO的典型波形如圖的典型波形如圖6-3、圖、圖6-4所示。所示。 n外部外部VFTO基本上是由內部基本上是由內部VFTO造成的，因此，造成的，因此， 它們具有相似的波形。它們具有相似的波形。 n外部外部VFTO的峰值主要取決于的峰值主要取決于GIS以外的設備，以外的設備， 但同樣取決于但同樣取決于GIS和和GIS的接地連接方法的接地連接方法 n外部外部VFTO幅值范圍為系統電壓的幅值范圍為系統電壓的12.5倍。倍。 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-3 6-3 由刀閘合閘引起的內部由刀閘合閘引起的內部VFT

14、O的典型波形的典型波形 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6- -4 外部外部VFTO的典型波形的典型波形 第六章GIS中電磁兼容問題 三、三、VFT0的影響因素的影響因素 nVFTO波形主要取決于波形主要取決于GIS的內部結的內部結 構和外部的配置，并隨位置變化。構和外部的配置，并隨位置變化。 nVFTO的幅值還與殘余電荷，開關的幅值還與殘余電荷，開關 的特性的特性( 如弧道電阻，開關結構，如弧道電阻，開關結構， 分合特性分合特性 )等有關。等有關。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 一一 ) 殘余電荷對殘余電荷對VFTO的影響的影響 n由殘留電荷產生的電位會因電荷通過絕緣子泄漏而逐由殘留電荷產

15、生的電位會因電荷通過絕緣子泄漏而逐 漸降低，漸降低， n殘留電荷會使殘留電荷會使VFTO升高，自由導電微粒飄浮的可能升高，自由導電微粒飄浮的可能 性加大。性加大。 nVFTO幅值與殘余電荷之間呈線性關系。主要是因為幅值與殘余電荷之間呈線性關系。主要是因為 回路本身是線性的?；芈繁旧硎蔷€性的。 n殘余電荷不同，同一點的殘余電荷不同，同一點的VFTO波形相同，幅值不同。波形相同，幅值不同。 n研究表明，殘留電荷的幅值與觸頭間擊穿電壓的不平研究表明，殘留電荷的幅值與觸頭間擊穿電壓的不平 衡度顯著相關。對于典型的、設計良好的刀閘，這一衡度顯著相關。對于典型的、設計良好的刀閘，這一 不平衡度通常為不平衡

16、度通常為1530，在這樣的殘留電荷下產生，在這樣的殘留電荷下產生 的過電壓值不超過的過電壓值不超過2.0p.u。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 二二 ) 開關弧道電阻的影響開關弧道電阻的影響 n當刀閘起弧時，弧道電阻當刀閘起弧時，弧道電阻R對過電對過電 壓有阻尼作用，在分合閘過程中壓有阻尼作用，在分合閘過程中R 是一個時變參數。是一個時變參數。 n弧道電阻對弧道電阻對VFTO的抑制作用很大。的抑制作用很大。 一般來說，各節點過電壓幅值隨弧一般來說，各節點過電壓幅值隨弧 道電阻增加而減小道電阻增加而減小. n因此因此GIS中隔離開關中加裝合閘電中隔離開關中加裝合閘電 阻可作為限制阻可作為限制V

17、FTO的一個措施。的一個措施。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 三三 ) 變壓器入口電容的影響變壓器入口電容的影響 n一般來說，變壓器入口電容增大，一般來說，變壓器入口電容增大， 各點過電壓倍數均增加。各點過電壓倍數均增加。 VFTO還受其他因素影響，如還受其他因素影響，如: n回路母線各段的長度回路母線各段的長度 n支持絕緣子電容量，支持絕緣子電容量， 但其影響程度對各節點來說并不一致。但其影響程度對各節點來說并不一致。 第六章GIS中電磁兼容問題 四、四、VFT0對避雷器和變壓器的影響對避雷器和變壓器的影響 n例如，某抽水蓄能電站的例如，某抽水蓄能電站的1號、號、2號單元的號單元的 MOA

