变电站传导骚扰分析.docx
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变电站传导骚扰分析
目录
摘要1
Abstract2
1绪论3
1.1选题背景3
1.2变电站电磁兼容研究现状3
1.2.1国外研究现状3
1.2.1国内研究现状4
2变电站电磁骚扰的6
2.1变电站电磁骚扰机理分析6
2.1.1骚扰路径6
2.1.2电磁骚扰源7
2.1.3开关操作瞬态骚扰7
2.2传导耦合模型8
2.3传导骚扰测量8
2．3.1测量仪器介绍8
2.3.2测量9
3仿真变电站传导骚扰11
3.1软件介绍11
3.2仿真开关操作产生瞬态电压和瞬态电流11
3.3开关操作传导骚扰15
4总结17
参考文献18
致谢19
摘要：
在变电站错综复杂的电磁环境中如何实现电磁兼容，使个种电力设备或系统都能正常并可靠工作，已成为电力领域都必须关注的重要问题之一。
变电站电磁骚扰已成为电力系统研究的主要方向。
为了仿真分析变电站开关操作在二次回路产生的传导骚扰，提出传导骚扰整体计算模型的概念，并建立模型。
在这个模型整体中，通过建立变电站一次系统传输模型、用有理函数建立了用于计算传导耦合的PT/CT的高频模型、用于计算阻性传导多端口帝王模型和二次电缆传输线模型。
把这些模型植入ATP-EMTP后部仅可以计算一次系统的特快暂态电压和暂态点位升高，还可以计算二次系统的干扰信号。
关键词：
变电站传导骚扰开关操作电压互感器与电流互感器二次电缆
Abstract：
HowtoachieveEMCintheintricateelectromagneticsurroundingsinordertoguaranteethecredibilityofsystemsandequipmentshavebecomeanimportantprobleinthefieldofelectricprower。
Asimulationmodelissetupinordertocalculatetheconductivedisturbingviltageinsecondarycircuitcausedbudisconnectouorcircuitbreakeroprationsintransformersubstation。
Inthismodel,Byestablishingasystemofsubstationtransmissionmodelisestablished,witharationalfunctioncanbeusedtocalculatethetransmissioncouplingofPT/CThigh-frequencymodel,canbeusedtocalculatethetransmissionmulti-portemperorofresistanceandcabletransmissionmodel。
ByincorporationthemintoATP—EMPT，oncecanusethisconductivecooplingmodeloftransformersubstationtocalculatenotonlytheVFTOandTGPRintheprimarycircuitbutalsothedisturbingvoltageinthesecondarycircuitsintransformersubstation。
Keywords：
transformersubstation，conductivedisturbing，switchingoperation，potentialandcurrenttransformers（PT/CT），secondarycable
1绪论
1.1选题背景
随着电力系统的发展由于电力的区域性分布，变电站在电力系统中起着不可或缺的重要位置。
变电站在有限空间内汇集了众多一次设备和二次设备,是一个包含强电设备和弱电设备的电磁环境非常复杂的系统。
正常运行时，变电站内空间中存在强工频电磁场。
当一次回路中发生开关操作、系统故障或雷击时，空间会有强瞬态电磁场产生。
强工频与强瞬态电磁场对变电站二次回路产生骚扰。
电力系统电磁兼容问题研究热点较多，其中研究的电磁兼容和电磁骚扰的主要方向为[1]：
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二次设备下放到开关场问题；
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已有线路加挂乘式全介质光缆问题。
