扎鲁特-青州UHVDC工程换流站阀厅辐射电磁干扰水平预测分析

王银鸽，乐健，罗汉武，毛涛，崔士刚

（1.武汉大学电气工程学院，武汉430072；2.国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，内蒙古通辽028000；3.武汉东湖学院，武汉430074）

0 引 言

我国幅员辽阔但能源分布极不均衡，特高压直流输电（UHVDC）工程成为缓解这一困境的重要手段之一。自2006年以来，我国已经相继建设并投运8个 UHVDC工程［1］，扎鲁特 -青州 ±800 kV UHVDC工程于2016年由国家批建，并于同年8月动工。该工程设计输送容量1 000 MW，其换流站设计有高／低端阀厅且换流变采用一字形布置，换流阀采用±800 kV／6 250 A。如此高电压大容量的设计必然造成换流站阀厅内严重的电磁干扰，有必要对该问题进行关注并开展相应的研究分析。

文献［1-3］对高压直流输电工程换流站辐射电磁干扰的测量方法和步骤进行了详细介绍；文献［4］对电磁干扰源的特性进行研究，并对某±500 kV换流站的传导干扰进行了测量；文献［5］采用矩量法对高压直流输电工程换流站的辐射电磁干扰水平进行了计算；文献［6］利用软件FEKO计算了±500 kV换流站的辐射电磁干扰水平，并对±800 kV特高压换流站的辐射电磁干扰进行了预测。UHVDC系统实际运行中存在多种运行方式，如双极运行、双极降压运行、单极运行、单极降压运行等，在故障情况下也会造成干扰源特性的不同，文献［7］对这些运行方式下的谐波畸变情况进行了详细研究，但未涉及辐射电磁干扰的具体影响分析。双极全压运行时电流总畸变率达到5%，而双极降压70%运行时电流总畸变率可达10%，其引起的电磁干扰程度也会增大，有必要对故障情况下的辐射电磁干扰水平开展研究。

本文以扎鲁特-青州±800 kV特高压直流工程为对象，对其换流站多种运行方式下的辐射电磁干扰水平进行了计算，并进行了统计分析。首先介绍该工程换流站阀厅结构并分析了其辐射电磁干扰特点。以换流站宽频等效模型为基础，通过仿真得到多种运行状况下干扰源电压和电阻谐波分量，基于天线耦合原理对电流进行修正，得到实际的辐射干扰电流；建立计算辐射电磁干扰的天线模型，采用矩量法对多种运行情况下的换流站阀厅辐射电磁干扰水平进行了计算，在此基础上进行了统计分析。

1 UHVDC换流阀厅结构

换流阀作为一个重要的电流转化和能量传输设备，在换流站起着关键作用［8］。扎鲁特 -青州±800 kV UHVDC工程换流站有正极高压阀厅、正极低压阀厅、负极高压阀厅、负极低压阀厅共四个阀厅，一字型，结构如图1所示。与变电站相比，换流站中的基础一次设备基本一致，但换流阀的存在将导致其电磁环境更为复杂。

图1 换流站结构图Fig.1 Structure diagram of the converter station

以该工程的正极高压阀厅为例，采用±800 kV／6 250 A换流阀，共有6座阀塔，组成由两组六脉波整流并联而成的12脉波整流设备；每座阀塔由6个阀模块串联，每个阀模块有两个阀组件，一个阀组件又由数十个可控硅级与两台饱和电抗器串联，再与一只均压电容器并联构成。一个±800 kV／6 250 A换流阀有上千个可控硅极器件，在其导通和关断过程中，由于其两端电压的变化时间通常为数μs，换流过程中产生的谐波含量很高，成为换流站稳态运行时主要的电磁干扰源。

2 干扰电流的修正

2.1 基于宽频模型的数据求解

在电路中，非齐次方程Z（I）＝V，式中电压V作为激励函数，Z作为阻抗算子，I为响应函数，在已知Z和V的情况下求解I，未知的响应函数可展开成N项的线性组合，对于整个换流阀可以将其分为N段［9］：

根据第1节中所述结构和式（1），基于PSCAD搭建扎鲁特-青州换流站的整体宽频等效模型［10］，通过仿真得出了双极运行、双极降压70%运行、单极运行、单极降压70%运行时，第i个换流阀臂两端电压 Ui（t）和流过的电流 Ii（t），交流三相进线两端电压Vab（t）、Vbc（t）、Vca（t）和流过的电流 Iab（t）、Ibc（t）、Ica（t）以及上下两直流出线两端的电压 Vtop（t）、Vbottom（t）和流过的电流 Itop（t）、Ibottom（t）。在交流场求电磁辐射时，一般用正弦计算理论，并且为了能够知道各个频率谐波的辐射情况，将上述数据频域化，得出 Vi（k）、Ii（k）、Vab（k）、Iab（k）、Vbc（k）、Ibc（k）、Vca（k）、Ica（k），从而得出 Zi（k）、Zab（k）、Zbc（k）、Zca（k）、Ztop（k）、Zbottom（k）。

