智能化GIS设备的发展，使得GIS设备上集成了大量电子设备，如电子式互感器、状态传感器、操作控制器和集中单元等。这些电子设备通过二次电缆与GIS外壳附近汇控柜内的智能组件连接^[1]，电信号在智能组件中转换为光信号，然后由光缆上传至控制室。因此，GIS设备开关操作产生的特快速瞬态电磁过程主要经由“传感器—二次电缆—智能组件”这段电路对电子设备产生电磁影响^[2-3]。

GIS设备开关操作产生的特快速瞬态过电压在GIS内部的中心导杆和外壳内表面之间传播，遇到外壳不连续处，如盆式绝缘子及套管，在GIS壳体上将耦合行波，并在GIS壳体上传播，折反射和叠加，使得GIS上传感器和汇控柜内智能组件的地电位有一个很大的瞬态电位差。这一电位差施加在二次电缆两端，在其屏蔽层上产生瞬态电流，通过屏蔽电缆的转移阻抗在传感器和智能组件上产生电磁骚扰^[4-9]。

目前，国内外对变电站电子设备电磁兼容问题的计算研究集中在500 kV及以下变电站，主要是对汇控柜到控制室段二次电缆的建模仿真^[10-18]，对特高压变电站传感器到智能组件段的电磁兼容问题研究尚未见诸报道。尤其需要注意的是，目前已有的计算研究多是针对单通道传输线，而单通道传输线模型不能很好地描述汇控柜智能组件处包括GIS管道各处传感器汇集而来的二次电缆。为此，笔者首先基于传输线网络理论建立了开关操作产生的地电位升对“传感器—二次电缆—智能组件”回路的耦合计算模型，然后通过验证实验证明了该计算模型的有效性和准确性，最后对不同屏蔽层接地方式下各传感器端口和智能组件各端口及端口间的骚扰电压进行了仿真研究。计算结果显示，各骚扰电压受接地方式的影响较大；通过选择合适的接地方式，可以有效地抑制开关操作电磁骚扰。

1 地电位升对智能组件耦合的传输线网络模型

图 1为特高压“传感器—二次电缆—智能组件”模拟试验平台。试验平台在套管2处接入1 100 kV交流线电压，套管1处不带电，隔离开关DS1断开，操作隔离开关DS2进行分合闸操作。分别在隔离开关旁A点、分支母线末端B点和电源侧套管下C点设立模拟传感器，在套管2旁设立模拟汇控柜。试验选用KVVP四芯电缆，电缆穿包塑金属软管按电缆沟方向布置，电缆两端分别在模拟传感器和模拟汇控柜内。针对开关操作通过地电位升对智能组件端口产生电磁骚扰问题，对特高压“传感器—二次电缆—智能组件”试验平台进行了建模仿真。

一般将这种若干传输线相互连接构成的结构称作传输线网络。可以将该试验回路等效为图 2中的3条“7+1”传输线构成的传输线网络模型(电缆屏蔽层在汇控柜单点接地)。传输线p、q、r分别为试验回路中的Aa、Bb、Cc段，其中的1~6分别对应KVVP电缆的4根芯线、屏蔽层和铠装，传输线7为包塑金属软管及两端的传感器、汇控柜箱体，这里忽略箱体对传输线的影响。它们与大地组成“7+1”传输线。电缆屏蔽层统一在汇控柜单点接地。将地电位升对该传输线模型的耦合等效为传感器对地加入试验中A、B、C各点所测的TEV，其中U_a的时域波形如图 3所示，各点TEV的最大峰值如表 1所示；并假设汇控柜处无地电位升。KVVP电缆的单位长参数由试验测量获得；各传感器处的接地阻抗由矩量法提取；汇控柜处的接地阻抗设为0.1 Ω。

