CN109873422A - 一种抑制gis内部高频传导干扰的方法 - Google Patents

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Abstract

一种抑制GIS内部高频传导干扰的方法，在GIS变电站电压互感器出口侧至二次设备入口之间的线路上连接一EMI滤波器；所述EMI滤波器包括两个匹配阻抗、两个共模电容、两个差模电容以及共模电感、差模电感；两个匹配阻抗构成的串联支路连接在电压互感器的LN出线端，两个匹配阻抗的串接点接地；两个差模电容并联设置并分别连接在相线与中线之间；共模电感和差模电感串联连接在两个差模电容之间的线路中；两个共模电容分别连接在差模电感后端的相线与地以及中线与地之间。采用本发明能够有效滤除GIS变电站中VFTO所产生的高频传导干扰，防止二次设备拒动或者误动现象的发生。

Description

一种抑制GIS内部高频传导干扰的方法
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，特别是一种用于抑制GIS内部高频传导干扰的方法。
背景技术
气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation，简称GIS)，又称为全封闭组合电器，它具有占地面积小、运行安全、维护方便以及与周围环境隔绝等诸多优点。因此，气体绝缘变电站在世界各地的应用越来越广泛，尤其在大都市的配变电站更是如此。我国的各省市近年来也相继有大批气体绝缘变电站投入运行。如同其它新技术一样，它的使用也带来了新的问题。GIS内的隔离开关和断路器切合过程中，由于开关触头断口的重复击穿，会在气体绝缘变电站内部产生振荡频率高达数百兆赫兹的特快速暂态过电压(Very FastTransient Overvoltage，简称VFTO)，由于VFTO具有很高的陡度，它将对变电站的一次设备、二次设备、运行维护人员和邻近设备产生危害。
通常传导耦合在二次设备端口产生的干扰电压不是很高，它们的幅值是变电站正常运行情况下的测量电压(100V)的两倍多，但是这些干扰电压具有很高的频率，通过对干扰电压的傅立叶分析，它们的主要谐振频率分量集中在2MHz～30MHz之间，这些高频振荡波很可能会在二次设备内部产生很高的“过电压”，导致二次设备损坏或误操作，引起严重的变电站事故。这一点需要引起二次设备开发人员的高度重视。另外，这也说明，通过传导耦合在二次设备端口产生的干扰电压引起二次设备误操作的原因不是因为它的幅值，而很可能是因为它的高频特性。
滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对EMI信号的传导干扰。任何电源线上的传导干扰信号均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地(机壳)之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，最有效的方法就是在干扰电压源输入和输出电路中加装EMI滤波器。EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，能够使低频的信号顺利通过，而对高频干扰信号起到有效抑制作用，然而现有的EMI滤波器并不适用于GIS变电站中消除由VFTO所产生的高频传导干扰。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种能够有效抑制GIS变电站VFTO所产生的高频传导干扰的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种抑制GIS内部高频传导干扰的方法，在GIS变电站电压互感器出口侧至二次设备入口之间的线路上连接一EMI滤波器；所述EMI滤波器包括第一匹配阻抗、第二匹配阻抗、第一共模电容、第二共模电容、第一差模电容、第二差模电容以及共模电感、差模电感；
所述第一匹配阻抗和第二匹配阻抗构成的串联支路连接在电压互感器的相线和中线出线端，串联支路的串接点接地；第一差模电容并联在相线与中线之间；第二差模电容并联在二次设备入口之间的线路上；共模电感和差模电感串接在电压互感器出口侧至二次设备入口之间的回路中；第一共模电容、第二共模电容分别并接在二次设备入口与地之间。
上述抑制GIS内部高频传导干扰的方法，所述共模电感包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈双股并饶，线圈匝数相同，其中，第一线圈和第二线圈的同名端分别连接在第一差模电容的两端；所述差模电感包括第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和第四线圈双股并饶，线圈匝数相同，第三线圈和第四线圈的异名端分别连接在第二差模电容的两端；所述第一线圈和第三线圈的异名端共端，第二线圈和第四线圈的同名端共端。
