強電磁環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設備、罐式斷路器、直流分壓器和直流穿墻套管等設備普遍采用SF6氣體絕緣[1]，氣體密度繼電器作為SF6氣室壓力、密度、微水等含量監測的核心元件，其運行穩定性至關重要，對監控變電站充氣設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境愈加惡劣，由于強電磁侵擾對通信設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備影響不大，一旦發生雷電沖擊、操作沖擊導致設備對地放電時，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，將直接導致氣體密度繼電器大批量擊穿燒毀，經常性伴隨裝置死機、板卡損壞等問題[5]，導致在線監測系統產生監控盲區，無法真實反饋換流站主體設備工作狀態，嚴重影響運維人員對設備運行狀態的準確判斷[6]。為了保障SF6氣體在線監測系統的可靠性和連續性，減少氣體密度繼電器的故障率，全方位科學合理的接地設計是保障氣體密度繼電器長期安全穩定運行的重要條件。

本文針對傳統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、接地干擾和傳導干擾等因素導致氣體密度繼電器損壞情況進行詳細分析[7]，并提出相應改進措施。

1 現狀及問題分析

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展，變電站內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備，其電壓等級高、電磁感應強及諧波干擾大，傳統氣體密度繼電器已很難適應500 kV及以上電壓等級的電磁環境復雜、電磁干擾性強的空間環境[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、線路交變磁場和電暈放電，處于強電磁環境中的氣體密度繼電器通過空氣耦合、感應電磁波，使氣體密度繼電器自身產生一定的懸浮電位[9]。當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致傳感器損壞，另一方面當人員接觸氣體密度繼電器時會出現感應電傷人問題[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境下芯片或電路板金屬管腳之間會產生電位差，輕者導致在線監測數據波動、測量不準確，重者直接導致芯片或電路板擊穿損壞，無法繼續測量。

(2)當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一定懸浮電位，當電位集聚到一定程度時，會導致氣體密度繼電器外殼屏蔽層與內部元器件放電，直接損壞在建監測傳感器。

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、內護層、屏蔽層、絕緣層和線芯等結構組成。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]。氣體在線監測網絡結構如圖1所示。

圖1 氣體在線監測網絡結構

由圖1可知，每個氣體密度繼電器對應監測一個SF6氣室，若干個氣體密度繼電器通過485通訊線纜將采樣數據送至數據采集裝置，數據采集裝置將數據打包后通過485總線送至IED在線監測裝置，IED裝置將數據進行分析處理后通過網線送至數據交換機，數據交換機將數據進行光電轉換等處理后再通過光纖送至一體化在線監測后臺，從而實現運維人員實時監測主設備運行狀態的目的。

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，一旦系統發生短路接地故障，兩處接地點之間會產生較大電位差，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485通訊線纜屏蔽層采取氣體密度繼電器側單端接地時，由于同時接入數據采集箱的各氣體密度繼電器分布比較分散，其引入數據采集箱內的各通訊線纜屏蔽層之間或對地存在不同電位差，人員在檢查維護數據采集裝置時存在較大安全隱患。特別是，當換流站站區或鄰近線路發生雷電沖擊或開關操作引起過電壓時，站內地電位抬升較高，極易導致氣體密度繼電器對線纜屏蔽層之間發生高頻壓差擊穿損壞問題。

1.3 傳導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通訊線纜與數據采集裝置相連，其中2芯負責采集在線監測數據，2芯負責傳感器供電[14]。氣體密度繼電器傳導干擾主要來源于485數據線和電源線路。氣體密度繼電器原理結構如圖2所示。

圖2 氣體密度繼電器原理結構

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SF6氣體壓力、溫度、濕度等數據采集及運算,傳感器負責采集SF6氣室壓力、溫度等實時數據,485通訊線負責提供傳感器工作電源和傳輸SF6在線監測數據,金屬外殼負責氣體密度繼電器的保護及屏蔽作用。

目前，485數據線和電源線路在傳導干擾中主要存在以下問題：

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

(2)由于同根線纜的平行敷設，電源線路的傳導干擾將耦合至485數據線，使CPU控制板輸入端口形成浪涌干擾，導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，可以避免在線監測數據波動、測量不準確、芯片或電路板擊穿損壞等問題。同時，在進行二次電纜設計時，應盡量減少線纜長度，降低線纜對地電容；在線纜施工過程中，嚴格按照規程要求將動力電纜、控制電纜和通訊電纜進行分層敷設，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據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，不存在環流問題；另一方面保證數據采集箱內低電位環境，消除人員安全隱患。

2.3 通訊線纜多重防干擾措施

針對傳導干擾問題，485數據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數據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干擾的不同特點，電源隔離措施按照防護優先級排序，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體元件，當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。在電源回路串聯自恢復性保險絲[17]，由于通訊線纜流過長時間環流或短時大電流導致線路發熱，當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；當線纜熱量冷卻到一定程度時，保險絲將自恢復使電源回路接通，氣體密度繼電器恢復正常運行。

因此，電源線采取五重化防干擾電源隔離措施，而485數據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線路的運行特性。

此外，485通訊線纜引入IED在線監測裝置時，IED裝置自身具備光電隔離功能；數據交換機網口及光纖口均具有電磁隔離措施，光纖通道采用IEC61850協議連接一體化在線監測后臺，具備完備的抗干擾措施，防止氣體在線監測系統出現通訊中斷等問題。

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單端接地，能夠有效鉗制線纜屏蔽層電位，降低線纜環流風險和共模干擾影響，保障氣體密度繼電器安全穩定運行。

(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流或短時大電流的過熱問題，能夠快速隔離傳導干擾，實現氣體密度繼電器的防干擾和自恢復運行。

4 結 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，起到穩定直流電壓和平滑涌流作用，對后續氣體密度繼電器設計、制造等方面起到一定的指導意義。

(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境，降低了設備故障率，保障了氣體在線監測系統的可靠性和連續性。