一種抑制gis內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法
【專利摘要】一種抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，在GIS變電站電壓互感器出口側(cè)至二次設(shè)備入口之間的線路上連接一EMI濾波器；所述EMI濾波器包括兩個匹配阻抗、兩個共模電容、兩個差模電容以及共模電感、差模電感；兩個匹配阻抗構(gòu)成的串聯(lián)支路連接在電壓互感器的LN出線端，兩個匹配阻抗的串接點接地；兩個差模電容并聯(lián)設(shè)置并分別連接在相線與中線之間；共模電感和差模電感串聯(lián)連接在兩個差模電容之間的線路中；兩個共模電容分別連接在差模電感后端的相線與地以及中線與地之間。采用本發(fā)明能夠有效濾除GIS變電站中VFTO所產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)干擾，防止二次設(shè)備拒動或者誤動現(xiàn)象的發(fā)生。
【專利說明】一種抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及輸配電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種用于抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氣體絕緣變電站(Gas Insulated Substat1n,簡稱GIS),又稱為全封閉組合電器，它具有占地面積小、運行安全、維護方便以及與周圍環(huán)境隔絕等諸多優(yōu)點。因此，氣體絕緣變電站在世界各地的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在大都市的配變電站更是如此。我國的各省市近年來也相繼有大批氣體絕緣變電站投入運行。如同其它新技術(shù)一樣，它的使用也帶來了新的問題。GIS內(nèi)的隔離開關(guān)和斷路器切合過程中，由于開關(guān)觸頭斷口的重復(fù)擊穿，會在氣體絕緣變電站內(nèi)部產(chǎn)生振蕩頻率高達(dá)數(shù)百兆赫茲的特快速暫態(tài)過電壓(Very FastTransient Overvoltage,簡稱VFTO),由于VFTO具有很高的陸度,它將對變電站的一次設(shè)備、二次設(shè)備、運行維護人員和鄰近設(shè)備產(chǎn)生危害。
[0003]通常傳導(dǎo)耦合在二次設(shè)備端口產(chǎn)生的干擾電壓不是很高，它們的幅值是變電站正常運行情況下的測量電壓(100V)的兩倍多，但是這些干擾電壓具有很高的頻率，通過對干擾電壓的傅立葉分析，它們的主要諧振頻率分量集中在2MHZ?30MHz之間，這些高頻振蕩波很可能會在二次設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生很高的“過電壓”，導(dǎo)致二次設(shè)備損壞或誤操作，引起嚴(yán)重的變電站事故。這一點需要引起二次設(shè)備開發(fā)人員的高度重視。另外，這也說明，通過傳導(dǎo)耦合在二次設(shè)備端口產(chǎn)生的干擾電壓引起二次設(shè)備誤操作的原因不是因為它的幅值，而很可能是因為它的高頻特性。
[0004]濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對EMI信號的傳導(dǎo)干擾。任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號均可用差模和共模信號來表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對稱性干擾；共模干擾在導(dǎo)線與地(機殼)之間傳輸，屬于非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，最有效的方法就是在干擾電壓源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，能夠使低頻的信號順利通過，而對高頻干擾信號起到有效抑制作用，然而現(xiàn)有的EMI濾波器并不適用于GIS變電站中消除由VFTO所產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)干擾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠有效抑制GIS變電站VFTO所產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)干擾的方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。
