線路避雷器用智能化監測器的電磁防護設計研究

賀 強，胡偉偉，殷保健，程家瑞，白 杰

（南陽金牛電氣有限公司，河南 南陽 474750）

0 引 言

當下，電力設備在創新發展中是以運用智能化設施為主，正朝著信息化、智能化以及自動化的方向發展。在輸電線路的避雷器中，智能化監測器代表了智能化技術的應用，這種新型傳感器能夠加強對線路避雷器使用的監管。為確保智能化監測器能夠合理應用在線路避雷器中，使其效能及作用得到充分發揮，將電磁防護設計作為一項新興研究議題，以此為切入點來進行分析，為豐富相關研究理論作出貢獻。

1 型式試驗的相關問題

1.1 智能化監測器的構成

研究以交流輸電線路中的避雷器為例，通過太陽能板和電池共用的方式進行供電，在通信方面以無線通信為主。研究樣機的組成涵蓋了供電、傳感器以及信號綜合處理等部件，智能化檢測器實物如圖1所示。

圖1 智能化監測器

1.2 試驗暴露的問題

表1為電磁防護設計試驗的相關要求。結合不同要求來看，試驗中會存在靜電放電干擾的問題。對樣機信號綜合處理部分（外殼螺釘）進行-8 kV接觸放電時，通信出現亂碼和丟字符現象，導致產生通信亂碼，同時還存在浪涌沖擊干擾的問題。而對樣機信號端口進行2 kV浪涌試驗時，則會出現通信延時、丟字符的問題。

表1 電磁防護設計要求

2 智能化監測器的防護設計

2.1 機殼防護設計

在電磁防護設計中，要想防治在靜電放電試驗中出現傳導干擾與空間干擾的現象，就要加強對樣機印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）與相關器件的保護，重點體現在機殼防護設計方面，可選用金屬屏蔽機殼來降低靜電放電對其產生的影響[1]。在實際建設中，屏蔽機殼要以2 mm厚鍍鋅鋼板進行設計，將信號轉接頭的螺母與屏蔽襯墊固定在機殼開孔部位，以此來完成屏蔽，確保機殼開孔完全密閉。

2.2 PCB板的設計

在電磁防護設計中，PCB設計的作用在于降低靜電放電對設備的影響，使設備運行能夠更加安全、穩定。科學合理的PCB板以提高自身電磁兼容性能為主，并根據設備的多樣化功能來進行電源、模擬信號、數字及射頻等多個模塊的劃分，具體可見圖2。

圖2 PCB板實物

以分層次設計的方式加強PCB板設計的規范性、合理性及科學性，充分發揮其提高設備電磁兼容性的效能。本樣機中涉及到模擬、數字、射頻3種信號，采用4層PCB板，從上到下分別是地層、信號層以及電源層，目的是加強對電流的抗干擾性，實現回流阻抗的減少與頂層敏感信號的有效屏蔽，以此來凸顯設備較強的抗電磁干擾性能。在設計PCB板時，應當充分考慮走線長度的設計，其越短則代表環路面積越小，反之則越大，這些都是影響輻射干擾的重要因素[2]。對此，要想降低對設備運行的輻射干擾，PCB板的走線長度越短越好，以此來控制其信號環路。

2.3 信號端口防護設計

在信號端口防護設計中，智能化監測器內部能夠依據測試的信號類型與電流大小選用不同匝數比和不同線徑的電流互感器進行優化配比。其中涉及到多種積分電阻，作用在于信號輸出的改進與優化。智能化監測器信號線的作用是以傳輸前端傳感器所獲取的全電流信號與雷電流信號為主，相關信號的獲取是通過接觸4根雙絞線來完成。在這4根線中，有2根線的作用為工頻信號傳輸，峰值電壓為5 V，另外2根線則用于雷電流信號傳輸，峰值電壓為10 V。在信號端口電磁防護設計方面，會運用到氣體放電管、瞬態抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）及壓敏電阻來加強設備的電磁保護，依據各類防護器件自身性能來對樣機端口防護進行充分考慮，主要是以信號端口為基準。研究提到的電磁保護器件的作用各有不同，壓敏電阻能夠泄放浪涌電流，而TVS管則是以泄放靜電電流為主，通過聯合應用的方式來加強對后級電路的保護，確保整個信號端口的安全性得到提升[3]。