2.2 基于天线耦合原理的电流修正

通常采用仿真计算方法得到第2.1节中计算辐射电磁干扰的电流，但在换流阀厅内部，各设备之间距离较小，处于近场范围内，存在互耦现象，各电流之间会相互影响［11］，为能更精确计算辐射电磁干扰水平，需对电流进行修正。本文采用天线和二端口网络转化的方法进行修正，如图2所示。

图2中T1和T2分别为天线1和2的参考面，V1、I1分别为天线1等效端口处归一化电压和电流；V2、I2分别为天线2等效端口处归一化电压和电流。

用Z矩阵描述该二端口网络可得：

图2 二单元天线系统的二端口网络Fig.2 Two ports network of two elements antenna system

则端口1处和端口2处天线的输入阻抗分别为：

在2.1节通过PSCAD仿真计算得到第i段单元天线的自阻抗Zii和电压激励Vi，互阻抗可以按照文献［12］的方法得出，则对于N单元天线可由式（5）得出每根天线实际电流Ii。

3 辐射电磁干扰计算与分析

3.1 天线模型

根据换流站阀厅设备连接关系，将换流阀厅内设备按照第2.1节分段，建立如图3所示的天线模型。

图3 换流阀厅的天线模型Fig.3 Antennamodel of converter valve hall

3.2 矩量法基本方程的建立

本文重点研究的频率为100 kHz～500 kHz，属低频范围；对于点源辐射问题，按照源点与场点的距离R与波数 k（k＝2π／λ，λ为波长）之间的关系，可以将场分为感应近场区kR≤1、中场区kR≈1和远场区kR≥1，显然换流阀厅内部属于近场区，因此采用矩量法处理此类低频近场问题比较合适［13］。

正弦电磁场可由达朗贝尔方程描述：

其中：

式中 A为磁矢位；φ-为标量电位；β＝ω（με）1／2为相位常数；ε为介电常数；μ为磁导率；J为电流密度；ρ为电荷体密度。

解方程（6）得：

实际中正弦电流沿线路分布，故长度为l线路上的磁矢位为：

然后根据式（9）求得电场强度和磁场强度［14］。

基于图3所示模型和第2.2节原理对干扰电流进行，采用矩量法，将式（9）与式（10）作为控制方程，分段计算测试点处的辐射电磁干扰强度。

3.3 辐射电磁干扰水平分析

本文采用矩量法［15］计算正极高压阀厅一边界的电场强度，得到不同运行方式下和整流侧交流母线三相接地故障时，不同频率处辐射电磁干扰强度最大值的统计及平均电场强度随频率变化的规律，结果如表1所示。

表1中，E1Max和E2Max分别为双极全压和双极降压70%运行时辐射电磁干扰的最大值；E3Max为整流侧交流母线三相接地故障时辐射电磁干扰的最大值；E4Max和E5Max分别为单极全压和单极降压70%运行时辐射电磁干扰的最大值。

由表1可以看出：各种运行情况下，随着频率的增加，辐射电磁干扰的最大干扰强度值减小；其中双极降压70%时辐射电磁干扰最大值在各个频率均最大。

表1 不同运行状况下辐射电磁干扰最大值Tab.1 Themaximum value of EMIunder different operation conditions

双极降压70%时辐射电磁干扰水平最大，整流侧交流母线三相短路故障时的干扰水平次之，如图4所示；单极降压70%运行状况下的辐射电磁干扰强度也大于单极全压运行状况下的水平，如图5所示。由图4和图5可见，随频率增大而辐射电磁干扰强度逐渐减小，从100 kHz到200 kHz的变化尤其明显。

多种运行状况下，双极降压70%时的辐射电磁干扰水平最高，100 kHz时电场强度达到665.7 mV／m（56.5 dBm）。根据《电磁环境控制限值》中的要求［16］，频率范围在 0.1 MHz～3 MHz的电磁干扰总限值为40 V／m，可以看到在各频率点上电磁干扰的强度总和超出了该标准要求的限值，需要采取进一步的辐射电磁干扰屏蔽措施。

图4 双极运行频率为100 kHz～500 kHz时电场强度平均值Fig.4 Average value of the electric field strength of bipolar operation at the frequency of 100 kHz～500 kHz

图5 单极运行频率为100 kHz～500 kHz时电场强度平均值Fig.5 Average value of the electric field strength of monopole operation at the frequency of 100 kHz～500 kHz

4 结束语

本文以扎鲁特-青州±800 kV特高压直流实际工程为背景，对多种运行状况下辐射电磁干扰的强度进行预测评估与统计分析，所得主要结论如下：

（1）干扰电流的求解是分析评估辐射电磁干扰的重要前提和基础。本文基于天线耦合模型对仿真所得电流进行修正，获得更为精确的干扰电流，提高了辐射电磁干扰水平计算的准确性；

（2）就同一运行状况而言，频率 100 kHz～500 kHz范围内，辐射电磁干扰强度将随频率的增加而减小，减小程度也逐渐降低，在100 kHz～200 kHz内的变化尤其明显。从不同运行状况分析，双极降压70%运行时，辐射干扰程度最为严重，频率100 kHz时，阀厅边界处的最大电场强度达到665.7mV／m（56.5 dBm）。各运行状况下，各频率点上辐射电磁干扰的强度总和超出了该标准要求的范围，需要采取进一步的辐射电磁干扰屏蔽措施。