18、的頻繁動作，以及的頻繁動作，以及1號主變壓器絕緣擊穿號主變壓器絕緣擊穿 事故，分析認為：與該電站中的事故，分析認為：與該電站中的500kV GIS 中中 刀閘的頻繁投切操作有關。刀閘的頻繁投切操作有關。 nGIS中刀閘操作引起的中刀閘操作引起的VFTO，雖幅值不算太，雖幅值不算太 高，但其等值頻率高、陡度大。高，但其等值頻率高、陡度大。 ( 1 ) VFTO作用在避雷器上會產生很大的脈沖電作用在避雷器上會產生很大的脈沖電 容電流，可引起避雷器的頻繁動作容電流，可引起避雷器的頻繁動作; 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 2 ) VFTO沿變壓器繞組近似于指數分布，沿變壓器繞組近似于指數分布， 首端

19、匝間絕緣將承受較高的電壓；首端匝間絕緣將承受較高的電壓； ( 3 ) VFTO所含的諧波分量較豐富，會在所含的諧波分量較豐富，會在 變壓器繞組的局部引起諧振；加上累積變壓器繞組的局部引起諧振；加上累積 效應等因素的影響，可能會使變壓器絕效應等因素的影響，可能會使變壓器絕 緣發生擊穿現象。緣發生擊穿現象。 第六章GIS中電磁兼容問題 五、五、VFTO的研究方法的研究方法 n理論分析、實驗室模擬試驗、調研和計算機的理論分析、實驗室模擬試驗、調研和計算機的 數值模擬計算，以及現場實測等。數值模擬計算，以及現場實測等。 n其中最可靠的是實測試驗和計算機數值模擬相其中最可靠的是實測試驗和計算機數值模擬相

20、 結合的方法。結合的方法。 n實測固然是最可靠的，但不現實，也沒有必要實測固然是最可靠的，但不現實，也沒有必要 讓電力系統承擔偌大的風險。讓電力系統承擔偌大的風險。 n關于運行方式，試驗條件乃至刀閘斷口瞬時電關于運行方式，試驗條件乃至刀閘斷口瞬時電 壓的幅值概率都可由通用的壓的幅值概率都可由通用的EMTP數值計算來數值計算來 設定。設定。 第六章GIS中電磁兼容問題 六、本節的主要結論六、本節的主要結論 ( 1 ) VFTO是由是由GIS刀閘切合容性負載時由于波阻抗的變刀閘切合容性負載時由于波阻抗的變 化引起大量的波的折反射而形成的，其振蕩頻率化引起大量的波的折反射而形成的，其振蕩頻率0.1

21、100MHz。 ( 2 ) GIS的結構布置及連接方式、刀閘的特性、結構及觸的結構布置及連接方式、刀閘的特性、結構及觸 頭運動速度和內部氣壓等是影響頭運動速度和內部氣壓等是影響VFTO幅值及波形的幅值及波形的 主要因素。主要因素。 ( 3 ) VFTO最大值一般不超過最大值一般不超過2.5p.u，低于電氣設備的雷，低于電氣設備的雷 電沖擊耐受水平，因而電沖擊耐受水平，因而VFTO能被能被MOA限制。一般不限制。一般不 會威脅到設計完備的會威脅到設計完備的GIS絕緣和與其聯接的電氣設備。絕緣和與其聯接的電氣設備。 ( 4 ) 但當但當GIS中的刀閘操作頻繁時，中的刀閘操作頻繁時，VFTO可引起可

22、引起MOA的的 頻繁動作，由于累積效應等因素的影響，有時也可能頻繁動作，由于累積效應等因素的影響，有時也可能 會發生變壓器絕緣的擊穿事故。會發生變壓器絕緣的擊穿事故。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 5 ) VFTO幅值與回路的殘余電荷關系較大，一幅值與回路的殘余電荷關系較大，一 般情況下，其幅值與殘余電荷量線性正相關。般情況下，其幅值與殘余電荷量線性正相關。 ( 6 ) 開關弧道電阻對開關弧道電阻對VFTO幅值影響較大，一般幅值影響較大，一般 情況下，隨弧道電阻的增大，情況下，隨弧道電阻的增大，VFTO幅值降低。幅值降低。 ( 7 ) VFTO還受其他因素影響：如變壓器入口還受其他因素影響：

23、如變壓器入口C、 回路母線各段的長度及支持絕緣子回路母線各段的長度及支持絕緣子C，其影響，其影響 程度各點不一。程度各點不一。 ( 8 ) 降低降低VFTO的主要措施有：的主要措施有： n優化優化GIS變電站設計；變電站設計； n改進改進GIS變電站聯接方式及優選參數，變電站聯接方式及優選參數， n采用優良的隔離開關，采用優良的隔離開關， n隔離開關加裝電阻等。隔離開關加裝電阻等。 第六章GIS中電磁兼容問題 第三節第三節 GIS中的暫態地電位升高問題中的暫態地電位升高問題 一、概述一、概述 n美國在美國在AEP的的UHV系統中測到高達系統中測到高達 100kV的暫態地電位升高的暫態地電位升高

