220 kV变电站的智能汇控小室优化安装方案

李春兰，李明治，张亚飞，王 洁，王海杨

(1.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830000；2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830000)

智能汇控小室是变电站中安装合并单元、智能终端、在线监测采集、通信设备的智能组件柜[1-2]，其安装位置位于变电站开关场。当智能采集装置安装在室内时，由于室内具有正常的温湿度、电磁环境和充足的扩展空间，可以保证这些智能设备的安全可靠运行和较长的使用寿命，但随着智能汇控小室的现场化安置，户外极端的天气环境及智能变电站复杂的电磁环境等问题都远高于二次设备室，使得智能汇控小室中自动化原件插件损坏频率和老化速率加快，并产生了装置拒动误动、端子锈蚀、回路接线多杂等一系列影响电网一线作业安全的问题[3]。据调研结果可知，新疆地区智能汇控小室故障率达到9.8%，因此智能汇控小室的电磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)问题亟待解决。

自电子设备问世以来，电磁干扰与电磁兼容的问题就受到中外学者广泛关注。电磁干扰对电子设备的耦合方式分为线路传导式、辐射耦合式。传导式干扰的应对方式现已研究成熟，辐射式耦合干扰会使电子设备产生感应电压，从而产生放电现象，轻则对通信传输产生影响，重则损坏设备[4]。电磁干扰是一种电磁场的表现形式，电磁场空间场强是输配电系统的重要电气参数之一，其预测与模拟一直是研究的难点，李乃一等[5]对某输电示范工程变电站进行了有限元工频电场模拟计算，研究结果表明，大部分地区对地1.5 m处的电场场强由母线高度决定，设备结构仅对自身附近区域的电场强度影响较大，仿真试验的误差较小，但该学者的研究只针对1.5 m高度进行了电磁场分析，工程实际的应用有待进一步探索。贵州电网[6]对110 kV及以上变电站的电磁环境进行了监测与评价，研究结果表明，500 kV和220 kV变电站部分设备区域的工频电场强度超过了标准要求。金立军等[7]基于粒子群算法对220 kV变电站工频电场进行了优化，研究表明，使用粒子群算法对设备排布重新优化，可以在不增加建设成本的前提下提前降低目前变电站工频电场的暴露水平，但使用该方法会使整个变电站结构发生变化，对于已建成的变电站电磁环境优化参考意义不大。张晓莉等[8]对变电站智能汇控小室内的电子装置抗扰度进行了特性试验及故障分析，研究结果表明，辐射干扰是机箱内干扰传播的重要途径，电子设备所处电磁环境示值越小越好，但其EMC效果并没有进行仿真/试验验证。徐峥[9]对输电线路电磁环境的敏感点的工频电磁场进行了研究，研究结果表明减少磁场暴露的一般方法为通过装设屏蔽装置屏蔽电力设备的电磁辐射，而降低辐射的方式可分为增加距离、优化导线布局、采用地下布线等方法，但其优化方案并未在实际环境中验证。康志东等[10]对陕西省某4个城市的超高压变电站工频电场强度进行了试验分析，研究结果表明，根据《工作场所物理因素测量 噪声》(GBZ/T 189.8—2007)的要求，所测变电站33.49%的作业点电磁场强度均超过国家要求，超标严重，需要采取相应的防控措施。

针对上述提出的问题，现对新疆某地区220 kV敞开式开关设备(air insulated switchgear,AIS)变电站的电磁场进行实测，获得该变电站部分节点的工频电磁场水平，针对单一使用数值计算方法的缺陷，将3D建模与有限元电磁仿真结合起来计算变电站内工频电磁场，提出提高智能汇控小室的抗电磁干扰能力的位置优化方案。

1 现场试验

1.1 试验方案设计

试验对象为新疆某220 kV变电站，电压等级分别为220/110/35 kV，220/110 kV侧均采取露天AIS配电，均为双母线接线方式。2、3号主变正常运行，户外布置，并预留一台机位。测点主要分布在智能汇控小室附近和巡视走廊附近，并在汇控小室上、中、下分段测量电磁场参数。该变电站试验点区域主要分布在220 kV开关设备区的4条测量路线上(图1中的1、2、3、4)，共计128个试验点，110 kV开关设备区同样采用4条测量路线(图1中的5、6、7、8)，共计100个试验点。其中汇控小室的安装路径为图1中3、6测量路径，在3号路径每隔3～5 m取一个测点，共计32个测点，在6号路径每隔5 m取一个测点，共计25个测点。变电站工作大楼前及变电站正门各一条测量路线，测量路线具体分布如图1所示。