上述抑制GIS内部高频传导干扰的方法，所述EMI滤波器电路各元件参数按以下步骤确定：
a.利用频谱/网络/阻抗分析仪对GIS变电站电压互感器进行散射参数测量，设置扫描的频率为50Hz～50MHz，将测量得到的散射参数转化成电压互感器的阻抗频变参数，并绘制阻抗随频率变化的曲线，再利用矢量匹配和电路综合的方法建立电压互感器电路模型；根据阻抗频变曲线确定谐振频率点对应的阻抗参数值；根据电压互感器电路模型中三条支路间的阻抗串并联关系得到电压互感器的等效阻抗值；
b.利用阻抗分析仪对二次设备的入口阻抗进行测量，得到二次设备入口阻抗模型及其参数值；
c.将步骤a和步骤b所获得的电压互感器电路模型和二次设备入口阻抗模型植入到EMTP软件中，对GIS变电站建立传导干扰模型，对干扰电压进行分析获得干扰电压随时间变化的曲线；根据干扰电压随时间变化的曲线确定二次设备端口出现的干扰电压最大幅值，采用傅里叶变换得到谐振频率；
d.根据阻抗失配原则确定EMI滤波器的电路形式，根据所要抑制的谐振频率点，确定所需的共模电感值、共模电容值和差模电容值。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得的技术进步效果如下：
本发明能够有效滤除GIS变电站中VFTO所产生的高频传导干扰，防止二次设备拒动或者误动现象的发生。当GIS变电站各设备正常运行时，EMI滤波器对50Hz的工频电压没有影响，不会影响二次设备的安全正常运行；当有VFTO产生时，EMI滤波器可以使工频电压无失真通过，与此同时将VFTO的高频分量导入大地，从而消除VFTO对二次设备的危害。
附图说明
图1为GIS变电站中电压互感器的电路模型图；
图2为GIS变电站中二次设备入口阻抗模型图；
图3为本发明所述的EMI滤波器的电路结构图。
图中各标号表示为：ZA、ZB和ZC、电压互感器支路，u1、电压互感器原边电压，u2、电压互感器副边电压，i1、电压互感器原边电流，i2、电压互感器副边电流，Rb、电阻，Lb、电感，Cb、电容，LC、共模电感，LD、差模电感，CY、共模电容，CX、差模电容。
本文所用符号表示为：Z、阻抗参数矩阵，Z11、Z12、Z21和Z22、阻抗参数矩阵的4个参数,R、斜对角阵，E、单位阵，S11、S12、S21和S22、散射参数矩阵的4个参数，Z0、匹配阻抗，f(s)、频率响应函数，ri、留数，Pi，极点，d、常数项，e、比例项，Ig、漏电流，Vm、电源电压，fm、电源频率，CYmax、最大漏电流，fR，CM、共模转折频率。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明抑制GIS内部高频传导干扰的方法，是在GIS变电站电压互感器出口侧至二次设备入口之间的线路上连接一EMI滤波器。
本发明采用的EMI滤波器电路的具体结构如图3所示。第一匹配阻抗Z01、第一匹配阻抗Z02、第一共模电容CY1、第二共模电容CY2、第一差模电容CX1、第二差模电容CX2以及共模电感LC、差模电感LD。
所述第一匹配阻抗Z01和第一匹配阻抗Z02构成的串联支路连接在电压互感器的相线L和中线N出线端，两个匹配阻抗的串接点接地；第一差模电容CX1、第二差模电容CX2并联设置并分别连接在相线L与中线N之间；共模电感LC和差模电感LD串联连接在两个差模电容之间的相线L与中线N上；第一共模电容CY1连接在差模电感LD后端的相线与地之间，第二共模电容CY2连接在差模电感LD后端的中线与地之间。
其中，共模电感LC包括第一线圈LC-1和第二线圈LC-2，第一线圈LC-1和第二线圈LC-2的同名端分别连接在第一差模电容CX1的两端；差模电感LD包括第三线圈LD-1和第四线圈LD-2，第三线圈LD-1和第四线圈LD-2的异名端分别连接在第二差模电容CX2的两端；所述第一线圈LC-1和第三线圈LD-1的异名端共端，第二线圈LC-2和第四线圈LD-2的同名端共端。
当电路中的正常工频信号流经共模电感时，信号在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消；当有高频信号流经线圈时，由于共模信号的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减高频传导信号，达到滤波的目的。