[0007]一種抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，在GIS變電站電壓互感器出口側(cè)至二次設(shè)備入口之間的線路上連接一EMI濾波器；所述EMI濾波器包括第一匹配阻抗、第二匹配阻抗、第一共模電容、第二共模電容、第一差模電容、第二差模電容以及共模電感、差模電感； 所述第一匹配阻抗和第二匹配阻抗構(gòu)成的串聯(lián)支路連接在電壓互感器的相線和中線出線端，串聯(lián)支路的串接點接地；第一差模電容并聯(lián)在相線與中線之間；第二差模電容并聯(lián)在二次設(shè)備入口之間的線路上；共模電感和差模電感串接在電壓互感器出口側(cè)至二次設(shè)備入口之間的回路中；第一共模電容、第二共模電容分別并接在二次設(shè)備入口與地之間。
[0008]上述抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，所述共模電感包括第一線圈和第二線圈，所述第一線圈和第二線圈雙股并饒，線圈匝數(shù)相同，其中，第一線圈和第二線圈的同名端分別連接在第一差模電容的兩端；所述差模電感包括第三線圈和第四線圈，所述第三線圈和第四線圈雙股并饒，線圈匝數(shù)相同，第三線圈和第四線圈的異名端分別連接在第二差模電容的兩端；所述第一線圈和第三線圈的異名端共端，第二線圈和第四線圈的同名端共端。
[0009]上述抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，所述EMI濾波器電路各元件參數(shù)按以下步驟確定:
a.利用頻譜/網(wǎng)絡(luò)/阻抗分析儀對GIS變電站電壓互感器進行散射參數(shù)測量，設(shè)置掃描的頻率為50Hz飛0MHz，將測量得到的散射參數(shù)轉(zhuǎn)化成電壓互感器的阻抗頻變參數(shù)，并繪制阻抗隨頻率變化的曲線，再利用矢量匹配和電路綜合的方法建立電壓互感器電路模型；根據(jù)阻抗頻變曲線確定諧振頻率點對應(yīng)的阻抗參數(shù)值；根據(jù)電壓互感器電路模型中三條支路間的阻抗串并聯(lián)關(guān)系得到電壓互感器的等效阻抗值；
b.利用阻抗分析儀對二次設(shè)備的入口阻抗進行測量，得到二次設(shè)備入口阻抗模型及其參數(shù)值；
c.將步驟a和步驟b所獲得的電壓互感器電路模型和二次設(shè)備入口阻抗模型植入到EMTP軟件中，對GIS變電站建立傳導(dǎo)干擾模型，對干擾電壓進行分析獲得干擾電壓隨時間變化的曲線；根據(jù)干擾電壓隨時間變化的曲線確定二次設(shè)備端口出現(xiàn)的干擾電壓最大幅值，采用傅里葉變換得到諧振頻率；
d.根據(jù)阻抗失配原則確定EMI濾波器的電路形式，根據(jù)所要抑制的諧振頻率點，確定所需的共模電感值、共模電容值和差模電容值。
[0010]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明所取得的技術(shù)進步效果如下:
本發(fā)明能夠有效濾除GIS變電站中VFTO所產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)干擾，防止二次設(shè)備拒動或者誤動現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)GIS變電站各設(shè)備正常運行時，EMI濾波器對50Hz的工頻電壓沒有影響，不會影響二次設(shè)備的安全正常運行；當(dāng)有VFTO產(chǎn)生時，EMI濾波器可以使工頻電壓無失真通過，與此同時將VFTO的高頻分量導(dǎo)入大地，從而消除VFTO對二次設(shè)備的危害。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為GIS變電站中電壓互感器的電路模型圖；
圖2為GIS變電站中二次設(shè)備入口阻抗模型圖；
