強電磁環(huán)境下氣體密度繼電器抗干擾問題分析及改進

宋海龍，顧理強

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.南京固攀自動化科技有限公司，江蘇 南京 210032)

交直流變電站中GIS設(shè)備、罐式斷路器、直流分壓器和直流穿墻套管等設(shè)備普遍采用SF6氣體絕緣[1]，氣體密度繼電器作為SF6氣室壓力、密度、微水等含量監(jiān)測的核心元件，其運行穩(wěn)定性至關(guān)重要，對監(jiān)控變電站充氣設(shè)備運行狀況起到重要作用[2]。隨著交直流變電站電壓等級不斷提升，超/特高壓變電站電磁環(huán)境愈加惡劣，由于強電磁侵擾對通信設(shè)備及電氣元器件存在致命隱患[3]，尤其在特高壓換流站中，電磁環(huán)境存在大量的交、直流電磁波和高次諧波，對換流站各類電氣設(shè)備都是極大的考驗[4]。正常情況下，采取一定防干擾措施，電磁干擾對周圍其他設(shè)備影響不大，一旦發(fā)生雷電沖擊、操作沖擊導(dǎo)致設(shè)備對地放電時，將引起換流站地電位大幅度提升，如果氣體密度繼電器接地不良或未接地，將直接導(dǎo)致氣體密度繼電器大批量擊穿燒毀，經(jīng)常性伴隨裝置死機、板卡損壞等問題[5]，導(dǎo)致在線監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生監(jiān)控盲區(qū)，無法真實反饋換流站主體設(shè)備工作狀態(tài)，嚴重影響運維人員對設(shè)備運行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷[6]。為了保障SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性，減少氣體密度繼電器的故障率，全方位科學(xué)合理的接地設(shè)計是保障氣體密度繼電器長期安全穩(wěn)定運行的重要條件。

本文針對傳統(tǒng)氣體密度繼電器在超/特高壓交直流變電站中由于空間干擾、接地干擾和傳導(dǎo)干擾等因素導(dǎo)致氣體密度繼電器損壞情況進行詳細分析[7]，并提出相應(yīng)改進措施。

1 現(xiàn)狀及問題分析

1.1 空間干擾對氣體密度繼電器的影響

隨著超/特高壓交直流變電站的不斷發(fā)展，變電站內(nèi)分布著各式各樣的交流場、直流場和交直流濾波器場電氣設(shè)備，其電壓等級高、電磁感應(yīng)強及諧波干擾大，傳統(tǒng)氣體密度繼電器已很難適應(yīng)500 kV及以上電壓等級的電磁環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾性強的空間環(huán)境[8]。

超/特高壓交直流變電站空間干擾途徑主要包括變壓器電磁感應(yīng)、線路交變磁場和電暈放電，處于強電磁環(huán)境中的氣體密度繼電器通過空氣耦合、感應(yīng)電磁波，使氣體密度繼電器自身產(chǎn)生一定的懸浮電位[9]。當(dāng)懸浮電位集聚能量較大時，一方面會對氣體密度繼電器外殼放電導(dǎo)致傳感器損壞，另一方面當(dāng)人員接觸氣體密度繼電器時會出現(xiàn)感應(yīng)電傷人問題[10]。

目前，空間干擾主要采用外殼屏蔽接地，存在以下問題：

(1)當(dāng)氣體密度繼電器未做金屬屏蔽或僅采取塑料外殼保護時，氣體密度繼電器在強電磁環(huán)境下芯片或電路板金屬管腳之間會產(chǎn)生電位差，輕者導(dǎo)致在線監(jiān)測數(shù)據(jù)波動、測量不準(zhǔn)確，重者直接導(dǎo)致芯片或電路板擊穿損壞，無法繼續(xù)測量。

(2)當(dāng)氣體密度繼電器金屬屏蔽未良好接地時，金屬屏蔽外殼處同樣會出現(xiàn)一定懸浮電位，當(dāng)電位集聚到一定程度時，會導(dǎo)致氣體密度繼電器外殼屏蔽層與內(nèi)部元器件放電，直接損壞在建監(jiān)測傳感器。

1.2 接地干擾對氣體密度繼電器的影響

常見電力電纜由外護層、鎧裝層、內(nèi)護層、屏蔽層、絕緣層和線芯等結(jié)構(gòu)組成。其中，鎧裝層起到保護電纜線芯不被外力損傷作用；屏蔽層起到限制周圍電磁場干擾作用[11]。一般情況下，電力電纜鎧裝層和屏蔽層需分別單獨接地，常見接地形式包括單端接地和兩端接地[12]。氣體在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣體在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，每個氣體密度繼電器對應(yīng)監(jiān)測一個SF6氣室，若干個氣體密度繼電器通過485通訊線纜將采樣數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置將數(shù)據(jù)打包后通過485總線送至IED在線監(jiān)測裝置，IED裝置將數(shù)據(jù)進行分析處理后通過網(wǎng)線送至數(shù)據(jù)交換機，數(shù)據(jù)交換機將數(shù)據(jù)進行光電轉(zhuǎn)換等處理后再通過光纖送至一體化在線監(jiān)測后臺，從而實現(xiàn)運維人員實時監(jiān)測主設(shè)備運行狀態(tài)的目的。