24、( TGPR )， n加拿大在加拿大在GIS中測到中測到28.6kV的的TGPR， n國內某國內某220kV GIS變電站中也測到了上變電站中也測到了上 千伏的千伏的TGPR， 這些數字均已超過傳統概念所能接受的這些數字均已超過傳統概念所能接受的 數值。數值。 第六章GIS中電磁兼容問題 nGIS中的刀閘操作、母線接地以及做耐壓試中的刀閘操作、母線接地以及做耐壓試 驗時母線對外殼的瞬間放電都會產生前沿很驗時母線對外殼的瞬間放電都會產生前沿很 陡的暫態電壓波。陡的暫態電壓波。 nGIS的母線是同軸圓筒式結構，當母線上流的母線是同軸圓筒式結構，當母線上流 過前沿很陡的暫態電流時，則會以波的形式過前

25、沿很陡的暫態電流時，則會以波的形式 傳播。傳播。 n因暫態電流的等值頻率很高，強烈的集膚效因暫態電流的等值頻率很高，強烈的集膚效 應使電流波僅沿母線的外表層及外殼的內表應使電流波僅沿母線的外表層及外殼的內表 層流動，并且外殼電位保持為零。層流動，并且外殼電位保持為零。 n只有當電流波遇到波阻抗變化，發生波的折只有當電流波遇到波阻抗變化，發生波的折 射和反射時，才會使外殼產生暫態地電位升射和反射時，才會使外殼產生暫態地電位升 高高TGPR 或外殼電位升高或外殼電位升高TEV 。 第六章GIS中電磁兼容問題 n一方面對二次設備構成過電壓的威脅，另一方面一方面對二次設備構成過電壓的威脅，另一方面 電

26、磁場從殼體向四周輻射并可危害到二次設備，電磁場從殼體向四周輻射并可危害到二次設備， 引起電磁騷擾引起電磁騷擾 。 nTGPR具有持續時間短，頻率高和陡度大的特點，具有持續時間短，頻率高和陡度大的特點， 其危害主要表現在：其危害主要表現在： ( 1 ) 對弱電設備產生騷擾，影響正常的功能，以致對弱電設備產生騷擾，影響正常的功能，以致 誤動或拒動；誤動或拒動； ( 2 ) 對弱電二次設備的絕緣形成威脅，甚至擊穿短對弱電二次設備的絕緣形成威脅，甚至擊穿短 路。也可能擊穿路。也可能擊穿GIS的某一絕緣部件，乃至間隔的某一絕緣部件，乃至間隔 造成接地短路事故。造成接地短路事故。 ( 3 ) 如果在暫態過

27、程中觸及如果在暫態過程中觸及“接地接地”的設備外殼的設備外殼 ( GIS外殼外殼 )就會感到刺痛或失控，危及人身安全。就會感到刺痛或失控，危及人身安全。 第六章GIS中電磁兼容問題 二、二、TGPR的產生機理的產生機理 n研究研究TGPR產生機理的常用模型如圖產生機理的常用模型如圖6-5所示。所示。 nGIS空氣側的空氣側的TEV和外部和外部VFTO產生的機理可通產生的機理可通 過過GIS空氣終端看作是三個傳輸線的連接來分析：空氣終端看作是三個傳輸線的連接來分析： ( 1 ) 同軸同軸GIS傳輸線傳輸線; ( 2 ) 由套管導體和架空線形成的傳輸線；由套管導體和架空線形成的傳輸線； ( 3 )

28、 GIS外殼到大地的傳輸線。外殼到大地的傳輸線。 這三部分的傳輸線的波阻抗分別為這三部分的傳輸線的波阻抗分別為Z1、Z2、Z3。 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-5 6-5 GIS中暫態地電位升高原理分析圖中暫態地電位升高原理分析圖 ( (a) )母線結構；母線結構；( (b) )流動波簡化模型；流動波簡化模型；( (c) )等值電路等值電路 Z1母線對外殼的波阻；母線對外殼的波阻；Z2套管外側架空線的波阻套管外側架空線的波阻 Z3母線外殼對地的波阻母線外殼對地的波阻 第六章GIS中電磁兼容問題 n當內部行波傳播到當內部行波傳播到 SF6 /Air套管時：套管時： ( 1 ) 瞬態電壓的一

