用于计算变电站二次电缆两端暂态干扰信号的计算方法与流程

本发明涉及电缆暂态干扰计算与评估，可以用于变电站经直击雷或者雷电入侵波等暂态干扰后，二次电缆上出现的干扰信号。

背景技术：

由于变电站二次系统遭受电磁骚扰问题突出，国内外电力工作者开展大量研究。其中美国电力科学研究院自1978年开展的以变电站电磁瞬态为课题的专项研究工作，积累了大量数据与经验。其研究表明，变电站的开关操作、系统短路故障和雷击可能导致强度较大的高频电磁干扰。

二次电缆作为变电站内通信和控制信号的主要承载者，往往肩负着将弱电设备的控制信号传输到强电设备，或是将强电设备上采集到的数据信号发送给弱电设备的任务。可以说，二次电缆的正常工作，保证了站内重要信号的稳定传输，保障着变电站的安全稳定运行。

变电站内的通信电缆除了芯线之外，往往还有屏蔽层和铠装层，它们起着屏蔽干扰信号和支撑保护芯线等作用，而为了保证二次电缆的可靠工作，屏蔽层和铠装层需要在一端或者两端进行接地处理。屏蔽层和铠装层接地方式的不同，将影响到故障及雷击下二次电缆的稳定工作。变电站内二次电缆设置的简单示意图如图2所示。

二次电缆芯线为双绞线，两条芯线之间的电位差即为传输的信号，屏蔽层和铠装层在两端接地(并不一定双端都要接地)，zs为信号输出设备的输出阻抗，zl为信号接收设备的输入阻抗，设备外壳通过接地线接地，为了达到抑制电磁干扰等的目的，一般会将二次设备上的“地”与设备外壳相连。

当站内发生短路故障或雷击时，骚扰信号通过电容和电感耦合等途径在芯线中产生干扰信号，由于成对的芯线一般采用双绞线，故芯线间的差模骚扰信号会比较小，而主要是共模骚扰信号。所以，威胁站内安全的电位差主要体现为芯线与屏蔽层之间的电位差和芯线在端部与设备的“地”之间的电位差，前者过高将击穿电缆，后者过高则会击穿设备。另外，当屏蔽层或者铠装层双端接地时，屏蔽层或铠装层中将有骚扰电流流过，电流过大时可能烧毁电缆。

接地网与二次电缆之间主要通过电缆两端的接地点相连，雷电流则通过地网上的某个接地点注入，如图3所示。

整个系统可以分为三个部分，分别为雷电电流源、有三个外接端口的接地网以及二次电缆，其中，三个外接端口分别为雷电流注入端口、二次电缆两端接口。当雷电流注入地网时，会在电缆两端接地点产生电位差，此时，如果电缆的屏蔽层或是铠装层同时双端接地，便会形成回路，产生电流。此电流通过电缆各层之间的耦合，会在电缆芯芯、芯皮、芯地之间形成电压。

目前的二次电缆暂态干扰仿真计算仍存在一定的不足：一部分没有考虑地网的耦合，直接将干扰信号添加到二次电缆模型上；一部分考虑了地网耦合但是并没有考虑地网的暂态阻抗；另一些虽然利用传输线理论将变电站整体建模，但是输入信号为注入地网的暂态电流，输入信号为二次电缆的干扰信号，虽然建模完整，但是由于计算模型过于复杂计算，计算时间较长，而且误差较大。

本发明考虑了二次系统和一次地网之间的接地连接，适量匹配法本身考虑了地网的高频暂态阻抗，整体模型简单，输入信号为电缆两端接地点的地电位时域波形，输出为干扰信号的时域波形，计算速度快。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种用于计算连接变电站内设备的二次电缆两端暂态干扰信号的计算方法。具体设计方案为：

一种用于计算连接变电站内设备的二次电缆两端暂态干扰信号的计算方法，计算步骤为：

步骤一、记录二次电缆两端接地点a、b两处的地电位升的时域波形ua和ub；

步骤二、对ua和ub波形进行fft变换，找出主要频点f1，f2，…,fn；

步骤三、计算地网a点注入幅值为iafk，频率为fk，(k＝1,2，…，n)时，地网在a点的地电位升，记为uafk，(k＝1,2，…，n)；

步骤四、计算地网a点与无限远处接地点在频率fk时的等效阻抗zafk，(k＝1,2，…，n)；

步骤五、通过zafk采用矢量匹配法找出a点与无限远处接地点的等效阻抗频率响应fa(s)，进而得到a点与无限远处接地点的等效阻抗za；

步骤六、同理得出zb；

步骤七、建立二次电缆的同轴π型等值电路，在a、b两端分别接入等效阻抗za和a地电位升波形ua以及等效阻抗zb以及地电位升波形ub；

步骤八、求解电路计算电缆两端芯线与接地点之间的干扰信号。

所述步骤四中，等效阻抗zafk，(k＝1,2，…，n)的求取公式为：

所述步骤五中，所述矢量匹配法的步骤为：

步骤五-1对n个数据组(fk,zafk)在[0.001，max(fk)]区间进行线性插值，其中max(fk)为fk中的最大值，(k＝1,2，…，n)，得到一组新的待求适量匹配的数据组(fcalm,zcalafm)(m＝1,2，…，g)，