从以上热点可以看出，变电站开关操作产生的瞬态电磁场对二次回路的骚扰问题已成为研究变电站电磁骚扰的主要内容之一。
1.2变电站电磁兼容研究现状
1.2.1国外研究现状
随着电力系统的不断发展，电压等级越来越高，二次设备的智能化和小型化，电力系统内部经常发生一次系统对二次设备的电磁骚扰从而影响整个电力系统的正常运行，甚至导致整个电力系统的瘫痪。
作为影响电力系统安全运行的一个重要因素就是电力系统电磁兼容问题。
电力系统运行的安全可靠性直接关系到一个地区甚至一个国家的国民经济发展，因此，各发达国家对电力系统电磁兼容问题都非常重视，集中了大量的人力物力进行广泛而深入的研究。
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（EPRI-ElectricPowerResearchInstitute）自1978年开展的以变电站电磁瞬态为课题的项研究工作。
全部工作历时十五年，分两个阶段完成。
第一阶段的研究工作于1983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。
第二阶段的研究工作从1986年开始到1993年结束，并提出了该阶段的研究报告，发表了一些相关论文。
在这个阶段内，对7座空气绝缘变电站（AIS-AirInsulatedSubstation）和2座气体绝缘变电站（GIS-GasInsulatedSubstation）进行了13次现场测量，测得大量的干扰波形，数据量多达500MB。
基于此项工作提出了完整的研究报告发表了一系列的论文研究报告及发表的论文对测量得到的数据进行了总结分析，并提出了预测变电站瞬态电磁干扰的建模方法和测量技术，现在已出现了专用的分析预测软件包，并已应用到工程项目中。
EMC性能在国际上已成为产品质量指标的一个重要部分，先进的工业化国家从设备研制到工程应用的各个阶段，都按电磁兼容标准对设备进行考核试验，严格控制其电磁兼容质量。
美国电力科学研究院的研究工作在整个变电站电磁兼容问题研究中最具有代表性，有很多的测量及分析结果、建模方法值得参考。
1.2.1国内研究现状
我国在广播、邮电、交通和军工业等行业的电磁兼容研究方面研究起步较早，研究较有成效，但是直到20世纪80年代变电站的电磁兼容问题才得到关注。
改革开放以来，随着我们电力系统的发展高压特高等变电站的增多，电力系统的电磁骚扰和电磁兼容问题越来越受到重视，越来越多人研究。
根据长期经验积累，也提出了一些电磁骚扰的抑制措施，但是大部分都基于国外模型前期研究结论得出的，开展变电站的瞬态环境的建模和计算研究教少。
由于我国变电站电压等级和结果等方面的技术特点与国外还是存在一定差异，因此国外的测量和分析结果只能当做参考。
近年来，由于电力系统快速发展，国家电力公司在研究变电站电磁兼容方面给予了高度重视，先后在武汉高压研究所、南京话研究院和华北电力大学投资建设了三个各具特色的电磁兼容实验室，大力推动了我国电力系统电磁兼容实验与研究方面的科技进步。
但是国外对开关操作产生的瞬态电磁场过程通过互感器在二次产生电磁骚扰的研究的状况已经比较深入，而国内对这方面的研究还较少。
2变电站电磁骚扰的
2.1变电站电磁骚扰机理分析
2.1.1骚扰路径
变电站是一个包含强电设备和弱电设备的电磁环非常复杂的系统，电子设备遭受电磁骚扰与其所处的电磁环境密切相关，骚扰程度与骚扰特性、耦合阻抗的性质、电子装置的灵敏度和接地质量以及在安装现场采取的保护措施密切相关。
电磁骚扰的存在必须具备三个基本条件：
（1）必须有骚扰源，既有产生电磁能量的物体或现象；
（2）必须有被骚扰对象的响应；（3）必须有骚扰能量传输的路径。
以上三个条件是电磁骚扰的三要素缺一不可。
如图2.1所示，当骚扰源和敏感设备都具备了我们的设备运行环境又提供骚扰途径，骚扰就形成了。
图2.1电磁骚扰三要素的示意图
从骚扰源到敏感设备之间电磁骚扰的耦合路径多种多样，路径不同研究和计算方法也不同，骚扰路径是解决电磁骚扰问题的基础。
从图1.1可以看出主要的骚扰路径有传导耦合和辐射耦合。
1.传导耦合母线上产生的瞬态电压和瞬态电流通过电压互感器（PT）、电流互感器耦合到二次设备的电缆内。
3.辐射耦合开关操作在高压母线周围空间产生瞬态电磁场，空间瞬态电场和瞬态磁场以辐射的方式耦合到二次设备或与其相连的电源线和信号线。
2.1.2电磁骚扰源
变电站一次系统产生的电磁骚扰主要由两类，一类是稳态电磁骚扰，以工频电压、电流很电磁场形式存在；另一类是瞬态电磁骚扰，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。
