高压工程和电气兼容外文翻译资料

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忽略势的概念，只考虑物理意义上的电流、传导电流的电路和磁通量，我们发展了一种通用的保护原理。其核心概念是“接地结构（GS）”的“传输阻抗”。通过使用＂传输阻抗＂，敏感的电子设备可以正常运行。我们将引线的接地结构和仪器的接地结构进行区分。同轴电缆的外导体是一个简单的GS，它产生了一个保护区，＂电磁兼容机柜＂是GS保护敏感设备的重要组成部分。

传输阻抗概念的意义在于，它为GS的质量（包括整个“网络”的“布局”）提供了一个有意义的标准。通常无法计算的复杂GS的传输阻抗总是可以用所谓的＂电流注入测试方法＂来测量。

在高压测量技术中，电磁兼容可解决信号传输的问题，即使用差分信号。差分信号应该在电子设备的输入端再次集成。一部分的组件积分器可以是电子设备中使用的正常尺寸的，也可以是无源的积分器的设计，在干扰到达易受扰的有源电子器件前要进行抗干扰，EMC机柜在其中，既要保护测量设备，又要保护集成信号。本文介绍＂差分／集成（D／I）＂快速电压瞬变测量系统的设计，已用于150／10kv＂气体绝缘开关设备（GIS）＂。介绍了在GIS装置中，由于开关动作而引起的跨越中断的陡电压的测量。减小这种干扰源的影响的方法。

GS：接地结构

EMC：电磁兼容

第一章

导言

高压工程和电气兼容

在高压电力设备中，或者在高压试验中，存在着大量的电场能。在高压变电站的开关操作过程中，或在实验中，由于偶然的故障，该能量部分转化为高功率的电磁波。然而，随着电力电子技术的发展，更多的现代电子技术用于测量和控制，但由于产生强烈的电磁干扰，其在高压装置中可能无法正常工作，甚至可能被破坏。因此，电磁兼容，即电子或电气设备在彼此附近正常工作的能力，对高压工程至关重要。我们特意地给出了一个不同于IEC定义的定义：设备或系统在电磁环境中正常工作的能力对该环境中的任何事物都不可容忍的电磁干扰。稍后将清楚地说明电磁环境这个词。

基本问题

高灵敏度电力系统和高压设备之间的电磁兼容性还额外受到高压装置的大几何尺寸的威胁。一个基本的电磁兼容问题，即复杂的三维电路不能用熟悉的网络理论模型正确表示。网络理论模型与实际之间的差异显现出来，首先，在相当低的频率下，当显著的时变磁通量分布在空间中时，基尔霍夫电压定律（KVL）就不成立了，这就造成了相当大的混乱。

如果电气工程的示意图由图1中的大矩形可以从左到右分为三个区域，即随着频率的增加。在低频时，在区域I中，可以使用网络理论，而在高频时，长度效应很重要，需要完整的麦克斯韦描述，例如，描述天线和波导区III。分布通量通常分布在中频（区域）时很重要，例如在输电线路、涡流和接地中。

在输电线路中，通常通过引入仅考虑垂直截面电压的等效网络来避免问题，在这之后，电感的“集中”是允许的。涡流显然是非保守电场的结果，并且足够重要，使得在50hz变压器中需要薄层。在变压器的等效电路中，由此产生的损害由电阻模拟。在接地中，一个中心问题是电磁兼容，导线通常很长，而且结构不规则。由于大电流也可能流动，我们必须处理大量的分布通量。显然，在区域I以外，标准网络理论无法使用。KVL扩展导线故障的后果不再像网络图中那样传输电位。然后，就是关于给定布局的电流流动和电流相关的量上。

图1.电气工程需要不同描述的区域，左边是网络理论，右边是完整的麦克斯韦方程组。接地通常落在困难的中间区域。KCL和KVL分别代表基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。

本工作的目的

本工作的目的是为了保护电子器件以及电路能在彼此附近正常工作。为了实现设备的正常运行，有必要了解并解决实际的电磁干扰问题。良好的理解有望使得在装置、设备或大型装置的设计阶段早期进行修改。这比后期引入的修改更为有效。这里描述的概念主要应用于高压研究中使用的敏感注册设备。由于严重的干扰（通常会遇到要观察的现象），我们使用了很多金属金属来获得足够的电磁兼容性保护。然而，所提出的概念是一般性的；它们同样适用于电气工程的其他领域。

论文提纲

本文首先讨论了电磁兼容的一般问题和概念，然后详细地介绍了高压工程中的实际电磁兼容问题。

第二章给出了高频接地的电磁兼容性分析，如电气系统和大型电子设备保护所需的电磁兼容性分析。从“接地”的临界分析开始，讨论了有关基尔霍夫定律有效性和基尔霍夫定律有效性的误解，给出并解释了活动接地的设计规则，介绍了用于保护引线和仪表的接地结构，特别是铁质导管和用于仪表的电磁兼容机柜

