±1 100 kV特高壓直流輸電工程輻射電磁干擾水平評(píng)估

羅漢武，樂健，王銀鴿，李猛克，徐新堯，崔士剛

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

0 引 言

我國(guó)國(guó)土廣袤，能源資源和負(fù)荷分布不均衡，“西電東送”、“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”成為必要的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略。特高壓工程輸送容量大、送電距離長(zhǎng)、線路損耗低、占用土地少，成為電網(wǎng)規(guī)劃的重中之重［1-5］?！? 100 kV輸電工程相對(duì)于其他等級(jí)直流輸電系統(tǒng)而言有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)約線路走廊，減少出線回?cái)?shù)；（2）輸送容量相同時(shí)，線路和變電站的造價(jià)以及運(yùn)行費(fèi)用低；（3）上、下級(jí)系統(tǒng)電壓配合更為合理。與常規(guī)變電站內(nèi)的電磁干擾水平相比，±1 100 kV工程因其工作電壓高、電流大、換流閥廳內(nèi)的電磁干擾將更為嚴(yán)重，對(duì)其換流站換流閥廳電磁干擾水平進(jìn)行評(píng)估具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

隨著特高壓直流工程的建設(shè)和發(fā)展，對(duì)換流閥輻射電磁干擾的研究開始引起重視。文獻(xiàn)［6］根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，給出了換流站輻射電磁干擾的測(cè)量方法。文獻(xiàn)［7］針對(duì)±500 kV超高壓換流站騷擾源進(jìn)行研究，測(cè)量了瞬態(tài)騷擾和無線電騷擾的水平。文獻(xiàn)［8-9］進(jìn)行針對(duì)±500 kV和±800kV換流站進(jìn)行建模，采用矩量法計(jì)算，研究無線電騷擾水平，對(duì)閥廳的屏蔽功能提出要求。文獻(xiàn)［10］建立±1 100 kV換流站二重閥塔的模型，計(jì)算了金具表面的電場(chǎng)。這些仿真模型的建立，往往忽略了模型建立的原理，且在建模時(shí)側(cè)重?fù)Q流站的電壓等級(jí)，未針對(duì)具體的換流閥類型。例如，±800 kV/4 750 A特高壓直流換流閥和±800 kV/6 250 A特高壓直流換流閥結(jié)構(gòu)不同，在仿真建模時(shí)也應(yīng)有所區(qū)別。

本文對(duì)±1 100 kV特高壓直流輸電工程換流閥廳內(nèi)輻射電磁干擾水平進(jìn)行了評(píng)估。通過分析閥廳結(jié)構(gòu)，確定其輻射電磁干擾的來源，采用電流元作為輻射干擾源模型，應(yīng)用矩量法進(jìn)行閥廳內(nèi)輻射電磁干擾的求解。以實(shí)際工程為研究對(duì)象，基于PSCAD仿真得到電流元模型參數(shù)，利用FEKO軟件進(jìn)行了該工程換流閥廳輻射電磁干擾水平的評(píng)估。

1 ±1 100 kV UHVDC換流站閥廳結(jié)構(gòu)及電磁干擾來源

1.1 閥廳結(jié)構(gòu)

±1 100 kV UHVDC換流站，通常由+1 100 kV和+550 kV正極低壓閥廳，-550 kV和-1 100 kV負(fù)極低壓閥廳四個(gè)閥廳構(gòu)成［10］。由 ±1 100 kV/5 000 A特高壓直流換流閥構(gòu)成的換流閥廳，每個(gè)閥廳內(nèi)部有6個(gè)二重閥塔組成的兩組6脈橋換流裝置。兩組6脈橋的輸入三相電壓相位相差30°，串聯(lián)構(gòu)成12脈波換流裝置，整個(gè)裝置的高低壓端直流出線通過套管引出。交流進(jìn)線通過套管引入，并與單相換流變連接，每個(gè)單相變壓器連接一個(gè)橋臂。每個(gè)二重閥塔構(gòu)成一個(gè)橋臂，一個(gè)橋臂上有兩個(gè)半橋，每個(gè)半橋有5個(gè)閥模塊串聯(lián)而成，閥塔總共五層［11］。

1.2 電磁干擾主要來源

換流閥廳輻射電磁干擾的產(chǎn)生需局部干擾源、傳播路徑和被干擾體三個(gè)條件。換流閥由閥模塊構(gòu)成，閥模塊又由數(shù)個(gè)閥組件串聯(lián)而成，閥組件中含有晶閘管、飽和電抗器、均壓電容和阻容回路等器件。正常工作時(shí)，換流閥會(huì)進(jìn)行換相過程，每次換相都伴隨閥臂上晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，每次其兩端電壓會(huì)發(fā)生突變，由文獻(xiàn)［12］可知，導(dǎo)通過程中其兩端電壓為：

