如何防范变电站TEV造成的电磁干扰？

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：据CIGRE统计，有50%以上变电站的事故都是由TEV引起的。TEV的最大值一般发生在GIS套管接地处，会威胁站内工作人员的人身安全。变电站周围布置的测量、保护、监控等二次设备，应防护TEV可能造成的电磁干扰，以免影响正常运行。研究表明，TEV受GIS的布置和接地线设置的影响极大。TEV将产生瞬态电磁场，以传导和辐射两种方式对二次设备产生危害。

1.暂态地电位升高（TEV）

当GIS中的隔离开关进行操作产生的VFTO传播到GIS与套管的连接处时，会有一部分电压波耦合到壳体与地之间，造成暂态壳体电位升高。TEV的最高数值可达到十几千伏甚至几十千伏，美国特高压系统中测到高达100kV的TEV，国内某220kV GIS变电站也测到了上千伏的TEV。TEV还含有多种频率成分，如果不加以限制，很可能在套管对地绝缘的法兰与接地线间发生火花放电现象；暂态高电压还会危及站内工作人员的人身安全；同时，高频的电压波还会产生电磁辐射，干扰变电站的二次设备。据CIGRE统计，有50%以上变电站的事故都是由TEV引起的。

TEV的最大值一般发生在GIS套管接地处，会威胁站内工作人员的人身安全。壳体其他处的TEV数值表现为离套管越远其值就越小，其频率主要分布在10MHz以内。变电站周围布置的测量、保护、监控等二次设备，应防护TEV可能造成的电磁干扰，以免影响正常运行。

TEV的影响因素有很多，如GIS壳体的对地高度、壳体的直径、开关的操作方式、接地线的设置、GIS的布置情况等。研究表明，TEV受GIS的布置和接地线设置的影响极大。同一电压等级下，GIS布置的差异性也使TEV的特性具有很大不同。

从以上分析可知，接地线对TEV的影响很大。对于投入运行前的GIS来说，要想降低TEV的峰值，接地线的合理配置就显得尤为重要。图10-20和图10-21给出了出线套管接地点TEV峰值与接地线数量及截面积之间的关系曲线。表10-4为该处的TEV峰值与接地线对地高度的关系。

图10-20 TEV峰值与接地线数量的关系

图10-21 TEV峰值与接地线截面积的关系

表10-4 TEV峰值与接地线对地高度的关系

可见，接地线的数量在很大程度上影响着TEV的峰值，接地线的数量越多，TEV的峰值下降得就越明显；增加接地线的截面积和降低接地线的对地高度都能削减TEV的峰值，但是随着截面积的增大和对地高度的降低，TEV的峰值下降得并不十分明显，因此要降低TEV的峰值，增加接地线的数量是最有效的措施。

TEV研究的另外一个方面就是对其的测量技术，目前国内在这方面还没有成熟的成果报道。国外使用球形传感器来测量TEV，频率响应可达到445MHz，传感器被做成球形电容探头，测量电场强度的两个分量，传感器到记录设备采用光纤传输。但不管怎么说，TEV的测量方法和测试系统都要进一步研究和完善，甚至要固化到GIS中去。

对TEV测量的另一种方法是测量GIS外部的瞬态电场，图10-22所示为某550kV GIS变电站隔离开关合短母线时的瞬态电场波形。电场的振荡峰值为14kV/m，而且振荡过程是单极性的。然后利用E=-Δφ，即可求得该点的TEV波形。

图10-22 某550kV GIS变电站隔离开关合短母线时的瞬态电场波形

TEV属于电力系统电磁兼容范畴，其影响范围十分广泛，对其进一步的深入研究可以扩展到二次设备。TEV将产生瞬态电磁场，以传导和辐射两种方式对二次设备产生危害。传导耦合有两种方式：一为暂态过电压通过电压互感器或电流互感器内部的杂散电容传入与其相连的二次电缆，进而进入二次设备；二是通过地网进入接地二次电缆的屏蔽层，进而感应到二次电缆的芯线上，从而对二次设备构成危害。前者为容性耦合，后者为阻性耦合。辐射耦合是通过金属外壳产生的瞬态电磁场感应到二次电缆，进而威胁二次设备。