本发明中EMI滤波器的设计需要遵循阻抗失配原则，对于EMI信号，电感是高阻抗的，电容是低阻抗的，如果源内阻和负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的；如果源内阻和负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是阻性的；共模干扰与差模干扰需要分开测量，分开设计滤波参数。
本实施例以110kV GIS变电站为例，按照上述设计原则，对本发明的EMI滤波器电路的设计方法以及电路中各元件参数的确定方法进行具体说明。
a.确定电压互感器的等效阻抗：
利用Agilent 4395A频谱/网络/阻抗分析仪对GIS变电站电压互感器进行散射参数测量，设置扫描的频率为50Hz～50MHz，将测量得到的散射参数按照式一转化成电压互感器的阻抗频变参数，其中散射参数是描述端口间入射波与反射波关系的参量，包括S11、S12、S21、S22四个参量；
式中，
阻抗矩阵中的阻抗参数最终表达式如下：
式中Z0为匹配阻抗，大小为50Ω。
利用矢量匹配对测得的频变参数进行有理函数拟合，矢量匹配法采用一阶有理分式和的形式来对频域响应f(s)进行拟合，
式中，留数ri和极点pi为实数或共轭复数对，而常数项d和比例项e为可选择项，均为实数。将得到的留数和极点进行电路综合，即可得到电压互感器电路模型，电压互感器电路模型图如图1所示。
绘制阻抗随频率变化的曲线，然后根据阻抗频变曲线确定谐振频率点对应的阻抗参数值，根据电压互感器电路模型中三条支路间的阻抗串并联关系得到电压互感器的等效阻抗值大约为750Ω左右。
b.确定二次设备的等效阻抗：
二次设备的入口阻抗在高频下呈现出复杂的特性，利用阻抗分析仪对二次设备的入口阻抗进行测量，得到二次设备入口阻抗模型及其参数值。二次设备入口阻抗模型如图2所示，二次设备入口阻抗模型和参数均通过查阅相关文献获得。
延续上例，得到110kV GIS变电站二次设备入口阻抗模型参数分别为：Rb＝180Ω，Lb＝170mH，Cb＝600pF。
在本发明中电压互感器电路模型和二次设备入口阻抗模型的建立过程中均采用“黑盒理论”，采用该技术较以往的建模方法的优点是不需要了解设备内部的具体结构，可以避免求解复杂的电磁场问题；而且散射参数测量方法较传统方法中的扫频法和脉冲测量法具有操作简单高效，抗干扰能力强，测量信噪比高等优点。
.获取谐振频率：
将步骤a和步骤b所获得的电压互感器电路模型和二次设备入口阻抗模型植入到EMTP软件中，对GIS变电站建立传导干扰模型，对干扰电压进行分析获得干扰电压随时间变化的曲线；根据干扰电压随时间变化的曲线确定二次设备端口出现的干扰电压最大幅值，采用傅里叶变换得到谐振频率。
延续上例，110kV GIS变电站二次设备端口出现的干扰电压幅值最大为200V，主要的谐振频率点出现在2MHz、9MHz、11MHz、23MHz。
d.确定EMI滤波器电路结构并确定元件参数：
根据阻抗失配原则确定EMI滤波器的电路结构形式。根据步骤a、b可知，在GIS变电站中电压互感器模型和二次设备入口模型均为高阻抗，说明源内阻与负载均为阻性，因此与之端接的滤波器接口必须是容性的，主要部分就为电路中的CX1和CX2及其中间部分共模电感Lc，其余的电路可采用经典EMI滤波器电路的相关部分进行设计。
最后，根据步骤c计算得到的所要抑制的谐振频率点，确定所需的共模电感值、共模电容值和差模电容值。步骤c中所要抑制的谐振频率点即为转折频率，EMI滤波器电路设计模型中根据得到的最大谐振频率点确定元件的参数值。
d1.共模电容值的确定
共模电容CY即跨接在相线或中线与安全地之间的电容，接地电流主要是指流过共模电容CY的电流，由于流过电容的电流由电源电压、电源频率和电容值共同决定，所以漏电流可以由式四计算获得：
Ig＝Vm×2πfm×CY×10-6(mA) 式四
由于漏电流的大小对于人生安全至关重要，不同国家对不同电子设备接地漏电流都做了严格的规定。若对最大漏电流做出了规定，则可以根据式四求出最大允许接地电容值。GJB151A-97中规定：对于50Hz的设备，导线与地之间的电容值应小于0.1uF；对于400Hz的设备，导线与地之间的电容值应小于0.02uF；对于负载小于0.5kW的设备，滤波电容量不应超过0.03uF。
结合110kV GIS变电站中电压互感器高频电路模型和二次设备入口模型最终确定共模电容CY的容值为：CY＝33nF。
d2.差模电容值的确定
差模电容CX主要应用于当失效后，不会导致电击穿现象，不会危及人生安全。差模电容CX除了要承受电源相线与中线的电压之外，还要承受相线与中线之间各种干扰源的峰值电压。根据差模电容应用的最坏情况和电源断开的条件，CX电容器的安全等级又分为CX1和CX2两个等级。
通常EMI滤波器的差模电容必须经过1500－1700V直流电压1分钟耐压测试。结合110kV GIS变电站中电压互感器高频电路模型和二次设备入口模型最终确定差模电容CX的容值为：CX＝0.68μF。
