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减少气体绝缘变电站（GIS）磁场干扰的优化设计研究
A S Farag
King Fahd University of Petroleum amp; Minerals, Dhahran,
Saudi Arabia
T C Cheng and L Hu
University of Southern California, Los Angeles,
California, USA
D Penn and J Thompson
Los Angeles, Dept of Water and Power, Los Angeles,
California, USA
近年来，气体绝缘变电站（GIS）获得了极大的关注。相比于传统变电站，GIS的优点之一是紧凑性，这使得它在城市居住区备受欢迎。最近，GIS周围的磁场引起了大量的关注。通过这个问题的研究，来帮助预测和处理这种磁场，可以为GIS的运行和建设提供一个有用的数据分析和设计的工具。本文提出了一个理论方法来评估一座GIS变电站周围的磁场。关于各种变电站配置的不同，我们使用了敏感性分析。为了获得将来仿真的第一手资料和原始数据，我们对变电站里面和周围的磁场进行了大量的测量。并且为了适应GIS变电站环境的特性，我们开发了相应的测量协议。基于测量和理论研究，GIS变电站的磁场实际上是大量存在的。为了优化变电站参数，减小磁场的影响，我们研究了磁场和不同的设计因素之间的关系。基于这些研究，确定了可行的方案，以减少GIS变电站周围的磁场。本文为新的GIS变电站设计提供了指导和参考。
关键词：气体绝缘变电站，优化设计，磁场处理，场测量，场模拟
1.引言
社会公众担心电力系统产生的磁场会危害健康，为此，公共事业部门一直在进行大量的项目来描述和管理变电站周围的磁场，并收集了许多有价值的数据。基于这些测量，人们就变电站周围的磁场管理做出了初步的推论[1-6]。目前对高压铠装变电站的一些测量，还不能够为上述的变电站提供详细的场分布图。然而，介绍这种全新的、之前从来没有测试过的变电站类型并提出一些不同的方法来减弱磁场是值得的[3-5,7-14]。
一些公共事业部门在城市和郊区经营着大型气体绝缘变电站（GIS）。相比传统的变电站，紧凑性是GIS的一大优点，这使得它在城市住宅区备受欢迎，但其周围的磁场引起了广泛关注。由于气体绝缘设备的封闭性和护套电流的屏蔽效应，工频电场和设备周围的电磁开关瞬变被认为是低于常规变电站的。然而，事实上工人是被允许在设备附近工作的，但这一事实以及关于GIS建造在城市的哪个位置，使人们对变电站周围磁场的来源和大小产生了很多疑问。因此，处理好工作地点环境和可能对周围空间产生的工业、商业、教育和娱乐行业的限制的问题，就显得尤为重要。研究这个问题，以试图预测和管理磁场，可以为GIS的运行和建设提供一个有用的分析和设计工具[10-14]。
为了使变电站的设计人员和规划者处理磁场问题，并准备合适的环境影响报表，一套指导和设计工具，包括电脑模型和软件包已经被使用。大量的场源特征、场测量、分析和预测技术的方案被使用在变电站环境中。职业剂量测定，或工人暴露在变电站和其他工作地点的测量，是单独的程序中的健康和安全的控制条件[6-14]。
本文使用了一种理论方法来评估GIS变电站的磁场。结合GIS的环境特性，我们开发了测量协议，同时研究了设计因素，以优化变电站参数并减少磁场。
2.目标和方法
就GIS产生的磁场问题，一些小的工作已经完成了。总的说来，GIS周围的磁场是由其周围的不同电流源产生的，包括GIS本身，传入的导体，传出的导体等，这些来源的设计和配置将会影响GIS周围的磁场等级。与容量相近的传统变电站相比，GIS变电站由于其紧凑性，它的磁场会相对的较低些。然而，必须考虑以下因素：
（1）变电站相对较小的跨度使磁场对各种因素更加敏感，
（2）GIS的金属外壳对磁场有屏蔽作用，这使得GIS的建模更加困难，
（3）并且由于它的独特设计和施工，GIS在磁场管理中的修改程度十分有限。
