CN111259533A - Gis隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高频电磁场计算技术，具体涉及GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，包括以下步骤：VFTO激励源的选取与处理；分析GIS设备的结构，建立考虑套管结构的模型；施加VFTO激励源，GIS设备接地，GIS设备外壳进行加密处理，获取套管周围空间辐射电磁场；改变VFTO激励源的大小，逐一仿真开关操作条件下的GIS变电站空间电磁场，得到空间电磁场时域仿真波形；根据步骤4所述空间电磁场时域仿真波形，获得GIS变电站开关操作时空间电磁场的电磁干扰频段。该方法解决了目前特快速瞬态空间辐射电磁场计算时间较长，计算过程复杂及尺寸限制问题。准确得到开关操作条件下瞬态空间电磁场的电磁干扰频段。

Description

GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法

技术领域

本发明属于高频电磁场计算技术领域，尤其涉及GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法。

背景技术

GIS变电站因其占地面积小、运行安全和维护方便等特点在电力系统中得到广泛应用。随着我国智能化GIS变电站建设的推进，集成在GIS大量电子设备和布置在一次设备附近的二次智能终端受到的电磁干扰越来越严重。国内外对GIS变电站隔离开关操作时暂态空间电磁环境的研究，主要分为现场测量、实验室模拟仿真和仿真分析等三个方面。开关操作的速度较快，电磁场强度较高，对测量系统的要求较苛刻，难以准确测量。采用仿真计算的方法相较于现场实测和模拟试验，具备成本低，重复性好，能够有效指导工程设计。SF₆气体击穿是空间暂态电磁辐射产生的根源，故激励源的准确模拟是准确计算空间辐射电磁场的关键。现有方法主要为：1)采用某一频率下衰减的的正弦电流源作为激励进行计算，结果无法准确反应空间电磁场的主要频率。2)将电弧放电过程等效为时变电阻，基于有限元法采用场－路－波协同方法进行计算。该方法计算过程复杂，所消耗时间过长，并不适用于仿真尺寸巨大的GIS设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够计算出任意干扰源激励下GIS套管处辐射的空间电场和磁场强度大小，准确得到开关操作条件下瞬态空间电磁场的电磁干扰频段的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、VFTO激励源的选取与处理；

步骤2、分析GIS设备的结构，建立考虑套管结构的模型；

步骤3、施加VFTO激励源，GIS设备接地，GIS设备外壳进行加密处理，获取套管周围空间辐射电磁场；

步骤4、改变VFTO激励源的大小，逐一仿真开关操作条件下的GIS变电站空间电磁场，得到空间电磁场时域仿真波形；

步骤5、根据步骤4所述空间电磁场时域仿真波形，获得GIS变电站开关操作时空间电磁场的电磁干扰频段。

在上述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法中，步骤1的实现包括：

步骤1.1、选取VFTO激励源为波形输入或数据输入；波形是从VFTO全过程波形中截取单次脉冲过电压波形，单次脉冲过电压波形包含其波前上升和衰减震荡过程；数据点组为(T_i,U_i)，式中i＝0,1,2,3…n第一列为时间，第二列为电压值；当t_i＝T_i-T₁，VFTO激励源的电压关于时间的数据点组为(t_i,U_i)；

步骤1.2、当仿真时间步长不满足要求时，采用拉格朗日多项式插值法进行处理；根据VFTO激励源的电压关于时间的数据点组(t_i,U_i)得：(t₁,U₁)，(t₂,U₂)，(t₃,U₃)，…(t_n,U_n)，式中t_i各不相同，对于1到n之间的每个k次，其n-1次多项式公式为：

其中，基本的多项式展开由以下公式计算得到：

P_n-1(t)＝U₁H₁(t)+…+U_nH_n(t) (3)

U_i＝P_n-1(t_i),i＝1,2,…,n (4)

