高壓GIS外殼的屏蔽效能計(jì)算與優(yōu)化

江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 劉寒春

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear，GIS）一般為全封閉的結(jié)構(gòu)，用氣體SF6來絕緣，是由接地開關(guān)、斷路器、母線、隔離開關(guān)、電壓互感器、避雷器、電流互感器組成的整體。GIS有著結(jié)構(gòu)小、占地面積小、環(huán)境干擾小、高可靠性、方便維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用在電力系統(tǒng)中。

由于考慮敏感設(shè)備散射和信號(hào)傳輸?shù)膯栴}，機(jī)箱會(huì)帶有開孔導(dǎo)致屏蔽效果的減弱。所以討論機(jī)箱開孔對(duì)機(jī)箱屏蔽效果的影響十分重要，有助于在工程中發(fā)揮機(jī)箱保護(hù)敏感設(shè)備的最好效果。

1 GIS結(jié)構(gòu)與環(huán)流機(jī)理分析

1.1 GIS結(jié)構(gòu)

GIS外殼結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要有母線外殼、斷路器箱體外殼和進(jìn)出線套管組成。

圖1 GIS結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出在GIS變電站中，有三部分組成，每個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生較大的輻射噪聲。各部分的噪聲在空間中互相影響，形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境。

1.2 GIS環(huán)流機(jī)理分析

GIS在運(yùn)行時(shí)，由于斷路器的頻繁開關(guān)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射噪聲干擾使金屬外殼產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場(chǎng)。復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)影響二次側(cè)敏感設(shè)備的正常工作，使得敏感設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性變得十分困難，甚至造成設(shè)備的損壞，威脅電能質(zhì)量和用電的可靠性，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)箱屏蔽是一種最為有效且方便的抑制輻射噪聲的方法，可以起到保護(hù)機(jī)箱內(nèi)部的敏感設(shè)備不受外部環(huán)境的輻射噪聲干擾，也可以使機(jī)箱內(nèi)的敏感設(shè)備產(chǎn)生的輻射噪聲不會(huì)影響外圍設(shè)備的正常工作。機(jī)箱可以將電磁波和電磁能量吸收和反射。

如圖2所示，GIS外殼感應(yīng)電壓由電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)引起，由于GIS在工作時(shí)導(dǎo)電桿中會(huì)有較大的電流流過，線路和外殼通過電磁耦合產(chǎn)生電磁感應(yīng)電壓：

圖2 GIS電磁感應(yīng)模型

如圖3所示，當(dāng)GIS運(yùn)行時(shí)，GIS導(dǎo)電桿和外殼、大地存在雜散電容會(huì)靜電感應(yīng)耦合得到電位差。GIS外殼的靜電感應(yīng)電壓可由公式(2)表示，其中Ua表示導(dǎo)電桿運(yùn)行電壓，Cab表示導(dǎo)電桿和外殼間的電容，Cb表示外殼和大地間的電容。

圖3 GIS靜電感應(yīng)模型

實(shí)際GIS中導(dǎo)電桿和外殼間的電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外殼和地間的電容。靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電壓特別小，可以忽略。所以外殼上的電壓近似等于導(dǎo)桿電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓。

2 GIS外殼建模與仿真

2.1 GIS外殼建模

根據(jù)GIS變電站外殼物理結(jié)構(gòu)構(gòu)造外殼物理模型，將其導(dǎo)入電磁仿真軟件中進(jìn)行仿真分析，GIS變電站外殼模型示意圖如圖4所示。

圖4 GIS變電站外殼模型示意圖

圖4中GIS變電站外殼的參數(shù)如下；r=10mm，R=30mmm，h=600mm，厚度為2mm。本文為了簡(jiǎn)化分析過程只考慮外殼正面較大開口（信號(hào)線控）而忽略其余較小開孔（如散熱孔等）。