通过解决或减轻这些问题，GIS周围的磁场可以减弱到一个可接受的水平。研究项目包括以下的基本要素：
（a）提供背景材料，以集中公共事业的需要，并建立一个有关变电站场的公共的、职业的和技术的影响观点，
（b）最先进的设备和程序，以描述GIS环境，包括计算机生成的图像分析和显示，
（c）抽样类型区域调查以建立统计准则，确定类型调查以建立场源、光谱特性和机制，
（d）基于GIS和相关电气设备的计算机建模，以此作为分析和预测的工具，特别注意接地和连接操作，
（e）变电站设计和布局的环境影响声明和指导方针，以减小环境影响。
这种方法是为了给公共事业部门提供一种设计工具，以优化GIS周围的磁场管理。
3.GIS产生磁场的特征
3.1场测量
在描述GIS周围的场特征时，需要进行大量的测量，为未来的仿真提供第一手信息和原始数据。测量协议的开发要与GIS环境特性相结合。采样型地区调查在加利福尼亚大学洛杉矶分校的34.5/4.8kV变电站内进行，这个变电站位于洛杉矶Westwood的住宅/教育/商业区的一个停车楼斜坡下面。在美国公共服务事业部门中，洛杉矶水力部是第一个安装完全六氟化硫气体绝缘铠装开关装置的。洛杉矶水力部需要替换现有的老的34.5/4.8kV变电站，并提供额外的75MVA的容量。因为空间有限，所以需要用创新性的方法来设计这样一个新的变电站。如图1所示，变电站布局是封装在一个建设合理的建筑里，并含有气体绝缘设备。图中还显示了主要的相间距离和相地距离以及不同母线的电压等级。
图 1 GIS布局
在这种特性的测量中，观察到一个连续的过渡过程，从远离电力设备的大体均匀的背景场，到接近单独的载流导体时相当快地增加的局部场。这个测量是在通道上、入口处和其他公共事业雇员和大众可能要经过的地方进行的，与通电设备相距很小（一般小于1-2英尺）的地方没有测量。测量是在以下区域进行的：通向SF6外壳过渡室的34.5/4.8kV的电缆，开关装置地板，继电器，控制和维护室。场是通过点测量探测的，而磁场的分布是用EMDEXⅡ和波捕捉计记录的。以这种方式选择这些区域是为了：
（1）在人员最经常出现的地方进行详细的测量；
（2）使测量结果适用于具有与所讨论区域有相同或相似的结构和电气特性的设备的其他部分；
（3）识别比后者等级更高的区域。
3.2变电站建模
仿真研究可以用来确定变电站的电力设备周围的电磁场分布。在可行的情况下，变电站仿真和建模的优点如下：
（1）允许与变电站设计评价相关的环境影响，
（2）对全方位测量和分析技术的一个很好的补充，
（3）在变电站的发展阶段可以作为一种节约资金的设计工具，
（4）仿真和建模可以在短时间内积累大量的数据，
（5）可以测绘地面磁场强度和磁通密度，
（6）操作和几何条件容易改变，
（7）发展减缓技术，
（8）系统地研究影响磁场分布的参数。
本次调查的目的是使用三维建模程序准确地确定GIS周围的磁场。根据详细的测量调查结果构建和验证模型，然后对模型进行微调。这会导致变电站建模过程中的可能误差，并导致那些敏感区域的产生，这会影响与实测值不一致的已被报道的场结果，并提出在已建立的确定度和可能的误差范围内产生偏差的原因。由电气研究与管理（ERM）开发的交流变电站的磁场计算机模型MF3D是一款非常强大有用的工具，基于毕奥-萨伐尔定理（Biot-Savart Law），它被用来计算由交流电力变电站的导体产生的磁场并控制磁场，对GIS建模。变电站建模中通常采用以下假设：
（a）除非指定一个不同的加载条件，否则变电站会被考虑加载到其铭牌额定值容量，这基本与可使用的变压器组和分布线路容量相平衡，
（b）所有的传输和二次传输线以及分配线路都具有平衡负载。中性和接地电流通常不考虑，
（c）变电站被认为运行在正常工作情况下，不分析紧急情况。在所有具有运行和传输总线方案的开关机架上，总线连接器和总线并联断路器（如果适用）被认为是开路的，
（d）当输入的传输线或二次传输线位于双电路塔或极点上时，就假定它们被相位化以用于最大场消除，
