強(qiáng)電磁場對1 000 kV等電位在線驗電器的影響和防護(hù)措施

張大堃，張文勝

(1.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川成都610041; 2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川樂山614000)

強(qiáng)電磁場對1 000 kV等電位在線驗電器的影響和防護(hù)措施

張大堃1，張文勝2

(1.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川成都610041; 2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川樂山614000)

等電位在線驗電器在運(yùn)行過程中受強(qiáng)電磁場的干擾。在1 000 kV的特高壓線路上，干擾尤為明顯。其現(xiàn)象包括LED亮起后無法完全關(guān)斷、閃爍間隔時間不穩(wěn)定等。從強(qiáng)電磁場對等電位在線驗電器的干擾入手，根據(jù)高壓試驗測量的數(shù)據(jù)，分析強(qiáng)電磁場對LED元件和控制元件的影響，并尋求相應(yīng)的防護(hù)措施。試驗結(jié)果表明，加裝屏蔽防護(hù)金屬網(wǎng)和采取多芯片堆放再厚膜封裝的電路集成，可有效減少強(qiáng)電場對驗電器的干擾。通過優(yōu)化電路板設(shè)計、增加鐵磁材料金屬箔、前端增加瞬變抑制二極管等輔助措施，可進(jìn)一步保證1 000 kV等電位在線驗電器在強(qiáng)磁場和瞬時過電流的環(huán)境下仍能正常、穩(wěn)定工作。

等電位在線驗電器;強(qiáng)電磁場;防護(hù)措施;金屬網(wǎng)屏蔽;瞬時過電流;厚膜封裝

0 引言

等電位在線驗電器作為近年來應(yīng)用于電網(wǎng)的新裝置，其主要功能是檢驗驗電器所接觸的導(dǎo)體是否帶電。當(dāng)導(dǎo)體帶電時，驗電器通過閃爍發(fā)光警示工作人員該處帶電;當(dāng)導(dǎo)體不帶電時，驗電器則不再閃爍發(fā)光。等電位在線驗電器與傳統(tǒng)抽拉桿式驗電器不同點在于，其等電位的安裝在高壓帶電體上，即等電位在線驗電器長期懸掛于高壓帶電體上，與帶電體處于同一電位。這樣的設(shè)計方便了運(yùn)維人員的驗電工作，既無需隨身攜帶拉桿驗電器，又無需舉起絕緣桿驗電。而傳統(tǒng)抽拉桿式驗電器在驗電過程中需要舉起絕緣桿驗電的操作，這對于離地距離很高的330 kV及以上電壓等級設(shè)備的驗電是非常困難的。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(變電部分)》(簡稱《安規(guī)》)規(guī)定，330 kV及以上的電氣設(shè)備，可采用間接驗電方式進(jìn)行驗電。根據(jù)《安規(guī)》釋義，該規(guī)定是由于這類特高壓電氣設(shè)備的“驗電器過于笨重，操作不便，有的還沒有成熟的產(chǎn)品”［1］，因此，采用間接驗電無疑是退而求其次的選擇。1 000 kV等電位在線驗電器的設(shè)計，解決了傳統(tǒng)直接驗電所用的驗電器笨重、雷雨天氣無法直接驗電等問題，填補(bǔ)了沒有成熟驗電產(chǎn)品的空白，其等電位的設(shè)計同時也杜絕了設(shè)備由于驗電器絕緣表面積污或絕緣老化發(fā)生對地閃絡(luò)或擊穿的隱患。

然而，等電位在線驗電器因其工作環(huán)境惡劣，給設(shè)計帶來了許多新的難點和挑戰(zhàn)。目前，并沒有對等電位帶電驗電器在交流1 000 kV電壓下工作特性的研究前例，該研究屬于首例，并將對在此電壓等級下工作的驗電器受到的強(qiáng)電磁場環(huán)境影響及防護(hù)措施作出基于試驗數(shù)據(jù)的分析和建議。由于驗電器長期處于高電位，隨著電壓等級的不斷升高，所處的電磁場環(huán)境也越來越強(qiáng)烈，電磁干擾對其控制系統(tǒng)的正常工作帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，整體設(shè)計必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。下面將著重對等電位在線驗電器在強(qiáng)電磁場環(huán)境下的干擾問題和抗干擾設(shè)計問題進(jìn)行研究和討論。

