新型分數階濾波抗干擾SF 6密度繼電器的研究與實現

劉 暢,郭 帥,李 光,胡嘉祥

(國網河北省電力有限公司超高壓分公司,河北 石家莊 050051)

0 引言

SF6密度繼電器是用來檢測高壓電器設備中SF6密度的變化情況,其廣泛用于SF6斷路器、互感器、避雷器等單一設備中,也用于氣體絕緣封閉式組合電器等組合電器設備中。目前,國內SF6密度繼電器信號的有線傳輸研究成果較為成熟,能夠滿足超特高壓變電站檢測要求[1-3]。但在500 k V及以上電壓等級變電站中,由于站內電磁環境復雜、電磁強度大、干擾信號種類多,導致SF6密度繼電器信號遠傳方面研究發展較緩慢。

文獻[4]研究了基于電力物聯網NB-LOT無線通信技術的SF6密度繼電器,但由于設備所處電磁環境噪聲復雜,導致通過在線監測系統獲取的SF6密度數據并不準確。國外對于SF6密度繼電器研究主要側重于有線傳輸以及不同溫度條件下的適應性[5],對其在超特高壓變電站中多電磁環境下的抗干擾性研究很少。為此,研究500 k V及以上變電站中數據準確的新型抗干擾遠傳式SF6密度繼電器對突破傳統運檢模式的信息獲取方式、提升數據精準性、保證設備安全穩定具有重要意義。

1 SF 6密度繼電器

傳統SF6氣體密度繼電器是由帶報警和閉鎖觸點的密度表或密度表與繼電器合二為一組成,可以直觀地監測SF6氣體的壓力情況。當電器設備內的SF6氣體密度下降至壓力報警值時,SF6密度繼電器發出報警信號;當電器設備內的SF6氣體密度下降至壓力閉鎖值時,SF6密度繼電器發出閉鎖信號[6-7]。

現有大部分變電站高壓電器設備SF6密度信息需要傳統人工巡視獲取,無法在主控制室直接獲取。此外,部分變電站中密度繼電器雖裝有SF6密度在線監測系統或采用有線傳輸SF6密度繼電器[8],由于元件設備所處電磁環境較為復雜,其數據采集存在一定誤差。嚴重情況會導致誤判甚至設備已發生故障而未收到報警信息,對電網安全穩定運行造成極大影響。

2 新型分數階濾波抗干擾SF6密度繼電器

2.1 遠傳式SF 6密度繼電器抗干擾分析

遠傳式SF6密度繼電器主要包括機械部分和電子遠傳部分。其中機械部分對電氣設備的SF6氣體密度進行機械指示,并不受電磁環境影響;電子遠傳部分用于將具體數據信號遠傳,易受電磁環境影響。

一方面,從干擾的傳播源頭及途徑角度考慮,對于SF6氣體密度繼電器,其重點在于抑制所處500 k V變電站電磁環境中的干擾源、切斷干擾傳播途徑以及提高器件自身的抗干擾性;另一方面,結合500 k V變電站復雜電磁環境,從抑制電磁環境中的干擾源角度研究要比切斷傳播途徑及提高器件的抗干擾性效果更好、更直接。此外,在遠傳式SF6氣體密度繼電器的電子遠傳部分中,電源占據非常重要的地位。500 k V變電站中的干擾主要通過電子遠傳部分、各類傳感器的供電電源耦合進入。因此,本文主要從供電電源干擾方面出發,對遠傳式SF6密度繼電器進行研究。

2.2 分數階噪聲濾波器電容

傳統的濾波手段是將電感和電容組成噪聲濾波器,并聯或串聯入電源電路。雖然電路中電感和電容元件數的增多會一定程度降低電源電路中的干擾信號,但這個降低程度有局限,并且電感和電容元件數的增多也會加大電路設計與實現難度。隨著分數階電路系統的發展,分數階元件可以獲得更多的電路特性及設計自由度[9]。

分數階噪聲濾波器是在傳統噪聲濾波的基礎上,引入分數階電容和分數階電感。由于分數階電容、電感的階次可變性,因此更適合復雜環境下的電源抗干擾處理。

在電源輸入端增加分數階電源噪聲濾波器,其等效電路示意如圖1所示。其中,供電電壓范圍為DC24 V±5%,電源輸入端的正負接地電阻并入RS,電源等效為一個負載RL的分數階濾波電路。圖中P、N、P＇、N＇分別代表分數階噪聲濾波器的輸入端口以及輸出端口。

圖1 電源等效電路示意

分數階噪聲濾波器由分數階差模及分數階共模兩部分組成,其電路原理如圖2所示。其中,分數階電容Cα1、Cα2的階次為α1、α2,分數階電感Lβ1、Lβ2的階次為β1、β2。分數階差模及共模分別用來衰減交流進線上的差模及共模干擾噪聲。