图1 测量路径图Fig.1 Measuring path map

基于变电站安全操作需要，测量高度限制在2.5 m以下，并且为了防止人员引起电磁场畸变，测量过程中，测量人员需要与设备保持1 m以上工作距离。

变电站可听噪声的测点分布在变电站东南西北4个厂界10 m处。为了避免试验结果的偶然性，以上测量结果均为3次测量结果的平均值，且剔除异常值。

1.2 交流变电站的厂界噪声

研究对象为220 kV交流变电站，局部放电和电晕现象可以忽略，只考虑设备噪声。

实测的交流变电站(开关站)的厂界噪声值如表1所示，电科院提供的新疆地区变电站厂界噪声数据如表2所示。

表1 新疆某220 kV变电站厂界噪声Table 1 Plant boundary noise of a 220 kV substation in Xinjiang

表2 新疆各变电站厂界噪声Table 2 Factory boundary noise of substations in Xinjiang

按照环保要求《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB12348—2008)Ⅱ类和Ⅲ类规定：昼60～65 dB，夜50～55 dB，该试验涉及的变电站均满足国家环保要求。

1.3 工频电磁场分布规律

1.3.1 工频电场分布规律

变电站220/110 kV开关设备区电场监测数据统计结果如图2所示。

图2 变电站开关场工频电场分布统计图Fig.2 Statistical diagram of power frequency electric field distribution of substation switching field

由图2可知，220 kV侧工频电场强度(E)平均值在5.4 kV/m，且在4～8 kV/m均匀分布；实测最大值位于进出线处，干扰较大区域为母线密集区域和变压器区域。110 kV工频电场强度基本在4 kV/m内，最大测量值出现位置与220 kV区域相同。高压侧试验区域的工频电场强度明显高于低压侧，完全符合电场受电压影响大的规律。

站外不同高度工频电场衰减曲线如图3所示。分析可知工频电场在变电站围墙外衰减较快。

图3 220 kV变电站场外电场强度衰减曲线Fig.3 Extra-field electric field intensity attenuation curve of 220 kV substation

1.3.2 工频磁场分布规律

变电站工频磁场的干扰主要来源于母线和进出线上的电流。变电站开关设备场工频磁场试验数据统计结果如图4所示。目前，考虑到站内人员的安全健康，要求变电站内的磁感应强度均要小于100 μT。

图4 变电站开关场工频磁场分布统计图Fig.4 Statistical diagram of power frequency magnetic field distribution in substation switching field

分析图4可知，因磁场强度(H)主要受电流影响，110 kV侧磁场强度水平高于220 kV设备区。

分析上述现场实测数据可知：变电站的电磁环境较为恶劣，绝大部分区域的电磁场水平均满足国家要求，但是在开关场区域，由于设备距地较近和母线进线密集，造成该区域工频磁场以及电场参数在某些时刻不满足《电磁兼容 通用标准 发电厂和变电站环境中的抗扰度》(GB/Z 17799.6—2017)对变电站抗扰度的要求，智能汇控小室位于该区域，针对这种情况，需要更换安装位置来保证其安全稳定工作。

2 仿真试验

2.1 220 kV变电站电磁环境建模

通过建立220 kV变电站电磁模型，从而实现智能汇控小室安装位置优化方案。

开关场模型如图5所示，设备模型沿XY平面展开，变电站中心点为(0，0，0)，Y轴负方向为开关场的进线方向，模型中进出线尺寸间隔均按照母线间隔3.5 m、进出线间隔2 m、最低点4.5 m、最高点6 m、1∶1绘制而成，其中大地厚度取5 m。220 kV侧为电源侧，母线额定电压252 kV，共10回进线，两组备用4组预留。110 kV侧为负荷侧，母线额定电压126 kV，共18回电缆出线。

模型中导体布置完全按照实际母线、进出线布置情况进行建立，由空气、地面、不锈钢龙门架、进出的钢芯铝绞线以及虚拟无限边界组成，使用气球边界对前面的实体进行剖分，实现模型的离散化。模型由内到外分别是母线进出线、空气以及无限边界。首先，根据Solidworks进行建模，然后根据Maxwell 3D分析步骤创建物理环境，并进行网格划分，实现实体的离散化，220 kV变电站仿真模型如图6所示。

图5 试验220 kV变电站模型Fig.5 Model test of 220 kV substation

图6 220 kV变电站仿真模型Fig.6 Simulation model of 220 kV substation

为了简化模型，在该建模仿真分析中，只考虑220/110 kV开关场母线以及进出线的稳态电磁场分布情况，验证稳态仿真结果中不考虑开关操作的瞬态影响。

2.2 开关场工频电场仿真及分析

与现场试验相同，首先在XY平面上选取与3、6测量路径相同位置的两条直线，220 kV侧安装路径直线坐标为(80,46,8)m至(-80，46，8)m，110 kV侧安装路径直线坐标为(47，58，8)m至(-80.1，58，8)m，选取观测点进行仿真数据与试验数据的误差比较。220/110 kV侧母线电压取试验当日13点该变电站工作机监测值236.41 kV和118.43 kV。试验数据与仿真数据对比部分结果如表3所示，相对误差的定义为

