电力系统中的电磁现象及模拟计算

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1、电磁 兼 容 论 文 集 电力系统中的电磁现象及模拟计算 聂定珍张 广州万 保权 国家电力公司武汉高压研究所4 3 0 0 7 4 摘要本文概述了电磁环境的基本分类， 描述了电力系统高压变电站中各种电49 现象的特性及强度， 介绍了用E M T P程序模拟暂态电磁现象的必要性及可能性， 最后 给出了用E M T P 计算二次电缆上干扰电压的示例。 关“ 电答 力“ 模 拟 计 算几 三 认 _ 象 峨 一、 引言 电 力系统中的各种电气设备通过电或磁的联系 彼此紧密相连， 相互影响。由于雷电、 开关 操作、 运行方式的改变、 故障 等引起的电 磁现象会波及很多电气设备， 使其性能 受到影响，

2、甚至 遭到破坏。即使在正常运行状态下， 整流设备及非线性元件等产生的谐波也会危害其他设 备， 大电流、 高电压输变电设施产生的无线电于 扰、 工频电磁场都会对环境造成影响， 因此电力系统 中 存在着大量的E M C 问 题。 由于对电力系统自动化程度及对运行可靠性要求的不断提高， 实现了利用微机对主设备的 继电保护和监控， 以微电子兀器件为主要元件的控制、 保护、 信号、 监测等设备在变电站中得到 广泛应用， 这些设备对电磁骚扰具有更明显的敏感性和脆弱性， 此外， 越是电压高、 容量大的变电站， 越是需要应用更加先进的二次设备来对一次系统进行 保护和监 控。同时， 又由于一次系统电压高、 容量

3、大， 所产生的电磁骚扰现象也更严重， 对二次 回路造成更强烈的影响， 因此， 认真研究电力系统中的电磁暂态现象， 弄清骚扰源的特性与强 度， 对设备的电磁兼容性设计、 确保二次设备的可靠运行是非常必要的。 二、 电 磁环境的分类 ( 一) 电磁现象的基本分类 电磁环境是给定区域存在的全部电磁现象， 大致可用三类现象来描述: 低频现象( 传导的和辐射的， 除E S D以 外的任何源) ; 高频现象( 传导的和辐 射的， 除E S D 以外的任 何源) ; 静电放电( E S D ) 现象( 传导的和辐射的) 。 ( 二) 端口的概念 电磁骚扰以辐射和传导方式侵害设备。端日就如传输的“ 媒介” ，

4、 通过这些端口， 电磁骚扰 进出所关注的设备， 且骚扰现象的性质和骚扰程度与端口的类型有关。比如辐射骚扰如果是在 1 9 8 电磁 兼 容论 文 集 所关注的设备外壳以外藕合到与设备相连的导线上， 那么对设备来说， 就变成了从电源或信号/ 控制等端口进人的传导骚扰。而真正的辐射骚扰是通过设备外壳端口进人设备的骚扰。 辐射骚扰出现在设备周围的媒介中， 而传导骚扰出现在各种金属性媒介中。端口的概念可 以对各种媒 介加以区分， 从而将端口分为5 类: 1 ) 外壳端F I ; 2 ) 交流电源端口 ; 3 ) 直流电源端口; 4 ) 控制 / 信号线路端口 ; 5 ) 接地端口， 即 系统和地或参考

5、地之ffn i 的连接。各种位置类别的兼容水 平是按照对应的端口概念作出的 ( 三) 环境分类与设备位置 电磁环境的分类， 除前述的电磁现象外， 主要是按设备安装/ 工作的位置和骚扰人侵的设备 端口 进行， 并用两 个参 数来规定电磁现象的骚扰情况: 骚扰度和骚扰水平。 骚扰水平是一个给 定的、 用特定的方法测量的电磁骚扰水平; 骚扰度是与在所关注的环境中遇到的特定电磁现象 相对应的、 骚扰水平范围内所规定的量化强度( 或等级) 。所有的电磁现象均可分为若干个骚扰 度， 不同环境的每个骚扰度都有相应的骚扰水平。 设备安装的位置千差万别， 若将所有位置进行分类， 那么列出的分类的范围太广， 变得

