扎魯特-青州UHVDC工程換流站閥廳輻射電磁干擾水平預測分析

王銀鴿，樂健，羅漢武，毛濤，崔士剛

（1.武漢大學電氣工程學院，武漢430072；2.國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內蒙古通遼028000；3.武漢東湖學院，武漢430074）

0 引 言

我國幅員遼闊但能源分布極不均衡，特高壓直流輸電（UHVDC）工程成為緩解這一困境的重要手段之一。自2006年以來，我國已經相繼建設并投運8個 UHVDC工程［1］，扎魯特 -青州 ±800 kV UHVDC工程于2016年由國家批建，并于同年8月動工。該工程設計輸送容量1 000 MW，其換流站設計有高／低端閥廳且換流變采用一字形布置，換流閥采用±800 kV／6 250 A。如此高電壓大容量的設計必然造成換流站閥廳內嚴重的電磁干擾，有必要對該問題進行關注并開展相應的研究分析。

文獻［1-3］對高壓直流輸電工程換流站輻射電磁干擾的測量方法和步驟進行了詳細介紹；文獻［4］對電磁干擾源的特性進行研究，并對某±500 kV換流站的傳導干擾進行了測量；文獻［5］采用矩量法對高壓直流輸電工程換流站的輻射電磁干擾水平進行了計算；文獻［6］利用軟件FEKO計算了±500 kV換流站的輻射電磁干擾水平，并對±800 kV特高壓換流站的輻射電磁干擾進行了預測。UHVDC系統實際運行中存在多種運行方式，如雙極運行、雙極降壓運行、單極運行、單極降壓運行等，在故障情況下也會造成干擾源特性的不同，文獻［7］對這些運行方式下的諧波畸變情況進行了詳細研究，但未涉及輻射電磁干擾的具體影響分析。雙極全壓運行時電流總畸變率達到5%，而雙極降壓70%運行時電流總畸變率可達10%，其引起的電磁干擾程度也會增大，有必要對故障情況下的輻射電磁干擾水平開展研究。

本文以扎魯特-青州±800 kV特高壓直流工程為對象，對其換流站多種運行方式下的輻射電磁干擾水平進行了計算，并進行了統計分析。首先介紹該工程換流站閥廳結構并分析了其輻射電磁干擾特點。以換流站寬頻等效模型為基礎，通過仿真得到多種運行狀況下干擾源電壓和電阻諧波分量，基于天線耦合原理對電流進行修正，得到實際的輻射干擾電流；建立計算輻射電磁干擾的天線模型，采用矩量法對多種運行情況下的換流站閥廳輻射電磁干擾水平進行了計算，在此基礎上進行了統計分析。

1 UHVDC換流閥廳結構

換流閥作為一個重要的電流轉化和能量傳輸設備，在換流站起著關鍵作用［8］。扎魯特 -青州±800 kV UHVDC工程換流站有正極高壓閥廳、正極低壓閥廳、負極高壓閥廳、負極低壓閥廳共四個閥廳，一字型，結構如圖1所示。與變電站相比，換流站中的基礎一次設備基本一致，但換流閥的存在將導致其電磁環境更為復雜。

圖1 換流站結構圖Fig.1 Structure diagram of the converter station

以該工程的正極高壓閥廳為例，采用±800 kV／6 250 A換流閥，共有6座閥塔，組成由兩組六脈波整流并聯而成的12脈波整流設備；每座閥塔由6個閥模塊串聯，每個閥模塊有兩個閥組件，一個閥組件又由數十個可控硅級與兩臺飽和電抗器串聯，再與一只均壓電容器并聯構成。一個±800 kV／6 250 A換流閥有上千個可控硅極器件，在其導通和關斷過程中，由于其兩端電壓的變化時間通常為數μs，換流過程中產生的諧波含量很高，成為換流站穩態運行時主要的電磁干擾源。

2 干擾電流的修正

2.1 基于寬頻模型的數據求解

在電路中，非齊次方程Z（I）＝V，式中電壓V作為激勵函數，Z作為阻抗算子，I為響應函數，在已知Z和V的情況下求解I，未知的響應函數可展開成N項的線性組合，對于整個換流閥可以將其分為N段［9］：

根據第1節中所述結構和式（1），基于PSCAD搭建扎魯特-青州換流站的整體寬頻等效模型［10］，通過仿真得出了雙極運行、雙極降壓70%運行、單極運行、單極降壓70%運行時，第i個換流閥臂兩端電壓 Ui（t）和流過的電流 Ii（t），交流三相進線兩端電壓Vab（t）、Vbc（t）、Vca（t）和流過的電流 Iab（t）、Ibc（t）、Ica（t）以及上下兩直流出線兩端的電壓 Vtop（t）、Vbottom（t）和流過的電流 Itop（t）、Ibottom（t）。在交流場求電磁輻射時，一般用正弦計算理論，并且為了能夠知道各個頻率諧波的輻射情況，將上述數據頻域化，得出 Vi（k）、Ii（k）、Vab（k）、Iab（k）、Vbc（k）、Ibc（k）、Vca（k）、Ica（k），從而得出 Zi（k）、Zab（k）、Zbc（k）、Zca（k）、Ztop（k）、Zbottom（k）。