步骤五-2，通过适量匹配得到的频率响应为：

步骤五-3，通过下列公式计算rch,cch,rl,ll,(h＝1,2，…，n)

rl＝d，ll＝e，

所述步骤七中，整体电路接地点为无穷远零电位点，与步骤四、步骤五中的无限远处接地点相同。

通过本发明的上述技术方案得到的计算连接变电站内设备的二次电缆两端暂态干扰信号的计算方法，其有益效果是：

通过本计算方法可精确计算二次电缆在受到外部暂态干扰时电缆内部的干扰时域信号，采用传输线理论的计算方法，速度较快。

附图说明

图1是经矢量匹配算法后得到的等效网络图；

图2是变电站内二次电缆连接设置示意图；

图3是地网与二次电缆连接示意图；

图4是实施例的算例中地网的建模图；

图5是实施例的算例中使用的电缆参数图；

图6是电缆两端的地电位升的时域波形；

图7是实施例1中的电路仿真图；

图8是实施例1中的结果对比图；

图9是实施例2中的结果对比图；

图10是实施例3中的质量匹配参数结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

一种用于计算连接变电站内设备的二次电缆两端暂态干扰信号的计算方法，计算步骤为：

步骤一、记录二次电缆两端接地点a、b两处的地电位升的时域波形ua和ub；

步骤二、对ua和ub波形进行fft变换，找出主要频点f1，f2，…,fn；

步骤三、计算地网a点注入幅值为iafk，频率为fk，(k＝1,2，…，n)时，地网在a点的地电位升，记为uafk，(k＝1,2，…，n)；

步骤四、计算地网a点与无限远处接地点在频率fk时的等效阻抗zafk，(k＝1,2，…，n)；

步骤五、通过zafk采用矢量匹配法找出a点与无限远处接地点的等效阻抗频率响应fa(s)，进而得到a点与无限远处接地点的等效阻抗za；

步骤六、同理得出zb；

步骤七、建立二次电缆的同轴π型等值电路，在a、b两端分别接入等效阻抗za和a地电位升波形ua以及等效阻抗zb以及地电位升波形ub；

步骤八、求解电路计算电缆两端芯线与接地点之间的干扰信号。

所述步骤四中，等效阻抗zafk，(k＝1,2，…，n)的求取公式为：

所述步骤五中，所述矢量匹配法的步骤为：

步骤五-1对n个数据组(fk,zafk)在[0.001，max(fk)]区间进行线性插值，其中max(fk)为fk中的最大值，(k＝1,2，…，n)，得到一组新的待求适量匹配的数据组(fcalm,zcalafm)(m＝1,2，…，g)，

步骤五-2，通过适量匹配得到的频率响应为：

步骤五-3，通过下列公式计算rch,cch,rl,ll,(h＝1,2，…，n)

rl＝d，ll＝e，

所述步骤七中，整体电路接地点为无穷远零电位点，与步骤四、步骤五中的无限远处接地点相同。

通过本发明的上述技术方案得到的计算连接变电站内设备的二次电缆两端暂态干扰信号的计算方法，其有益效果是：

通过本计算方法可精确计算二次电缆在受到外部暂态干扰时电缆内部的干扰时域信号，采用传输线理论的计算方法，速度较快。

针对110kv变电站地网进行建模，如图4，接地网试验场尺寸为70.5m×52.5m，图中右侧黑色部分为主控室地网，其其余部分为50m×52.5m的网格，所有尺寸大小都已在图中标出。a点为a区电缆沟端点位置，b点为b区电缆沟端点位置，即a、b两点为电缆两端的接地点。a1和b1点为雷电流注入点。电缆参参数见图5。

实施例1

步骤一、当地网中心(b1点)注入峰值为2.88ka的8/20us暂态雷电流时，记录二次电缆两端接地点a、b两处的地电位升的时域波形ua和ub，见图6

步骤二、对ua和ub波形进行fft变换，找出主要频点f1，f2，…,f23；

步骤三、计算地网a点注入幅值为iafk，频率为fk，(k＝1,2，…，23)时，地网在a点的地电位升，记为uafk，(k＝1,2，…，23)；

步骤四、计算地网a点与无限远处接地点在频率fk时的等效阻抗zafk，(k＝1,2，…，23)；

步骤五、通过zafk采用矢量匹配法找出a点与无限远处接地点的等效阻抗频率响应fa(s)，进而得到a点与无限远处接地点的等效阻抗za；

步骤六、同理得出zb；

步骤七、建立二次电缆的同轴π型等值电路，其中1#电缆接地方式为屏蔽层单端接地、铠装层双端接地，2#电缆接地方式为屏蔽层双端接地、铠装层单端接地，在a、b两端分别接入等效阻抗za和a地电位升波形ua以及等效阻抗zb以及地电位升波形ub,电路图见图7。

步骤八、求解电路计算电缆两端芯线与接地点之间的干扰信号。图8为计算值与实测值的对比图。

实施例2

改变注入电流峰值，分别为1.24ka、2.08ka，2.88ka。记录a点电压ua1-ua3，b点电压ub1-ub3；

只建立一条二次电缆的同轴π型等值电路，接地方式为屏蔽层单端接地、铠装层双端接地，在a、b两端分别接入等效阻抗za和a地电位升波形ua以及等效阻抗zb以及地电位升波形ub,

计算得出电缆两端芯线与接地点之间的干扰信号，见图9。图中实线为实测值，虚线为计算值。

实施例3

步骤五-1对23个数据组(fk,zafk)在[0.001，max(fk)]区间进行线性插值，其中max(fk)为fk中的最大值170666.7hz，(k＝1,2，…，23)，得到一组新的待求适量匹配的数据组(fcalm,zcalafm)(m＝1,2，…，340)，

步骤五-2，通过适量匹配得到的频率响应为：

步骤五-3，通过下列公式计算rch,cch,rl,ll,(h＝1,2，…，n)，具体参数见图10。

rl＝d，ll＝e，