变电站瞬态电磁场对屏蔽电缆的电磁耦合问题分析
摘要：浅析变电站内瞬态电磁场环境下的电磁耦合问题，为站内二次电缆设备的抗电磁干扰保护，提供了有利的理论参考意义和实用价值。因此，用传输线的理论来结合矩量法，采用场线耦合的理论进而计算出站内开关操作时所产生的电磁场，以及此电磁场对变电站内屏蔽电缆的电磁干扰情况。将此方法用在500kV的开关操作时，在屏蔽层不同接地方式的屏蔽电缆上所产生的电磁干扰数值预测，得到了一些正确的结论，也为电力系统中变电站的工程应用方面提供了有益的理论依据。
关键词：变电站瞬态电磁场；屏蔽电缆；电磁耦合
Abstract: The paper analys the transient electromagnetic field in the transformer substation in the environment of electromagnetic coupling problem, standing in for the cond cable equipment anti-electromagnetism interference protection, has provided the favorable theory reference meaning and practical value. Therefore, with the transmission lines to the theory of matrix combination, the field lines coupling theory and calculation in pits switch operation which electromagnetic fields, and the electromagnetic field in the subs
tation of cable shielding electromagnetic interference. The method is ud in 500 kV switch when operating, in the shield shielded cable grounding method of different effects of the electromagnetic interference numerical prediction, got some the correct conclusion, also for the power system in the transformer substation project application provides the uful theory basis.
Keywords: Substation transient electromagnetic fields; Shield cable; Electromagnetic coupling
分析变电站内瞬态电磁场屏蔽电缆的电磁耦合问题，为变电站在工程应用方面提供了一些理论指导的依据。本文根据变电站工程方面的具体实例分别分析了雷电冲击和开关操作以及系统短路故障对500kV变电站的二次电缆的电磁耦合问题,为进一步研究、分析变电站内各种电磁干扰源通过不同耦合途径对二次电缆的端接设备的综合影响问题提供了依据，综合分析如下。
一、二次电缆的电磁干扰原理
二次电缆的电磁干扰主要有二种类型: 一是磁场的干扰；二是电容耦合的干扰。
（一）、磁场干扰
因为变电站一次设备中通过的是交流电, 所以它可能在二次回路敷设空间中产生交变磁场。对于磁场变化，会在二次敷设空间中产生交变电场, 因此，在二次回路中产生交变的感应电压。如图1 所示。设为一次线路,为二次电缆, 为电磁屏蔽层, 为一次电路的电流值, 为一次线路与二次电缆芯线的互感, 为 的角频率, 为一次回路与电缆屏蔽层的互感。当屏蔽层两端不接地时, 对电缆芯产生的干扰电压为： 。干扰电压的大小由 ( 或者)的大小来决定, 即由一次设备与二次回路的相应空间位置所决定。
（二）、电容耦合干扰
因为一次设备的载流体对二次回路存在电容,比如高压母线与二次回路之间的寄生电容；电容式电压互感器的中间变压器两线圈之间的电容；电压互感器和电流互感器高低压线圈之间的电容等等，所以一次设备对二次电缆产生电容干扰。设为一次设备带电体的电压；为二次设备与二次电缆间的电容,为二次电缆对地电容,为频率, 为电容耦合在电缆芯上所产生的电压。则有:
由于 , 所以(2) 式可变为:
二、计算方法
矩量法是求解电磁场边界值问题的一种有效的数值方法。此方法是将积分方程中积分化为有限求和或将积分方程化为差分方程,从而建立代数方程组,由于这种方法是用计算机来求解代数方程组，因此，在矩量法求解代数方程组过程中,矩阵规模的大小与占用内存的多少有关,在很大程度上来说，容易影响计算机的运行速度。那么，如何尽可能减少矩阵的存储量,就成为矩量法计算加速的关键。基于这种方法,提出了适合变电站内开关操作时，母线与设备之间的连线和架空线路产生的电磁场的一种计算方法,它可以用于变电站内有较高频率分量的电磁场的计算。如果应用本方法与给出的计算方法分别对同一比例进行计算,一定能验证文中方法的有效性。最后,借助快速的傅立叶变换,应用文中方法对某500kV变电站内开关合闸操作时，空载母线上的电流波和空间瞬态电磁场分布被应用于该变电站保护小室的屏蔽设计。应用传输线理论解决场线耦合问题主要有三种计算模型即：1.Taylor 模型，模型中既含分布电压源，又含分布电流源；2.Rachidi模型，模型中仅含分布电流源；3.Agrawal 模型，模型中仅含分布电压源，其相应的计算公式如下：
式中：和分别是电缆屏蔽层电流和对地面的电压；和则分别是点激励源的电流及电压格林函数；是电缆所处位置的电场强度沿电缆方向的切向分量；是电缆的长度；分别是屏蔽层对地面的电压以及电流观测点坐标和点激励源的坐标。应该注意的是，屏蔽层电流是由两部分构成的，即。上面的公式均是频域计算公式，可以借助于快速的傅里叶反变换技术来得到相应的瞬态响应。
三、应用
从计算实例表明：用传输线的理论来结合矩量法分析变电站内瞬态电磁场耦合传输线的问题是有效的，该方法具有实用性强，计算结果直观，便于分析等优点。这就为分析变电站内瞬态电磁场耦合屏蔽电缆的问题，提供了参考价值。对二次电缆的电磁干扰进行分析，为电力系统中变电站工程方面的应用具有实用价值和参考意义。主要从以下几方面来体现
其在实际生活中的应用：
雷电冲击线路、构架和控制楼以及静电放电等。直接雷电冲击户外线路或构架时，会产生电磁脉冲，变电站内瞬态电磁场是由一系列连续的相似脉冲组成。在不同的地点把二次电缆的屏蔽层接地，由于屏蔽层只在控制室侧的单端接地及双端接地时，电缆屏蔽层及大地形成较大的通路，流过屏蔽层的电流很大，因此，会使二次电缆的芯线产生干扰电压。
2.系统的运行故障。空间强力的瞬态电磁场可能会导致保护设备损坏、误动；监控设备运行不正常、数据丢失等。比如军用的移动变电站给装备供电的长电缆就很容易耦合电磁信号,变成空间电磁信号的接收装置,从而对用电装备或者发电系统带来干扰甚至是破坏。当系统运行故障时，电位会升高，也会使二次电缆的芯线中产生极高的干扰电压。
3.当靠近高压的线路，受工频电磁场的影响时，会产生工频电磁场。电压的等级越高，产生的电场越大，而磁场却减小。
4.设备局部放电时，会产生频率较高的电磁辐射，并在电子设备的线路中产生电磁干扰。
5.由于感性负载存在的原因，在二次回路的开关操作时，二次回路的信号电源端口和控
制端口处会产生快速瞬变的脉冲干扰。
6.电磁干扰对二次回路电缆的影响主要是共模干扰。
由以上几点在实际生活中的应用可得出：在各种不同强大干扰情况下的每一种接地方式所表现出来的抗干扰能力，也基本上体现了正常运行方式下的二次系统设备的抗干扰水平。
五、结论
在变电站内所有的操作中，当用隔离开关切合空载母线时，在站内屏蔽电缆上所产生的电磁干扰最为强烈。其原因是在开关操作时会产生很大的电流和电压。随着现代化电力系统内电网的扩大，输电电压的提高，变电站内开关操作时电弧的重复燃烧和熄灭，在空间会辐射出很强的瞬态电磁场。空间强力的瞬态电磁场可能会导致电力设备系统出现故障，从而造成损失。此外母线上频率极高的快速暂态电压也会向空间辐射上升沿很陡的脉冲电磁场。这些操作可能会使站内的瞬态电磁场环境变得很糟糕。瞬态电磁场从站内连接电缆耦合到屏蔽电缆的芯线，在二次设备的旁边产生干扰电流和电压。屏蔽电缆抑制干扰的能
力，除了与屏蔽层本身的质量有关之外，还与屏蔽层接地的方法密切相关。提出良好的屏蔽,仅靠电缆屏蔽层是不够的,重要的是选择正确的屏蔽层接地方式、接地点数和接地位置。正确地使用屏蔽和良好的接地也是使变电站内系统稳定运行、消除干扰的重要措施。
参考文献:
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