2.2 基于天線耦合原理的電流修正

通常采用仿真計算方法得到第2.1節中計算輻射電磁干擾的電流，但在換流閥廳內部，各設備之間距離較小，處于近場范圍內，存在互耦現象，各電流之間會相互影響［11］，為能更精確計算輻射電磁干擾水平，需對電流進行修正。本文采用天線和二端口網絡轉化的方法進行修正，如圖2所示。

圖2中T1和T2分別為天線1和2的參考面，V1、I1分別為天線1等效端口處歸一化電壓和電流；V2、I2分別為天線2等效端口處歸一化電壓和電流。

用Z矩陣描述該二端口網絡可得：

圖2 二單元天線系統的二端口網絡Fig.2 Two ports network of two elements antenna system

則端口1處和端口2處天線的輸入阻抗分別為：

在2.1節通過PSCAD仿真計算得到第i段單元天線的自阻抗Zii和電壓激勵Vi，互阻抗可以按照文獻［12］的方法得出，則對于N單元天線可由式（5）得出每根天線實際電流Ii。

3 輻射電磁干擾計算與分析

3.1 天線模型

根據換流站閥廳設備連接關系，將換流閥廳內設備按照第2.1節分段，建立如圖3所示的天線模型。

圖3 換流閥廳的天線模型Fig.3 Antennamodel of converter valve hall

3.2 矩量法基本方程的建立

本文重點研究的頻率為100 kHz～500 kHz，屬低頻范圍；對于點源輻射問題，按照源點與場點的距離R與波數 k（k＝2π／λ，λ為波長）之間的關系，可以將場分為感應近場區kR≤1、中場區kR≈1和遠場區kR≥1，顯然換流閥廳內部屬于近場區，因此采用矩量法處理此類低頻近場問題比較合適［13］。

正弦電磁場可由達朗貝爾方程描述：

其中：

式中 A為磁矢位；φ-為標量電位；β＝ω（με）1／2為相位常數；ε為介電常數；μ為磁導率；J為電流密度；ρ為電荷體密度。

解方程（6）得：

實際中正弦電流沿線路分布，故長度為l線路上的磁矢位為：

然后根據式（9）求得電場強度和磁場強度［14］。

基于圖3所示模型和第2.2節原理對干擾電流進行，采用矩量法，將式（9）與式（10）作為控制方程，分段計算測試點處的輻射電磁干擾強度。

3.3 輻射電磁干擾水平分析

本文采用矩量法［15］計算正極高壓閥廳一邊界的電場強度，得到不同運行方式下和整流側交流母線三相接地故障時，不同頻率處輻射電磁干擾強度最大值的統計及平均電場強度隨頻率變化的規律，結果如表1所示。

表1中，E1Max和E2Max分別為雙極全壓和雙極降壓70%運行時輻射電磁干擾的最大值；E3Max為整流側交流母線三相接地故障時輻射電磁干擾的最大值；E4Max和E5Max分別為單極全壓和單極降壓70%運行時輻射電磁干擾的最大值。

由表1可以看出：各種運行情況下，隨著頻率的增加，輻射電磁干擾的最大干擾強度值減小；其中雙極降壓70%時輻射電磁干擾最大值在各個頻率均最大。

表1 不同運行狀況下輻射電磁干擾最大值Tab.1 Themaximum value of EMIunder different operation conditions

雙極降壓70%時輻射電磁干擾水平最大，整流側交流母線三相短路故障時的干擾水平次之，如圖4所示；單極降壓70%運行狀況下的輻射電磁干擾強度也大于單極全壓運行狀況下的水平，如圖5所示。由圖4和圖5可見，隨頻率增大而輻射電磁干擾強度逐漸減小，從100 kHz到200 kHz的變化尤其明顯。

多種運行狀況下，雙極降壓70%時的輻射電磁干擾水平最高，100 kHz時電場強度達到665.7 mV／m（56.5 dBm）。根據《電磁環境控制限值》中的要求［16］，頻率范圍在 0.1 MHz～3 MHz的電磁干擾總限值為40 V／m，可以看到在各頻率點上電磁干擾的強度總和超出了該標準要求的限值，需要采取進一步的輻射電磁干擾屏蔽措施。

圖4 雙極運行頻率為100 kHz～500 kHz時電場強度平均值Fig.4 Average value of the electric field strength of bipolar operation at the frequency of 100 kHz～500 kHz

圖5 單極運行頻率為100 kHz～500 kHz時電場強度平均值Fig.5 Average value of the electric field strength of monopole operation at the frequency of 100 kHz～500 kHz

4 結束語

本文以扎魯特-青州±800 kV特高壓直流實際工程為背景，對多種運行狀況下輻射電磁干擾的強度進行預測評估與統計分析，所得主要結論如下：

（1）干擾電流的求解是分析評估輻射電磁干擾的重要前提和基礎。本文基于天線耦合模型對仿真所得電流進行修正，獲得更為精確的干擾電流，提高了輻射電磁干擾水平計算的準確性；

（2）就同一運行狀況而言，頻率 100 kHz～500 kHz范圍內，輻射電磁干擾強度將隨頻率的增加而減小，減小程度也逐漸降低，在100 kHz～200 kHz內的變化尤其明顯。從不同運行狀況分析，雙極降壓70%運行時，輻射干擾程度最為嚴重，頻率100 kHz時，閥廳邊界處的最大電場強度達到665.7mV／m（56.5 dBm）。各運行狀況下，各頻率點上輻射電磁干擾的強度總和超出了該標準要求的范圍，需要采取進一步的輻射電磁干擾屏蔽措施。