1 等電位在線驗電器基本原理

1.1 靜電感應(yīng)原理

放入電場中的導(dǎo)體，其中的自由電荷在電場力的作用下發(fā)生定向移動使導(dǎo)體兩端分別出現(xiàn)等量異性電荷——感應(yīng)電荷。在工頻強(qiáng)電場的作用下，導(dǎo)體會產(chǎn)生大量靜電感應(yīng)電荷。

1.2 耦合原理

電容接在交流電路中，當(dāng)電容器兩端的電壓逐漸正向升高時，電荷將在電容器的兩個極板聚積;當(dāng)電容器兩端的電壓逐漸下降并反向升高時，在兩個極板上聚積的電荷逐漸減少到零，然后反極性電荷再在電容器的兩個極板聚積。電容器的兩個極板是絕緣的，整個過程并沒有電流通過電容器;但隨著兩個極板電位差的升高、降低而集聚和釋放電荷的現(xiàn)象，看起來則像是有電流通過，因此，它能把直流隔離，而將交流信號以兩端電壓升高和降低的形式耦合過來，傳給下級的電路元件。

1.3 1 000 kV等電位戶外固定式在線驗電器能量采集設(shè)計

1 000 kV等電位戶外固定式在線驗電器系統(tǒng)中的能量采集，是通過收集環(huán)境中產(chǎn)生的高壓線路耦合能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)良好的輸出，為發(fā)光元件提供能量。該能量采集模塊使電荷能夠在存儲電容器上積累，直至降壓型轉(zhuǎn)換器可以高效率地將一部分存儲的電荷傳送給輸出為止，在無負(fù)載休眠狀態(tài)時，可調(diào)節(jié)輸出電壓，同時連續(xù)給存儲電容充電。

能量采集系統(tǒng)采用集成芯片，輸出電壓為可調(diào)節(jié)的，經(jīng)過LDO可實現(xiàn)具有限流和過熱關(guān)斷功能，可實現(xiàn)恒壓恒流充電［2］。如圖1所示，兩個遲滯比較電路分別用于檢測能量采集器的工作狀態(tài)，其輸出端作用于集成芯片的充電使能控制端，控制芯片的開斷，選通控制電路檢測兩個遲滯比較器的輸出狀態(tài)，并通過電平控制Q3、Q4、Q5、Q6的開斷狀態(tài)，調(diào)整切換能量采集器的工作狀態(tài)。

K為充放電選通電平，K1為線路電流檢測電平，在能量采集裝置供能不足時，通過K1控制Q8關(guān)斷充電電路，優(yōu)先保證負(fù)載的供電需求;K2為預(yù)充電控制電平，在儲能設(shè)備的電壓低于安全電壓UN時，Q8截止，充電電流經(jīng)預(yù)充電阻R充電。此外，為了防止能量采集器過度放電造成損壞，增加放電保護(hù)電路，當(dāng)儲能設(shè)備電壓＜UN時，關(guān)斷能量采集器對負(fù)載的放電。

能量采集器經(jīng)DC/DC升壓后，通過MOS管與供電端相聯(lián)，供電不足或者停電時，MOS管導(dǎo)通，能量采集器供電電路接入，使電源的輸出受電網(wǎng)狀態(tài)影響較小，保證供電的穩(wěn)定;由于能量采集器放電電路始終處于準(zhǔn)接入狀態(tài)，短時間內(nèi)向外輸出功率能提升一倍，可適應(yīng)各種苛刻的能耗環(huán)境。

2 1000 kV強(qiáng)電磁場對等電位在線驗電器的影響

2.1 強(qiáng)電磁場對控制回路中電子元件的影響

1 000 kV等電位戶外固定式在線驗電器的控制回路包括圖2中方框內(nèi)的部分，即功率放大、能量儲存和頻率控制部分。

1)工頻電磁場

在1 000 kV的輸電線路周圍，電磁場強(qiáng)度非常強(qiáng)根據(jù)國內(nèi)其他研究仿真計算表明，假設(shè)初始條件如下:運(yùn)行電壓為交流1 000 kV，運(yùn)行電流為259 0 A，導(dǎo)線采用8分裂500 mm2導(dǎo)線，分裂導(dǎo)線間距為0.4 m，線路對地最小距離21 m。水平排列的導(dǎo)線，在導(dǎo)線上方1 m處的電場強(qiáng)度最大值為161.6 kV/m，磁場最大強(qiáng)度達(dá)到502 μT;對于三角形排列的導(dǎo)線，在導(dǎo)線上方1m處的電場強(qiáng)度最大值為149.8 kV/m，磁場最大強(qiáng)度達(dá)到484 μT［3］。