6、十分 复杂。因此， 应按相关端口的属性来划分位置， 在文f 门的附录 A中， 按相关端口的属性列举了 八类位置。 这8 类位置 的典型代表分别为: ( 1 ) 农村居民区; ( 2 ) 城市居民区; ( 3 ) 商业区; ( 4 ) Ve 工业区; ( 5 ) 重工业区、 发电厂或开关站; ( 6 ) 交通区; ( 7 ) 通信中心; ( 8 ) f院。 三、 电力系统中的电磁现象 电力系统是复杂电磁环境的代表， 按一般分类的概念， 绝大多数电磁骚扰现象均会发生， 如 低频的、 高频的、 传 导的或辐射的、 连续的或暂态的， 以及静电放电 下面列举在电力系统的设备 端口， 部分电磁现象可能达到

7、的骚扰水平， 其中U 。 为正常运 行电压， n为谐波次数。 ( 一) 外壳端口 低 频辐射: 工 频电 场2 0 k V / m ; 工频磁场3 0 A / m ; 谐波磁场3 0 / a A ,/ m . 高 频振荡辐射: 9 k H z 一 2 7 M H z , 3 0 V / m ; 2 7 一 I O O O M H z , l O V / m 高 频脉冲 辐射: 雷电波 脉冲， I O O V / ( m - n s ) ; G I s 开关开断脉冲， 3 0 0 0 V / ( m “ n s ) ; 非G Is 开关 开断脉冲， I O O O V / ( m “ n s )

8、 c ( 二) 交流电源端口 谐波: 各次谐波的骚扰水平随 n 变化 低频传导: 电压波动f - 1 0 % U; 电压暂降3 s , ( 1 0一 9 9 ) % U ; 短时中断 6 0 s , 频率变化 2 % 。 高频传导: 连续波( I O k H : 一1 5 0 M H z ) , 3 V , 2 1 m A; 单向暂态( 雷电波) , 4 k V ; 振荡暂态( 0 . 5 5 M H z ) , 2 k V ( 三) 直流电源端口 低 频传导: 电压波动 3 %认; 电 压暂降 8 0 0 m s , ( 1 0 一 9 9 ) % U 高频传导: 连续波( I O k H

9、z 一1 5 0 M H z ) , 3 V , 2 mk ; 单向暂态( 雷电波) , 2 k V ( 四) 控制/ 信号线路端口 高 频传导: 连续波， l o v时7 0 m A ( I O k H z 一 1 5 0 M H z ) , 3 0 V时2 1 0 m A ( 0 . 1 5 一 3 0 M H z ) , 3 V时 1 9 9 电磁兼容论文集 2 l n A ( 3 0 一1 5 0 M H z ) ; 单向暂态( 雷电波) , 4 k V ,振荡暂态( 0 . 5 一 5 M H z ) , I k V o ( 五) 接地端口 供电网 络故障时的低频感应， I O O

10、O V 四、 用E M T P 程序研究 暂态电 磁现象 关于电 力系统中暂态电磁 现象的监 测和模拟， 一直受到世界各国电 力工 作者的高度v #9 , o 美国 E P R I 自6 0 年代末开始， 对变电站的暂态电磁现象进行了大量的实测和模拟计算， 得到 f 大 量 的 数 据 ， 为 电 力 系 统 运 行 设 备 的E M C 设 计 提 供 了 科 学 依 据 。 意 大 利 、瑞 士 、南 斯 拉 戈 、 英 国 等 国 家 也 进 行了 大 量 的 试 验 研 究 工 作 二 众所周知， 暂态电磁现象会受到诸多不确定因素的影响， 因此极具随机性Ll通过几次实侧 得到的数据，

11、不能反映一般规律而作为典型代表数据为此必须进行长期的. 大量的试验和测 量工作。从方便 、 快捷、 经济等方面来讲， 利用计算机进行数字模拟计算是完全必要的。 美国E P R I 编制了计算母线及其周围空间电磁暂态对二次回路干 扰影响的程序， 通过大蔓 验证试验， 计算结果与同样条件下实测的结果基本一致因此， 用该程序进行变电站内可能出 现的各种最严重情况下的于扰预测是可能的 E M T P 程序是国际上通用的大型电力系统计算程序 主要用来研究电力系统的电磁暂态过 程。例如， 分析计算系统中各种操作、 故障引起的暂态过电压、 敌障电流、 大型机组轴系扭振 机 电相互作用时域分析、 控制系统对系