（e）位于管道库中的所有分配电路被假定为以固定模式定相，其在整个计算中保持恒定。
4.测量和模拟研究结果
使用EMDEXⅡ场测量仪和波捕获测量仪进行以下类型的磁场测量:
（1）合成磁通密度场分布，
（2）沿地界线的侧面测量，
（3）沿变电站墙外侧面测量。
为了准确的确定GIS变电站内哪些设备是磁场的主要来源，重点在于对地界线范围内和设备壁内的峰值进行详细的测量。在这种类型的测量中，主要问题不是为了公开曝光，而是要确定产生高磁场的电气设备。一旦确定了主要的场源，就可以利用这一新信息提出一些建议，并修改新的设施建设标准。
变电站外部的测量表明，城市平均环境和背景磁场的水平并没有超标，除了在地下配电电缆管道库和管道型电缆三叉戟30英尺（10米）内的区域。在这些地区，局部最大值高达120毫克。
图 2 开关区域的磁场测量 （a）早晨，（b）中午，（c）轮廓测量
图 3 GIS内部的磁场测量 （a）早晨，（b）中午，（c）轮廓测量
变电站内的测量表明，对于气体绝缘设备区域，绝大多数通道和常规工作区域的场等级在0.3和9.5毫克之间。场电平最高测量值提高到931毫克，距离低压变压器二次母线2英尺，距离GIS外壳和断路器模块2.5英尺。在34.5kV电缆入口拱顶和4.8kV电缆出口拱顶的电缆和断路器模块3英尺处观测到的场电平高达466毫克。在电缆托架和断开装置都在的开关区域内，磁场的范围在1.7和697毫克之间。图2和图3显示了开关区和GIS区域内两个不同时间段的测量细节，以验证磁场的来源。
图 4 GIS的建模
（a）合成磁场 （b）X轴方向磁场
（c）Y轴方向磁场 （d）垂直方向磁场
（e）合成磁场 （f）X轴方向磁场
（g）Y轴方向磁场 （h）垂直方向磁场
图5 GIS磁场的仿真研究
早晨：（a）（b）（c）（d）下午：（e）（f）（g）（h）
通过使用可用的软件包和测量电流的读数，整个变电站的模型被建立起来。图4显示了GIS的模拟接线图，图5显示了磁场的模拟研究（结果，x，y，z分量）。在上述的两个不同时间段模拟模型的有效性和准确度，并和使用标称电流的实验数据进行对比。模拟中的高值是因为像变压器这样的源的存在，它会给低压侧和承载大电流的低压电缆周围提供很高的场。
5.缓解研究和优化变电站设计
如果GIS的负载达到平衡，磁场就会减弱。实用工程师必须探索平衡负载的可能方法。在结构和操作标准的限制下，如图6和图7所示，站内的电流源体现了提高单总线和双总线变电站总线结构的效果。对不同设计选择的比较的目的是为了确定最佳的配置和建模，以最小化变电站内和周围的磁场。通过在电路的最小允许间隙内最小化导体之间的空间，使用压缩技术优化输入和输出总线的配置，可以减少变电站内部和外部的电场，如图8所示的单总线变电站。不同的相位布置在某些地方会有不同的场等级。这种技术的使用可以分组以利用每种单独的技术获得相应的场的减少。这需要通过使用标称电流的变电站的模拟和建模来完成。可能的布置方法包括三角形，垂直，水平或者这些布置方法的结合。
（a）常规配置 （b）总线高10英尺
（c）合成磁场 （d）X轴方向磁场
（e）Y轴方向磁场 （f）垂直方向磁场
（g）合成磁场 （h）X轴方向磁场
（i）Y轴方向磁场 （j）垂直方向磁场
图6 双总线设计变电站磁场仿真以及提高总线结构的作用
双总线变电站：（a）（b）常规配置：（c）（d）（e）（f）
总线高10英尺：（g）（h）（i）（j）
（a）常规配置 （b）总线高10英尺
（c）常规配置 （d）总线高10英尺
图7 单总线设计变电站磁场仿真以及提高总线结构的效果
单总线变电站：（a）（b）合成磁场：（c）（d）
（a）配置 （b）合成磁场
（c）X轴方向磁场 （d）Y轴方向磁场
图8 单总线设计变电站磁场仿真以及总线结构压缩的效果
压缩总线（8英寸）：（a）（b）（c）（d）
6.总结
基于上述的研究、测量和模拟，可以确定减少GIS周围磁场的可行的解决方法。结合工业标准，这些结果可以为新的GIS的
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