±800 kV特高壓換流站閥廳及控制樓電磁屏蔽

張先偉，鐘偉華

(中南電力設(shè)計院，武漢市，430071)

0 引言

特高壓直流換流站會產(chǎn)生頻率較為寬廣的電磁干擾，對換流站及附近低壓電力及電子器件及設(shè)備造成干擾，若不采取措施勢必會造成這些低壓元件及設(shè)備誤動、拒動乃至設(shè)備本身受到損壞，從而導(dǎo)致?lián)Q流站事故，所以必須采取措施對換流站內(nèi)電磁干擾加以限制。

特高壓換流站電磁干擾主要來源［1-4］有:

(1)換流閥導(dǎo)通及關(guān)斷期間，由于電壓擊穿，導(dǎo)致?lián)Q流閥、換流回路以及與換流閥相連的交、直流側(cè)產(chǎn)生電流脈沖。

(2)空氣中導(dǎo)體表面電暈放電而產(chǎn)生的電磁干擾(類似常規(guī)高壓交流站)，該電磁干擾取決于帶電導(dǎo)體上所施加的電壓，并與天氣有關(guān)。

電暈放電引起的電磁干擾在超高壓及特高壓變電站和換流站較為普遍［5］，該類干擾可以通過采用合理的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計加以控制。而換流閥產(chǎn)生的電磁干擾為換流站所獨有，與換流站的運行直接相關(guān)。通過試驗以及對已投運的高壓直流換流站的測量表明，換流閥產(chǎn)生的電磁干擾的頻率范圍為9 kHz～2 MHz。

本文通過定性及定量分析，得出換流閥對控制樓二次及通信設(shè)備的電磁干擾來源及幅值，并結(jié)合換流站具體的布置情況，給出±800 kV云廣特高壓直流楚雄及穗東換流站應(yīng)采取的電磁屏蔽措施。

1 電磁干擾模型

初步計算表明，云廣特高壓換流站閥電磁干擾的強度為 76 dBm(10 kHz)和 10 dBm(500 kHz)，500 kHz以上的干擾幅值非常低［6］。換流閥產(chǎn)生的電磁干擾有以下2種傳播途徑:

(1)通過換流回路經(jīng)換流變壓器或穿墻套管流向交、直流開關(guān)場和架空線路傳播，該電流波形可以用線性遞增的函數(shù)來表征，其上升率的典型值為2 ～ 6 A/μs。

(2)通過閥本身傳播。換流閥可視為一系列導(dǎo)電環(huán)路，由閥緩沖回路元件構(gòu)成，閥導(dǎo)通和關(guān)斷時即產(chǎn)生暫態(tài)電流，其頻率與緩沖回路元件參數(shù)有關(guān)。

由于云廣±800 kV特高壓穗東換流站和楚雄換流站閥廳及換流變壓器布置不同，故上述電磁干擾的模型在2站中也有所不同，應(yīng)分別加以研究。

1.1 楚雄換流站

楚雄換流站換流變壓器采用“一”字形布置方式，全站設(shè)1座主控樓和1座輔控樓。楚雄換流站主控樓和輔控樓的電磁干擾主要來自換流閥、交流場和直流場，如圖1所示，其電磁干擾強度如下。

(1)輔助控制樓:交流場引起的電磁干擾強度為170 V/m，直流場引起的電磁干擾強度為1 160 V/m，換流閥產(chǎn)生的電磁干擾強度為990 V/m。

(2)主控制樓:交流場引起的電磁干擾強度為170 V/m，直流場引起的電磁干擾強度為1 160 V/m，換流閥產(chǎn)生的電磁干擾強度為990 V/m。

圖1 楚雄換流站控制樓布置及電磁干擾強度Fig.1 Arrangement of control building and electromagnetic disturbance intensity in Chuxiong converter station

1.2 穗東換流站

穗東換流站換流變壓器采用“背靠背”布置方式，全站設(shè)1座主控樓和2座輔控樓，穗東換流站主控樓和輔控樓的電磁干擾同樣來自換流閥、交流場和直流場，如圖2所示，其電磁干擾強度如下。

圖2 穗東換流站控制樓布置及電磁干擾強度Fig.2 Arrangement of control building and electromagnetic disturbance intensity in Suidong converter station