圖3為本發(fā)明所述的EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖中各標(biāo)號表不為:ZA、Zb和Z。、電壓互感器支路，U1、電壓互感器原邊電壓，U2、電壓互感器副邊電壓，I1、電壓互感器原邊電流，i2、電壓互感器副邊電流，Rb、電阻，Lb、電感，Cb、電容，Lc、共模電感，LD、差模電感，CY、共模電容，Cx、差模電容。
[0013]本文所用符號表示為:Z、阻抗參數(shù)矩陣，Z n、Z 12、Z 21和Z 22、阻抗參數(shù)矩陣的4個參數(shù)，/?、斜對角陣，A單位陣，Sn、S12, S21和S μ、散射參數(shù)矩陣的4個參數(shù)，Z ^、匹配阻抗，f (S)、頻率響應(yīng)函數(shù),6、留數(shù),Z7i，極點，V、常數(shù)項，e、比例項，Ig、漏電流，Vm、電源電壓，fm、電源頻率，CYmax、最大漏電流，匕?、共模轉(zhuǎn)折頻率。

【具體實施方式】
[0014]下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。
[0015]本發(fā)明抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，是在GIS變電站電壓互感器出口側(cè)至二次設(shè)備入口之間的線路上連接一 EMI濾波器。
[0016]本發(fā)明采用的EMI濾波器電路的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一匹配阻抗Ztll、第一匹配阻抗Ztl2、第一共模電容Cy1、第二共模電容Cy2、第一差模電容Cx1、第二差模電容Cx2以及共模電感Lc、差模電感Ld。
[0017]所述第一匹配阻抗Ztll和第一匹配阻抗Ztl2構(gòu)成的串聯(lián)支路連接在電壓互感器的相線L和中線N出線端，兩個匹配阻抗的串接點接地；第一差模電容Cx1、第二差模電容Cx2并聯(lián)設(shè)置并分別連接在相線L與中線N之間；共模電感Lc和差模電感Ld串聯(lián)連接在兩個差模電容之間的相線L與中線N上；第一共模電容Cyi連接在差模電感Ld后端的相線與地之間，第二共模電容Cy2連接在差模電感Ld后端的中線與地之間-
[0018]其中，共模電感U包括第一線圈Lf1和第二線圈Le_2，第一線圈Lf1和第二線圈Lc_2的同名端分別連接在第一差模電容Cxi的兩端；差模電感Ld包括第三線圈Lim和第四線圈LD_2，第三線圈Lih和第四線圈Ld_2的異名端分別連接在第二差模電容Cx2的兩端；所述第一線圈L和第三線圈Lih的異名端共端，第二線圈k_2和第四線圈Ld_2的同名端共端。
[0019]當(dāng)電路中的正常工頻信號流經(jīng)共模電感時，信號在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消；當(dāng)有高頻信號流經(jīng)線圈時，由于共模信號的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高祖技，產(chǎn)生較強的阻尼效果，以此衰減高頻傳導(dǎo)信號，達(dá)到濾波的目的。
[0020]本發(fā)明中EMI濾波器的設(shè)計需要遵循阻抗失配原則，對于EMI信號，電感是高阻抗的，電容是低阻抗的，如果源內(nèi)阻和負(fù)載是阻性或感性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是容性的；如果源內(nèi)阻和負(fù)載是容性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是阻性的；共模干擾與差模干擾需要分開測量，分開設(shè)計濾波參數(shù)。
[0021 ] 本實施例以I 1kV GIS變電站為例，按照上述設(shè)計原則，對本發(fā)明的EMI濾波器電路的設(shè)計方法以及電路中各元件參數(shù)的確定方法進行具體說明。
[0022]a.確定電壓互感器的等效阻抗:
利用Agilent 4395A頻譜/網(wǎng)絡(luò)/阻抗分析儀對GIS變電站電壓互感器進行散射參數(shù)測量，設(shè)置掃描的頻率為50Hz飛0MHz，將測量得到的散射參數(shù)按照式一轉(zhuǎn)化成電壓互感器的阻抗頻變參數(shù)，其中散射參數(shù)是描述端口間入射波與反射波關(guān)系的參量，包括Sn、S12,S21、S22四個參量；
Z = [Zl1 =mE+S)(E-Sf式一
1^21 ^22.
