暂态冲击作用下GIS套管电磁辐射特性研究_杨涛.pdf

暂态冲击作用下GIS套管电磁辐射特性研究杨涛1，吴建蓉1，朱勇2，黄军凯1，许逵1，陈沛龙1，侯博文3，吴细秀3（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳550002；2.贵州电网有限责任公司凯里供电局，贵阳556000；3.武汉理工大学，武汉430070）摘要：GIS变电站在开关操作暂态条件下，套管是 GIS 壳体内部骚扰源主要的释放出口，是重要的电磁场辐射源。为研究 GIS 套管在暂态冲击作用下的电磁辐射特性，分析了套管结构特征，参照某一GIS试验平台搭建了套管的天线辐射模型，通过时域有限积分法计算套管天线的辐射电阻、驻波比、方向性系数、增益、极化等特征参数，并分析了这些参数的特征意义。研究结果表明：GIS 套管具有很强的电磁辐射能力，在10、108、180 MHz等频点附近尤其突出；从方向特性看，套管在水平方向上表现为全向天线，在垂直剖面上不同频率呈现不同的方向性；在极化特性上，套管的极化方式为垂直极化。关键词：气体绝缘变电站；套管天线；电磁辐射；电磁仿真；时域有限积分法Research on Electromagnetic Radiation Characteristics of GIS Bushing UnderTransient ImpulseYANG Tao1，WU Jianrong1，ZHU Yong2，HUANG Junkai1，XU Kui1，CHEN Peilong1，HOU Bowen3，WU Xixiu3（1.Guizhou Electric Power Research Institute，Guiyang 550002，China；2.Kaili Power Supply Bureau，Guizhou Power GridCo.，Ltd.，Guiyang 556000，China；3.Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）Abstract:Under transient condition of switching of GIS substation，bushing is the main release outlet of internal interference source of GIS enclosure and also the important radiation source electromagnetic field.In order to researchthe electromagnetic radiation characteristics of GIS bushing under transient impulse，the structural characteristics ofthe bushing are analyzed，and the antenna radiation model of the bushing is set up with reference to a GIS test platform.Then，such characteristic parameters of the bushing antenna as the radiation resistance，standing wave ratio，directivity coefficient，gain and polarization erc are calculated through the timedomain finite integration（FITD），andthe characteristic significance of the parameters are analyzed.The research results show that the GIS bushing hasvery strong electromagnetic radiation capability and is particularly prominent near such frequency points as 10 MHz，108 MHz and 180 MHz.In terms of directional characteristics，the bushing is omnidirectional antenna in horizontaldirection，and has different directivity at different frequencies in vertical profile.While，in