2 电缆和接地支柱宽频参数的测量和提取

“传感器—二次电缆—智能组件”试验回路使用的二次电缆型号为KVVP_2-22，该电缆是变电站中常用的一种双屏蔽二次电缆。基于文献^[19]中介绍的测量方法，利用阻抗分析仪测量屏蔽电缆终端短路和开路两种情况下各导体之间的输入阻抗，进而可以得到屏蔽电缆的单位长串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵。测试现场如图 4所示。该测量方法获得的单位长阻抗参数幅频特性如图 5所示。

通过矩量法可提取各传感器处接地支柱的阻抗频响特性。首先,根据实际的物理结构，建立接地支柱的物理模型；然后，在每个频点下向模型中注入正弦电流，计算出模型的电压差；最后，电压除以电流得到该频点下的阻抗。计算多个频点，获得频率范围内的阻抗频响特性。图 6为传感器C处的接地支柱及其物理模型。图 7为计算获得的Z_c频率特性曲线。

3 验证实验

验证实验回路如图 8所示，使用铝管模拟理想大地，信号源采用泰克公司型号为AFG3101的信号发生器。该信号发生器输出波形如图 9所示。验证实验测量了4种接地方式下始末两端红色芯线对铝管的电压：1)始末两端屏蔽层浮地，负载开路；2)电缆屏蔽层在末端单端接地，两端负载开路；3)电缆屏蔽层在始端单端接地，两端负载开路；4)始末两端屏蔽层接地，负载开路。相应地，用所提出的计算模型计算了4种接地方式下的红色芯线对地电压。

图 10为接地方式1下末端红色芯线对铝管的实测电压与仿真电压的时域波形。可以看到，实测电压与仿真电压波形的幅值和整体趋势较为一致。

对4种接地方式下实测电压和仿真电压的最大峰值进行统计，结果如图 11所示。可以看到，除接地方式1下的始端外，其余7种情况实测和仿真的最大峰值都极为接近，仿真值相对实测值偏小。这里导致误差的可能原因有：验证实验所用的KVVP电缆为了方便接线，较0.5 m的铝管稍长；对实验回路施加激励电压的夹具会对测量带来一定影响。

通过验证实验和计算仿真的对比，可以认为计算模型是有效和准确的。接下来对 “传感器—二次电缆—智能组件”模拟试验平台进行了计算研究和分析。

4 仿真计算结果

在传感器和智能组件两端负载开路，电缆屏蔽层1)双端浮地、2)汇控柜处单端接地、3)传感器处单端接地、以及4)双端接地的条件下对两端端口骚扰电压进行了仿真计算。图 12为接地方式2下仿真得到的传输线p传感器和汇控柜两端电缆单芯线骚扰电压时域波形。可以看到，传感器端骚扰电压最大峰值约为4 300 V，智能组件端骚扰电压约为2 200 V。图 13为仿真电压波形的频谱图，传感器端电压主频包括5.86，10.76，23.71 MHz，智能组件端电压主频包括5.86，10.76，23.71 MHz。

根据式(1)，这里设定红色芯线(即图 2中的传输线1)对地为u₁，黄色芯线(即图 2中的传输线2)对地为u₂，计算4种接地方式下端口的共模差模骚扰电压，得到的骚扰电压最大峰值如表 2所示。

${{u}_{c}}=\frac{{{u}_{1}}+{{u}_{2}}}{2},$

(1a)

${{u}_{d}}=\frac{{{u}_{1}}-{{u}_{2}}}{2}。$

(1b)

从表 2中可以看到，1)骚扰电压受接地方式的影响较大，在接地方式1下，传感器B处及汇控柜q端共模骚扰电压有7 000 V以上；接地方式2下，对端口骚扰电压有一定的抑制效果，在接地方式3及方式4下，传感器和智能组件端口两种骚扰电压的抑制较为明显，通过选择合适的接地方式，可以有效地抑制两种骚扰电压。2)引起差模骚扰电压的原因是电缆芯线绕制时的不对称所导致的不平衡参数，严重时两端口差模骚扰电压也有2 200 V左右，但一般较共模骚扰电压小。3)各传感器处的端口骚扰电压相比较，接地方式1中传感器B处的共模骚扰电压较A、C大，最大峰值达7 236 V；接地方式2、3、4下，传感器A、B、C三处的端口骚扰电压较为接近。4)智能组件处的各端口骚扰电压相比较，接地方式1、2、4下智能组件r端的骚扰电压较p、q端小，接地方式3下智能组件p、q、r三个端口的骚扰电压相差不大。