(1)

表3 220 kV变电站工频电场部分数据对比Table 3 Data contrast of power frequency electric field in 220 kV substation

由表3分析可知：57个测点的最大误差为7.26%，误差超过7%点的个数为3个，对于开关场的电场仿真结果基本准确。

变电站电场强度云图如图7所示。

图7 220 kV变电站工频电场仿真Fig.7 Simulation of power frequency electric field in 220 kV substation

分析图7可知,现场试验结果与Maxwell 3D软件仿真结果得到的电场分布规律基本一致；工频电场随着水平距离和距地高度的减小而显著减小。

2.3 开关场工频磁场仿真及分析

由于Maxwell 3D磁场仿真模型施加电流激励时，需要将电流激励面与求解边界面重合，因此需对220 kV变电站模型进行优化。优化时将220 kV变电站分为两部分，220/110 kV侧开关场，从而使截断后两侧开关场的进出线横截面与边界接触，由于除母线、进出线外，电力一次、二次设备对整体环境影响不大[11]，故稳态磁场模型对其进行了省略。优化后的模型分别如图8(a)和图8(b)所示。工频磁场的测点分布与工频电场相同，而进出线母线电流数据来自试验当日13：00该变电站工作机监测值，监测机截图如图9所示，将仿真结果与试验数据对比分析，结果如表4所示。

分析表4可知，14个测点的最大误差为6.71%，误差超过7%点的个数为4个，对于开关场的磁场仿真结果基本准确。

220/110 kV侧开关场工频磁场强度如图10所示。分析图10可知，110 kV侧的工频磁场强度大于220 kV侧，磁场强度与通电导线的电流大小成正比；工频磁场随着水平距离及距地高度的减小而显著减小，并且减小的趋势较工频电场更明显。

试验数据与仿真数据比对结果验证了该仿真模型的准确性，基于该模型进行智能汇控小室安装路径优化。

图8 220/110 kV侧变电站工频磁场仿真模型Fig.8 Power frequency magnetic field simulation model of 220/110 kV side substation

3 优化措施

3.1 仿真优化试验

根据仿真结果对220 kV变电站220/110 kV开关场智能汇控小室安装路径进行电磁场计算。规定智能汇控小室的位置优化方向分别为：垂直母线方向Y、平行进出线方向X以及安装高度方向Z。

保证高度3 m和进出线水平距离1 m不变，对比采用不同水平距离，计算结果如表5所示。

由表5可知，智能汇控小室受到的电磁干扰随着Y方向距离的减小而增大，采用Y方向距离2、4、4.5、5、5.5、6、7、8、9、10 m的安装方案进行有限元仿真试验，发现其电磁场水平在2 m处达到最高值759V/m、14.765A/m，随着Y距离的增大，220 kV侧安装位置电场磁场水平分别降低了37.50%和92.29%。110 kV侧安装位置电场磁场水平分别降低了32.35%和88.97%

同样，在X方向距离1 m和Y方向距离1 m的条件下，对比安装位置1、1.5、2、2.5、3 m，计算不同安装高度的电磁场，计算结果如表6所示。

由表6可知，在充分接地的情况下，Z方向距离越低，受到的电磁干扰影响越小。Z方向距离由3 m减小到1 m时，220 kV侧安装位置所受电场、磁场水平分别降低了2.98%和44.30%，110 kV侧安装位置所受电场、磁场水平分别降低了5.40%和44.74%。

图9 试验变电站工作机数据图Fig.9 Data diagram of working machine in test substation

表4 220 kV变电站工频磁场部分数据对比Table 4 Data contrast of power frequency magnetic field in 220 kV substation

图10 220/110 kV侧开关场工频磁场仿真云图Fig.10 Power frequency magnetic field simulation cloud of 220/110 kV side switching field

由于220 kV变电站智能汇控小室与每组进出线开关柜配套，所以，在考虑Y、Z方向的同时，也要将汇控小室尽量避开进出线的正下方，X方向的电磁场衰减水平如表7所示。

考虑到220 kV侧开关场进线数量较少且导体电流量较小，该处智能汇控小室的主要电磁干扰为电场干扰和断路器的瞬态电磁干扰。通过对比仿真结果，汇控小室的安装位置需要避开母线密集区，其安装位置可以确定在母线旁巡视通道近进线处(水平间距5～14 m范围)，而非现在的母线旁1 m、断路器开关柜旁。

表5 X、Z方向不变，Y方向安装路径电磁场数据Table 5 Electromagnetic field data of Y-direction installation path while X，Z invariant

表6 X、Y方向不变，Z方向安装路径电磁场数据Table 6 Electromagnetic field data of Z-direction installation path while X，Y invariant

