CN110135050B - 一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法，涉及变电站二次设备电磁兼容技术领域。本发明步骤如下：步骤1：获取变电站的等效模型；建立气体绝缘变电站电路模型，得到快速暂态过电压和电流；步骤2：根据变电站实际尺寸，依据时域有限积分法，建立气体绝缘变电站三维空间模型，将快速暂态过电压和快速暂态过电流输入到该模型中，得到变电站空间电磁场；步骤3：在变电站中选取想要测量的空间位置，在这些空间位置上放置电场探针和磁场探针，从气体绝缘变电站三维空间模型中提取出电场与磁场强度，以及空间位置的电场和磁场强度的分布云图。本方法复杂度较低，不会随目标物体的外形结构、几何尺寸和材料参数的复杂化而变得复杂。

Description

一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法
技术领域
本发明涉及变电站二次设备电磁兼容技术领域，尤其涉及一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法。
背景技术
随着电力系统的快速发展，气体绝缘变电站由于其结构紧凑、占用空间小、维护简单等优点而得到了广泛的应用。
气体绝缘变电站中隔离开关的操作会产生幅值较高、陡度很大、频率很快的快速暂态过电压和与之相对应的快速暂态过电流，这会在变电站中产生强烈的空间电磁场，且会对变电站中的二次设备产生强烈的电磁干扰。因此研究隔离开关操作过程中气体绝缘变电站的空间电磁场的分布有着十分重要的意义。
气体绝缘变电站空间电磁场的测量需要价格高昂的设备，且操作复杂。相对而言利用仿真软件模拟空间电磁场的方法可以更加方便地对变电站空间电磁环境进行预测和评估，目前国内外涉及变电站产生的空间电磁场的仿真计算较少，现有仿真均采用时域有限差分法，时域有限差分法对于较大且复杂的物体在计算上复杂度较高，数据存贮量较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法，本方法复杂度较低，不会随目标物体的外形结构、几何尺寸和材料参数的复杂化而变得复杂。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法，包括以下步骤：
步骤1：获取变电站中断路器、隔离开关、接地开关、互感器的等效模型，依据多导体传输线理论，选取一条线路，利用电磁暂态仿真软件，在隔离开关的操作下，建立气体绝缘变电站电路模型，计算得到隔离开关处的快速暂态过电压和快速暂态过电流；
步骤2：根据变电站实际尺寸，依据时域有限积分法，利用电磁暂态仿真软件，建立气体绝缘变电站三维空间模型，将步骤1仿真计算所得的快速暂态过电压和快速暂态过电流作为激励输入到变电站三维空间模型中，得到变电站空间电磁场；
步骤3：在变电站中选取想要测量的空间位置，在这些特定空间位置上放置电场探针以及磁场探针，用于测量电场强度及磁场强度；从气体绝缘变电站三维空间模型中提取出电场强度与磁场强度，以及特定空间位置的电场强度和磁场强度的分布云图。
所述步骤1中将变电站的断路器分闸状态等效为串联电容；合闸时等效为母线；隔离开关分闸和合闸都等效为对地电容，燃弧时等效为燃弧电阻及断口对地电容；接地开关及互感器均等效为对地电容。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法；本方法首先搭建气体绝缘变电站电路模型提取出快速暂态过电压和过电流，其次基于时域有限积分法，搭建气体绝缘变电站三维空间电磁场模型，将过电压和过电流作为激励输入到三维模型中，从而计算出变电站空间电磁场的分布。时域有限积分法可以解决多种电磁场问题，能够满足像变电站这样复杂物体目标的建模要求，且算法复杂度较低，不会随目标物体的外形结构、几何尺寸和材料参数的复杂化而变得复杂,且其数据存储量相对于有限元法、矩量法及一些混合方法要低得多，另外在仿真的时候，可以结合网格局部加密技术，可以确保馈源的精确仿真得以快速的进行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的气体绝缘变电站的布置图；
图3为本发明实施例提供的快速暂态过电压及快速暂态过电流计算的等效电路图；
图4为本发明实施例提供的气体绝缘变电站空间电磁场计算的三维结构模型图；
图5为本发明实施例提供的网格G和复合网格
Figure BDA0002055454010000022
组成的离散空间，其中，1为网格G，2为复合网格
Figure BDA0002055454010000021
图6为本发明实施例提供的气体绝缘变电站空间电场及磁场探针分布；
图7为本发明实施例提供的气体绝缘变电站某一空间位置的电场强度随频率变化的波形图；
图8为本发明实施例提供的气体绝缘变电站某一空间位置的磁场强度随频率变化的波形图；
图9为本发明实施例提供的气体绝缘变电站某一位置的空间电场分布图；
图10为本发明实施例提供的气体绝缘变电站某一位置的空间磁场分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例的方法如下所述。