29、部分被耦合到架空線至地的瞬態電壓的一部分被耦合到架空線至地的 傳輸線上并產生外部傳輸線上并產生外部VFTO； ( 2 ) 另一部分被耦合到另一部分被耦合到GIS外殼至地的傳輸線外殼至地的傳輸線 上并產生上并產生TEV。 n 設一暫態電壓波設一暫態電壓波u0沿母線向套管方向傳播，沿母線向套管方向傳播， 如圖如圖6-5（a ）所示。當）所示。當uO波到達波到達A點后發點后發 射折、反射。圖射折、反射。圖6-5( b )為波形到達為波形到達A點前后點前后 高頻電流的路徑。由此可導出圖高頻電流的路徑。由此可導出圖6-5( c )的的 等值電路。等值電路。 第六章GIS中電磁兼容問題 n根據等值電路可計

30、算出外殼上根據等值電路可計算出外殼上A點點 的折射波電壓的折射波電壓u3 式中負號表示外殼上電壓式中負號表示外殼上電壓u3，總是，總是 與母線電壓與母線電壓u0符號相反，故符號相反，故A點的點的 折射系數為：折射系數為： 0 321 3 3 2 u ZZZ Z u 321 3 13 2 ZZZ Z S 第六章GIS中電磁兼容問題 n為了保證運行安全，母線外殼至少有一為了保證運行安全，母線外殼至少有一 點接地。設點接地。設p點處有一接地引下線將外殼點處有一接地引下線將外殼 與接地網相連，此接地引下線可降低與接地網相連，此接地引下線可降低p點點 的暫態電位。其機理如下：的暫態電位。其機理如下： (

31、 1 ) 接地引下線波阻抗接地引下線波阻抗Zp與與Z3并聯，降低并聯，降低 外殼上的折射波電壓外殼上的折射波電壓u3，如圖，如圖6-6(a)所示。所示。 u3沿外殼流動至接地點沿外殼流動至接地點p，在，在p點產生折點產生折 射和反射。由圖射和反射。由圖6-6( b )的等值電路可得的等值電路可得: 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-6 6-6 外殼接地引下線的影響外殼接地引下線的影響 ( a ) 接地引下線示意圖；接地引下線示意圖； ( b ) 計算接地引下線影響的等值電路計算接地引下線影響的等值電路 第六章GIS中電磁兼容問題 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中電磁兼容問題 ( 2 ) 波在引下線上傳播，遇到接地網后產生負波在引下線上傳播，遇到接地網后產生負 反射。當反射波到達反射。當反射波到達p點的時間點的時間: ( 為引下線長度為引下線長度 ,折射波的波頭時間為折射波的波頭時間為 )時，時， 可降低可降低p點的點的TGPR值。值。 當當GIS外殼出現外殼出現TGPR時，沿電纜外皮流時，沿電纜外皮流 過暫態電流，在芯

33、線上感應出暫態電勢，以過暫態電流，在芯線上感應出暫態電勢，以 致騷擾損壞二次設備。致騷擾損壞二次設備。 n圖圖6-7為分析感應電勢產生機理的阻抗分布圖。為分析感應電勢產生機理的阻抗分布圖。 n當當GIS的外殼電位升高為正時，的外殼電位升高為正時， 二次電纜芯二次電纜芯 線中的感應電勢可按圖線中的感應電勢可按圖6-8的等值電路計算。的等值電路計算。 p v l t 2 l 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-7 6-7 二次電纜的阻抗分布圖二次電纜的阻抗分布圖 Zl 輸入阻抗輸入阻抗( (GIS端端) )；Z2 連接線阻抗；連接線阻抗； Z3 輸出阻抗輸出阻抗( (控制室端控制室端) )；Z4

34、4 接地引線阻抗 接地引線阻抗 Z01 電纜的波阻抗；電纜的波阻抗；Z02 電纜外皮的波阻抗電纜外皮的波阻抗 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-86-8 計算芯線感應電勢的等值電路計算芯線感應電勢的等值電路 第六章GIS中電磁兼容問題 n故芯線上的感應電勢為故芯線上的感應電勢為 nuc沿電纜芯線傳播并騷擾接至電纜沿電纜芯線傳播并騷擾接至電纜 終端的二次設備。終端的二次設備。 E ZZ Z ZZ Z u A A c 011 1 2 )( /1/1 1 10120 ZZZ Z A 第六章GIS中電磁兼容問題 三、三、TGPR的特性的特性 nTGPR(或或TEV)基本上是內部基本上是內部VFTO造