使用CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)模塊對(duì)電磁屏蔽特性進(jìn)行仿真，設(shè)置控制機(jī)箱外殼材料為95%的鋁，磁導(dǎo)率10H/m，電導(dǎo)率35000000S/m。激勵(lì)源設(shè)置為垂直方向，電場(chǎng)模大小為10V/m的平面波，探針設(shè)置在控制機(jī)箱外殼的幾何中心O點(diǎn)及殼體中軸線上距離開孔面300mm的P點(diǎn)。

2.2 CST仿真結(jié)果分析

本文引入屏蔽效能來度量電動(dòng)汽車控制機(jī)箱的屏蔽效果，屏蔽效能定義分別為：

其中E0是不加屏蔽時(shí)空間內(nèi)某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，Es為加屏蔽后同一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，屏蔽效能的單位為dB。

殼體幾何中心O點(diǎn)的屏蔽效能仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 O點(diǎn)屏蔽效能仿真結(jié)果

3 傳輸線理論的GIS外殼屏蔽效能研究

3.1 GIS外殼屏蔽效能計(jì)算

根據(jù)傳輸線理論可以將矩形外殼等效為終端短路的波導(dǎo)，其上的開孔為終端短路的無損雙導(dǎo)體微帶線則由傳輸線電報(bào)方程得到：

通過多層自適應(yīng)算法求解上述方程得到P點(diǎn)的屏蔽效能。并與CST仿真計(jì)算P點(diǎn)屏蔽效能對(duì)比。計(jì)算P點(diǎn)屏蔽效能與仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，通過傳輸線理論計(jì)算值與CST仿真曲線擬合性較好。驗(yàn)證了通過傳輸線理論計(jì)算屏蔽效能的正確性。

圖6 P點(diǎn)屏蔽效能計(jì)算值和仿真值

3.2 GIS外殼屏蔽效能優(yōu)化

通過上面驗(yàn)證過得傳輸線理論計(jì)算屏蔽效能方法對(duì)外殼中軸線上點(diǎn)距離殼體正面距離屏蔽效能進(jìn)行研究。根據(jù)公式(3)可以得到屏蔽效能與中軸線上距離開孔面不同距離點(diǎn)的屏蔽效能如圖7所示，結(jié)果表明，在距離開孔面25cm和45cm處屏蔽效能較小，電磁屏蔽效果相對(duì)較差，在37cm處屏蔽效能較大，電磁屏蔽效果好。因此在設(shè)計(jì)內(nèi)部電路時(shí)，應(yīng)將敏感電路放置在距離開孔面37cm處取得更好的屏蔽效果。

圖7 距離開孔面不同距離的屏蔽效能

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

全波暗室進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別在平面波勵(lì)下測(cè)試外殼內(nèi)部中軸線上距殼體正面25cm處的A點(diǎn)及37m處的B點(diǎn)的輻射噪聲強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖8所示。

圖8 暗室測(cè)試場(chǎng)景

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試顯示A點(diǎn)和B點(diǎn)輻射噪聲結(jié)果分別如圖9、圖10所示，結(jié)果表明在中低頻段A點(diǎn)的輻射噪聲大于B點(diǎn)輻射噪聲，即A點(diǎn)的屏蔽效能較差，B點(diǎn)的屏蔽效能較好。在高頻段兩者輻射噪聲基本相近。

圖9 A點(diǎn)輻射噪聲

圖10 B點(diǎn)輻射噪聲

（1）建立了GIS外殼的簡(jiǎn)化物理模型，并利用CST軟件進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真，得出外殼內(nèi)部兩點(diǎn)的屏蔽效能。

（2）通過等效傳輸線電路模型得到外殼內(nèi)部中軸線上不同點(diǎn)的屏蔽效能信息，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

（3）根據(jù)中軸線上不同位置點(diǎn)的屏蔽效能信息得到電磁屏蔽最優(yōu)化電路設(shè)計(jì)方案。

（4）在全波暗室中選取外殼內(nèi)部不同點(diǎn)測(cè)試輻射噪聲驗(yàn)證了算法結(jié)果的有效性。