terms of polarization characteristics，the polarization mode of the bushing is vertical polarization.Key words:GIS；bushing antenna；electromagnetic radiation；electromagnetic simulation；FITD第59卷第7期：017601852023年7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：01760185Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.019_收稿日期：20221012；修回日期：20221221基金项目：贵州电网有限责任公司科技项目(066600KK52170049)。Project Supported by Science and Technology Project of Guizhou Power Grid Co.，Ltd.(066600KK52170049).0引言随着电网智能化的发展，电子设备与一次设备高度融合，电磁兼容问题越来越突出。与AIS变电站相比，GIS变电站结构更为紧凑，其电磁兼容问题尤为突出。开关操作是变电站主要的电磁干扰源。GIS变电站开关操作时会产生VFT电磁波，该电磁波经过多次折、反射后在GIS内部母线和外壳之间以电快速脉冲群形式进行传播。这种电快速脉冲群不仅会对设备绝缘构成威胁，还会通过传导、辐射等方式对变电站智能保护、监测设备等产生电磁干扰。由于传导和辐射是开关操作最主要的电磁干扰方式，因此有关研究均围绕着这两种干扰方式进行。传导干扰主要是分析过电压如何通过电容耦合(屏蔽电缆)对传感器和智能组件产生的干扰。其中，过电压多讨论TEV，传感器多讨论电子式互感器，华北电力大学曾开展了一系列的研究1-6。辐射电磁干扰理论研究多讨论VFTO通过盆式绝缘子泄漏辐射的情况7-9，试验研究主要是测量开关操作条件下空间辐射电磁场的大小10-13。研究表明：从辐射角度来看，GIS壳体和套管都可看作天线，都能产生空间辐射电磁场。文14专门讨论了TEV在GIS壳体上产生电流的辐射情况。尽管采用试验的方法可以得到辐射电磁场的大小，但由于壳体和套管均可看作天线，VFTO也可通过未密封好的盆式绝缘子辐射到GIS壳体外，因此采用试验方法测量得到的是开关操作时整个GIS变电站的总体电磁场辐射水平。文15指出套管是空间电磁场最主要的辐射源，但到目前为止，专门讨论套管辐射的研究并不多见。套管自身辐射特性是研究其辐射VFT的基础，因此文中开展了开关操作暂态冲击作用下套管自身辐射特性的研究。根据套管的结构特征，建立套管天线模型，计算了特快速暂态激励下的辐射电阻、驻波比、方向性系数和极化等表征天线辐射的参数特征值，分析了GIS套管在不同频率下对电磁波的辐射能力。1套管辐射机理1.1套管的结构特征分析GIS套管内部结构见图1、2。外部套管和伞裙对整个套管起支撑作用，并对高低电位进行绝缘，为了增强套管的外部绝缘能力，部分工装GIS套管在高电位的接线端子处增设均压环(图2中未画出)，GIS套管一般采用垂直地面、架设高的布置方式。套筒天线见图 3，它主要由辐射体和套筒组成。将其与套管对比，不难发现套管导电部分，见图4，套管的高压端子、中心导杆、上法兰即可组成等效的辐射体；接地屏蔽筒下端通过套管底座接地可等效为套筒。GIS套管金属部分在结构上与套筒天线高度相似，不同的是，套管顶部多了一个上法兰，由于它位于套管顶部，且与中心导体相连，它的辐射能力大小未知，不能为了将套管等效为图3所示套筒天线而将其忽略掉。为此，文中的处理方法是，套管可视作套管天线，在建模计算辐射能力时，考虑上法兰的影响。图3套筒天线Fig.3Sleeve antenna图1工装GIS套管Fig.1Bushing used in engineering图2套管结构图Fig.2Structure of bushing研究与分析杨 涛，吴建蓉，朱 勇，等.暂态冲击作用下GIS套管电磁辐射特性研究 1772023年7月第59卷第7期图4套管金属部分Fig.4The metal part of the bushingGIS套管的中心导杆通过GIS母线馈电可看成单极子天线，屏蔽筒下方与中心导杆满足传输线模式，当GIS母线对中心导杆进行馈电时，套管的中心导体上可形成类似套筒天线的形式向空间辐射电磁场。1.2天线特性的典型参数辐射电阻、驻波比、方向性系数和极化等是衡量天线特征性能的主要参数，下面根据套管结构具体分析开关操作暂态冲击条件下套管的辐射特性。1)辐射电阻。辐射电阻是用来表征天线的电磁波辐射能力。