35、成造成 的。的。TEV的峰值取決于外殼離地面的高的峰值取決于外殼離地面的高 度、外殼與接地系統連接的方式及接地度、外殼與接地系統連接的方式及接地 系統本身。系統本身。 n 通常，通常，GIS外殼上的外殼上的TEV由三個主要頻由三個主要頻 率范圍的分量疊加在率范圍的分量疊加在“階躍電壓階躍電壓”上構上構 成。成。 n由于由于GIS接地聯接的阻抗很低，所以，接地聯接的阻抗很低，所以， 階躍電壓通常在最初的幾毫秒內衰減。階躍電壓通常在最初的幾毫秒內衰減。 第六章GIS中電磁兼容問題 n三部分分量是：三部分分量是： ( 1 ) 甚高頻范圍甚高頻范圍 f1 ( 最高達最高達100MHz )，由，由 GI

36、S外殼和其內部波阻抗多次輕微變化外殼和其內部波阻抗多次輕微變化 所致所致( 即支撐、彎管、接地聯接等即支撐、彎管、接地聯接等 )； ( 2 ) 高頻范圍高頻范圍 f2 ( 最高達最高達30MHz )，由于，由于 GIS外殼接地引線等波阻抗的顯著變化外殼接地引線等波阻抗的顯著變化 引起的反射所形成的；引起的反射所形成的； ( 3 ) 低頻范圍低頻范圍 f3 ( 0.11MHz )，由外部大，由外部大 設備的集中電容，例如電力線載波系統設備的集中電容，例如電力線載波系統 的耦合電容器引起的諧振而產生的。的耦合電容器引起的諧振而產生的。 第六章GIS中電磁兼容問題 n當有強阻尼時當有強阻尼時( 即有

37、許多低阻抗接地即有許多低阻抗接地 )， TEV的持續時間少于幾個微秒。在這種的持續時間少于幾個微秒。在這種 情況下低頻分量是少的。情況下低頻分量是少的。 n因此，因此，TEV波形主要取決于波形主要取決于GIS的接地的接地 而其峰值可能為而其峰值可能為0.010.5倍系統電壓。倍系統電壓。 n典型的典型的TEV如圖如圖6-9所示，所示， n表表6-3給出三個頻率范圍的分量的加權因給出三個頻率范圍的分量的加權因 數的范圍數的范圍 第六章GIS中電磁兼容問題 表表6-3 TEV的加權因數的加權因數 i 123 Wi=A(fi)/P 0.10.2 0.70.8 0.050.1 第六章GIS中電磁兼容問

38、題 圖圖6- -9典型的典型的TEV波形波形 第六章GIS中電磁兼容問題 五、限制暫態地電位升高的措施五、限制暫態地電位升高的措施 ( 1 ) 降低母線筒高度，增大母線筒直徑，降低母線筒高度，增大母線筒直徑， 以減小外殼對地的波阻抗以減小外殼對地的波阻抗 和接地引和接地引 下線的長度。下線的長度。 ( 2 ) 接地線應盡可能靠近進出線端，以提接地線應盡可能靠近進出線端，以提 高接地線的效果。高接地線的效果。 ( 3 ) 沿母線長度方向增加接地引下線的沿母線長度方向增加接地引下線的 數量。數量。 0 321 3 3 2 u ZZZ Z u 3 Z 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 4 ) 采用扁而

39、寬的接地引下線，甚至采用采用扁而寬的接地引下線，甚至采用 與母線筒平行的金屬板作接地引下線，與母線筒平行的金屬板作接地引下線， 這樣可使引下線的電感降低。這樣可使引下線的電感降低。 ( 5 ) 各組外殼管道在進出線端部互聯在一各組外殼管道在進出線端部互聯在一 起，可降低阻抗，從而也可降低起，可降低阻抗，從而也可降低TEV值。值。 ( 6 ) 在母線外殼和地之間安裝金屬板或加在母線外殼和地之間安裝金屬板或加 裝與母線筒垂直并相連的接地金屬板，裝與母線筒垂直并相連的接地金屬板， 以屏蔽波的傳播增加反射次數，從而可以屏蔽波的傳播增加反射次數，從而可 達到降低達到降低TEV的作用。的作用。 ( 7 )