(1)輔助控制樓:交流場引起的電磁干擾強度為290 V/m，換流閥產(chǎn)生的電磁干擾強度700 V/m。

(2)主控制樓:交流場引起的電磁干擾強度為290 V/m，換流閥產(chǎn)生的電磁干擾強度1 970 V/m。

2 二次及通信設(shè)備最低屏蔽要求

干擾源對控制樓內(nèi)二次及通信等低壓設(shè)備的電磁干擾，可以采取2種方式加以避免:

(1)提高這些設(shè)備的抗擾度。

(2)將設(shè)備運行環(huán)境的電磁干擾水平限制在允許值以下，但不提高這些設(shè)備的抗擾能力。

考慮到降低設(shè)備造價，而使用通用的二次及通信設(shè)備，本工程采用第2種方法，即控制樓需采取屏蔽措施。另外，考慮到還需限制干擾源對換流站內(nèi)外其他電力電子設(shè)備的影響，閥廳也應(yīng)采取屏蔽措施，以上方案也為國內(nèi)外直流換流站工程所普遍采用［7］。

云廣特高壓換流站二次及通信設(shè)備的符合IEC 61000-6-2及IEC TS 6-5標準對電磁兼容的要求，上述標準廣泛應(yīng)用于工業(yè)和其他類似環(huán)境，其規(guī)定二次及通信設(shè)備的抗電磁干擾水平為10 V/m［8-9］。

主控樓、閥廳最低屏蔽要求值［10-11］為

式中:Esta為站內(nèi)實測干擾場強;Eimmu為設(shè)備抗干擾的能力，10 V/m。

對于實際應(yīng)用，需考慮一定偏差及裕度，本工程最終將設(shè)備抗干擾能力確定為5 kV/m，則最低屏蔽要求值為

將2站換流閥，交、直流場電磁干擾水平代入式(2)，求得云廣特高壓楚雄換流站及穗東換流站最小電磁屏蔽要求值，見表1。

表1 云廣特高壓換流站閥廳、主控樓電磁屏蔽最小要求值Tab.1 Minimum requirements of electromagnetic shielding for valve halls and control buildings in Yun-Guang UHVDC converter stations

3 具體屏蔽措施

楚雄及穗東換流站控制樓及閥廳必須采取屏蔽措施，才能將控制樓內(nèi)電磁干擾水平限制在安全范圍內(nèi)。這些屏蔽措施包括在建筑物所有外框安裝金屬板、有孔金屬板、金屬網(wǎng)。3種材料均能起到屏蔽作用，具體應(yīng)根據(jù)屏蔽要求值及實際情況進行選擇。

3.1 閥廳墻面、屋面的屏蔽

楚雄及穗東換流站閥廳墻面及屋面均采用金屬板屏蔽方案，為兼顧低頻(10～100 kHz)下的屏蔽要求，具體實施時采用了2 mm厚的金屬板，該鋼板實際可以達到超過60 dB的屏蔽效果(10 kHz至數(shù)MHz)，完全可以滿足表1的要求。事實上，從某種角度而言，屋面、墻面金屬板的安裝配合較其本身對實際屏蔽效果影響更大，故以下措施必須嚴格執(zhí)行:安裝時應(yīng)保證屋面及墻面金屬板在交接處不應(yīng)隔開，并有約10 cm的重疊，且用自攻防銹螺絲壓緊，使得交接處有低阻抗電氣連接。

另外研究表明，若屋面、墻面金屬板交接處有間距，隨著該間距的增大屏蔽效果也隨之下降，如圖3所示。

3.2 控制樓墻面、屋面的屏蔽

楚雄及穗東換流站控制樓墻面和屋面均采用金屬網(wǎng)屏蔽方案。對于這種屏蔽結(jié)構(gòu)，最重要的技術(shù)參數(shù)是金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小以及組成金屬網(wǎng)的金屬自身外徑，不同的網(wǎng)孔大小以及金屬外徑有不同的屏蔽效果，見表2。

?