式中，P为所求函数的近似函数，通过N次差值逼近原函数，U_i为VFTO激励源的电压关于时间函数。

在上述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法中，步骤2的实现包括在CST微波工作室中建立GIS设备模型，其大小尺寸与实际GIS设备相同，包括GIS隔离开关、隔离开关和套管，还包括建立套管中的中间电位内屏蔽层、接地屏蔽层的结构尺寸，屏蔽层与套管根部之间的连接关系；所述模型底面采用理想磁边界，其余面采用开放边界模拟开放空间电磁环境。

在上述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法中，步骤3所述VFTO激励源添加在所动作开关的内部，采用离散端口，并设置为电压源激励模式；VFTO激励源的起点与终点位置为所动作开关的动触头与静触头。

在上述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法中，步骤4的实现包括空间电磁场选用CST微波工作室中时域有限积分求解器进行计算；将Maxwell积分方程进行离散，计算时其迭代公式如下所示：

其中，e、h分别为所迭代的电场磁场，其指数为迭代次数，C为旋度算子相应的矩阵，M_i、M_σ、M_μ、M_K、

分别为各介质化后所对应的矩阵。

在上述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法中，步骤5的实现包括以下步骤：

步骤5.1、选取不同过电压幅值VFTO激励源波形，得出开关操作时GIS变电站特快速空间瞬态空间电磁场分布随VFTO激励源、时间和空间变化分布规律；

步骤5.2、在CST微波工作室中时域有限积分求解器计算结果中，选取GIS设备附近空间中介质为空气的任意坐标点的电场或者磁场时域波形进行傅里叶变换，得到VFTO激励源作用下空间电磁场频率分布特性；

步骤5.3、在步骤5.1的结果中，选取不同激励时电场或者磁场时域波形进行傅里叶变换，得到GIS变电站开关操作时空间电磁场的电磁干扰频段。

本发明的有益效果：1.简化仿真过程，加快了仿真速度，提高了仿真的准确性和频率的准确性；从而为工程设计指导提供有力依据。

2.可以获得随时间和空间变化的瞬态空间电场、磁场；

3.能够计算开关操作时，GIS套管处产生的空间辐射电磁场，准确得到开关操作条件下瞬态空间电磁场的电磁干扰频段。

附图说明

图1为本发明一个实施方案流程框图；

图2为本发明一个实施例中所用的高频过电压全过程波形；其中，特征1为本发明实施例中所用的高频过电压全过程中单次脉冲过电压波形；

图3为本发明一个实施例中选用的VFTO激励源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例GIS隔离开关操作条件下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，采用VFTO作为激励源，使空间特快速暂态空间辐射电磁场的幅值和主频计算更为准确；采用有限积分法，克服由于GIS设备尺寸过大而计算速度慢甚至不能计算的问题，使计算过程简化，加快计算速度，从而为工程设计指导提供有力依据。采用本发明方法，可以计算出任意干扰源激励下GIS套管处辐射的空间电场和磁场强度大小，准确得到开关操作条件下瞬态空间电磁场的电磁干扰频段。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，GIS隔离开关操作条件下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，包括以下步骤：

一、VFTO激励源的选取与处理；

二、分析GIS设备的结构，该模型考虑套管结构；

三、GIS设备接地，GIS设备外壳进行加密处理，获取套管周围空间辐射电磁场；

四、改变VFTO激励源的大小，逐一仿真开关操作条件下的GIS变电站空间电磁场，得到空间电磁场时域仿真波形(空间某点出现的最大强度)；

五、由步骤四所述时域波形得到空间电磁场的主频。

具体实施时，如图1所示，GIS隔离开关操作条件下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，包括：