目前，485通訊線纜采用無鎧裝電纜，主要采用線纜屏蔽層接地方式[13]，存在以下問題：

(1)當(dāng)485通訊線纜屏蔽層采取雙端接地時，由于線纜距離較長，一旦系統(tǒng)發(fā)生短路接地故障，兩處接地點之間會產(chǎn)生較大電位差，從而對通訊線纜形成共模干擾，即通訊線纜線芯對屏蔽層存在的干擾，共模干擾會在通訊線纜最薄弱處進行泄放，從而損壞線纜或氣體密度繼電器。

(2)當(dāng)485通訊線纜屏蔽層采取氣體密度繼電器側(cè)單端接地時，由于同時接入數(shù)據(jù)采集箱的各氣體密度繼電器分布比較分散，其引入數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)的各通訊線纜屏蔽層之間或?qū)Φ卮嬖诓煌娢徊睿藛T在檢查維護數(shù)據(jù)采集裝置時存在較大安全隱患。特別是，當(dāng)換流站站區(qū)或鄰近線路發(fā)生雷電沖擊或開關(guān)操作引起過電壓時，站內(nèi)地電位抬升較高，極易導(dǎo)致氣體密度繼電器對線纜屏蔽層之間發(fā)生高頻壓差擊穿損壞問題。

1.3 傳導(dǎo)干擾對氣體密度繼電器的影響

SF6氣體密度繼電器一般采用4芯485通訊線纜與數(shù)據(jù)采集裝置相連，其中2芯負責(zé)采集在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，2芯負責(zé)傳感器供電[14]。氣體密度繼電器傳導(dǎo)干擾主要來源于485數(shù)據(jù)線和電源線路。氣體密度繼電器原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣體密度繼電器原理結(jié)構(gòu)

從圖2可知，氣體密度繼電器主要由電源板、CPU控制板、傳感器、485通訊線和金屬外殼組成[15]。其中，電源板為傳感器提供工作電源,CPU控制板負責(zé)SF6氣體壓力、溫度、濕度等數(shù)據(jù)采集及運算,傳感器負責(zé)采集SF6氣室壓力、溫度等實時數(shù)據(jù),485通訊線負責(zé)提供傳感器工作電源和傳輸SF6在線監(jiān)測數(shù)據(jù),金屬外殼負責(zé)氣體密度繼電器的保護及屏蔽作用。

目前，485數(shù)據(jù)線和電源線路在傳導(dǎo)干擾中主要存在以下問題：

(1)當(dāng)電源板輸入端口未加裝防干擾措施時，從交流220 V側(cè)耦合過來的浪涌及電快速脈沖群將會通過24 V開關(guān)電源直接加載到電源板處，使其瞬間電壓達到幾千伏，侵擾到內(nèi)部芯片時亦將達到幾百伏，直接導(dǎo)致電路板擊穿燒毀。

(2)由于同根線纜的平行敷設(shè)，電源線路的傳導(dǎo)干擾將耦合至485數(shù)據(jù)線，使CPU控制板輸入端口形成浪涌干擾，導(dǎo)致通訊芯片的擊穿損壞。

2 改進措施

2.1 傳感器金屬外殼屏蔽接地

針對空間干擾問題，氣體密度繼電器主要采用金屬外殼屏蔽接地方式，同時做好外殼接地措施。利用磁場屏蔽原理[16]，使氣體密度繼電器內(nèi)部板卡及傳感器等器件免受空間磁場干擾，進一步避免了氣體密度繼電器的空間干擾損壞。氣體密度繼電器金屬外殼屏蔽接地如圖3所示。

圖3 氣體密度繼電器金屬外殼屏蔽接地

從圖3可知，在氣體密度繼電器外部加裝金屬外殼，并采取良好屏蔽接地措施，可以避免在線監(jiān)測數(shù)據(jù)波動、測量不準(zhǔn)確、芯片或電路板擊穿損壞等問題。同時，在進行二次電纜設(shè)計時，應(yīng)盡量減少線纜長度，降低線纜對地電容；在線纜施工過程中，嚴格按照規(guī)程要求將動力電纜、控制電纜和通訊電纜進行分層敷設(shè)，防止平行線纜之間的交叉干擾。

2.2 通訊線纜屏蔽層單端接地

針對接地干擾問題，氣體密度繼電器485通訊線纜屏蔽層采用箱體側(cè)單端接地，起到鉗制線纜屏蔽層電位作用。通訊線纜屏蔽層單端接地如圖4所示。

圖4 通訊線纜屏蔽層單端接地

從圖4可知，485通訊線纜屏蔽層在數(shù)據(jù)采集箱體處進行單端接地，一方面滿足各氣體密度繼電器通訊線纜的地電位鉗制要求，限制共模干擾，不存在環(huán)流問題；另一方面保證數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)低電位環(huán)境，消除人員安全隱患。

