新型分数阶滤波抗干扰SF 6密度继电器的研究与实现

刘 畅,郭 帅,李 光,胡嘉祥

(国网河北省电力有限公司超高压分公司,河北 石家庄 050051)

0 引言

SF6密度继电器是用来检测高压电器设备中SF6密度的变化情况,其广泛用于SF6断路器、互感器、避雷器等单一设备中,也用于气体绝缘封闭式组合电器等组合电器设备中。目前,国内SF6密度继电器信号的有线传输研究成果较为成熟,能够满足超特高压变电站检测要求[1-3]。但在500 k V及以上电压等级变电站中,由于站内电磁环境复杂、电磁强度大、干扰信号种类多,导致SF6密度继电器信号远传方面研究发展较缓慢。

文献[4]研究了基于电力物联网NB-LOT无线通信技术的SF6密度继电器,但由于设备所处电磁环境噪声复杂,导致通过在线监测系统获取的SF6密度数据并不准确。国外对于SF6密度继电器研究主要侧重于有线传输以及不同温度条件下的适应性[5],对其在超特高压变电站中多电磁环境下的抗干扰性研究很少。为此,研究500 k V及以上变电站中数据准确的新型抗干扰远传式SF6密度继电器对突破传统运检模式的信息获取方式、提升数据精准性、保证设备安全稳定具有重要意义。

1 SF 6密度继电器

传统SF6气体密度继电器是由带报警和闭锁触点的密度表或密度表与继电器合二为一组成,可以直观地监测SF6气体的压力情况。当电器设备内的SF6气体密度下降至压力报警值时,SF6密度继电器发出报警信号;当电器设备内的SF6气体密度下降至压力闭锁值时,SF6密度继电器发出闭锁信号[6-7]。

现有大部分变电站高压电器设备SF6密度信息需要传统人工巡视获取,无法在主控制室直接获取。此外,部分变电站中密度继电器虽装有SF6密度在线监测系统或采用有线传输SF6密度继电器[8],由于元件设备所处电磁环境较为复杂,其数据采集存在一定误差。严重情况会导致误判甚至设备已发生故障而未收到报警信息,对电网安全稳定运行造成极大影响。

2 新型分数阶滤波抗干扰SF6密度继电器

2.1 远传式SF 6密度继电器抗干扰分析

远传式SF6密度继电器主要包括机械部分和电子远传部分。其中机械部分对电气设备的SF6气体密度进行机械指示,并不受电磁环境影响;电子远传部分用于将具体数据信号远传,易受电磁环境影响。

一方面,从干扰的传播源头及途径角度考虑,对于SF6气体密度继电器,其重点在于抑制所处500 k V变电站电磁环境中的干扰源、切断干扰传播途径以及提高器件自身的抗干扰性;另一方面,结合500 k V变电站复杂电磁环境,从抑制电磁环境中的干扰源角度研究要比切断传播途径及提高器件的抗干扰性效果更好、更直接。此外,在远传式SF6气体密度继电器的电子远传部分中,电源占据非常重要的地位。500 k V变电站中的干扰主要通过电子远传部分、各类传感器的供电电源耦合进入。因此,本文主要从供电电源干扰方面出发,对远传式SF6密度继电器进行研究。

2.2 分数阶噪声滤波器电容

传统的滤波手段是将电感和电容组成噪声滤波器,并联或串联入电源电路。虽然电路中电感和电容元件数的增多会一定程度降低电源电路中的干扰信号,但这个降低程度有局限,并且电感和电容元件数的增多也会加大电路设计与实现难度。随着分数阶电路系统的发展,分数阶元件可以获得更多的电路特性及设计自由度[9]。

分数阶噪声滤波器是在传统噪声滤波的基础上,引入分数阶电容和分数阶电感。由于分数阶电容、电感的阶次可变性,因此更适合复杂环境下的电源抗干扰处理。

在电源输入端增加分数阶电源噪声滤波器,其等效电路示意如图1所示。其中,供电电压范围为DC24 V±5%,电源输入端的正负接地电阻并入RS,电源等效为一个负载RL的分数阶滤波电路。图中P、N、P＇、N＇分别代表分数阶噪声滤波器的输入端口以及输出端口。

图1 电源等效电路示意

分数阶噪声滤波器由分数阶差模及分数阶共模两部分组成,其电路原理如图2所示。其中,分数阶电容Cα1、Cα2的阶次为α1、α2,分数阶电感Lβ1、Lβ2的阶次为β1、β2。分数阶差模及共模分别用来衰减交流进线上的差模及共模干扰噪声。