本发明提供一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法，包括以下步骤：
步骤1：获取变电站中断路器、隔离开关、接地开关、互感器的等效模型，依据多导体传输线理论，选取一条线路，利用EMTP电磁暂态仿真软件，在隔离开关的操作下，建立气体绝缘变电站电路模型，计算得到隔离开关处的快速暂态过电压和快速暂态过电流；
变电站中的断路器分闸状态等效为串联电容；合闸时等效为母线。隔离开关分闸和合闸都等效为对地电容，燃弧时等效为燃弧电阻及断口对地电容。接地开关及互感器均等效为对地电容。结合变电站布置图，如图2所示。考虑隔离开关的操作下，选取一条操作方式，搭建出变电站电路模型，如图3所示，计算出隔离开关处的快速暂态过电压和快速暂态过电流。
步骤2：根据变电站实际尺寸，依据时域有限积分法，利用电磁暂态仿真软件(computer simulation technology，CST)，建立气体绝缘变电站三维空间模型，如图4所示，将步骤1仿真计算所得的快速暂态过电压和快速暂态过电流作为激励输入到变电站三维空间模型中，从而计算得到变电站空间电磁场；
本实施例中变电站内部为铜质母线，其半径为50mm；变电站外壳采用铝制材料，外壳具有一定的厚度，其外半径为400mm，内半径为390mm；
时域有限积分法是对Maxwell方程组的积分形式进行方程离散，使之成为Maxwell网格方程组，设置截断边界条件，施加激励源，最后对Maxwell网格方程组进行时域求解。Maxwell方程组的积分形式为：
Figure BDA0002055454010000031
Figure BDA0002055454010000032
其中：l是闭合有向曲线，S是有向曲面，E是电场强度，单位是伏特/米(V/m)；D是电通量密度，单位是库伦/米2(C/m2)；H是磁场强度，单位是安培/米(A/m)；B为磁通量强度，单位是韦伯/米2(Wb/m2)；J是电流密度，单位是安培/米2(A/m2)；
将Maxwell方程组的积分方程通过网格G和复合网格
Figure BDA0002055454010000033
组成的离散空间进行离散，如图5所示；在网格G上，ei、ej、ek、el分别为相应方向上的网格电压；在复合网格
Figure BDA0002055454010000034
上，h1、h2、h3、h4分别为相应方向上的网格磁压；bn为网格G法向上的磁通量；dj为复合网格
Figure BDA0002055454010000035
法向上的电通量；
Figure BDA0002055454010000036
为网格G上某棱边的网格电压；
Figure BDA0002055454010000037
为网格G上某一封闭曲线法向上的磁通量；
Figure BDA0002055454010000038
为复合网格
Figure BDA0002055454010000039
上某棱边上的网格磁压；
Figure BDA00020554540100000310
为复合网格
Figure BDA00020554540100000311
上某一封闭曲线法向上的电通量。
步骤3：在变电站中选取特定空间位置，在这些特定空间位置上放置电场探针以及磁场探针，用于测量电场强度及磁场强度，如图6所示；从某一点提取出电场强度和磁场强度如图7和图8所示，从气体绝缘变电站三维空间模型中提取出电场强度与磁场强度；以及特定空间位置的电场强度和磁场强度分布云图，如图9和图10所示，为变电站在某一位置Z方向上的电场分布图及磁场分布图，不同颜色代表电场的大小和磁场的大小，可以看到电场及磁场强度主要集中在变电站中心，逐渐向四周扩散。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取变电站中断路器、隔离开关、接地开关、互感器的等效模型，依据多导体传输线理论，选取一条线路，利用EMTP软件，在隔离开关的操作下，建立气体绝缘变电站电路模型，计算得到隔离开关处的快速暂态过电压和快速暂态过电流；
步骤2：根据变电站实际尺寸，依据时域有限积分法，利用电磁暂态仿真软件，建立气体绝缘变电站三维空间模型，将步骤1仿真计算所得的快速暂态过电压和快速暂态过电流作为激励输入到变电站三维空间模型中，从而计算变电站空间电磁场；
步骤3：在变电站中选取想要测量的空间位置，在这些特定空间位置上放置电场探针以及磁场探针，用于测量电场强度及磁场强度；从气体绝缘变电站三维空间模型中提取出电场强度与磁场强度；以及特定空间位置的电场强度和磁场强度分布云图。
2.根据权利要求1所述的一种气体绝缘变电站空间电磁场计算方法，其特征在于：所述步骤1中将变电站的断路器分闸状态等效为串联电容；合闸时等效为母线；隔离开关分闸和合闸都等效为对地电容，燃弧时等效为燃弧电阻及断口对地电容；接地开关及互感器均等效为对地电容。
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