S1、GIS变电站开关操作时，高频过电压测量装置可获得过电压幅值，该数据经工频标定后，可得到随时间变化的过电压波形，如图2所示。选取击穿脉冲波形，将横坐标时间轴进行放大，得到如图3所示VFTO激励源展开波形。特快速瞬态空间辐射为了减少仿真计算时软件所消耗的时间，同时尽可能保留激励源的频率，选择性截取图2中如特征1所示部分单次脉冲过电压波形，被截取的波形包含波形上升过程和尽可能多衰减震荡过程。该波形对应的数据点组为(Ti,Ui)，式中i＝0,1,2,3…n第一列为时间，第二列为电压值。令t_i＝T_i-T₁，VFTO激励源的电压关于时间的数据点组为(t_i,U_i)。

S2、当仿真时间步长不满足要求时，可采用拉格朗日多项式插值法进行处理，上述步骤得到可得到VFTO时间与电压之间的数据点，即(t₁,U₁)，(t₂,U₂)，(t₃,U₃)，…(t_n,U_n)，式中t_i各不相同，对于1到n之间的每个k次，其n-1次多项式公式为：

其中，基本的多项式展开由以下公式计算得到：

P_n-1(t)＝U₁H₁(t)+…+U_nH_n(t) (3)

U_i＝P_n-1(t_i),i＝1,2,…,n (4)

其中，P为所求函数的近似函数，可通过N次差值逼近原函数，U_i即为VFTO的电压关于时间函数。

S3、在CST微波工作室中建立GIS设备的完整结构模型，包括GIS隔离开关、隔离开关和套管。模型尺寸与实际尺寸一样，主要突出GIS设备电气开口区域对空间辐射电磁场的影响，尤其的考虑金属屏蔽筒的屏蔽作用对套管处产生的特快速瞬态空间辐射电磁场的影响，为了使仿真计算结果精确，模型中需要体现套管中的中间电位内屏蔽层、接地屏蔽层的结构尺寸，屏蔽层与套管根部之间的连接关系。为了简化模型建立的复杂性，GIS设备内填充的气体绝缘介质不予考虑；为了提高计算速度，忽略了GIS设备螺栓等金属连接件；为体现非理想导体的特性大地的影响，准确模拟地面对空间电磁波的散射效果，将地所在平面设为理想磁边界，其余面设置为开放边界模拟电磁波向空间传播的过程。

S4、VFTO激励源的施加。开关操作时SF₆气体击穿和重燃产生特快速瞬态现象，直接模拟放电过程非常复杂，且具有随机性。VFTO是开关操作产生的GIS内部特快速暂态现象，也是空间暂态辐射电磁场的最主要干扰来源，故本发明方法中采用VFTO作为激励源，VFTO激励源采用离散端口的方式，并设置为电压源的激励方式。当VFTO激励源的电压采用标幺值表示时，VFTO激励源的幅值设置为工频标定时的分压比；当VFTO激励源的电压采用实际值表示时，VFTO激励源的幅值设置为1。VFTO激励源施加在由于分闸或者合闸的开关内部，优选设置在动静触头之间。

S5、空间电磁场选用CST微波工作室中时域有限积分求解器进行计算，从而保证了求解的准确度和快速性。时域有限积分法将Maxwell积分方程进行离散，适合处理时域、电大尺寸、复杂结构的电磁问题。在计算时其迭代公式如下所示：

其中e、h分别为所迭代的电场磁场，其指数为迭代次数，C为旋度算子相应的矩阵，M_i、M_σ、M_μ、M_K、

分别为各介质化后所对应的矩阵。

S6、开关操作时特快速暂态空间辐射电磁场的大小与激励源VFTO的大小有关，开关操作时VFTO激励源的幅值大小和频率具有随机性，从而导致瞬态空间辐射电磁场大小随机分布。选取不同过电压电压幅值VFTO激励源波形，只需重复所述S1到S5，即可分析开关操作时GIS变电站特快速空间瞬态空间电磁场分布随激励源、时间和空间变化分布规律。