強(qiáng)電場會產(chǎn)生強(qiáng)感應(yīng)電壓。強(qiáng)大的工頻電場，足以使驗電器內(nèi)部電子元件、集成電路中的金屬件間產(chǎn)生放電，并最終導(dǎo)致元件損壞、控制失靈。

圖2 等電位在線驗電器控制回路示意圖

2)無線電干擾

由于強(qiáng)電場在導(dǎo)線和金具周圍產(chǎn)生的電暈放電，以及金具聯(lián)接接觸不良產(chǎn)生的間隙火花放電，會產(chǎn)生頻率大于工頻的無線電干擾。無線電信號的主要頻率范圍為5～30 MHz。頻率越低，干擾越大［4］。等電位在線驗電器內(nèi)部的電子元件并沒有使用通信模塊或無線電模塊，受到無線電干擾的因素較小，再加上該頻率段的電磁波干擾功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工頻電磁波的功率，因此將不考慮無線電對驗電器的干擾［5－6］。

2.1.1 強(qiáng)電場對發(fā)光元件的影響及防護(hù)

在1 000 kV電場環(huán)境下，為防止電路板、電子元件等金屬件被高電壓擊穿，需要使用多種方式對驗電器內(nèi)部電子元件進(jìn)行整體屏蔽，包括增強(qiáng)電磁屏蔽、減弱干擾耦合、增加電子元件的抗干擾能力等等。用一個法拉第籠將整個控制組件屏蔽起來，作為電場屏蔽，是一種簡單有效的方式，但仍有其局限性［7－8］。然而，僅僅將控制回路部分用金屬包裹起來，當(dāng)高壓試驗電壓加至對地460 kV左右時，驗電器的閃爍頻率有明顯紊亂，頻率控制受到干擾;LED發(fā)光元件無法完全斷開熄滅。驗證試驗在中國電科院檢測中心高壓實驗室進(jìn)行，加壓設(shè)備及等電位驗電器的布置如圖3所示，帶電顯示器在箭頭所指處。

圖3 實驗現(xiàn)場布置

實驗中，驗電器搭載德州儀器(Texas Instrument)的電壓測量模塊ADS1015對單個LED燈芯兩側(cè)電壓進(jìn)行在線測量，如圖4所示。

圖4 LED電壓測量回路

經(jīng)換算后測量的LED兩端實際電壓如圖5。

圖5 LED兩端電壓采樣示意圖

圖6 測量的LED脈沖示意圖

由圖6可見，閃爍頻率不規(guī)律，且兩次閃爍間的半導(dǎo)體結(jié)電壓仍保持在0.7 V左右，并有大量干擾信號出現(xiàn)。在5 s位置，二極管PN結(jié)有提前打開的現(xiàn)象，但因儲能不夠，未能達(dá)到LED正常工作的2～4 V電壓(根據(jù)顏色不同，LED工作電壓不同，實驗中使用的綠色LED，額定電壓3.4 V，額定電流250 mA)。

上述測試結(jié)果說明，電場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓足以使發(fā)光二極管導(dǎo)通，并阻礙了LED的正常關(guān)斷。這就是為什么發(fā)光元件在控制器斷開供電電源后，在閃爍間隙仍微弱發(fā)光，無法完全熄滅的原因。

要解決發(fā)光二極管的屏蔽問題，不能簡單地使用金屬箔包裹LED，否則LED的光線將無法透出。既能對LED進(jìn)行屏蔽，又不會遮擋LED發(fā)出的光線，采用了在LED燈板面上放置一層金屬網(wǎng)格，金屬網(wǎng)格的邊緣進(jìn)行倒角圓滑處理。金屬網(wǎng)格的電場屏蔽效果雖然沒有使用銅箔進(jìn)行屏蔽的效果好，但由于需要有孔洞透出LED燈光，這是一個折衷的辦法。由于金屬網(wǎng)的屏蔽效果與電磁場頻率成正比，對于30 MHz的電磁波，16目篩孔為1.180 mm的不銹鋼金屬網(wǎng)屏蔽效能可達(dá)88.6 dB［9］。不銹鋼金屬網(wǎng)從對電磁場屏蔽效果和性價比來講，不銹鋼網(wǎng)是最優(yōu)選擇［10］。

