高压GIS外壳的屏蔽效能计算与优化

2021-03-02江苏省医疗器械检验所刘寒春

电子世界 2021年24期

江苏省医疗器械检验所刘寒春

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。

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 GIS结构与环流机理分析

1.1 GIS结构

GIS外壳结构图如图1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1 GIS结构图

从图1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。

1.2 GIS环流机理分析

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。

如图2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2 GIS电磁感应模型

如图3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3 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外壳建模与仿真

2.1 GIS外壳建模

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=10mm，R=30mmm，h=600mm，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O点及壳体中轴线上距离开孔面300mm的P点。

2.2 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O点的屏蔽效能仿真结果如图5所示。

图5 O点屏蔽效能仿真结果

3 传输线理论的GIS外壳屏蔽效能研究

3.1 GIS外壳屏蔽效能计算

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：

通过多层自适应算法求解上述方程得到P点的屏蔽效能。并与CST仿真计算P点屏蔽效能对比。计算P点屏蔽效能与仿真对比结果如图6所示。

由图6可知，通过传输线理论计算值与CST仿真曲线拟合性较好。验证了通过传输线理论计算屏蔽效能的正确性。

图6 P点屏蔽效能计算值和仿真值

3.2 GIS外壳屏蔽效能优化

通过上面验证过得传输线理论计算屏蔽效能方法对外壳中轴线上点距离壳体正面距离屏蔽效能进行研究。根据公式(3)可以得到屏蔽效能与中轴线上距离开孔面不同距离点的屏蔽效能如图7所示，结果表明，在距离开孔面25cm和45cm处屏蔽效能较小，电磁屏蔽效果相对较差，在37cm处屏蔽效能较大，电磁屏蔽效果好。因此在设计内部电路时，应将敏感电路放置在距离开孔面37cm处取得更好的屏蔽效果。