第三章介绍了GS的传输阻抗概念，该概念是通过计算和测量对GS的传输阻抗进行定量比较的，通过电流注入实验，我们测量了GS对引线的传输阻抗和简单GS对引线的传输阻抗和简单GS对仪器的传输阻抗

第四章介绍了一种非常快速的高压暂态D/I测量系统，重点介绍了测量系统的设计及其电磁兼容问题。

第五章（GIS变电站中的电磁兼容）将气体绝缘开关设备（GIS）装置视为高频干扰的密集源，所讨论的改善GIS装置电磁兼容性的建议，仍满足其他设计标准。目前用于特高压脉冲的测量。

第六章给出了主要结论。

第二章

电气设备的设计和生产，需要电气工程的各个领域的基础和技术专业知识。为了确保这些不同领域的设备组合在一起时都能正常运行，需要进行严密的电磁兼容设计（EMC设计）。如果没有系统的电磁兼容方法可用，那么，随着复杂电子系统的进一步使用以及电压等级的进一步提高，电磁兼容问题会日益严重。目前，并没有确切的理论可以解决电磁兼容问题，实际上只是通过试错来解决。因此 ，寻找一种能够为电磁兼容的正确设计提供实际指导的明确理论仍然非常重要。

在由此产生的所有电磁兼容问题中，人们所认识的“校正接地”的设计是电气系统电磁兼容设计的最重要方面之一。因此，本文从“接地”的分析入手。

这一关键分析的正面意义的结果是：

——无需考虑接地线是否不失真地传输零“电位”。

——“接地”点一般设在电流回路的低压侧。

——在复杂系统中，可以通过使用适合特殊用途的金属“接地结构”（GS），在局部解决所有接地问题。

——这个分析结果促进了电子设备保护的方法的发展，尤其是保护（大型）互联电气系统免受干扰的接地系统的设计。

这种方法并不会改变整个区域内的电磁环境，而是在局部形成一个电磁兼容保护区。

这种接地分析最早出现在早期的出版物[Laa78]、[ott79]、[Jon83]、[Laa86]、[Laa87]和[Hou89]中。

2.1接地

接地在本章的定义是：电气电路低压侧的所有实际设计和实际施工工作。这使得接地成为一个非常广泛的课题，对于不同领域如防雷接地，电气工程和微电子。尽管如此，我们还是可以制定一个简单普适的接地目标：“接地应将临界点之间的危险的电压差降低到安全值”。

通过正确接地，可以达到以下目的：

1. 敏感输入端或其他关键电路之间的干扰电压差应保持较低，这样就不会影响电路的正常工作。
2. 必须保障人身安全。
3. 在大电流（如闪电）的情况下，我们通过安装与之平行的金属接地导体来避免在绝缘体中损耗。

在a和b中起作用的电压差为,通常取最短的连接线。也正是这个压降的存在，会威胁到电子设备和人员的安全。

在接地实践的发展历程中，b和c首先被认可。后来随着系统越来越复杂，投入使用的电子产品越来越多，典型的电磁兼容要求a受到越来越多的关注[pea62]。[Den73]由于微电子中通常只能容忍极低的干扰电压，满足要求a是一个极大的工程挑战。

设备内部接地的现有技术专业知识是具有深远意义的，与其说是科学，不如说是艺术的产物，而接地方面的专业知识很少包括抗干扰、电磁兼容接地。要对接地进行科学描述，必须指出：普遍接受的“地”的定义是不正确的。

2.2对“地”的标准定义的反驳

“地”的大多数标准定义包含两个方面：

1. 接地点可以在不改变电压的情况下吸收或者供应电流，即接地点是电流的完美汇或源
2. 接地点通常作为电路的参考电位点或是参考平面。

接地点是一个完美的汇或源吗？

当电荷可以积累时，也就是说当有足够的容量时，地面只能作为电流的汇或源。满足以下的电流连续性方程：div j =0 (2.1)

当电流密度j从零吸收或者供应div j时，电荷密度rho; 也会随之改变

我们选用两个候选电容器来收集电荷（参见图2.1）：

1. 地球可视为一个平均半径为6367km，电容为708mu;f的独立球体（如图2.1a）。
2. 地球和对流层之间的电容，例如在50公里高度，结果是91mpa（图2.1b）,这么大的电容器是存在的，并且在世界范围之内的雷暴会将它充电到几百千伏。充电将会引起所谓的晴空电场。

