摘要：为研究气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear，GIS)中隔离开关分合闸操作时产生的特快速暂态过电压(very fast transient over-voltage，VFTO)对电子式互感器的电磁辐射干扰，建立了GIS电子式互感器的仿真模型，以实测VFTO波形为激励源，基于隐式时域有限元法计算了VFTO穿透绝缘接线端子圆盘辐射至二次金属采集箱的暂态电磁场分布。结果表明VFTO作用下辐射至金属采集箱内的暂态电场强度和暂态磁场强度均远远超出现有电子式互感器采集单元的电磁兼容试验标准。提出了减小接线端子原盘直径及增大金属采集箱与GIS外壳连接长度的抑制措施，仿真验证其可获得较高的屏蔽效能。研究成果可为电子式互感器的VFTO电磁辐射干扰抑制设计提供理论依据与技术支持。
关键词：电子式互感器;VFTO;电磁干扰;GIS
0 引言
在电力系统电压等级向超特高压发展的趋势下，电力设备逐渐趋于智能化、数字化和网络化，电子式互感器以其占地面积小、绝缘简便、抗饱和性能强等优点在智能变电站中逐步得到应用［1］。按照应用场合可将电子式互感器划分为GIS结构、AIS结构及直流用电子式互感器。GIS结构电子式互感器的采集模块安装在GIS外壳上，与一次导电杆距离短，在隔离开关分合闸操作时极易受到VFTO的伴生电磁干扰，引起采集电路击穿、信号失真、保护装置误动作等故障。因此，开展电子式互感器电磁干扰的研究具有重要的工程和经济意义。
国内外针对VFTO对电子式互感器的电磁干扰研究尚处于起步阶段，文献［2-3］针对电子式互感器受到的VFTO传导干扰进行了仿真计算和试验验证，但并未对其辐射电磁干扰进行研究。针对VFTO的研究主要集中在其产生机理和抑制措施上，文献［4-5］根据某变电站为原型建立的噪声耦合模型提出了抑制VFTO干扰的措施。针对暂态电磁场的研究则主要集中在变电站的空间暂态电磁场分布上［6-7］。
为分析VFTO作用下电子式互感器的辐射电磁场分布特性，本文建立了电子式互感器的仿真计算模型，计算了实际VFTO产生的高频暂态电磁场穿透电子式互感器与GIS外壳连接处的接线端子圆盘辐射至二次金属采集箱内部的分布状况，分析了接线端子圆盘直径及金属采集箱与GIS外壳的连接长度对电子式互感器内部辐射电磁场的影响，并提出了电子式互感器金属采集箱内部的VFTO电磁辐射干扰抑制方法。
1 VFTO对电子式互感器的电磁辐射干扰
本文采用GIS电子式组合互感器为研究对象，其基本结构如图1所示。由图1可以看出，信号采集卡封装于与GIS集成为一体的金属采集箱内，并通过穿过端子圆盘的接线与一次传感设备连接。端子圆盘由多个环氧树脂材料双端接头浇注而成，用于密封SF6气体并使一、二次设备电气隔离。
图1 GIS电子式组合互感器结构图
Fig.1 Structure diagram of GIS electronic combined transformer
GIS中隔离开关在投切空载短母线时，由于触头两端存在电压差且分合闸速度缓慢，SF6气体间隙会发生多次击穿并导致电弧重燃，由此产生的电压行波在GIS内部传播，遇到波阻抗不连续的地方发生折反射并不断叠加，最终形成VFTO。VFTO幅值较高、陡度大且上升时间短，会产生多次连续脉冲。VFTO的频率分布在直流到数百兆赫之间，其高频振荡性既能使VFTO通过电子式互感器的杂散电容传入二次设备，还会通过辐射耦合的方式使母线外表面与GIS外壳上出现频率达数十兆赫兹的瞬态电流，在空间内激发出高频暂态电磁场。电磁波的传播特性取决于描述波传播时幅度及相位变化的传播常数［8］。接线端子圆盘为电介质材料环氧树脂，电磁波在其中传播时波幅不变，不会发生衰减，故VFTO产生的高频暂态电磁场会穿透接线端子圆盘对金属采集箱内二次设备产生电磁辐射干扰。
2 电子式互感器暂态电磁场仿真计算模型
GIS导电杆和外壳可以简化为同轴波导结构，VFTO产生的高频暂态电磁场在其中以横电磁波的形式传播。基于电场和磁场的麦克斯韦旋度方程得到的二阶矢量波动方程为［9］
式中E为电场强度，H为磁场强度，J为电流密度，εr为相对介电常数，μ为磁导率，μr为相对磁导率，μ0为真空磁导率，σ为电导率，c0为真空中光速。且电场与电压之间存在如下关系:
为了分析VFTO对GIS电子式互感器的电磁辐射干扰，本文采用ANSYS HFSS三维高频电磁场软件对GIS电子式互感器内VFTO产生的高频暂态电磁场进行仿真计算，通过设立特定的边界条件和激励源来求解电磁场二阶矢量波动方程，从而分析包围域内的电磁场分布情况。本文建立的GIS电子式互感器简化模型如图2a所示，该模型仅保留了GIS外壳及与之焊接为一体的金属采集箱、导电杆、分压电容环及接线端子圆盘(图2c)。其中仅接线端子圆盘为环氧树脂材料，其余部件均为金属铝。