?「? ? Ti IP
式中，Jl==，? =ο
L.,_! I I」 1?!-化」
[0023]阻抗矩陣中的阻抗參數(shù)最終表達(dá)式如下:
[7 =(Ζο±ΜΜζΜ±Μμ?ο
“? (1-S11)(1-S22)-S12S21
7 __2^2?_
氣2-(LU&)-S12S21
z —IS21Z0工一
21 a-S11Xl-S72)-S12S21
<γ _ (1~ ^11)(? + ^22^0)"*" *^12 ^21?:22 = (1-^)(1-?)---
式中Ztl為匹配阻抗，大小為50 Ω。
[0024]利用矢量匹配對測得的頻變參數(shù)進行有理函數(shù)擬合，矢量匹配法采用一階有理分式和的形式來對頻域響應(yīng)f (S)進行擬合，
f (S)^y —+ se式三
Lmmd ^ r%
1=1 Pi
式中，留數(shù)Λ和極點Pi為實數(shù)或共軛復(fù)數(shù)對，而常數(shù)項￠/和比例項e為可選擇項,均為實數(shù)。將得到的留數(shù)和極點進行電路綜合，即可得到電壓互感器電路模型，電壓互感器電路模型圖如圖1所示。
[0025]繪制阻抗隨頻率變化的曲線，然后根據(jù)阻抗頻變曲線確定諧振頻率點對應(yīng)的阻抗參數(shù)值，根據(jù)電壓互感器電路模型中三條支路間的阻抗串并聯(lián)關(guān)系得到電壓互感器的等效阻抗值大約為750 Ω左右。
[0026]b.確定二次設(shè)備的等效阻抗:
二次設(shè)備的入口阻抗在高頻下呈現(xiàn)出復(fù)雜的特性，利用阻抗分析儀對二次設(shè)備的入口阻抗進行測量，得到二次設(shè)備入口阻抗模型及其參數(shù)值。二次設(shè)備入口阻抗模型如圖2所示，二次設(shè)備入口阻抗模型和參數(shù)均通過查閱相關(guān)文獻獲得。
[0027]延續(xù)上例，得到IlOkV GIS變電站二次設(shè)備入口阻抗模型參數(shù)分別為:
4=:1_叫=170111!; = 600_。
[0028]在本發(fā)明中電壓互感器電路模型和二次設(shè)備入口阻抗模型的建立過程中均采用“黑盒理論”，采用該技術(shù)較以往的建模方法的優(yōu)點是不需要了解設(shè)備內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)，可以避免求解復(fù)雜的電磁場問題；而且散射參數(shù)測量方法較傳統(tǒng)方法中的掃頻法和脈沖測量法具有操作簡單高效，抗干擾能力強，測量信噪比高等優(yōu)點。
[0029]c.獲取諧振頻率:
將步驟a和步驟b所獲得的電壓互感器電路模型和二次設(shè)備入口阻抗模型植入到EMTP軟件中，對GIS變電站建立傳導(dǎo)干擾模型，對干擾電壓進行分析獲得干擾電壓隨時間變化的曲線；根據(jù)干擾電壓隨時間變化的曲線確定二次設(shè)備端口出現(xiàn)的干擾電壓最大幅值，采用傅里葉變換得到諧振頻率。
[0030]延續(xù)上例，IlOkV GIS變電站二次設(shè)備端口出現(xiàn)的干擾電壓幅值最大為200V，主要的諧振頻率點出現(xiàn)在2MHz、9MHz、I IMHz、23MHz。
[0031]d.確定EMI濾波器電路結(jié)構(gòu)并確定元件參數(shù):
根據(jù)阻抗失配原則確定EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)步驟a、b可知，在GIS變電站中電壓互感器模型和二次設(shè)備入口模型均為高阻抗，說明源內(nèi)阻與負(fù)載均為阻性，因此與之端接的濾波器接口必須是容性的，主要部分就為電路中的Cxi和Cx2及其中間部分共模電感L。，其余的電路可采用經(jīng)典EMI濾波器電路的相關(guān)部分進行設(shè)計。
[0032]最后，根據(jù)步驟c計算得到的所要抑制的諧振頻率點，確定所需的共模電感值、共模電容值和差模電容值。步驟c中所要抑制的諧振頻率點即為轉(zhuǎn)折頻率，EMI濾波器電路設(shè)計模型中根據(jù)得到的最大諧振頻率點確定元件的參數(shù)值。