S7、在S5计算结果中，选取GIS设备附近空间中介质为空气的任意坐标点的电场或者磁场时域波形进行傅里叶变换，即可得到该VFTO激励源作用下空间电磁场频率分布特性。在S6计算结果中，选取不同激励时电场或者磁场时域波形进行傅里叶变换，即可得到GIS变电站开关操作时空间电磁场的电磁干扰频段。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、VFTO激励源的选取与处理；

步骤2、分析GIS设备的结构，建立考虑套管结构的模型；

步骤3、施加VFTO激励源，GIS设备接地，GIS设备外壳进行加密处理，获取套管周围空间辐射电磁场；

步骤4、改变VFTO激励源的大小，逐一仿真开关操作条件下的GIS变电站空间电磁场，得到空间电磁场时域仿真波形；

步骤5、根据步骤4所述空间电磁场时域仿真波形，获得GIS变电站开关操作时空间电磁场的电磁干扰频段。

2.如权利要求1所述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，其特征是，步骤1的实现包括：

步骤1.1、选取VFTO激励源为波形输入或数据输入；波形是从VFTO全过程波形中截取单次脉冲过电压波形，单次脉冲过电压波形包含其波前上升和衰减震荡过程；数据点组为(T_i,U_i)，式中i＝0,1,2,3…n第一列为时间，第二列为电压值；当t_i＝T_i-T₁，VFTO激励源的电压关于时间的数据点组为(t_i,U_i)；

步骤1.2、当仿真时间步长不满足要求时，采用拉格朗日多项式插值法进行处理；根据VFTO激励源的电压关于时间的数据点组(t_i,U_i)得：(t₁,U₁)，(t₂,U₂)，(t₃,U₃)，…(t_n,U_n)，式中t_i各不相同，对于1到n之间的每个k次，其n-1次多项式公式为：

其中，基本的多项式展开由以下公式计算得到：

P_n-1(t)＝U₁H₁(t)+…+U_nH_n(t) (3)

U_i＝P_n-1(t_i),i＝1,2,…,n (4)

式中，P为所求函数的近似函数，通过N次差值逼近原函数，U_i为VFTO激励源的电压关于时间函数。

3.如权利要求1所述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，其特征是，步骤2的实现包括在CST微波工作室中建立GIS设备模型，其大小尺寸与实际GIS设备相同，包括GIS隔离开关、隔离开关和套管，还包括建立套管中的中间电位内屏蔽层、接地屏蔽层的结构尺寸，屏蔽层与套管根部之间的连接关系；所述模型底面采用理想磁边界，其余面采用开放边界模拟开放空间电磁环境。

4.如权利要求1所述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，其特征是，步骤3所述VFTO激励源添加在所动作开关的内部，采用离散端口，并设置为电压源激励模式；VFTO激励源的起点与终点位置为所动作开关的动触头与静触头。

5.如权利要求1所述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，其特征是，步骤4的实现包括空间电磁场选用CST微波工作室中时域有限积分求解器进行计算；将Maxwell积分方程进行离散，计算时其迭代公式如下所示：

其中，e、h分别为所迭代的电场磁场，其指数为迭代次数，C为旋度算子相应的矩阵，M_i、M_σ、M_μ、M_K、

分别为各介质化后所对应的矩阵。

6.如权利要求5所述的GIS隔离开关操作下套管处特快速暂态电磁辐射的计算方法，其特征是，步骤5的实现包括以下步骤：

步骤5.1、选取不同过电压幅值VFTO激励源波形，得出开关操作时GIS变电站特快速空间瞬态空间电磁场分布随VFTO激励源、时间和空间变化分布规律；

步骤5.2、在CST微波工作室中时域有限积分求解器计算结果中，选取GIS设备附近空间中介质为空气的任意坐标点的电场或者磁场时域波形进行傅里叶变换，得到VFTO激励源作用下空间电磁场频率分布特性；

步骤5.3、在步骤5.1的结果中，选取不同激励时电场或者磁场时域波形进行傅里叶变换，得到GIS变电站开关操作时空间电磁场的电磁干扰频段。

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