±1 100 kV特高压直流输电工程辐射电磁干扰水平评估

2017-12-21罗汉武乐健王银鸽李猛克徐新尧崔士刚

电测与仪表 2017年15期

罗汉武，乐健，王银鸽，李猛克，徐新尧，崔士刚

（1.国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，内蒙古通辽 028000；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

0 引言

我国国土广袤，能源资源和负荷分布不均衡，“西电东送”、“全国联网”成为必要的电网发展战略。特高压工程输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少，成为电网规划的重中之重［1-5］。±1 100 kV输电工程相对于其他等级直流输电系统而言有以下优点：（1）节约线路走廊，减少出线回数；（2）输送容量相同时，线路和变电站的造价以及运行费用低；（3）上、下级系统电压配合更为合理。与常规变电站内的电磁干扰水平相比，±1 100 kV工程因其工作电压高、电流大、换流阀厅内的电磁干扰将更为严重，对其换流站换流阀厅电磁干扰水平进行评估具有重要现实意义。

随着特高压直流工程的建设和发展，对换流阀辐射电磁干扰的研究开始引起重视。文献［6］根据相关标准，给出了换流站辐射电磁干扰的测量方法。文献［7］针对±500 kV超高压换流站骚扰源进行研究，测量了瞬态骚扰和无线电骚扰的水平。文献［8-9］进行针对±500 kV和±800kV换流站进行建模，采用矩量法计算，研究无线电骚扰水平，对阀厅的屏蔽功能提出要求。文献［10］建立±1 100 kV换流站二重阀塔的模型，计算了金具表面的电场。这些仿真模型的建立，往往忽略了模型建立的原理，且在建模时侧重换流站的电压等级，未针对具体的换流阀类型。例如，±800 kV/4 750 A特高压直流换流阀和±800 kV/6 250 A特高压直流换流阀结构不同，在仿真建模时也应有所区别。

本文对±1 100 kV特高压直流输电工程换流阀厅内辐射电磁干扰水平进行了评估。通过分析阀厅结构，确定其辐射电磁干扰的来源，采用电流元作为辐射干扰源模型，应用矩量法进行阀厅内辐射电磁干扰的求解。以实际工程为研究对象，基于PSCAD仿真得到电流元模型参数，利用FEKO软件进行了该工程换流阀厅辐射电磁干扰水平的评估。

1 ±1 100 kV UHVDC换流站阀厅结构及电磁干扰来源

1.1 阀厅结构

±1 100 kV UHVDC换流站，通常由+1 100 kV和+550 kV正极低压阀厅，-550 kV和-1 100 kV负极低压阀厅四个阀厅构成［10］。由 ±1 100 kV/5 000 A特高压直流换流阀构成的换流阀厅，每个阀厅内部有6个二重阀塔组成的两组6脉桥换流装置。两组6脉桥的输入三相电压相位相差30°，串联构成12脉波换流装置，整个装置的高低压端直流出线通过套管引出。交流进线通过套管引入，并与单相换流变连接，每个单相变压器连接一个桥臂。每个二重阀塔构成一个桥臂，一个桥臂上有两个半桥，每个半桥有5个阀模块串联而成，阀塔总共五层［11］。

1.2 电磁干扰主要来源

换流阀厅辐射电磁干扰的产生需局部干扰源、传播路径和被干扰体三个条件。换流阀由阀模块构成，阀模块又由数个阀组件串联而成，阀组件中含有晶闸管、饱和电抗器、均压电容和阻容回路等器件。正常工作时，换流阀会进行换相过程，每次换相都伴随阀臂上晶闸管的导通和关断，每次其两端电压会发生突变，由文献［12］可知，导通过程中其两端电压为：

式中t是换流阀导通的时间；e是自然常数；τ是换流阀导通至其两端电压为0的时间；v0是换流阀导通瞬间两端的电压，与触发角有关；v（t）是换流阀两端电压。

对其进行傅立叶变换为：

式中v（f）是v（t）的频域形式；f为频率。

傅里叶分解后的结果表明，晶闸管两端电压频带较宽，可产生频带较宽的电磁干扰。同时该电压可沿线路传播，由线路中电容和电感产生电磁振荡，造成辐射干扰程度加大。

2 基于电流元的干扰源模型

2.1 几种等效模型的比较

现有文献在建立干扰源模型时常将用偶极子对换流阀进行等效，主要等效方法包括：

（1）将整个换流阀模块等效为偶极子，利用偶极子电磁辐射的计算公式进行计算，这样的处理存在两个问题：（a）需要知道换流阀两端的电荷量，以计算出电偶极矩，但电荷量数据通常难以获取；（b）只进行换流阀塔的等效，没有考虑阀厅交流进线和直流出线，仅用几个偶极子来等效整个换流阀塔乃至换流阀厅将导致很大的误差［13］；