圖2 分數階噪聲濾波器電路原理

根據圖2的分數階噪聲濾波器電路,可以得到輸出電壓U2如式(1)所示,其中ω為干擾信號角頻率。利用阻抗匹配法,使得分數階噪聲濾波器對高頻傳導干擾具有最大損耗。

2.3 濾波器電器特性對比

對傳統噪聲濾波器及分數階噪聲濾波器分別施加頻率ω=50 rad/s的正弦電壓,通過仿真測量電源輸入端端口電流。

2.3.1 濾波器響應特性

傳統噪聲濾波器及分數階噪聲濾波器的響應特性分別如圖3、4所示。

由圖3、4可以得出,傳統噪聲濾波器的電源響應特性大約需要5個周期,約0.7 s達到穩態,同時其波峰及波谷相差較大;相同條件下分數階噪聲濾波器的電源響應特性僅需要2個周期約0.2 s達到穩態,同時其波峰及波谷相差很小。現場復雜電源環境下2種濾波器的電源響應特性之間差距更大,分數階噪聲濾波器更適合復雜環境下的電源抗干擾處理。

圖3 傳統噪聲濾波器響應特性

圖4 分數階噪聲濾波器響應特性

2.3.2 濾波器插入損耗

給定相同輸入信號,傳統噪聲濾波器與分數階噪聲濾波器的插入損耗如圖5所示。由圖5可知,傳統噪聲濾波器的頻率特性范圍較窄(曲線斜率較小),分數階噪聲濾波器的頻率特性范圍較寬(曲線斜率較大)。傳統噪聲濾波器的衰減頻率及通過頻率的選擇度較低,有可能導致部分信號衰減或噪聲沒有徹底去除。分數階噪聲濾波器頻率的選擇度較高,SF6氣體密度繼電器各類數據可以在幾乎不衰減的狀態下去除噪聲。

圖5 傳統噪聲濾波器與分數階噪聲濾波器插入損耗對比

選取不同分數階次,如表1所示,分數階噪聲濾波器的插入損耗如圖6所示。由圖可知,隨著階次的升高,分數階濾波器頻率特性范圍越大。此外,SF6密度繼電器可以根據安裝位置所處的不同噪聲環境,選取適當分數階濾波階次,達到更好的預期濾波效果。隨著分數階電容、電感的研究及開發,大部分的分數階元件均可在市場中購買,或通過整數階電容、電感進行高階次逼近而實現。

表1 分數階噪聲濾波器階次

圖6 不同階次分數階噪聲濾波器插入損耗

3 現場試驗驗證

3.1 現場安裝及試驗條件

基于分數階濾波系統的Lo Ra新型抗干擾遠傳式SF6密度繼電器樣機現場安裝如圖7所示。

圖7 新型抗干擾遠傳式SF6密度繼電器現場樣機

為了測試其供電電源抗干擾及硬件抗干擾兩方面的可靠性,將樣機分別安裝于河北省南部電網某500 k V變電站的220 k V、500 k V 2種電壓等級SF6組合電器設備上,采取表2所示試驗條件進行測試,并與相同環境下傳統的SF6密度繼電器進行對比。

表2 現場試驗條件

3.2 試驗結果

新型抗干擾遠傳式SF6密度繼電器與傳統SF6密度繼電器在220 k V及500 k V電壓等級的SF6組合電器設備上供電電源抗干擾對比情況分別如圖8、圖9所示。其中,2種電壓等級中新型抗干擾遠傳式SF6密度繼電器的分數階噪聲濾波器參數如表3所示。

圖8 220 k V組合電器供電電源抗干擾對比

圖9 500 k V組合電器供電電源抗干擾對比

表3 2種電壓等級中的分數階噪聲濾波器參數

由圖8可以明顯看出,采用分數階噪聲濾波器供電電源抗干擾的SF6密度繼電器可以在高頻范圍上有效抑制電網通過供電電源耦合進入的干擾。而傳統SF6密度繼電器隨著干擾頻率的增加,供電電源抗干擾能力有所下降,無法有效抑制耦合進入的干擾。對于圖9所示500 k V電壓等級的組合電器2種SF6密度繼電器供電電源抗干擾對比情況,采用分數階噪聲濾波器的SF6密度繼電器將耦合進入的干擾信號幅值抑制在30 d B至60 d B,而傳統SF6密度繼電器無法有效抑制干擾信號,同時隨著頻率的增加,干擾信號幅值高達120 d B,約為新型抗干擾濾波器的4倍。

4 結論

本文結合500 k V變電站電磁環境特點,從提高SF6密度繼電器電源抗干擾角度出發,將分數階電源噪聲濾波器引入SF6密度繼電器供電電源回路中。利用分數階噪聲濾波器中分數階元件階次的可變性,增大了遠傳式SF6密度繼電器供電電源抗干擾的適用范圍,提高了遠傳式SF6密度繼電器的抗干擾性。最終通過現場試驗驗證了本文所設計新型分數階濾波抗干擾SF6密度繼電器的科學性及適用性。