根據(jù)表1中楚雄站及穗東站關(guān)于控制樓屏蔽的要求，參照表2，2站控制樓墻面及屋面最終均選擇了20 mm×20 mm、外徑為3 mm的金屬網(wǎng)格作為屏蔽手段。

3.3 閥廳和控制樓地面的屏蔽

為保證屏蔽效果，閥廳、主控樓地面也必須采取屏蔽措施。楚雄、穗東2站閥廳、主控樓地面采用了50 mm×50 mm，外徑為4 mm的金屬網(wǎng)進行屏蔽。除此以外，2站閥廳、控制樓地面基礎(chǔ)一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土中鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸約為15 cm×15 cm，且多為相互重疊布置，故無需特別考慮這些網(wǎng)格的相互連接。同時，為兼顧這些屏蔽網(wǎng)格接地，按5 m×5 m間隔焊接形成地網(wǎng)，并每隔5 m與墻面屏蔽金屬板(或金屬網(wǎng))連接1次，這樣可以保證墻體屏蔽層和樓板地網(wǎng)間無間隙。通過上述措施，閥廳、控制樓地面的屏蔽能滿足表1中提出的要求。

3.4 閥廳和控制樓門、窗的屏蔽

閥廳和控制樓的門均采用實體金屬門。窗采用加裝金屬網(wǎng)進行屏蔽，其規(guī)格為5 mm鍍鋅鋼板網(wǎng)，應(yīng)注意門窗屏蔽設(shè)施需與墻面屏蔽設(shè)施緊密相連。

4 結(jié)語

本文對云廣±800 kV直流輸電工程楚雄及穗東換流站換流閥產(chǎn)生的電磁干擾進行了分析。研究表明，楚雄換流站和穗東換流站電磁干擾均超過了二次及通信設(shè)備的耐受能力，需采取屏蔽措施。結(jié)合2站的實際情況，本文提出了閥廳、主控樓具體的屏蔽措施。

(1)換流站電磁干擾的頻率范圍為10 kHz至數(shù)MHz。

(2)雖然為保證控制樓的屏蔽效果并不一定要對閥廳采取屏蔽措施，但是考慮到換流閥電磁干擾可能會對換流站內(nèi)、外其他設(shè)施造成干擾，故閥廳也應(yīng)采取屏蔽措施。

(3)楚雄站、穗東站閥廳墻面及屋面采用金屬板作為屏蔽措施。

(4)楚雄站、穗東站控制樓墻面及屋面采用金屬網(wǎng)作為屏蔽措施。

(5)楚雄站、穗東站控制樓地面采用專門屏蔽金屬網(wǎng)與土建鋼筋混凝土金屬網(wǎng)相結(jié)合作為屏蔽措施。

(6)屏蔽設(shè)施的安裝對屏蔽效果影響較大。屏蔽設(shè)施安裝時，應(yīng)保證屋面、墻面以及地面屏蔽設(shè)施間沒有空隙，并采用低阻抗的電氣連接，才能實現(xiàn)既定的屏蔽要求。

［1］IEEE Std 1030-1987 IEEE guide for specification of high-voltage direct current systems:Part I:Steady-state performance［S］.New York:Published by the Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，1988.

［2］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］DL/T 5223—2005高壓直流換流站設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國電力出版，2005.

［4］Q/DG 1-A013—2008±800 kV高壓直流換流站設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國電力工程顧問集團，2008.

［5］崔翔.2002年國際大電網(wǎng)會議系列報道:電力系統(tǒng)電磁兼容研究進展［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(4):1-5.

［6］Jaekel.Study report:Screening of converter station valve hall and control buildings［R］.Germany:SIEMENS，2007.

［7］Sven Berglund.Study report:Cables and marshaling［R］.Sweden:ABB，2000.

［8］IEC 61000-6-2—2005 Electromagnetic compatibility(EMC)-PART 6-2:General standards-Immunity for industrial environments［S］.Geneva:Published by IEC，2005.

［9］IEC TS 61000-6-5—2001 Electromagnetic compatibility(EMC)-PART 6-5:General standards-Immunity for power station and substation environments［S］.Geneva:Published by IEC，2001.

［10］NSA-65-6 Specification for shielding enclosures［S］.New York:Published by NSA，1996.

［11］IEEE Std 299—2006 Standard method for measuring effectiveness of electromagnetic shielding enclosures［S］.New York:Published by the Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，2006.