d3.共模电感值的确定
共模电感即共模扼流圈，共模扼流圈的主要作用是抑制共模噪声，共模电感的选择应以较小绕线电阻、较大电感量、较好的频率特性、尽量小的分布电容为目标；较小绕线电阻可获得小的铜耗，有益于限制共模电感温升、提高整机效率；较大电感量、较好的频率特性、较小的分布电容则可在较宽频带上获得较好的共模噪声抑制特性。
谐振频率与共模电感、差模电容的关系如式五所示：
根据式五可得知，当滤波器的电感电容值越大，其谐振频率即转折频率越低，对噪声的抑制效果越好，但同时成本和体积也相应增加。而且由材料特性可知，当电感电容值越大时，可持续抑制噪声的频率范围也相对变窄，因此其值不可以取的无限大。考虑到电容对于体积的影响较电感小，而且市场上出售的电容器都有固定的电容值，与电感值相比缺乏弹性，故在决定电感电容值时，应优先考虑电容。
电感的取值、材料的选取原则从以下几个方面考虑：第一，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率；第二，磁导率高，但是在实际中很难满足这一要求，所以磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体或者铁粉芯，更好的材料如微晶等。
在本实施例中，结合110kV GIS变电站中电压互感器高频电路模型和二次设备入口模型最终确定共模电感的取值为：LC＝9.47e-4μH。
差模电感值LD的值一般为LC值的2％左右。
EMI滤波器在安装时，为了滤波器的安全可靠工作(散热和滤波效果),应考虑以下几点：1)滤波器必须安装在设备的机架或机壳上外,2)滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致,并尽量缩短滤波器的接地线，3)确保滤波器输入线和输出线分离；若滤波器输入、输入线捆扎在一起或相互安装过近,那么由于它们之间的耦合,可能使滤波器的高频衰减降低；若输入、输出线必须接近,那么都必须采用双绞线或屏蔽线。

Claims (1)

1.一种抑制GIS内部高频传导干扰的方法，其特征在于：在GIS变电站电压互感器出口侧至二次设备入口之间的线路上连接一EMI滤波器；所述EMI滤波器包括第一匹配阻抗(Z01)、第二匹配阻抗(Z02)、第一共模电容(CY1)、第二共模电容(CY2)、第一差模电容(CX1)、第二差模电容(CX2)以及共模电感(LC)、差模电感(LD)；
所述第一匹配阻抗(Z01)和第二匹配阻抗(Z02)构成的串联支路连接在电压互感器的相线(L)和中线(N)出线端，串联支路的串接点接地；第一差模电容(CX1)并联在相线(L)与中线(N)之间；第二差模电容(CX2)并联在二次设备入口之间的线路上；共模电感(LC)和差模电感(LD)串接在电压互感器出口侧至二次设备入口之间的回路中；第一共模电容(CY1)、第二共模电容(CY2)分别并接在二次设备入口与地之间；
所述共模电感(LC)包括第一线圈(LC-1)和第二线圈(LC-2)，所述第一线圈(LC-1)和第二线圈(LC-2)双股并饶，线圈匝数相同，其中，第一线圈(LC-1)和第二线圈(LC-2)的同名端分别连接在第一差模电容(CX1)的两端；所述差模电感(LD)包括第三线圈(LD-1)和第四线圈(LD-2)，所述第三线圈(LD-1)和第四线圈(LD-2)双股并饶，线圈匝数相同，第三线圈(LD-1)和第四线圈(LD-2)的异名端分别连接在第二差模电容(CX2)的两端；所述第一线圈(LC-1)和第三线圈(LD-1)的异名端共端，第二线圈(LC-2)和第四线圈(LD-2)的同名端共端；
EMI滤波器电路各元件参数按以下步骤确定：
a.利用频谱/网络/阻抗分析仪对GIS变电站电压互感器进行散射参数测量，设置扫描的频率为50Hz～50MHz，将测量得到的散射参数转化成电压互感器的阻抗频变参数，并绘制阻抗随频率变化的曲线，再利用矢量匹配和电路综合的方法建立电压互感器电路模型；根据阻抗频变曲线确定谐振频率点对应的阻抗参数值；根据电压互感器电路模型中三条电压互感器支路间的阻抗串并联关系得到电压互感器的等效阻抗值；
b.利用阻抗分析仪对二次设备的入口阻抗进行测量，得到二次设备入口阻抗模型及其参数值；
c.将步骤a和步骤b所获得的电压互感器电路模型和二次设备入口阻抗模型植入到EMTP软件中，对GIS变电站建立传导干扰模型，对干扰电压进行分析获得干扰电压随时间变化的曲线；根据干扰电压随时间变化的曲线确定二次设备端口出现的干扰电压最大幅值，采用傅里叶变换得到谐振频率；
d.根据阻抗失配原则确定EMI滤波器的电路形式，根据所要抑制的谐振频率点，确定所需的共模电感值、共模电容值和差模电容值。
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