式中t是換流閥導(dǎo)通的時(shí)間；e是自然常數(shù)；τ是換流閥導(dǎo)通至其兩端電壓為0的時(shí)間；v0是換流閥導(dǎo)通瞬間兩端的電壓，與觸發(fā)角有關(guān)；v（t）是換流閥兩端電壓。

對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換為：

式中v（f）是v（t）的頻域形式；f為頻率。

傅里葉分解后的結(jié)果表明，晶閘管兩端電壓頻帶較寬，可產(chǎn)生頻帶較寬的電磁干擾。同時(shí)該電壓可沿線路傳播，由線路中電容和電感產(chǎn)生電磁振蕩，造成輻射干擾程度加大。

2 基于電流元的干擾源模型

2.1 幾種等效模型的比較

現(xiàn)有文獻(xiàn)在建立干擾源模型時(shí)常將用偶極子對(duì)換流閥進(jìn)行等效，主要等效方法包括：

（1）將整個(gè)換流閥模塊等效為偶極子，利用偶極子電磁輻射的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，這樣的處理存在兩個(gè)問題：（a）需要知道換流閥兩端的電荷量，以計(jì)算出電偶極矩，但電荷量數(shù)據(jù)通常難以獲??；（b）只進(jìn)行換流閥塔的等效，沒有考慮閥廳交流進(jìn)線和直流出線，僅用幾個(gè)偶極子來等效整個(gè)換流閥塔乃至換流閥廳將導(dǎo)致很大的誤差［13］；

（2）將流過電流的線路分成微小電元，每段電元都等效為一個(gè)電偶極子，向外輻射電磁波。這樣的等效雖然解決了上述問題（b），但電偶極子的應(yīng)用不當(dāng)。電偶極子是兩個(gè)等量異號(hào)點(diǎn)電荷組成的系統(tǒng)，不能反映干擾源的本質(zhì)［14］。

2.2 電流元模型

本文提出一種基于電流元的輻射電磁干擾等效模型，其基本原理為：

一段載有均勻同相時(shí)變電流的導(dǎo)線被稱為電流元，電流元的直徑遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度，而其長(zhǎng)度又遠(yuǎn)小于電磁波長(zhǎng)及觀察距離。遠(yuǎn)小于一般指數(shù)量上要差最少一個(gè)量級(jí)，均勻同相的電流是指導(dǎo)線上各點(diǎn)電流的振幅相等，且相位相同。

設(shè)電流元位于無限大空間，周圍媒質(zhì)為均勻線性且各向同性的理想介質(zhì)。建立直角坐標(biāo)系，令電流元位于坐標(biāo)原點(diǎn)，且沿z軸放置，如圖1所示。

圖1 電流元模型Fig.1 Current element model

可求得圖1中P點(diǎn)處的電磁場(chǎng)分量為：

設(shè)導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則觀測(cè)點(diǎn)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

該等效方法可有效解決目前干擾源等效存在的問題，原理簡(jiǎn)單，且僅需要線路電流即可進(jìn)行輻射電磁干擾計(jì)算。只需將整個(gè)換流閥廳內(nèi)部的設(shè)備等效為具有相應(yīng)頻率的電壓和電阻構(gòu)成的電流元，即可計(jì)算出整個(gè)閥廳內(nèi)的輻射電磁干擾水平。

2.3 基于PSCAD的電流數(shù)據(jù)求解

首先搭建換流站的寬頻等效模型，通過仿真獲得換流閥兩端以及交流進(jìn)線和直流出線端口的電壓和電流，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

（1）獲得換流閥開斷過程中閥臂兩端電壓和流過電流的時(shí)域波形，設(shè)第k支換流閥臂導(dǎo)通時(shí)晶閘管兩端電壓為uk（t），電流為ik（t）；

（2）同時(shí)獲得閥廳交直流套管出線側(cè)電壓uL（t）和電流iL（t）；

（3）將各時(shí)域電壓和電流進(jìn)行傅里葉分解，得到晶閘管兩端電壓和電流的頻域信息，而以閥廳交直流套管出線側(cè)的電壓和電流頻域信息作為終端電壓和電流。由晶閘管和終端的電壓、電流可得到晶閘管和終端在不同頻率下的等效負(fù)載阻抗Zk（f）和ZL（f）。

