强电磁环境下气体密度继电器抗干扰问题分析及改进

2021-03-19宋海龙顾理强

宁夏电力 2021年1期

宋海龙，顾理强

(1.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏银川 750011；2.南京固攀自动化科技有限公司，江苏南京 210032)

交直流变电站中GIS设备、罐式断路器、直流分压器和直流穿墙套管等设备普遍采用SF6气体绝缘[1]，气体密度继电器作为SF6气室压力、密度、微水等含量监测的核心元件，其运行稳定性至关重要，对监控变电站充气设备运行状况起到重要作用[2]。随着交直流变电站电压等级不断提升，超/特高压变电站电磁环境愈加恶劣，由于强电磁侵扰对通信设备及电气元器件存在致命隐患[3]，尤其在特高压换流站中，电磁环境存在大量的交、直流电磁波和高次谐波，对换流站各类电气设备都是极大的考验[4]。正常情况下，采取一定防干扰措施，电磁干扰对周围其他设备影响不大，一旦发生雷电冲击、操作冲击导致设备对地放电时，将引起换流站地电位大幅度提升，如果气体密度继电器接地不良或未接地，将直接导致气体密度继电器大批量击穿烧毁，经常性伴随装置死机、板卡损坏等问题[5]，导致在线监测系统产生监控盲区，无法真实反馈换流站主体设备工作状态，严重影响运维人员对设备运行状态的准确判断[6]。为了保障SF6气体在线监测系统的可靠性和连续性，减少气体密度继电器的故障率，全方位科学合理的接地设计是保障气体密度继电器长期安全稳定运行的重要条件。

本文针对传统气体密度继电器在超/特高压交直流变电站中由于空间干扰、接地干扰和传导干扰等因素导致气体密度继电器损坏情况进行详细分析[7]，并提出相应改进措施。

1 现状及问题分析

1.1 空间干扰对气体密度继电器的影响

随着超/特高压交直流变电站的不断发展，变电站内分布着各式各样的交流场、直流场和交直流滤波器场电气设备，其电压等级高、电磁感应强及谐波干扰大，传统气体密度继电器已很难适应500 kV及以上电压等级的电磁环境复杂、电磁干扰性强的空间环境[8]。

超/特高压交直流变电站空间干扰途径主要包括变压器电磁感应、线路交变磁场和电晕放电，处于强电磁环境中的气体密度继电器通过空气耦合、感应电磁波，使气体密度继电器自身产生一定的悬浮电位[9]。当悬浮电位集聚能量较大时，一方面会对气体密度继电器外壳放电导致传感器损坏，另一方面当人员接触气体密度继电器时会出现感应电伤人问题[10]。

目前，空间干扰主要采用外壳屏蔽接地，存在以下问题：

(1)当气体密度继电器未做金属屏蔽或仅采取塑料外壳保护时，气体密度继电器在强电磁环境下芯片或电路板金属管脚之间会产生电位差，轻者导致在线监测数据波动、测量不准确，重者直接导致芯片或电路板击穿损坏，无法继续测量。

(2)当气体密度继电器金属屏蔽未良好接地时，金属屏蔽外壳处同样会出现一定悬浮电位，当电位集聚到一定程度时，会导致气体密度继电器外壳屏蔽层与内部元器件放电，直接损坏在建监测传感器。

1.2 接地干扰对气体密度继电器的影响

常见电力电缆由外护层、铠装层、内护层、屏蔽层、绝缘层和线芯等结构组成。其中，铠装层起到保护电缆线芯不被外力损伤作用；屏蔽层起到限制周围电磁场干扰作用[11]。一般情况下，电力电缆铠装层和屏蔽层需分别单独接地，常见接地形式包括单端接地和两端接地[12]。气体在线监测网络结构如图1所示。

图1 气体在线监测网络结构

由图1可知，每个气体密度继电器对应监测一个SF6气室，若干个气体密度继电器通过485通讯线缆将采样数据送至数据采集装置，数据采集装置将数据打包后通过485总线送至IED在线监测装置，IED装置将数据进行分析处理后通过网线送至数据交换机，数据交换机将数据进行光电转换等处理后再通过光纤送至一体化在线监测后台，从而实现运维人员实时监测主设备运行状态的目的。

目前，485通讯线缆采用无铠装电缆，主要采用线缆屏蔽层接地方式[13]，存在以下问题：

(1)当485通讯线缆屏蔽层采取双端接地时，由于线缆距离较长，一旦系统发生短路接地故障，两处接地点之间会产生较大电位差，从而对通讯线缆形成共模干扰，即通讯线缆线芯对屏蔽层存在的干扰，共模干扰会在通讯线缆最薄弱处进行泄放，从而损坏线缆或气体密度继电器。

(2)当485通讯线缆屏蔽层采取气体密度继电器侧单端接地时，由于同时接入数据采集箱的各气体密度继电器分布比较分散，其引入数据采集箱内的各通讯线缆屏蔽层之间或对地存在不同电位差，人员在检查维护数据采集装置时存在较大安全隐患。特别是，当换流站站区或邻近线路发生雷电冲击或开关操作引起过电压时，站内地电位抬升较高，极易导致气体密度继电器对线缆屏蔽层之间发生高频压差击穿损坏问题。

1.3 传导干扰对气体密度继电器的影响

SF6气体密度继电器一般采用4芯485通讯线缆与数据采集装置相连，其中2芯负责采集在线监测数据，2芯负责传感器供电[14]。气体密度继电器传导干扰主要来源于485数据线和电源线路。气体密度继电器原理结构如图2所示。

图2 气体密度继电器原理结构

从图2可知，气体密度继电器主要由电源板、CPU控制板、传感器、485通讯线和金属外壳组成[15]。其中，电源板为传感器提供工作电源,CPU控制板负责SF6气体压力、温度、湿度等数据采集及运算,传感器负责采集SF6气室压力、温度等实时数据,485通讯线负责提供传感器工作电源和传输SF6在线监测数据,金属外壳负责气体密度继电器的保护及屏蔽作用。

目前，485数据线和电源线路在传导干扰中主要存在以下问题：

(1)当电源板输入端口未加装防干扰措施时，从交流220 V侧耦合过来的浪涌及电快速脉冲群将会通过24 V开关电源直接加载到电源板处，使其瞬间电压达到几千伏，侵扰到内部芯片时亦将达到几百伏，直接导致电路板击穿烧毁。

(2)由于同根线缆的平行敷设，电源线路的传导干扰将耦合至485数据线，使CPU控制板输入端口形成浪涌干扰，导致通讯芯片的击穿损坏。

2 改进措施

2.1 传感器金属外壳屏蔽接地

针对空间干扰问题，气体密度继电器主要采用金属外壳屏蔽接地方式，同时做好外壳接地措施。利用磁场屏蔽原理[16]，使气体密度继电器内部板卡及传感器等器件免受空间磁场干扰，进一步避免了气体密度继电器的空间干扰损坏。气体密度继电器金属外壳屏蔽接地如图3所示。

图3 气体密度继电器金属外壳屏蔽接地

从图3可知，在气体密度继电器外部加装金属外壳，并采取良好屏蔽接地措施，可以避免在线监测数据波动、测量不准确、芯片或电路板击穿损坏等问题。同时，在进行二次电缆设计时，应尽量减少线缆长度，降低线缆对地电容；在线缆施工过程中，严格按照规程要求将动力电缆、控制电缆和通讯电缆进行分层敷设，防止平行线缆之间的交叉干扰。