GIS变电站机箱外壳屏蔽效能的预测研究

国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 张 弛

江苏省电气装备与电磁兼容工程实验室（南京师范大学） 赵旭东

国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 鲁 燕

江苏省电气装备与电磁兼容工程实验室（南京师范大学） 陈泽南

气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）变电站运行时会产生环流使电磁环境变得复杂，导致外壳产生感应电流，造成电能损耗，引起GIS绝缘损坏，产生重大隐患。在外部装机箱外壳可大大减少变电站复杂环境的影响。考虑设备散热和接线的问题，对机箱外壳开孔进行了研究。首先对敏感设备机箱进行建模，导入仿真软件中进行仿真，然后根据电磁场理论建立外壳的等效模型，利用通过多层自适应交叉近似算法提取外壳等效模型的相关参数，预测外壳的屏蔽效能，最后与仿真结果对比验证有效性。

气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）一般为全封闭的结构，用气体SF6来绝缘，是由接地开关、断路器、母线、隔离开关、电压互感器、避雷器、电流互感器组成的整体。GIS有着结构小、占地面积小、环境干扰小、高可靠性、方便维护的优点，因此被广泛使用在电力系统中。

GIS在运行时，由于断路器的频繁开关会产生很强的电磁辐射噪声干扰使金属外壳产生较大的感应电流和感应磁场。复杂的电磁环境会影响二次侧敏感设备的正常工作，使得敏感设备的数据测量的准确性变得十分困难，甚至造成设备的损坏，威胁电能质量和用电的可靠性，造成严重的经济损失。机箱屏蔽是一种最为有效且方便的抑制辐射噪声的方法，可以起到保护机箱内部的敏感设备不受外部环境的辐射噪声干扰，也可以使机箱内的敏感设备产生的辐射噪声不会影响外围设备的正常工作。机箱可以将电磁波和电磁能量吸收和反射。

由于考虑敏感设备散射和信号传输的问题，机箱会带有开孔导致屏蔽效果的减弱。所以讨论机箱开孔对机箱屏蔽效果的影响十分重要，有助于在工程中发挥机箱保护敏感设备的最好效果。

1 环流的机理分析

如图1所示，GIS外壳感应电压由电磁感应和静电感应引起，由于GIS在工作时导电杆中会有较大的电流流过，线路和外壳通过电磁耦合产生电磁感应电压：

图1 GIS电磁感应模型

如图2所示，当GIS运行时，GIS导电杆和外壳、大地存在杂散电容会静电感应耦合得到电位差。GIS外壳的静电感应电压可由公式(2)表示，其中Ua表示导电杆运行电压，Cab表示导电杆和外壳间的电容，Cb表示外壳和大地间的电容。

图2 GIS静电感应模型

实际GIS中导电杆和外壳间的电容远远大于外壳和地间的电容。静电感应产生的电压特别小，可以忽略。所以外壳上的电压近似等于导杆电流产生的电磁感应电压。

2 GIS结构和建模

GIS外壳结构图如图3所示，主要有母线外壳、断路器箱体外壳和进出线套管组成。

图3 GIS结构图

从图中可以看出在GIS变电站中，有三部分组成，每个部分都会产生较大的辐射噪声。各部分的噪声在空间中互相影响，形成了复杂的电磁环境以GIS母线外壳为例，分析箱体外壳的屏蔽效果.

3 GIS外壳仿真建模与分析

3.1 基于CST软件的仿真建模

根据GIS变电站外壳物理结构构造外壳物理模型，将其导入电磁仿真软件中进行仿真分析，GIS变电站外壳模型示意图如图4所示。

图4 GIS变电站外壳模型示意图

图4中GIS变电站外壳的参数如下；r=2cm，R=6cm，h=100cm，厚度为2mm。本文为了简化分析过程只考虑外壳正面较大开口（信号线控）而忽略其余较小开孔（如散热孔等）。

使用CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)模块对电磁屏蔽特性进行仿真，设置控制机箱外壳材料为95%的铝，磁导率10H/m，电导率35000000S/m.激励源设置为垂直方向，电场模大小为10V/m的平面波，探针设置在控制机箱外壳的几何中心A点。

3.2 CST仿真结果分析

本文引入屏蔽效能来度量电动汽车控制机箱的屏蔽效果，屏蔽效能定义分别为：

其中E0是不加屏蔽时空间内某点的电场强度，Es为加屏蔽后同一点的电场强度，屏蔽效能的单位为dB。

壳体几何中心A点的屏蔽效能仿真结果如图5所示。

图5 A点屏蔽效能仿真结果

4 基于传输线理论的多层自适应交叉近似算法

4.1 GIS变电站外壳的传输线等效电路

根据传输线理论可以将矩形外壳等效为终端短路的波导，其上的开孔为终端短路的无损双导体微带线则由传输线电报方程得到：

4.2 基于多层自适应交叉近似算法的近似求解

在Sp*q中p和q代表列和行的迭代的第k个条目。

开始

步骤1：

初始化第一个组织（列）索引。

步骤2：

以p1和q1表示方程的初始边界值完成了第一次迭代。

对于下一次迭代，首先找到最大条目的I2的行号。

步骤3：

现在找到最大的条目的列号J1。

步骤4：

第K次迭代：在迭代方程中找到最高条目的列号Jk。

步骤5：

结束

对MLACA算法的详细描述表明，该算法仅需对其原始矩阵的有限知识即可近似求解。MLACA算法是可控制的自适应算法，其中，当达到所需目标时，错误将停止。如果解决方案没有秩矩阵或没有更多压缩，则MLACA算法将自动收敛。

将探针设置在距离开孔面30cm处的B点。根据算法参数结果代入公式(4)计算B点屏蔽效能与仿真对比结果如图6所示。

图6 B点屏蔽效能计算值和仿真值

建立了GIS变电站机箱外壳的简化物理模型，并利用CST软件进行了电磁场仿真，得出外壳内部两点的屏蔽效能。

通过多层自适应交叉近似算法处理仿真获取的外壳几何中心处的屏蔽效能信息，得到外壳等效传输线电路模型的相关参数。利用等效传输线电路模型得到外壳内部中轴线上不同点的屏蔽效能信息，并与仿真结果进行了对比验证，结果表明该方法能有效的预测100MHz-1000MHz范围内的外壳内部中轴线上各点的屏蔽效能。