辐射电阻Rr的表达式为Rr=aRin(1)式(1)中：a为天线的辐射效率，即天线的辐射功率与输入功率的比值；Rin为输入电阻，即天线馈电端口处电压与电流之比，在GIS套管中馈电端口是GIS母线与中心导杆连接处，见图5。图5GIS套管天线馈电端口Fig.5Feed port of GIS bushing antenna天线辐射功率可通过电磁场中的能流密度矢量(坡印亭矢量，W)计算，取面积元矢量ds沿保卫天线的整个表面对W进行积分Pr=sWds=12sEHn?ds(2)式(2)中：E为电场强度；H为磁场强度；n?表示闭合面s的外法线单位矢量。辐射电阻由天线的几何结构决定，对于GIS套管而言，中心导杆的长度、接地屏蔽筒的长度、半径等尺寸会直接影响套管的辐射电阻大小。辐射电阻反映天线辐射能力的强弱，辐射电阻越大则辐射能力越强。2)回波损耗和电压驻波比。可以通过测量天线的回波损耗 RL(return loss)和电压驻波比 VSWR(voltage standing wave ratio)来确定天线的工作频率或频带。天线与馈线连接处(馈电端口)的匹配程度如下所述：RL表示天线馈电端口反射功率与入射功率的比值，在数值上与S参数的S11数值相反，可通过计算S参数得到天线的回波损耗RL。回波损耗RL越小，说明端口反射的功率越小。RL=-S11S11=20lg()(3)式(3)中，表示一个反射系数，用来联系回波损耗与电压驻波比，驻波比表示馈线的特性阻抗与天线阻抗的匹配程度，通过表示如下VSWR=1+1-(4)GIS中，母线类似于同轴式馈线，母线直径与壳体直径之比以及GIS壳体内SF6的相对介电常数直接影响其馈线的特性阻抗Z0Z0=138slgD1D2(5)式(5)中：s表示GIS壳体内SF6的相对介电常数；D1、D2分别为GIS壳体和母线的直径。套管中心导杆与接地套筒的尺寸及工作频率影响天线阻抗，二者的匹配程度反映了母线向套管传输能量的效率。驻波比越大，阻抗匹配越差，辐射性能越差，性能良好的天线一般要求驻波比小于1.5，可发射96%以上的能量。3)方向性系数。为了表示天线辐射的集中程度，定义天线的方向性系数D(),为在相同功率和距离的情况下，天线某一方向辐射功率密度S(),与无方向天线在该方向的辐射功率密度S0的比值D(),=S(),S0(6)由于套管垂直地面放置，见图6，定义为该方向与z轴正方向的夹角，称为天顶角；是水平面上该方向与x轴正方向的夹角，称为方位角，通过天顶角与方位角确定套管周围电磁场辐射能量密度。178图6天顶角、方位角示意图Fig.6Display of zenith angle and azimuth angle4)极化。极化是指天线在其最大辐射方向上电场矢量的取向随时间变化所描述的轨迹，见图7，描述该轨迹的投影。天线的极化方式按照轴比AR(图8中极化椭圆的长轴a与短轴b的比值)可分别表示为线极化、圆极化和椭圆极化AR=ab1AR(7)图7天线极化方式Fig.7Polarization form of antenna图8极化椭圆Fig.8Polarization in elliptic form线极化和圆极化是椭圆极化的特例，AR=1时，为圆极化；AR=时，为线极化；否则为椭圆极化。以地面为参考面，线极化又分为水平极化和垂直极化。天线极化方式与电流方向一致，因此可以根据GIS套管的电流与地面的方向关系判断极化方式。研究套管辐射电磁波的极化方式，可从极化隔离的角度采取辐射骚扰抑制措施，对指导空间电磁场的测量有重要意义。2套管天线参数计算2.1三维套管天线模型的建立为得到开关操作暂态冲击作用下套管作为天线的辐射特性参数，文中以某VFTO试验平台的GIS套管为例进行具体计算。GIS试验平台见图9，该试验平台为550 kV等级，套管尺寸见表1。图9GIS试验平台Fig.9GIS test platform表1550 kV GIS套管尺寸Table 1Size of bushing for 550 kV GIS结构尺寸/mm均压环半径：420高度：510中心导杆长：6 220屏蔽筒半径：177高度：900瓷套半径：241高度：5 000L型底座壳体半径：300文中拟采用时域有限积分法计算暂态冲击作用下的套管辐射特性参数，根据套管尺寸建立套管物理模型见图10。相关材料参数设置见表2。图10套管模型及网格划分Fig.10Bushing model and mesh segmentationGIS套管模型的所有金属材料设置为铝，瓷套为陶瓷为主的复合材料，内部充满SF6气体。为模拟套管的天线辐射性能，提高仿真计算准确性，对套管进行网格加密。仿真计算在介质交界处的网格会出现较大误差，需要对中心导杆和瓷套进行网格细化。研究与分析杨 涛，吴建蓉，朱 勇，等.