表7 Y、Z方向不变，X方向安装路径电磁场数据Table 7 Electromagnetic field data of X-direction installation path while Y、Z invariant

110 kV侧开关场智能汇控小室的安装位置的确定方法与220 kV侧相同。区别于220 kV侧，110 kV侧的导线电流明显大于220 kV侧，所以该处智能汇控小室的主要电磁干扰为磁场干扰和开关操作造成的瞬态电磁干扰，由于110 kV侧出线密集，远母线端为出线密集区且开关设备较220 kV侧大大增多，所以针对110 kV侧的汇控小室安装位置寻优，在无法避开出线密集区的情况下，对比仿真结果后将在巡视通道远母线端处前后考虑(水平间距2～7 m范围)。

综合考虑经济、合理和施工方便，220 kV侧在XYZ(2，10，2)m处得到了电磁干扰的最优值184.359 V/m、0.9 A/m，而110 kV侧在XYZ(1.5，6，2)m处得到了最优值364.422 V/m、3.434 A/m，较之前安装位置的平均干扰水平分别降低了79.76%(220 kV侧)和15.78%(110 kV侧)。220 kV和110 kV侧安装位置优化路径前后电场、磁场水平对比如图11、图12所示。

图11 220 kV侧开关场安装路径前后电磁场对比仿真结果Fig.11 Comparison simulation results of electromagnetic field before and after installation path of 220 kV side switching field

分析图11、图12可得如下结论。

(1)220 kV侧优化后的安装路径峰值和幅值都有所改善，电场强度在峰值处的优化效果达到了67.57%。工频磁场的整体优化效果要优于工频电场的效果，在峰值处的优化效果达到76.92%。

(2)110 kV侧优化后的电场变化幅度较小，优化后的平均电场水平达到了13.53%，且优化前后曲线的数据异常点的分布一致，剔除数据异常点后，优化后的安装路径电磁干扰波动范围较小，整体磁场水平降低了18.04%。

图12 110 kV侧开关场安装路径前后电磁场对比仿真结果Fig.12 Comparison simulation results of electromagnetic field before and after installation path of 110 kV side switching field

3.2 现场试验验证

为了验证仿真结果的准确性，课题组对智能汇控小室优化前后的安装路径的电磁场水平进行了试验验证。

验证试验于2020年6月25日新疆地区某220 kV变电站开关场进行，验证试验照片如图13所示。智能汇控小室优化前后实测试验对比数据如表8所示，测量仪器精度为1 V/m、0.01 A/m。

由表8分析可知，优化后220 kV侧平均电场强度为499.5 V/m，磁场强度为3.86 A/m，110 kV侧平均电场强度为513.6 V/m，磁场强度为16.35 A/m，均达到了国家标准。220 kV侧峰值处电磁场水平优化了64.7%、67.2%，平均误差约为6.3%；110 kV侧峰值处电磁场水平优化了6.7%、27.1%，平均误差约为7.9%。

图13 验证试验照片Fig.13 Verification experiment photo

由于仿真模型进行了部分优化调整，省去了部分设备，导致实测的优化结果要低于仿真的优化结果，仿真、实测优化结果误差在10%以内，验证了智能汇控小室的安装路径仿真单因素试验优化优化方案的可行性。可以用作该变电站的智能汇控小室安装路径的EMC优化方案。同时，对于新疆境内建造标准相同的220 kV变电站，均可起到一定的指导作用。

4 结论

通过试验与仿真结果的共同比对，汇控小室原有安装位置受电磁干扰严重从而影响其稳定工作，220 kV侧开关场工频电场干扰要高于110 kV侧，110 kV侧主要存在工频磁场干扰，且由于出线多的缘故，远母线端工频磁场环境恶劣，两侧开关场的工频磁场的恶劣程度要高于工频电场，但220 kV侧与110 kV侧工频磁场与工频电场示值高的重合区域不同，使得优化区域不同。规定智能汇控小室的位置优化方向分别为：垂直母线方向(Y)、平行进出线方向(X)以及安装高度(Z)，可得出如下结论。

(1)在Y方向，经试验及仿真结果发现，工频电场和工频磁场的衰减速度要远远大于其他方向，在这个安装范围有进出线开关密集区域和巡视通道的情况下，推荐安装位置220 kV侧母线水平距10 m，110 kV侧母线水平距离6 m。

(2)在Z方向，由于设备本身的限制和充分接地的考量，高度最多由2.5 m降至2 m。

(3)在X方向，工频电磁场略有降低，但并不明显，是由于每组进出线之间的距离4 m过近导致，针对不同开关区域的不同电磁环境特点，220 kV侧平移2 m，110 kV侧平移1.5 m。

表8 智能汇控小室安装路径优化前后对比数据Table 8 Comparison data before and after optimization of installation path of intelligent control chamber