这两种电容器都不能在我们的接地中起作用，因为我们的本地工程并没有地球周围的总电场。在我们所使用的充电电容和地球之间只存在一个小电容。（如图2,1c）

图2.1：不同尺度下的电场

将公式2.1进行高斯变换

div（ j ）= 0 (2.2)

j 是发散的，所以不存在汇和源。由此我们可以得到结论，任何电流，包括电容电流都是在一个闭环中流动的。

通过这个结论，我们可以更准确地推测一个接地系统应该具有什么功能。

接地系统不像下水道系统，很多个污水管道汇合成一条目的地“未知”的总管（如图2.2a）。而是连接存在关联的电流回路（如图2.2b）。

图2.2 对接地系统的两种描述（线的粗细反映电流的大小）

图2.2b只显示了所有电路的低压部分，在某种程度上是不完整的。其次，图2.2b中与地球的连接不再是唯一的，而只是电流回路的一部分。如果电流流入地球，则必须在地球的其他地方构成回路，因此与地球的连接并不像数字手表、便携式收音机、飞机和卫星所证明的那样是必不可少的。

接地点是一个等电位点。

接地标准定义的第二个方面意味着接地确定了电路接地点的电位，通常认为为零。导体的电阻率，特别是土壤的电阻率导致了相对单一的复杂性，我们可以通过计算接地电阻来校正接地点的电位。影响接地电阻的因素有埋入土壤中的接地棒的形状和尺寸。

一个更基本的问题，一个高导电性的，比如一个金属“地球”是否会形成一个等电位面。由于球体的大小并不重要，我们可以考虑任何金属物体，比如一艘船，一个屏蔽室或一架飞机（图2.3）。在静电学中，这样的物体形成一个等电位面。根据网络理论，这似乎也是正确的，其中电线被假定为“传输”电位。

然而，当一家飞机被闪电击中时（如图2.3），在A和B两点之间连接三个电位表，由于分布的时变磁通量，我们得到三个不同的读数。

图2.3 由雷击电流引起的飞机A点和B点之间的电压不能用电压差来描述：三个电压表读数不同，这取决于引线所包围的回路。

靠近外表面的电压表2读数rho;lj(r₂)，rho;是电阻率，l是AB之间的距离，j(r₂)是外表面的电流密度，其中r₂是飞机的外部半径。除此之外，电压表1还能读取外部回路中感应到的电压。当雷击电流均匀地分布在管状体周围时，飞机内部的磁场为零，此时电压表3读取rho;lj(r₁)，r₁指飞机的内部半径。如图2.4是三个电压表通常的读数分布。首先，此图显示了读数与同轴电缆的传输阻抗的紧密联系；其次，在高频条件下电压表3的读数迅速将为零，这就确保了飞机电子设备的可靠运行。

在电压表导线形成的回路中，基尔霍夫电压定律（KVL）不成立，飞机表面的小回路（如图2.3）中也不成立，其中j和E随深度而变化。在这些例子中，简单的“零维”网络理论不能充分描述三维现实。

图2.4 图2.3中的电压表随频率变化的读数

2.3错误的哲学导致的误解

由于接地分析通常是基于网络理论和基尔霍夫电压定律中使用的电势，因此会产生许多误解，我们仅提及其中的一些。

跳跃电位

如图2.5a所示的闪电放电，注入一个接地电流。电流流向地球，作为位移电流返回云层。在这个“完整电流回路”中，我们只能控制一小部分，通过选择直径以及避雷针的几何形状和数量，我们将有害影响降到最低。流经避雷针的雷击电流不会在给定长度的避雷针上造成明显的电位差。如图2.5a所示的两个电压表说明基尔霍夫意义上的电位不存在；导线上不同的磁通量会显示不同的电压。然而，高压塔或通信塔（图2.5b,c）通常由集中的网络元件表示，雷击电流通过元件[Van80]表示，雷电流流经高压塔或通信塔。这种表示是不正确的，因为这些塔上的电压不是唯一定义的。如果杆是管状，其内部电压表的读数几乎不会显示干扰电压，因为其内部没有磁场（图2.5d），正如图2.3中的电压表3。

同样地，土壤中的发散雷击电流不产生“步进电位”，而只与土壤电阻有关，“步进电压”也取决于导线所包围的磁通量。

同样的错误也发生在印刷电路板上的平面建模中，目的是为了预测在平面上的两点之间的 “接地电阻”[Pau86]，同样错在不能使用“集中”电感，也不能使用抑制感应回路电压的电压源。

图2.5：（a）电压表1和2连接避雷针的同一点有不同读数，因此用集中参数网络元件表示高压塔（b）或通信塔（c）是不正确的。在金属柱状塔（d）中，电压表3示数几乎为0.

单点接地

在常用的单点接地方式中，通过减少接地回路和具有接地电流的单独回路来最小化电路之间的耦合，至

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