采用ANSYS HFSS三维电磁场仿真软件计算模型内的VFTO暂态电磁场，求解域为包裹整个模型的长方体真空区域，边界条件为辐射边界［10］。由于VFTO的最高频率一直无法测定，当前的IEC绝缘配合标准中尚未规定VFTO的典型波形，故激励源采用武汉特高压交流试验基地VFTO试验中的实测波形［11］，并将其以电压源的形式施加于GIS导电杆上，由此计算VFTO激励源产生的电磁场分布。实测VFTO波形如图3所示，幅值为224 kV，即1.25 p.u.。计算过程中时间步长的设置需要考虑到解的精确度、总耗时及计算机内存几个方面。为了节省总耗时，选取VFTO中振动频率和幅值都更大的前1 500 ns为总计算时长，该部分波形的主频分布与完整波形的主频分布一致。电场值和磁场值的采样步长设置为1.6 ns。
图2 GIS共体式电子式互感器简化模型
Fig.2 Simplified model of GIS integrative electronic transformer
图3 VFTO实测波形
Fig.3 Measured VFTO waveform
3 仿真计算结果及分析
计算得到金属采集箱内部采样点电场强度随时间变化的曲线图如图4所示，由图4可以看出，金属采集箱内VFTO暂态电场强度随时间快速变化，电场强度最大可达2 928.9 V/m。分别选取382.4 ns、1 208.0 ns和1 443.2 ns时刻对该采样点所在电子式互感器的横截面暂态电场分布和暂态磁场分布进行对比，如图5所示。
图5说明施加于GIS中导电杆上的VFTO确会产生高频暂态电磁场并在GIS壳体内传播。由于接线端子圆盘为不具电磁屏蔽效应的环氧树脂材料，对于电子式互感器金属采集箱内部的二次电子电路来说，GIS壳体内的高频电磁场相当于外部辐射干扰源，接线端子圆盘相当于电磁屏蔽体(金属采集箱)上的孔缝，因此VFTO产生的暂态电磁场会辐射进电子式互感器的金属采集箱内。
图4 金属采集箱内电场强度变化曲线
Fig.4 Electric field intensity variation curve in metal acquisition box
图5 不同时刻的VFTO辐射电场和辐射磁场分布
Fig.5 Radiated electric field distribution and radiated magnetic field distribution of VFTO at different time points
由图5可以看出，不同时刻的暂态电磁场分布均不相同，如1 443.2 ns，即图5(c)中金属采集箱内暂态电场和暂态磁场分布面积最大，与图4中最大电场强度的时刻相对应。同时可见，采样时刻的电场强度达到kV/m以上，磁场强度达到10 kA/m以上。而我国现行电磁兼容射频电磁场辐射抗扰度试验标准中规定，80～1 000 MHz频率范围内最大场强不得超过10 V/m［12］，电磁兼容脉冲磁场抗扰度试验标准规定的脉冲磁场强度限值为1 000 A/ m［13］。计算结果表明VFTO产生的电场强度和磁场强度均远远超出了现行的试验标准，将会对金属采集箱内的电子电路产生强烈的电磁辐射干扰。
4 VFTO电磁辐射影响因素分析
电磁屏蔽指利用导电或导磁材料制成的金属屏蔽体将电磁辐射干扰完全封闭，故可将VFTO辐射至电子式互感器金属采集箱内的暂态电磁场看作是GIS外壳接线端子圆盘处的电磁泄露问题，即VF-TO产生的暂态电磁场通过金属机壳上的孔缝或非金属部分耦合至设备内部的辐射途径［14］。屏蔽体的性能用屏蔽效能(shielding effectiveness，SE)衡量，其数值用SE来表示，单位为dB，定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度E0(或磁场强度H0)与加屏蔽后的电场强度E1(或磁场强度H1)的比值。电屏蔽效能和磁屏蔽效能分别表示为［15］
从电磁泄露的角度出发，影响屏蔽体内电磁辐射大小的因素包括金属屏蔽机壳上孔缝的大小以及辐射源与屏蔽体的距离。因此通过改变电子式互感器金属采集箱与GIS外壳的接线端子圆盘直径和连接长度可以达到提高屏蔽效能的作用。
4.1 改变接线端子圆盘直径
图2所示初始模型中接线端子圆盘直径为80 mm，通过改变该模型中接线端子圆盘的直径来改变电磁屏蔽体孔缝的大小，分别设置接线端子圆盘直径为40 mm、60 mm、80 mm、及100 mm，保持其他结构尺寸不变，得到此4种接线端子圆盘直径下VFTO辐射至电子式互感器金属采集箱内暂态电场与暂态磁场的分布如图6和图7所示，图中的电场为对应接线端子圆盘直径下电场强度最大时刻的分布图，磁场为同一时刻的分布图。不同直径下该采样点处对应的最大电场强度值及磁场强度值、电屏蔽效能及磁屏蔽效能如表1所示。
表1 不同接线端子圆盘直径下VFTO辐射电磁场计算值
Tab.1 Calculation of VFTO radiated electromagnetic fields with different diameters of the terminal plate