采用金屬網(wǎng)格對LED燈板進(jìn)行屏蔽后，再次實驗測量得到的結(jié)果是:在控制器切斷電源供應(yīng)的時間段，LED兩端的電壓基本為0，不再有強(qiáng)電場在LED芯片兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓的情況，且發(fā)光元件可以可靠關(guān)斷，但頻率仍然不穩(wěn)定。

圖7 采用金屬網(wǎng)格屏蔽后的LED脈沖示意圖

2.1.2 強(qiáng)電場對控制元件的影響及防護(hù)

發(fā)光元件閃爍頻率無規(guī)律的直接原因，在于外界電場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大于控制儲能電容充放電的三極管門極開斷電壓(一般為0.7 V)，使三極管受干擾打開。由于感應(yīng)電壓有很大的不確定性，開斷頻率并非是由頻率控制部分來主動控制，而是由感應(yīng)電壓升高隨機(jī)性導(dǎo)致了發(fā)光元件的不穩(wěn)定閃爍和頻率紊亂。

深入研究三極管受外間電場影響打開的問題，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)電場對所有電子元件的影響都是類似的。在強(qiáng)電場環(huán)境中工作的電子元件，由于在接線腳間產(chǎn)生感應(yīng)干擾信號遠(yuǎn)強(qiáng)于電子元件本身的動作信號，導(dǎo)致電子元件無法正常工作。

通過在控制用電子元件周圍采用金屬屏蔽的方式，很大程度上可以緩解這樣的干擾問題;然而在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線路的工作電壓上升到對地450 kV時，驗電器便開始發(fā)生不穩(wěn)定的閃爍現(xiàn)象。增加金屬屏蔽層厚度的效果并不明顯，解決這一問題必須采用電磁屏蔽、電路設(shè)計和芯片設(shè)計多重組合方式才能實現(xiàn)。

在實際設(shè)計中，因為使用有包括不可控整流電路、輸出濾波器、串聯(lián)諧振電路等電路組成的頻率控制系統(tǒng)，其中微電子集成電路(integrated circuit)占較大比例，由于本身尺寸很小(微米級)，根據(jù)電壓的定義:

尺寸的縮小，直接減小了在電場中的感應(yīng)電壓。再由于將電路封裝在接于同一電位的厚金屬膜中，所受到的干擾比獨(dú)立電子元件(discrete component)要小得多，從而減少電位差。比如說，在同樣的1 000 kV電場下，一個微米級的二極管在完全未屏蔽的環(huán)境中感應(yīng)電壓僅為毫伏級，遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體開斷電壓的0.4～0.8 V。對于沒有集成的電子元件，將采用多芯片堆放(MCM)的方式，將電子元件的微米級芯片直接集成到同一個半導(dǎo)體基板上后，并進(jìn)行統(tǒng)一的厚金屬膜的封裝，以達(dá)到相同的效果。如圖8所示。

圖8 成型后的MCM裸芯切片

2.1.3強(qiáng)磁場對驗電器的影響及防護(hù)

在交流1 000 kV導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度超過500 μT，基于楞次定律，高壓輸電線路負(fù)載電流在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的工頻磁場，將在控制電路中的閉合回路里產(chǎn)生感應(yīng)電流，而在非閉合回路的開口兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若不對由該工頻磁場引起的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓進(jìn)行限制，將造成控制電路工作不穩(wěn)定，或?qū)﹄娮釉龎模?1］。因此在電路板設(shè)計時，不應(yīng)采用在一般情況下用于電路板屏蔽的地線非閉合環(huán)繞電路板的方式，或進(jìn)行電路板接地極敷銅箔的方式，以免引起環(huán)流發(fā)熱或非閉合環(huán)路開口處電壓燒損。由于工頻磁場頻率低(僅50 Hz)，為了有效屏蔽強(qiáng)磁場，除采取上述電路設(shè)計措施外，在驗電器外殼內(nèi)，還敷設(shè)了一層由高導(dǎo)磁鐵磁材料做成的金屬箔作為磁場屏蔽層。將鐵磁材料金屬箔做成非封閉環(huán)，邊沿作圓滑處理，且非封閉環(huán)平面不與磁通垂直，以減小感應(yīng)電壓［12］。