結合壓敏電阻的選用原則來看，依據智能化監測器信號端口浪涌試驗的相關要求，一般選取的壓敏電阻型號是HEL-14D180和HEL-14D330。同時，依據TVS管的選擇原則來看，需根據信號端口的靜電放電試驗要求選用P6KE6.8CA與P6KE11CA型TVS管。

考慮到壓敏電阻的功率比TVS管大，在信號端口的防護設計中，要將壓敏電阻放置在TVS管前端。由于2種防護器件具備不同的防護性能，基于兩者的時間響應特性來看，因擊穿電壓特性相關性能指標的差異，要想有效加強信號端口的防護性，在實際使用中要同時進行去耦器件的設置，依據全電流信號端口選取電感完成去耦，雷電流信號端口以電阻完成去耦[4]。

2.4 地線端口設計

在電磁防護設計中，地線端口的設計也十分重要，這是提升設備電磁兼容性的有效方式。只有采取良好的接地方式，才能避免出現電磁干擾的現象，加強對產品質量的保護，預防設備運行過程中受到電磁干擾的影響，以此來增強設備運行的穩定性與安全性保障，有效防止對相關產品造成損害[5]。基于靜電放電與共模浪涌形成的共模干擾電流來看，其干擾性能較強，能夠依據回流的方式來不斷加大對設備運行的電磁干擾。因此，設備接地質量水平的高低將由地線端口的設計決定。為體現出地線端口設計的實質性效能，就要對試驗中產生的共模干擾電流進行分析處理，在其流經的信號端口進行電磁防護設計[6]。通常來說，為了防止試驗時共模干擾電流流經信號端口處，樣機屏蔽機箱的接地點選擇在信號線的接口另一端附近處，在提高接地質量方面，設計要以減少接地電阻為基準。結合以往的研究結論與實踐經驗來看，可選取專用接地線編織帶設計地線端口，這種材質的接地線以紫銅為主，具備良好的抗電阻性能。對于智能化監測器外殼的接地，采用機殼端子和鐵塔通過螺栓緊固的直接搭接方式進行接地，以保證接地效果，從而提升整個接地端口的質量[7]。

3 試驗驗證

3.1 試驗回路

為凸顯電磁防護設計的實際效能，依據試驗驗證的方式來進行樣機工作情況的模擬。智能化監測器能夠依據天線來傳輸各類數據信息，以模擬服務器天線接收數據信息的方式來對所采集的數據信息進行分類整合與分析處理，通過構建試驗回路來進行驗證，具體如圖3所示。

圖3 試驗回路結構

3.2 工作狀態

線路避雷器在使用智能化監測器時，為加強模擬研究的真實性，需結合靜電放電與浪涌試驗頻率等因素進行試驗。在線監測器裝置以1次/s的速率將數據信息發送至模擬服務器中，通過提高電磁干擾耦合的方式來深入了解樣機的通信內容，以結合工作狀態的方式來對設備質量進行評估[8]。

3.3 試驗條件

從靜電放電的層面來看，放電方式主要有接觸放電與空氣放電，實際電壓分別為±8 kV和±15 kV。在相關人員容易接觸的部位進行放電，頻率控制在1次/s，放電次數為10次。在浪涌抗擾度方面，選取的電壓為±2 kV[9]。

結合上述條件來進行試驗，體現出設備運行的可靠性與穩定性。在通信的過程中始終沒有產生亂碼、誤碼以及丟碼的問題，各項性能指標也滿足設計要求[10]。

4 結 論

結合上述研究分析來看，為充分體現出電磁防護設計對于提升電力設備中智能化設備使用的安全性與穩定性，以加強電磁防護的方式來使智能化監測器的效能及作用能夠在線路避雷器中得到充分發揮。研究發現，以試驗驗證的方式能夠為工程樣機電磁防護設計提供更具參考價值的可行性方案，以此來提出更具科學性、規范性以及合理性的工作建議，為電力設備智能化監測器的使用提供具備現實意義的參考依據，為智能化監測器的推廣與應用提供保障，從中體現出開展電磁防護設計研究的價值與意義。