图2 分数阶噪声滤波器电路原理

根据图2的分数阶噪声滤波器电路,可以得到输出电压U2如式(1)所示,其中ω为干扰信号角频率。利用阻抗匹配法,使得分数阶噪声滤波器对高频传导干扰具有最大损耗。

2.3 滤波器电器特性对比

对传统噪声滤波器及分数阶噪声滤波器分别施加频率ω=50 rad/s的正弦电压,通过仿真测量电源输入端端口电流。

2.3.1 滤波器响应特性

传统噪声滤波器及分数阶噪声滤波器的响应特性分别如图3、4所示。

由图3、4可以得出,传统噪声滤波器的电源响应特性大约需要5个周期,约0.7 s达到稳态,同时其波峰及波谷相差较大;相同条件下分数阶噪声滤波器的电源响应特性仅需要2个周期约0.2 s达到稳态,同时其波峰及波谷相差很小。现场复杂电源环境下2种滤波器的电源响应特性之间差距更大,分数阶噪声滤波器更适合复杂环境下的电源抗干扰处理。

图3 传统噪声滤波器响应特性

图4 分数阶噪声滤波器响应特性

2.3.2 滤波器插入损耗

给定相同输入信号,传统噪声滤波器与分数阶噪声滤波器的插入损耗如图5所示。由图5可知,传统噪声滤波器的频率特性范围较窄(曲线斜率较小),分数阶噪声滤波器的频率特性范围较宽(曲线斜率较大)。传统噪声滤波器的衰减频率及通过频率的选择度较低,有可能导致部分信号衰减或噪声没有彻底去除。分数阶噪声滤波器频率的选择度较高,SF6气体密度继电器各类数据可以在几乎不衰减的状态下去除噪声。

图5 传统噪声滤波器与分数阶噪声滤波器插入损耗对比

选取不同分数阶次,如表1所示,分数阶噪声滤波器的插入损耗如图6所示。由图可知,随着阶次的升高,分数阶滤波器频率特性范围越大。此外,SF6密度继电器可以根据安装位置所处的不同噪声环境,选取适当分数阶滤波阶次,达到更好的预期滤波效果。随着分数阶电容、电感的研究及开发,大部分的分数阶元件均可在市场中购买,或通过整数阶电容、电感进行高阶次逼近而实现。

表1 分数阶噪声滤波器阶次

图6 不同阶次分数阶噪声滤波器插入损耗

3 现场试验验证

3.1 现场安装及试验条件

基于分数阶滤波系统的Lo Ra新型抗干扰远传式SF6密度继电器样机现场安装如图7所示。

图7 新型抗干扰远传式SF6密度继电器现场样机

为了测试其供电电源抗干扰及硬件抗干扰两方面的可靠性,将样机分别安装于河北省南部电网某500 k V变电站的220 k V、500 k V 2种电压等级SF6组合电器设备上,采取表2所示试验条件进行测试,并与相同环境下传统的SF6密度继电器进行对比。

表2 现场试验条件

3.2 试验结果

新型抗干扰远传式SF6密度继电器与传统SF6密度继电器在220 k V及500 k V电压等级的SF6组合电器设备上供电电源抗干扰对比情况分别如图8、图9所示。其中,2种电压等级中新型抗干扰远传式SF6密度继电器的分数阶噪声滤波器参数如表3所示。

图8 220 k V组合电器供电电源抗干扰对比

图9 500 k V组合电器供电电源抗干扰对比

表3 2种电压等级中的分数阶噪声滤波器参数

由图8可以明显看出,采用分数阶噪声滤波器供电电源抗干扰的SF6密度继电器可以在高频范围上有效抑制电网通过供电电源耦合进入的干扰。而传统SF6密度继电器随着干扰频率的增加,供电电源抗干扰能力有所下降,无法有效抑制耦合进入的干扰。对于图9所示500 k V电压等级的组合电器2种SF6密度继电器供电电源抗干扰对比情况,采用分数阶噪声滤波器的SF6密度继电器将耦合进入的干扰信号幅值抑制在30 d B至60 d B,而传统SF6密度继电器无法有效抑制干扰信号,同时随着频率的增加,干扰信号幅值高达120 d B,约为新型抗干扰滤波器的4倍。

4 结论

本文结合500 k V变电站电磁环境特点,从提高SF6密度继电器电源抗干扰角度出发,将分数阶电源噪声滤波器引入SF6密度继电器供电电源回路中。利用分数阶噪声滤波器中分数阶元件阶次的可变性,增大了远传式SF6密度继电器供电电源抗干扰的适用范围,提高了远传式SF6密度继电器的抗干扰性。最终通过现场试验验证了本文所设计新型分数阶滤波抗干扰SF6密度继电器的科学性及适用性。