暂态冲击作用下GIS套管电磁辐射特性研究 1792023年7月第59卷第7期2.2边界条件边界条件是约束矢量方程迭代的重要必要条件，在三维模型仿真计算中根据边界吸收能量的能力分为背景边界、有损边界和辐射边界3种。根据套管垂直于地面的布置方式，将套管底部设置为电导率取0.01 S/m的有损边界来模拟大地；为计算套管向开放空间发散电磁场的能力，在套管顶部和侧面边界条件设置为辐射边界(吸收边界)，即电磁波传输到边界上被完全吸收，没有反射。边界条件设置见表3。表3边界条件设置Table 3Setting of boundary conditions位置边界条件套管顶部辐射边界套管底部有损边界(电导率0.01 S/m)套管侧面辐射边界2.3激励设置VFTO全波频带宽、电脉冲群个数多(几百个)。仿真计算过程中，在如此宽的频率范围内施加如此多的电快速脉冲波形显然是十分困难的。分析单个VFTO波形不难发现，它的波形与高斯脉冲波十分类似，见图11。对套筒天线而言，频率对辐射性能的影响较大。为此，文中对VFTO的频率进行了分析，在此基础上，采用高斯激励替代VFTO波作为天线辐射的激励源。高斯脉冲可以在波形上陡增类似于VFTO的脉冲(图11(a)标记处局部放大)，且在一个有限的带宽下，高斯脉冲可以根据频率范围自动计算合适的激励时间脉冲信号，确保不同频率下的激励源能量相同。使用高斯激励实现套管天线特定频段的扫频分析，可获取更加准确的电磁场分布特点。根据VFTO的频率范围(几十到几百兆赫兹)，将仿真频率设置在0300 MHz。高斯激励方式设置为端口激励，激励端口形成的电场和磁场分布图见图12，电场垂直于母线向外，磁场环绕母线。3计算结果分析采用时域有限积分法(FITD)对套管自身的输入阻抗、辐射效率、S参数、三维方向图等参数进行求解。图11实测VFTO波与高斯激励脉冲波Fig.11VFTO wave measured in the experiment andGaussian excitation pulse wave图12激励端口Fig.12Port of excitationFTID将Maxwell积分方程进行离散，电磁场分量采取时间步长相等，采样时间错开半个采样周期的交错离散采样的方式，见图13。表2套管模型的结构材料Table 2Structural material of bushing model结构材料均压环、高压端子铝中心导杆屏蔽筒L型底座瓷套复合材料套管腔体SF6 180图13交错离散采样示意图Fig.13Schematic diagram of staggered discrete sampling从激励源开始向四周进行迭代计算，其迭代公式为|e n-1=|Mt+M2-1|Mt-M2e n+C?hn+12-i=n+12c,ihn+12=|Mt+MK2-1|Mt-MK2hn-12+Ce n-i=nmj(8)式(8)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、M、M、MK为本构方程离散后的系数矩阵。迭代过程需要满足稳定性要求，一般用Courant稳定性条件进行判断，时间步长t必须满足t1x2+|1y2+1z2(9)式(9)中：x、y、z为网格步长；为真空中光速c的倒数。通过计算，得到套管自身的辐射特性参数如下所示：1)输入阻抗特性。仿真计算得到的套管天线的输入电阻及辐射效率随频率变化的曲线图见图14、15。图14输入电阻随频率变化曲线图Fig.14Curve of input resistance changing with frequency由图14可知，GIS套管在辐射不同频率的电磁波辐射时输入电阻相差较大，在频点56、140、170、220 MHz附近输入电阻较大。根据式(1)计算出套管天线辐射电阻，见图16。辐射电阻表示套管辐射电磁波的能力，由图16所示，在频点48、140、170、220 MHz附近，阻值可达200 以上，套管的辐射电磁波能力较强。图15辐射效率(Y轴为对数坐标)Fig.15Radiation efficiency(logarithmic Yaxis)图16辐射电阻Rr随频率变化曲线图Fig.16Curve of radiation resistance(Rr)changingwith frequency2)驻波比。回波损耗参数通过式(3)、(4)计算出套管天线驻波比见图17。由0300 MHz频段下套管天线驻波比可以得出，在10、108、180 MHz附近的频点驻波比小于1.5，满足性能良好天线对驻波比的要求。电压驻波比见图18。图17回波损耗Fig.17Return loss研究与分析杨 涛，吴建蓉，朱 勇，等.