由仿真结果可以看出，减小接线端子圆盘直径可以显著抑制金属采集箱内的VFTO暂态电场及暂态磁场的大小，当接线端子圆盘直径从80 mm减小到40 mm时，电屏蔽效能可达27.16 dB，磁屏蔽效能可达26.07 dB，且圆盘直径越小，金属采集箱内VFTO辐射电磁场分布越少。说明减小接线端子圆盘直径可使通过接线端子圆盘辐射进入屏蔽体的电磁能量总量大大减少，从而显著降低电子式互感器金属采集箱内的辐射电磁干扰。
图6 不同接线端子圆盘直径下的VFTO辐射电场分布
Fig.6 Distribution of VFTO radiated electric field with different diameters of the terminal plate
图7 不同接线端子圆盘直径下的VFTO辐射磁场分布
Fig.7 Distribution of VFTO radiated magnetic field with different diameters of the terminal plate
4.2 改变金属采集箱与GIS外壳的连接长度
由于金属采集箱与GIS外壳的连接长度远小于VFTO的波长，因此可近似为近场问题，VFTO产生的暂态电场强度和暂态磁场强度均与距离成反比关系。通过改变连接长度可改变屏蔽体与辐射源的距离，从而减少进入屏蔽体的电磁能量总量。图2所示初始模型中金属采集箱与GIS外壳的连接长度为30 mm，设置该模型中的连接长度为20 mm、30 mm、60 mm及90 mm，保持其他结构尺寸不变，得到此4种连接长度下VFTO辐射至电子式互感器内暂态电场与暂态磁场分布如图8和图9所示。不同连接长度下金属采集箱内同一采样点处的最大电场强度值及磁场强度值、电屏蔽效能及磁屏蔽效能如表2所示。
图8 不同连接长度时的VFTO辐射电场分布
Fig.8 Distribution of VFTO radiated electric field with different connection lengths
表2 不同连接长度时VFTO辐射电磁场计算值
Tab.2 Calculation of VFTO radiated electromagnetic fields with different connection lengths
由结果可看出，增大电子式互感器金属采集箱与GIS外壳的连接长度可减少金属采集箱内的VFTO辐射电场及辐射磁场。当电子式互感器金属采集箱与GIS外壳的连接长度由30 mm增加至90 mm时，电屏蔽效能达23.04 dB，磁屏蔽效能可达14.13 dB，且连接长度越大，金属采集箱内VFTO辐射电磁场分布越少。说明增大二次设备与辐射源的安装距离会减弱VFTO对二次设备的电磁辐射干扰。但接线端子圆盘的直径大小、金属采集箱与GIS外壳的连接长度仍需根据现场实际条件确定，在不影响现场安装运维及其他设计要求的前提下，应尽可能减小接线端子圆盘的直径并增大连接长度，以降低电子式互感器采集箱内的电磁辐射干扰。
将计算结果与文献［16-17］中GIS中VFTO辐射电场测量结果做对比，结果如表3所示:
图9 不同连接长度时的VFTO辐射磁场分布
Fig.9 Distribution of VFTO radiated magnetic field with different connection lengths
表3 辐射电场计算与实测结果对比
Tab.3 Comparison of calculation and measured results of radiated electric field
由于本文计算模型对实际GIS做了较大简化，且实测环境间也存在差异，故计算及实测结果间均存在误差，但电场幅值均达kV/m以上，会对电子式互感器二次设备产生强烈电磁干扰。通过与实测结果对比可认为本文计算结果在误差范围内可靠。
5 结论
基于实际工程中频发的GIS电子式互感器电磁干扰问题，本文研究了VFTO对GIS电子式互感器的电磁辐射干扰，并分析了电子式互感器电磁辐射干扰的影响因素，根据计算结果得出如下结论。
1)220 kV GIS中1.25 p.u．VFTO产生的暂态电磁场辐射至电子式互感器金属采集箱内的电场强度最高可达2 928.9 V/m，磁场强度达10 kA/m，均远远超出现有电磁兼容试验标准规定的场强限值。
2)通过减小接线端子圆盘直径可有效降低电子式互感器金属采集箱内的电磁辐射干扰，当接线端子圆盘直径由80 mm减小至40 mm时，金属采集箱内的电屏蔽效能可达27.16 dB，磁屏蔽效能可达26.07 dB。
3)通过增大电子式互感器金属采集箱与GIS外壳的连接长度可降低电子式互感器金属采集箱内的电磁辐射干扰，当连接长度由30 mm增加至90 mm时，金属采集箱内的电屏蔽效能可达23.04 dB，磁屏蔽效能可达14.13 dB。