[0033]dl.共模電容值的確定
共模電容Cy即跨接在相線或中線與安全地之間的電容，接地電流主要是指流過共模電容Cy的電流，由于流過電容的電流由電源電壓、電源頻率和電容值共同決定，所以漏電流可以由式四計算獲得:

【權(quán)利要求】
1.一種抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，其特征在于:在GIS變電站電壓互感器出口側(cè)至二次設(shè)備入口之間的線路上連接一 EMI濾波器；所述EMI濾波器包括第一匹配阻抗(ZQ1)、第二匹配阻抗(Ζ(!2)、第一共模電容(CY1)、第二共模電容(CY2)、第一差模電容(CX1)、第二差模電容(Cx2)以及共模電感(Lc)、差模電感(Ld)； 所述第一匹配阻抗(Ztll)和第一匹配阻抗(Ztl2)構(gòu)成的串聯(lián)支路連接在電壓互感器的相線(L)和中線(N)出線端，串聯(lián)支路的串接點接地；第一差模電容(Cxi)并聯(lián)在相線(L)與中線(N)之間；第二差模電容(Cx2)并聯(lián)在二次設(shè)備入口之間的線路上；共模電感(Lc)和差模電感(Ld)串接在電壓互感器出口側(cè)至二次設(shè)備入口之間的回路中；第一共模電容(Cyi)、第二共模電容(Cy2 )分別并接在二次設(shè)備入口與地之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，其特征在于:所述共模電感(Le)包括第一線圈(Lm)和第二線圈(Le_2)，所述第一線圈(Lm)和第二線圈(Le_2)雙股并饒，線圈匝數(shù)相同，其中，第一線圈(Lm)和第二線圈(k_2)的同名端分別連接在第一差模電容(Cxi)的兩端；所述差模電感(Ld)包括第三線圈(Lih)和第四線圈(LD_2)，所述第三線圈(Lih)和第四線圈(LD_2)雙股并饒，線圈匝數(shù)相同，第三線圈(Lih)和第四線圈(LD_2)的異名端分別連接在第二差模電容(Cx2)的兩端；所述第一線圈(Lm)和第三線圈(Lih)的異名端共端，第二線圈(Lc_2 )和第四線圈(Ld_2 )的同名端共端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抑制GIS內(nèi)部高頻傳導(dǎo)干擾的方法，其特征在于:所述EMI濾波器電路各元件參數(shù)按以下步驟確定: a.利用頻譜/網(wǎng)絡(luò)/阻抗分析儀對GIS變電站電壓互感器進行散射參數(shù)測量，設(shè)置掃描的頻率為50Hz飛ΟΜΗζ，將測量得到的散射參數(shù)轉(zhuǎn)化成電壓互感器的阻抗頻變參數(shù)，并繪制阻抗隨頻率變化的曲線，再利用矢量匹配和電路綜合的方法建立電壓互感器電路模型；根據(jù)阻抗頻變曲線確定諧振頻率點對應(yīng)的阻抗參數(shù)值；根據(jù)電壓互感器電路模型中三條電壓互感器支路間的阻抗串并聯(lián)關(guān)系得到電壓互感器的等效阻抗值； b.利用阻抗分析儀對二次設(shè)備的入口阻抗進行測量，得到二次設(shè)備入口阻抗模型及其參數(shù)值； c.將步驟a和步驟b所獲得的電壓互感器電路模型和二次設(shè)備入口阻抗模型植入到EMTP軟件中，對GIS變電站建立傳導(dǎo)干擾模型，對干擾電壓進行分析獲得干擾電壓隨時間變化的曲線；根據(jù)干擾電壓隨時間變化的曲線確定二次設(shè)備端口出現(xiàn)的干擾電壓最大幅值，采用傅里葉變換得到諧振頻率； d.根據(jù)阻抗失配原則確定EMI濾波器的電路形式，根據(jù)所要抑制的諧振頻率點，確定所需的共模電感值、共模電容值和差模電容值。
【文檔編號】H02B7/01GK104201590SQ201410435199
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月30日
【發(fā)明者】張重遠(yuǎn), 高黎明, 李春燕, 朱瑞敏 申請人:華北電力大學(xué)（保定）