汇控柜智能组件包括GIS管道各处传感器汇集而来的二次电缆，其端口间的骚扰电压也是电磁兼容研究中值得关注的一点。重点统计了各端口芯线间骚扰电压u_wire、屏蔽层间骚扰电压u_shield以及芯线对屏蔽层骚扰电压u_wire-shield。由式(2)得到的骚扰电压最大峰值如表 3所示，式中的p、q为智能组件对应端口，1,2,…,5为对应传输线。

${{u}^{pq}}_{wire}=\frac{{{u}_{p1}}+{{u}_{p2}}+{{u}_{p3}}+{{u}_{p4}}}{4}-\frac{{{u}_{q1}}+{{u}_{q2}}+{{u}_{q3}}+{{u}_{q4}}}{4},$

(2a)

${{u}^{pq}}_{wire-shield}=\frac{{{u}_{p1}}+{{u}_{p2}}+{{u}_{p3}}+{{u}_{p4}}}{4}-{{u}_{q5}},$

(2b)

${{u}^{pq}}_{shield}={{u}_{p5}}-{{u}_{q5}}。$

(2c)

从表 3中可以看到，1)端口间骚扰电压受接地方式的影响较大，接地方式1、3下端口间各骚扰电压明显大于接地方式2、4。其中，接地方式1下端口间各骚扰电压幅值最大，qr间各骚扰电压超过9 000 V；接地方式4下端口间各骚扰电压幅值最小，基本不超过500 V。2)因为汇控柜端屏蔽层接地后u_p5=u_q5=u_r5，可以观察到接地方式2、4下屏蔽层间骚扰电压u_shield为0；且有u_wire-shield^pq=u_wire-shield^pr，u_wire-shield^qp=u_wire-shield^qr，u_wire-shield^rp=u_wire-shield^rq。

结合表 2、表 3来看，1)接地方式1下智能组件处的端口和端口间骚扰电压幅值最大，接地方式4下智能组件处的端口和端口间骚扰电压最小。2)接地方式3下的传感器和智能组件端口骚扰电压虽然较方式1、2小，但端口间骚扰电压较大。选择这种接地方式需对智能组件端口间的骚扰电压做一定抑制措施。

5 结 论

首先基于传输线网络理论建立了开关操作产生的地电位升对“传感器—二次电缆—智能组件”回路的耦合计算模型，然后通过验证实验证明了计算模型的有效性和准确性，最后对不同屏蔽层接地方式下的各传感器端口和智能组件各端口及端口间的骚扰电压进行了仿真研究。主要结论如下。

1) 从传输线网络理论出发，将“传感器—二次电缆—智能组件”试验回路等效为三段“7+1”传输线构成的传输线网络，分别通过测量和矩量法提取KVVP电缆及接地支柱参数，建立了地电位升对“传感器—二次电缆—智能组件”回路的耦合计算模型。

2) 在实验室搭建了验证试验回路，通过比对验证实验测量结果和计算结果，验证了计算模型的有效性。

3) 对不同屏蔽层接地方式下的各传感器端口和智能组件各端口及端口间的骚扰电压进行了仿真计算。计算结果显示，各骚扰电压受接地方式的影响较大：屏蔽层双端浮地条件下各骚扰电压幅值最大，双端接地各骚扰电压幅值最小，汇控柜单端接地和传感器单端接地介于两者之间。其中，传感器单端接地下的传感器和智能组件端口骚扰电压虽然较汇控柜单端接地小，但智能组件端口间骚扰电压较大。选择这种接地方式需对智能组件端口间的骚扰电压做一定抑制措施。