（2）将流过电流的线路分成微小电元，每段电元都等效为一个电偶极子，向外辐射电磁波。这样的等效虽然解决了上述问题（b），但电偶极子的应用不当。电偶极子是两个等量异号点电荷组成的系统，不能反映干扰源的本质［14］。

2.2 电流元模型

本文提出一种基于电流元的辐射电磁干扰等效模型，其基本原理为：

一段载有均匀同相时变电流的导线被称为电流元，电流元的直径远小于其长度，而其长度又远小于电磁波长及观察距离。远小于一般指数量上要差最少一个量级，均匀同相的电流是指导线上各点电流的振幅相等，且相位相同。

设电流元位于无限大空间，周围媒质为均匀线性且各向同性的理想介质。建立直角坐标系，令电流元位于坐标原点，且沿z轴放置，如图1所示。

图1 电流元模型Fig.1 Current element model

可求得图1中P点处的电磁场分量为：

设导线长度为L，则观测点的电磁场强度为：

该等效方法可有效解决目前干扰源等效存在的问题，原理简单，且仅需要线路电流即可进行辐射电磁干扰计算。只需将整个换流阀厅内部的设备等效为具有相应频率的电压和电阻构成的电流元，即可计算出整个阀厅内的辐射电磁干扰水平。

2.3 基于PSCAD的电流数据求解

首先搭建换流站的宽频等效模型，通过仿真获得换流阀两端以及交流进线和直流出线端口的电压和电流，并对数据进行如下处理：

（1）获得换流阀开断过程中阀臂两端电压和流过电流的时域波形，设第k支换流阀臂导通时晶闸管两端电压为uk（t），电流为ik（t）；

（2）同时获得阀厅交直流套管出线侧电压uL（t）和电流iL（t）；

（3）将各时域电压和电流进行傅里叶分解，得到晶闸管两端电压和电流的频域信息，而以阀厅交直流套管出线侧的电压和电流频域信息作为终端电压和电流。由晶闸管和终端的电压、电流可得到晶闸管和终端在不同频率下的等效负载阻抗Zk（f）和ZL（f）。

（4）基于电流元模型建立辐射电磁干扰源模型，并采用后续方法进行阀厅内辐射电磁干扰的计算。

利用PSCAD仿真得到的不同位置的部分频率点的阀臂电压和阻抗如表1所示［8］。

3 电磁辐射强度求解

目前通常采用时域方法进行电磁干扰仿真求解，主要方法包括：有限差分法FDM、有限元法FEM、矩量法MOM、时域有限差分法FDTD等。这些方法具有不同适用范围，在天线近区，电磁波波长与场空间在同一量级，可视为低频，可采用FEM、FDM、MOM等方法求解；当电磁波波长小于距被求位置的距离时，可视为中频，可用FDTD法求解；当电磁波波长远小于距被求位置的距离时，可视为高频，可用几何射线法求解。

表1 阀臂电压和阻抗频率特性Tab.1 Frequency characteristics of the voltage and impedance of valve leg

换流站阀厅占地范围数百米内，对于频率在3 MHz以上的电磁波，可用 FDTD法求解，频率在3 MHz以下的电磁波，可用FEM、FDM、MOM求解。

FEM法虽使用范围广，但需要的计算机内存大，易造成空间色散误差。此外由于只能在有限区域内计算，需设置吸收边界条件，复杂材料边界如介质和导体表面强加边界条件不容易；FDM法与实际试验结果误差较大，需要通过试验结果进行修正。本文选取MOM矩量法来进行辐射电磁干扰的求解，矩量法的数学处理过程可采用加权余量法或定义泛函内积等方法，无需设置吸收边界条件，也不存在空间色散误差，且数值结果精度高［15］。

4 仿真结果与分析

本文选用以MOM为基础算法的仿真软件FEKO，对±1 100 kV换流阀软件建模时采用了以下原则：

（1）阀臂采用串联阻抗+电压源的细导线模型；

（2）管母采用细导线模型；

（3）阀厅的交直流出线采用串联阻抗模型。仿真模型如图2所示。

图3给出了Y方向电场强度的仿真结果。由图3可以看出，随着频率的变大，换流阀的辐射强度逐渐减小，其原因在于干扰源中高次谐波分量含量低，同时主回路中滤波设备对高频分量的滤波效果明显。

图2 阀厅阀塔仿真模型Fig.2 Simulation model of the valve tower

图3 Y方向电场强度Fig.3 Electric field intensity in Y direction

从Y方向上看，数值在阀厅围墙的中间区域最大，在阀塔的前方出现极值，这也验证了每个阀塔屏蔽罩存在的必要性。

从整体数值分析，频率为100 kHz时，干扰电场强度最大，达到近43 mV/m；频率为500 kHz时，干扰强度最小，约为3 mV/m。根据GB 8702-2014《电磁环境控制限值》中的要求，频率范围在0.1 MHz～3 MHz的电磁干扰总限值为40 V/m，可以看到在某些频率点上电磁干扰的强度超出了该标准要求的范围。