2.3 通訊線纜多重防干擾措施

針對傳導(dǎo)干擾問題，485數(shù)據(jù)線和電源線可采取多重防干擾措施，如圖5所示。

圖5 通訊線纜多重防干擾

從圖5可知，485數(shù)據(jù)線增加通訊隔離措施，電源線增加電源隔離措施。其中，針對電源線纜承受傳導(dǎo)干擾的不同特點，電源隔離措施按照防護優(yōu)先級排序，包括以下五道防線：

(1)增加電磁隔離措施。在電源回路加裝隔離變壓器或其他電磁隔離元件，經(jīng)空開接入氣體密度繼電器，達到電磁隔離效果。

(2)增加快速泄放電路。在電源正負線路之間增加半導(dǎo)體元件，當(dāng)電源電壓高于額定工作電壓時，能夠快速泄壓至額定要求，起到鉗制電位作用。

(3)增加能量釋放電路。在正負電源線之間、電源線對地之間增加能量釋放電路，起到穩(wěn)定直流電壓、平滑涌流和能量吸收并泄放入地的作用。

(4)增加大能量泄放元件。在正負電源線之間增加壓敏電阻或其他大能量泄放元件，每次泄放電流較大。

(5)增加保險熔斷措施。在電源回路串聯(lián)自恢復(fù)性保險絲[17]，由于通訊線纜流過長時間環(huán)流或短時大電流導(dǎo)致線路發(fā)熱，當(dāng)線纜熱量累積到一定程度時，保險絲會立即熔斷，斷開電源回路，使氣體密度繼電器免遭損壞；當(dāng)線纜熱量冷卻到一定程度時，保險絲將自恢復(fù)使電源回路接通，氣體密度繼電器恢復(fù)正常運行。

因此，電源線采取五重化防干擾電源隔離措施，而485數(shù)據(jù)線可采取三重化防干擾通訊隔離措施，包括增加電磁隔離措施,增加快速泄放電路和增加大能量泄放元件，消除浪涌及電快速脈沖群的侵擾，全方位提升氣體密度繼電器傳導(dǎo)線路的運行特性。

此外，485通訊線纜引入IED在線監(jiān)測裝置時，IED裝置自身具備光電隔離功能；數(shù)據(jù)交換機網(wǎng)口及光纖口均具有電磁隔離措施，光纖通道采用IEC61850協(xié)議連接一體化在線監(jiān)測后臺，具備完備的抗干擾措施，防止氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)通訊中斷等問題。

3 效果評價

(1)氣體密度繼電器采用金屬外殼屏蔽接地措施，利用磁場屏蔽原理，使內(nèi)部板卡及傳感器等器件免遭空間磁場侵擾，有效解決了氣體密度繼電器空間干擾問題。

(2)氣體密度繼電器所用485通訊線纜屏蔽層采用箱體側(cè)單端接地，能夠有效鉗制線纜屏蔽層電位，降低線纜環(huán)流風(fēng)險和共模干擾影響，保障氣體密度繼電器安全穩(wěn)定運行。

(3)在通訊線纜增加快速泄放和能量釋放電路，全面抑制沖擊電壓和涌流對氣體密度繼電器的侵擾，起到穩(wěn)定直流電壓、平滑涌流和快速釋放能量的作用。

(4)在通訊線纜增加大能量泄放元件，與快速泄放和能量釋放電路相配合，有效解決了線纜大能量釋放問題，避免氣體密度繼電器發(fā)生大面積損壞問題。

(5)在通訊線纜增加保險熔斷措施，有效解決了線纜流過長時間環(huán)流或短時大電流的過熱問題，能夠快速隔離傳導(dǎo)干擾，實現(xiàn)氣體密度繼電器的防干擾和自恢復(fù)運行。

4 結(jié) 論

(1)通訊線纜增加三重化隔離措施后，能夠全面抑制沖擊電壓和涌流對氣體密度繼電器的侵擾，為通訊線纜隱患治理和技術(shù)改造等方面提供參考。

(2)電源線纜增加五重化隔離措施后，能夠快速釋放回路能量，起到穩(wěn)定直流電壓和平滑涌流作用，對后續(xù)氣體密度繼電器設(shè)計、制造等方面起到一定的指導(dǎo)意義。

(3)氣體密度繼電器增加防干擾措施后，有效解決了線纜大能量釋放和長時間過熱問題，避免了氣體密度繼電器大面積損壞，具有較高的工程實用價值。

(4)通過對空間干擾、接地干擾和傳導(dǎo)干擾的有效治理，極大提升了氣體密度繼電器的電磁運行環(huán)境，降低了設(shè)備故障率，保障了氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性。