目前，国内对TEV的系统研究还处于起步阶段，还需要更加深入的研究，如GIS外壳暂态模型的建立、TEV的测量、站内二次设备的合理布置、接地网模型的建立、屏蔽措施的研究等。

2.潜供电弧问题

在输电线路中，因为雷击等原因导致单相接地故障，如图10-23所示，设故障相为A相。此时，继电保护装置以及断路器自身的动作延迟，故障相线路两侧的断路器CB_A不会立即断开，A相线路故障运行，故障点流过短路电流，故障点与大地间的电弧称为一次电弧，随后故障相两侧断路器CB_A动作，一次电弧熄灭。健全相B相、C相仍然正常工作，由于相间存在电容耦合（容性分量，由C₁₂提供）和电感耦合（感性分量，由M提供），健全相依然向故障相传递能量，此时故障点流过的电流称为潜供电流，由此产生的电弧称为潜供电弧，也称为二次电弧。此电弧熄灭后弧道两端的电压为恢复电压。

图10-23 潜供电弧的产生过程

潜供电流的容性分量与线路运行电压有关，与线路故障点位置无关；感性分量与线路健全相电流和故障点位置相关，当故障发生在线路端部时，感性分量较大；当故障发生在线路中部时，感性分量较小。

潜供电弧的存在直接影响单相重合闸的成功率，单相重合闸无电流间隙时间的长短决定于潜供电流和恢复电压的大小。特高压输电线路，运行电压高，相间电容耦合强，潜供电流会显著增大，同时恢复电压也会很高，潜供电弧燃烧时间较长，需要采取有效的限制措施。

我国超高压、特高压线路采取的是高压电抗器中性点小电抗补偿相间电容的方法，可以显著减小潜供电流的容性分量。图10-24给出了并联电抗器中性点接小电抗的等值示意图。

图10-24 并联电抗器中性点接小电抗的等值示意图

按照完全补偿相间电容的原则选择小电抗，可将潜供电流容性分量减至最小。中性点小电抗X_N可由式（10-25）～式（10-27）算出。实际上，小电抗的取值是该方案的难题之一，需要根据线路参数计算结果进行合理估算，以达到抑制潜供电流和恢复电压的目的。特高压线路使用并联电抗器后，无论中性点采取何种接地方式，在两相运行时都有发生电压谐振现象的可能。加装中性点小电抗后，要准确计算输电线路的正序电容和零序电容，防止由估算错误带来的小电抗整定值偏差。这种偏差可能会使得相间阻抗和相对地阻抗反向，放大电容耦合程度，使潜供电流增大；如果处于全补偿状态运行，还可能引起线路产生谐振过电压，使得恢复电压激增，造成潜供电弧重燃。

当线路长度较短、线路充电功率较低时，通常不采用并联高压电抗器限制系统过电压，因此不能应用小电抗补偿相间电容的方案限制潜供电流和恢复电压。另外，当输电线路不换位时，相间电容差异性较大，即使采用小电抗补偿的方案也难以取得理想的效果。为此，可以选择在线路两侧安装快速接地开关（HSGS）的方案限制潜供电弧。目前，日本和韩国已经采用此方案来限制潜供电弧。图10-25所示为HSGS结构示意图。快速接地开关主要包括外壳、触头（动触头、静触头）、机构箱、绝缘端子、软连接灭弧室等。经过合理的时序配合，故障发生后0.3s内即可完全熄灭潜供电弧，1s内实现单相重合闸。

日本已建成的特高压线路和韩国750kV线路中采用快速接地开关来限制潜供电弧燃烧持续时间。采用这种方法会使断路器的操作变得复杂，但可将大气中自由燃烧的开放性电弧转换成开关内压缩性电弧，使得潜供电弧的熄灭能力较少受到外界因素影响。图10-26给出了HSGS操作过程示意图。

图10-25 HSGS结构示意图

图10-26 HSGS操作过程示意图

如何防范变电站TEV造成的电磁干扰？

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