暂态冲击作用下GIS套管电磁辐射特性研究 1812023年7月第59卷第7期图18电压驻波比Fig.18Voltage standing wave ratio3)方向图。方向图反映了套管天线向空间辐射电磁波的能量在各个方向上的分布，方向图的分析对研究套管天线的辐射特性有重要意义。5、10、30、40 MHz频点对应的三维方向图见图19。从图19可以看出：当保持不变时，任意方向上的方向性系数相同；当保持不变时，方向性系数随着的增大而增大，在90时达最大值。频率变大到45、100、165、253 MHz套管的三维方向图见图20，从图20可以看出，在45250 MHz范围内，水平剖面上无方向性，垂直剖面上呈现方向性。由于套管天线在同一水平剖面上无方向性，为了进一步得到套管辐射能量集中的角度，统计了不同频率下辐射最大及最小所对应的天顶角角度，见表4。图19套管辐射三维方向图Fig.19Three dimensional radiation pattern of bushing以频率45 MHz为分界点，当频率低于45 MHz时，套管的辐射能量主要集中在偏大(45)的方向；频率高于45 MHz时，辐射能量主要集中在偏小(45)的方向。4)增益。天线增益与方向图有着密切的关系，套管天线的增益反映了套管辐射电磁场的能力及传播的距离。套管辐射三维增益图见图21。套管的增益随频率变化曲线图见图22。182图20套管辐射三维方向图Fig.20Three dimensional radiation pattern of bushing表4不同频率下辐射最大、最小的统计表Table 4Statistical table of maximum and minimum value of radiation at different frequencies频率/MHz54045100165253辐射最大的/()898930564220辐射最小的/()0.00.00.072.078.00.0和82.7图21套管辐射三维增益图Fig.21Three dimensional gain diagram of bushingub radiation研究与分析杨 涛，吴建蓉，朱 勇，等.暂态冲击作用下GIS套管电磁辐射特性研究 1832023年7月第59卷第7期图22增益频率曲线Fig.22Gainfrequency curve从图22中可以看出：套管在10 MHz以上的增益均大于5 dBi，说明套管具有很强的电磁波辐射能力；在频点10、108、180 MHz的增益明显大于它们附近频率的增益，这些频点与驻波比小的频点对应，进一步说明套管容易辐射这些频率附近的骚扰电磁波。5)极化。极化为天线远区辐射电场的指向，由天线上的电流方向决定，与频率关系不大；套管辐射在水平面上无方向，因此可取频率为 45 MHz、=0时，AR随变化的曲线图来说明。轴比变化曲线(45 MHz)见图23。图23轴比变化曲线(45 MHz)Fig.23Axial ratio variation curve(45 MHz)从图23可知，轴比最大值为40 dB，最小值为26 dB，说明极化椭圆的长轴远远大于短轴，套管辐射的电磁波接近于线极化，套管可看作由外壳及屏蔽筒加粗的线极化天线。如图24所示，XOY面为地面，电流方向为Z轴正方向，由套管的电流与地面的方向关系判断此时的主极化方式为垂直极化。因此在GIS变电站中，套管垂直布置时辐射的电磁波为垂直极化方式。因此，在辐射电磁场测量、仿真分析及辐射干扰抑制等方面有以下指导意义：进行辐射电磁场测量时，为了避免极化导致的天线接收效果下降，测量天线应尽量与空间电磁波的极化方向一致。进行辐射耦合仿真时，如电缆辐射耦合仿真时，可以模拟电磁波在空中的极化特性。在制定辐射骚扰抑制措施时，可通过控制收发天线的极化方向提高GIS变电站内无线传感器抗干扰能力。4结论文中采用了时域有限积分法，建立了GIS套管的三维模型，研究了特快速暂态作用下套管的辐射特性，具体结论如下：1)GIS 套管具有很强的电磁波辐射能力。在10、108、180 MHz等频点附近，套管的辐射电阻超过200、驻波比均小于1.5。2)套管的辐射特性类似于全向天线，在水平方向上表现为360均匀辐射，但在垂直剖面上具有方向性。当激励频率高于45 MHz时，辐射电磁波能量主要集中套管上部均压环处；频率低于45 MHz时，电磁波能量主要集中在下部套管底座和壳体附近。3)套管可看作加粗的线天线，在GIS变电站中，套管垂直布置时辐射的电磁波为垂直极化方式，因此，对套管附近的空间辐射电磁场进行测量时，电场、磁场传感器应垂直地面放置。参考文献：1刘骁繁，崔翔，吴恒天，等.500 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