由于二次设备工作频率大多在几千赫兹以上，所以对工频骚扰的敏感程度很低，但是瞬态电磁骚扰频率较高，很容易耦合到二次设备造成骚扰。
产生瞬态电磁骚扰的途径主要有：
①高压隔离开关和断路器操作。
②雷击线路、③系统短路故障。
④靠近高压线路受其工频电磁场作用。
⑤局部放电（电晕、沿面放电）。
⑥二次回路中的开关操作。
⑦电源本身。
⑧静电放电等。
其中隔离开关操作时变电站最经典和最重要的电磁骚扰源。
2.1.3开关操作瞬态骚扰
在一次电路中，当发生开关切合操作时，引起了回路的状态发生变法，从一种稳态像新的稳态震荡。
图2.1.3是开关操作的简化模型。
当发生开关闭合时，振荡频率为
。
如果当回路参数L和C的数值都比较小，如切合小容负载等，则产生频率很高的振荡。
试验结果表明，用隔离开关切合空载母线时，开关出头间将产生电弧重燃，在回路中形成以系列高频振荡。
分闸操作时，振荡幅值随着重燃次数的增加而增大；合闸操作则相反，振荡随着电弧重燃次数的增加而降低，由于开关操作的母线上接有其他电气设备，构成了复杂的振荡网络，这就决定了瞬态振荡电压的波形为包含多种频率分量的衰减震荡波。
图2.1.3切合开关产生瞬态电压的简化等效电路
美国对变电站瞬态电磁场进行了较多的测量，表2.2.2列出美国对115KV、230KV、500KV变电站瞬态电磁场的实测结果。
此结果证明了我们上面的分析。
开关
测量参数
115KV
230KV
500KV
电场
磁场
电场
磁场
电场
磁场
隔离
开关
平均幅值
7
37
55
70
14
157
最大幅值
9.3
49
7
8.4
16
212
断路器
平均幅值
3.7
0.62
0.9
5.3
5.6
19
最大幅值
3.8
0.7
1.0
9.0
7.0
22
表2.2.2美国变电所电磁场实测结果
2.2传导耦合模型
变电站瞬态电流和瞬态电压通过电压互感器和电流互感器串扰二次端，当开操作时，将产生瞬态高频电压。
PT/CT模型的建立有两种方法，一种是根据PT/CT的具体结构建立它们的等值电路模型，这种需要求解复杂的电磁问题，并且需要知道每个PT/CT的结构细节；另一种是采用是采用自动控制理论中的黑盒子技术，把PT/CT看作意个表示传输性的黑盒子，通过测量PT/CT输入、输出端口之间频响特性，用有理数对数据进行拟合，建立他们的传递函数模型。
本文利用第二种通过矢量匹配法把把PT/CT的传递函数植入ATP-EMTP中仿真。
2.3传导骚扰测量
有前面我们已经知道变电站开关操作时，产生的瞬态电压和瞬态电流会通过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）传导耦合对二次设备形成传导骚扰。
我们可以通过测量得到传导骚扰电压。
2．3.1测量仪器介绍
（1）示波器
AgilentDSO6052A示波器内置电源模块充电2小时可以保证示波器持续工作1.5小时，8MB的储存深度、4Gsa/s的采样率和500MHz的带宽可捕捉脉冲群的实时信息，BMP、PNG图像格式可保存完整的屏幕信息，ASC
、CSV数据文件便于后期采用EXCEL、MATLAB进行数据处理。
带有高速USB2.0设备接口，10/100Base-TLAN（Ethernet）和GPIB接口，能容易地通过PC保存波形数据或图像，通过所连的打印机打印波形，或把USBflash驱动器（或其它USB宏存储设备）接到示波器前面或后面的USB1.1主机端口。
（2）天线
井下电缆型号众多，功率吸收钳和互感器会受电缆粗细及敷设方式的影响，因此井下传导发射测试时选择天线作为接收传感器，从而不受井下供电情况和生产条件的影响。
为了覆盖电快速瞬变脉冲群的频谱，采用五副天线覆盖5Hz~7.5GHz频率范围，为提高测量精度，不同频段需要更换测量天线，5Hz~10MHz采用Rohde&SchwarzHZ-10天线，9KHz-20MHz采用Rohde&SchwarzHE300HF，20MHz~7.5GHz采用Rohde&Schwarz的HE30020MHz-200MHz、HE300200MHz-500MHz和HE3000.5GHz-7.5GHz天线。
（3）近场探头
采用天线进行传导发射测试时，在低频情况将处于近场范围内，天线的位置会影响测量结果。
为解决这个问题，在100kHz~1GHz采用近场探头进行补充测量。
近场探头实际为电小天线，可测量电缆传导发射时的电磁场情况。
测量时近场探头采用的是HAMEGHZ530-E和HZ530-H探头。
2.3.2测量
图2.3.2分别列出实际测量合上和分段开关产生的传导骚扰。
合上
分断
图2..3.2实测结果
3仿真变电站传导骚扰
3.1软件介绍