40、 GIS下面的接地網應適當加強，以降低下面的接地網應適當加強，以降低 接地電阻，確保運行人員不受電擊。接地電阻，確保運行人員不受電擊。 第六章GIS中電磁兼容問題 n降低二次電纜中的暫態感應電勢的措施降低二次電纜中的暫態感應電勢的措施: ( 1 ) 在電纜入口處安裝電容、在電纜入口處安裝電容、ZnO浪涌吸收器等；浪涌吸收器等； ( 2 ) 采用低波阻抗電纜采用低波阻抗電纜(差模騷擾小差模騷擾小)； ( 3 ) 增加母線外殼與電纜外皮連線的阻抗增加母線外殼與電纜外皮連線的阻抗(共模騷共模騷 擾小擾小) 。 n增強二次設備抗騷擾能力的措施增強二次設備抗騷擾能力的措施 ( 1 ) 對二次設備采用電磁

41、屏蔽措施及防過電壓措對二次設備采用電磁屏蔽措施及防過電壓措 施施( 如浪涌吸收器如浪涌吸收器 )。 ( 2 ) 二次設備引出線應在遠離各進出線端的部位二次設備引出線應在遠離各進出線端的部位 向外引出。亦即使二次線從向外引出。亦即使二次線從TGPR最小的部位最小的部位 向外引出。向外引出。 第六章GIS中電磁兼容問題 n以上措施，可根據實際情況，在設以上措施，可根據實際情況，在設 計計GIS變電站時選用。變電站時選用。 n另外，有條件的情況下，新另外，有條件的情況下，新GIS變變 電站投運時，最好進行投運時的現電站投運時，最好進行投運時的現 場實測，以便發現場實測，以便發現GIS內部缺陷，內部缺

42、陷， 確保人身及設備的安全和變電站的確保人身及設備的安全和變電站的 正常運行。正常運行。 第六章GIS中電磁兼容問題 第四節第四節 GIS中開關操作等暫態過中開關操作等暫態過 程產生的瞬態輻射騷擾程產生的瞬態輻射騷擾 一、一、 產生機理及其危害產生機理及其危害 n 由由GIS開關操作引起開關操作引起VFTO ，VFTO行波沿行波沿 母線外皮和外殼內表面傳播。當遇到外殼不母線外皮和外殼內表面傳播。當遇到外殼不 連續處就會產生折反射，從而引起外殼電位連續處就會產生折反射，從而引起外殼電位 升升( TEV )。 n沿沿GIS母線導管傳播的母線導管傳播的VFTO和沿和沿GIS殼體與殼體與 接地系統的暫

43、態地電位升高接地系統的暫態地電位升高( TGPR )都會產都會產 生瞬態電磁場，形成輻射騷擾。生瞬態電磁場，形成輻射騷擾。 第六章GIS中電磁兼容問題 n前者的場強較高，頻率亦高，會穿越氣前者的場強較高，頻率亦高，會穿越氣 隔間的法蘭形成空間輻射騷擾；隔間的法蘭形成空間輻射騷擾； n后者的場強遠低于前者，幅值騷擾也小后者的場強遠低于前者，幅值騷擾也小 得多，但同樣會建立起場強為數至十幾得多，但同樣會建立起場強為數至十幾 kV/m，頻率為數至數十，頻率為數至數十MHz的瞬態電的瞬態電 場。場。 n瞬態電場會對瞬態電場會對GIS周圍空間的弱電設備周圍空間的弱電設備 產生騷擾，由產生騷擾，由TEV引

44、起的暫態電磁輻射，引起的暫態電磁輻射， 也可能會對處于變電站的人身構成一定也可能會對處于變電站的人身構成一定 的威脅。的威脅。 第六章GIS中電磁兼容問題 n瞬態電磁場的數值和頻率取決于瞬態電磁場的數值和頻率取決于GIS的的 結構及布置，鑒于對弱電設備的騷擾，結構及布置，鑒于對弱電設備的騷擾， 因而變電站采用先進的計算機控制設備因而變電站采用先進的計算機控制設備 時，必須考慮時，必須考慮EMC問題。問題。 n表表6-4給出了國外對給出了國外對GIS中隔離開關操作中隔離開關操作 產生的瞬態電磁場的典型實測值，測量產生的瞬態電磁場的典型實測值，測量 點位于點位于SF6/Air 附近的母線筒和地之間