（4）基于電流元模型建立輻射電磁干擾源模型，并采用后續(xù)方法進(jìn)行閥廳內(nèi)輻射電磁干擾的計(jì)算。

利用PSCAD仿真得到的不同位置的部分頻率點(diǎn)的閥臂電壓和阻抗如表1所示［8］。

3 電磁輻射強(qiáng)度求解

目前通常采用時(shí)域方法進(jìn)行電磁干擾仿真求解，主要方法包括：有限差分法FDM、有限元法FEM、矩量法MOM、時(shí)域有限差分法FDTD等。這些方法具有不同適用范圍，在天線近區(qū)，電磁波波長(zhǎng)與場(chǎng)空間在同一量級(jí)，可視為低頻，可采用FEM、FDM、MOM等方法求解；當(dāng)電磁波波長(zhǎng)小于距被求位置的距離時(shí)，可視為中頻，可用FDTD法求解；當(dāng)電磁波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于距被求位置的距離時(shí)，可視為高頻，可用幾何射線法求解。

表1 閥臂電壓和阻抗頻率特性Tab.1 Frequency characteristics of the voltage and impedance of valve leg

換流站閥廳占地范圍數(shù)百米內(nèi)，對(duì)于頻率在3 MHz以上的電磁波，可用 FDTD法求解，頻率在3 MHz以下的電磁波，可用FEM、FDM、MOM求解。

FEM法雖使用范圍廣，但需要的計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，易造成空間色散誤差。此外由于只能在有限區(qū)域內(nèi)計(jì)算，需設(shè)置吸收邊界條件，復(fù)雜材料邊界如介質(zhì)和導(dǎo)體表面強(qiáng)加邊界條件不容易；FDM法與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，需要通過試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。本文選取MOM矩量法來進(jìn)行輻射電磁干擾的求解，矩量法的數(shù)學(xué)處理過程可采用加權(quán)余量法或定義泛函內(nèi)積等方法，無需設(shè)置吸收邊界條件，也不存在空間色散誤差，且數(shù)值結(jié)果精度高［15］。

4 仿真結(jié)果與分析

本文選用以MOM為基礎(chǔ)算法的仿真軟件FEKO，對(duì)±1 100 kV換流閥軟件建模時(shí)采用了以下原則：

（1）閥臂采用串聯(lián)阻抗+電壓源的細(xì)導(dǎo)線模型；

（2）管母采用細(xì)導(dǎo)線模型；

（3）閥廳的交直流出線采用串聯(lián)阻抗模型。仿真模型如圖2所示。

圖3給出了Y方向電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果。由圖3可以看出，隨著頻率的變大，換流閥的輻射強(qiáng)度逐漸減小，其原因在于干擾源中高次諧波分量含量低，同時(shí)主回路中濾波設(shè)備對(duì)高頻分量的濾波效果明顯。

圖2 閥廳閥塔仿真模型Fig.2 Simulation model of the valve tower

圖3 Y方向電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.3 Electric field intensity in Y direction

從Y方向上看，數(shù)值在閥廳圍墻的中間區(qū)域最大，在閥塔的前方出現(xiàn)極值，這也驗(yàn)證了每個(gè)閥塔屏蔽罩存在的必要性。

從整體數(shù)值分析，頻率為100 kHz時(shí)，干擾電場(chǎng)強(qiáng)度最大，達(dá)到近43 mV/m；頻率為500 kHz時(shí)，干擾強(qiáng)度最小，約為3 mV/m。根據(jù)GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》中的要求，頻率范圍在0.1 MHz～3 MHz的電磁干擾總限值為40 V/m，可以看到在某些頻率點(diǎn)上電磁干擾的強(qiáng)度超出了該標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了±1 100 kV/5 500 A特高壓直流輸電工程換流閥和換流閥廳的結(jié)構(gòu)，給出了基于電流元的輻射電磁干擾源模型，相比于現(xiàn)有偶極子和電偶極子等效方法，原理簡(jiǎn)單且精度高，選用矩量法并通過FEKO軟件進(jìn)行了換流閥廳輻射電磁干擾的仿真計(jì)算，所得主要結(jié)論如下：

（1）從頻率上看，受到干擾源特性和濾波設(shè)備的影響，輻射電磁干擾的強(qiáng)度隨頻率的變大逐漸減小，在某些頻率點(diǎn)上電磁干擾的強(qiáng)度超出了該標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍；

（2）從距離上看，閥廳圍墻中間區(qū)域輻射電磁干擾最大，在閥塔的前方出現(xiàn)極值，需要采取進(jìn)一步的輻射電磁干擾屏蔽措施。