EMTP是美国BRA（电力局）于1968年开发的用于电力系统的分析软件，这么多年该软件经过不断改进和发展，已经成为应用最广泛的电力系统仿真软件。
ATP-EMTP（AlternativeTransientsProgramversionoftheElectronMagneticTransientsProgram）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁瞬态分析程序最广泛使用的一个版本,它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。
ATP-EMTP的使用范围很广可以用来仿真雷电、开关操作、断路器等瞬态电磁场。
ATPDraw不但使用标准的Windows用户界面，更是提供大量的原件库，方便我们学习使用其元件库窗口如图3.1。
图3.1ATPDraw的元件库窗口
ATPDraw提供多种标准原件：
线性分支（电阻器、电抗器、电容器等）、非线性分支（电流控制的电阻器、TACS控制的电阻器等）、电路模型（单相、双相及三相电路的
行等值电路等）、开关（单相及三相开关、电压控制开关等）、电源、变压器、TACS等。
ATPDraw不但提供标准原件更是提供用户自定义对象，用户可以根据自己的实际需要定义模型设置参数。
3.2仿真开关操作产生瞬态电压和瞬态电流
变电站是一个复杂的工程，一方面我们必须对变电站内模型原件的参数合理设置才能得出正确的结果，另一方面，为了减少工作量，我们必须忽略和理想化某些不影响仿真结果或者影响相对较小的模型。
图3.2.1为变电站电气接线原理图，有两条母线构成。
为了仿真变电站产生的瞬态电压、瞬态电流，可以简化模型，图3.2.3为500Kv变电站简化模型。
图3.2.1变电站电气原理图
图3.2.2500KV变电站简化模型
通过ATP-EMTP建立变电站开关操作模型如图3.2.3,假设大地为理想地、多道题传输线无损耗。
设置仿真时间为0.1秒，如图3.2.4。
在t=0时刻开关闭合。
如图3.2.5。
进行仿真得到开关闭合产生的瞬态电压如图3.2.6瞬态电流如图3.2.7
图3.2.3500KV变电站开关操作仿真模型
图3.2.4仿真时间设为0.1秒
图3.2.5设置开关闭合时间
图3.2.6开关闭合产生瞬态电压
图3.2.7开关闭合产生瞬态电流
同理，设置开关在0.03S时断开如图3.2.8，可以仿真出开关断开产生的瞬态电压图3.2.9瞬态电流3.2.10
图3.2.8设置开关断开时间为0.03s
图3.2.9开关断开产生瞬态电压
图3.2.10开关断开产生的瞬态电流
3.3开关操作传导骚扰
把PT/CT传递函数植入到TASC中，建立仿真电路图，如图3.3.1。
图3.3.1骚扰电压仿真电路图
图3.3.2为仿真开关合上骚扰电压，图3.3.3为开关断开骚扰电压。
通过仿真得出的骚扰电压和第二章的实测结果对比可以发现，得出仿真结果和实测结果相吻合存在较小误差是由于环境和我们建立模型理想化的结果。
图3.3.2开关闭合的骚扰电压
图3.3.3开关断开的骚扰电压
4总结
随着电力系统中电压等级的不断增加，电力系统中电磁骚扰问题越来越严重，研究电力系统中的电磁骚扰问题越来越重要。
作为电力系统中不可缺少的环节，由于电力分配呈现区域性、电能不能储存，在电力传输中，变电站的作用更加显著。
变电站的正常运行关系到整个电力系统。
由于变电站内汇集了众多的电器设备，所以，变电站中形成的电磁场对二次电缆、二次设备的电磁骚扰将会影响到整个变电站的正常运行。
因此对变电站电磁骚扰问题的研究日益重要。
在变电站内，开关操作作为主要操作之一，是变电站内重要的骚扰源。
在变电站开关操作时母线上将产生瞬态电压，瞬态电压通过PT/CT传导耦合到二次电缆，对二次设备产生电磁骚扰。
本文通过学习使用ATP-EMTP软件，通过建立变电站开关操作一次系统模型，用ATP-EMTP软件仿真出500KV变电站开关操作母线上产生的瞬态电压和瞬态电流，然后建立PT/CT传输模型，由于早期的电压互感器和电流互感器模型都是在低频下建立的，所以本文基于自动控制理论的基础上用“黑盒子”方法建立PT/CT传输模型，本文通过矢量匹配法建立PT/CT传输函数模型然后把它植入ATP-EMTP中的TACS，通过在ATP-EMTP中建立模型仿真出开关操作母线在通过PT/CT传导耦合产生的骚扰电流。
通过仿真，我们可以发现ATP-EMTP在仿真瞬态交流电的方便性，我们可以通过此软件预测电力系统故障和骚扰，采取适当的维护措施和保护。
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