45、，附近的母線筒和地之間， 該位置是場強最大處。該位置是場強最大處。 n圖圖6-12和圖和圖6-13分別給出了國外分別給出了國外230kV GIS中暫態電場和中暫態電場和230kV GIS中暫態磁場中暫態磁場 典型的實測波形。典型的實測波形。 第六章GIS中電磁兼容問題 表表6-4 GIS中隔離開關操作產生的瞬態電磁場中隔離開關操作產生的瞬態電磁場 ( SF6 / Air 附近的母線筒和地之間的典型實測值附近的母線筒和地之間的典型實測值) 系統電壓系統電壓( kV ) 230500 電電 場場 場強場強( 峰峰-峰值峰值 ) 5 kV/m 7 kV/m 主導頻率主導頻率 115 MHz 20MH

46、z 持續時間持續時間 1S 4S 波形類型波形類型 雙極性雙極性 雙極性雙極性 磁磁 場場 場強場強( 峰峰-峰值峰值 ) 80 A/m 110A/m 主導頻率主導頻率40 MHz 10 MHz 持續時間持續時間 4 S 10 S 波形類型波形類型 雙極性雙極性 雙極性雙極性 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6- -12 典型的典型的230kV GIS中暫態電場實測波形中暫態電場實測波形 第六章GIS中電磁兼容問題 圖圖6-6-13 典型的典型的230kV GIS中暫態磁場實測波形中暫態磁場實測波形 第六章GIS中電磁兼容問題 二、二、GIS外殼對沿外殼對沿GIS母線傳播母線傳播VFTO 產生

47、的輻射電磁場的屏蔽作用產生的輻射電磁場的屏蔽作用 ( 一一 ) 理想介質中的正弦平面電磁波理想介質中的正弦平面電磁波 n設空間任一點設空間任一點(原點原點)處電場強度為：處電場強度為： )sin( 00 tEE m 000 /ZEH )sin()sin( 0 0 0 0 tEt Z E H m m 由于由于 則則 第六章GIS中電磁兼容問題 n離原點離原點x處，與表達式為：處，與表達式為： )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中電磁兼容問題 n可見，在理想介質中，正弦平面電磁波可見，在

48、理想介質中，正弦平面電磁波 在空間任一點的電場強度與磁場強度都在空間任一點的電場強度與磁場強度都 是距離與時間的正弦函數，而且它們在是距離與時間的正弦函數，而且它們在 相位上是相同的。相位上是相同的。 n上式中上式中 為媒質的波阻抗，為媒質的波阻抗， 為波的相位系數，為波的相位系數，取決于波的取決于波的 頻率及空間電介質的電容率與磁導率。頻率及空間電介質的電容率與磁導率。 / 0 Z v/ 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 二二 ) 導電媒質中的平面電磁波導電媒質中的平面電磁波 n若此空間僅沿若此空間僅沿x方向傳播平面電磁波，方向傳播平面電磁波， 則此時則此時 n 不考慮反向行波時不考慮反向行波

49、時(媒體無限大時媒體無限大時) 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中電磁兼容問題 n 從上式可以看出，在導電媒質從上式可以看出，在導電媒質 中的正弦平面電磁波，其中的正弦平面電磁波，其E矢量矢量 與與H矢量在空間仍是彼此正交的。矢量在空間仍是彼此正交的。 n與理想電介質中不同，沿著波的與理想電介質中不同，沿著波的 傳播方向傳播方向( x方向方向 )波的振幅逐漸波的振幅逐漸 衰減，而且空間任一點上彼此相衰減，而且空間任一點上彼此相 位不同。位不同。 第六章GIS中電磁兼容問題 ( 三三 ) 波的傳播系數與透入深度波的傳播系數與透入深度 n波的傳播系數為波的傳播系數為 n 稱為波幅的衰減系數；稱為波幅的衰減系數；稱為波的相位系稱為波的相位系 數。它們都決定于波源的頻率及周圍媒質的數。它們都決定于波源的頻率及周圍媒質的 性質。衰減系數愈大，波在導電媒質中衰減性質。衰減系數愈大，波在導電媒質中衰減 愈快。