12、统暂态过程的影响。此外， 对于 一 般的电气电子 线路， 以及 能等价地应用电气电路来分析计算的所有问题， 也可用它来解决 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。 采用节 点编号优化和稀疏矩阵算法， 以节 点电 压为末知量， 利 用矩阵 三角分解求解， 求1+各 支 路的 电 流 、 电 压 和 所 有 消 耗的 功率 、 能 量 ， 下面是利用 E M T P程序， 对由开关操作、 雷电侵人波及母线单相接地三种典型方式在二次 电缆中引起的干扰电压的模拟计算示例。i f 算结果与国外的实测及试验结果比较近1 E i ， 因此是 可 信 的。

13、五、 应用举例 一) 计算模型 二次电缆是一次设备同二次设备之间信号联系的桥梁， 一次对 二 次千扰最容易通过这个桥 梁而引起， 所以以此为例进行模拟计算。计算中电缆的接地方式取 目前常用的单端接地方式 下面的计算是针对某5 0 0 k V变电站进行的 考虑到变电站的一次、 二次回路， 电缆回路和地网都很复杂， 要完全模拟是不可能的。为此 采用简化模型， 把高压 一次线、 低压三次电缆和接地网导体看成一个统一的多 导体系统， 利用 E M T P的线路参数子程序计算它们的关系矩阵( 即计算回路的输人参数) 后， 再进行计算。这时 的电 缆模V ! 既考虑与一 次线的静电祸合( 以 它们之间的电

14、容表 示) ， 又考虑磁的藕合( 以 它们之 间的电感表示) 。加上与其它回路相互连接， 还能反映一定的电阻性传导作用这样的电缆模 型称为与母线有藕合关系的电缆模,I ? o 另一种电缆模型是不包括一次线的多导体系统， 用同样的方法计算出关系矩阵而得到的， 1 9 0 电磁兼容论文集 称为与母线无藕合关系的电缆模型。.L是模拟理想的、 没受 ， 次干扰的电缆。 计算取三相高压母线、 四 相电 缆芯线、 一 相电 缆外皮导 线束和一 相地网导线束， 共九 相。它 们的物理位置关系见图 t 。计算的电缆电气参数如下: 统 肇 卜1 、 飞今 、 1 、 、 图 1 电缆模型的物理位N图 波阻抗2二

15、 9 0 5 2 传播速度。 二l 5 m / 1e s 计算干扰电压时， 二次电缆芯线与外皮的接法按测量电缆祸合阻抗时的连接方法 在接地 端芯线和外皮连接在一起， 干扰电压在另一端测量 考虑 到变电 站地网有许多架空地线分流， 还有许多设备的 对地电容电流流 人地网， 所以计 算中还考虑 了 四根架空地线分流， 考虑了电容式电压互感器接地端与地网的连接。设备和电缆 接地引线的电阻、 电 感分别按0 . 0 1 。及卜H 考虑。 ( 二 计算结果 根据现有资料及运行经验来看， 二 二 次电缆芯线 上 的干扰电压以变电站遭受雷击时最为严 重， 其次是高压 一 次短路接地故障， 再其次是变电站内开

16、关操作。下表列出了这王种情况下， 二 次电缆上的干扰 电压 ( 外皮在设备端接地 ) 1 9 1 电磁 兼 容论 文 集 表 2 三种工况下二次电缆上的干优电压计算结果 运 行 工 况 项目 与母线有辆合 关系的电缆 无藕合关系的 电缆 雷击 外皮 电位 设备端 8 . 8 k V 8 .8 k V _ 一一 控 制 室刃 O k V 2 1 . 4 k V 外皮 电 流 设备端 1 .O k A o . 8 k A 控 制 室 0 一es es， 一 0 芯线对地干扰电压 1 6 . O k V 2 WO k V 芯线之间干扰电压 1 . 2 k V 0 . 1 k V 高压 母 线 单相 接 地 故障 外皮 电位 设备端 2. 1 k V 0 . 3 3 k V 控 制 室 6. O k V 0 .4 2 k 杯 外皮 电 流 设备端 0. 5 k A0. 0 2 3 k A 控 制 室 00 芯线对地干扰电压 6. 8 k V0 . 6 3 k V 芯线之间干 扰电压一。 一 3 3 k