由于驗電器控制回路中的電流最高僅為毫安級，因此不考慮由安培定律引起的在強(qiáng)磁場下的電動力效應(yīng)。

2.2 瞬時過電流引起的強(qiáng)磁場干擾

強(qiáng)磁場對等電位在線驗電器的干擾有一種特殊的情況，即在發(fā)生雷擊或線路出現(xiàn)短路大電流的瞬間。雖然這類事件發(fā)生的概率小，但對驗電器的長期、穩(wěn)定、可靠工作，有著非常重要的影響。這里進(jìn)行簡短說明此類干擾的影響及防護(hù)措施。

當(dāng)發(fā)生雷擊或線路出現(xiàn)短路大電流的瞬間，輸電線路周圍的磁場突然變強(qiáng)，能量采集系統(tǒng)會感應(yīng)出一個很高的沖擊電壓，這對后端電路的安全工作極為不利。為了保護(hù)后端線路，在能量采集系統(tǒng)兩端接一個瞬變抑制二極管(transient voltage suppressor，TVS)，以限制能量采集系統(tǒng)輸出的沖擊電壓。TVS具有響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電流小的特點，它能夠以高達(dá)10－12s量級的速度將兩極的高阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩?，使兩極電壓鉗位在選擇值上。TVS對浪涌功率的吸收有特別好的作用，可避免因過電壓沖擊造成控制電路損壞［13－14］。

2.3 抗電磁干擾的元件設(shè)計

對現(xiàn)有多種電力電子方案進(jìn)行綜合參數(shù)和實驗對比后，采用定制高壓低漏電率的半導(dǎo)材料，結(jié)合合適的成品封裝工藝，直接在低漏電率的半導(dǎo)體基體上堆放的各元件的裸芯，通過多芯片組裝(MCM)，將各芯片連接后，再統(tǒng)一進(jìn)行厚金屬膜封裝。將多個獨(dú)立的電子元件，集成到一塊更小的區(qū)域，并封裝成型，可更好地屏蔽強(qiáng)電場干擾，降低局部放電和感應(yīng)電流的概率，降低對信號處理芯片的輸入信號質(zhì)量的干擾，最終達(dá)到提升控制電路主體的抗干擾能力。此外，這樣的結(jié)構(gòu)還能提高芯片的散熱效率、減少體積，并極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的防潮、防震等特性，這使得驗電器具備了長時間在戶外惡劣環(huán)境下工作的可能。

在完成上述對元件的集成后，驗電器在對地577 kV(相當(dāng)于相間1 000 kV)的環(huán)境下，閃爍頻率穩(wěn)定。整個驗電器的回路示意圖如圖9所示。

圖9 驗電器回路示意圖

3 結(jié)論

在交流1 000 kV強(qiáng)電磁場環(huán)境中，為保證等電位在線驗電器的正常工作，對其內(nèi)部電子元件選擇和整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計都提出了更為苛刻的要求。前面論述了在交流1 000 kV強(qiáng)電磁場環(huán)境下，造成等電位在線驗電器異常工作的原因，以及減少電磁場對在線驗電器干擾的防護(hù)措施。通過理論分析和實驗表明，強(qiáng)電磁干擾必須從金屬屏蔽、電路設(shè)計、電子元件選擇、集成電路結(jié)構(gòu)布置、外部均壓和整體設(shè)計等方面來綜合解決，從而使等電位在線驗電器可以長期、穩(wěn)定、可靠地應(yīng)用于交流1 000 kV的設(shè)備和線路上。通過實驗，可以得出以下結(jié)論:

1)在強(qiáng)電場作用下，電子元件和發(fā)光二極管的引腳間產(chǎn)生的感應(yīng)電壓將超過元件的關(guān)斷電壓，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的電子元件和發(fā)光二極管無法正常開斷，最終造成在線驗電器閃爍頻率紊亂、發(fā)光二極管無法完全關(guān)斷等現(xiàn)象;

2)加裝屏蔽防護(hù)金屬網(wǎng)，可以有效降低強(qiáng)電場在LED芯片兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，且發(fā)光元件可以可靠關(guān)斷，但閃爍頻率仍不穩(wěn)定;

3)采取電路集成化、多芯片堆放(MCM)再厚膜封裝等措施，可顯著提升控制元件的抗干擾能力，控制電路可以穩(wěn)定工作，閃爍頻率得到有效控制;

4)通過增加鐵磁材料的金屬箔、前端增加瞬變抑制二極管(TVS)的措施，可進(jìn)一步減小強(qiáng)磁場和瞬時過電流對驗電器的影響;

5)電磁干擾必須從金屬屏蔽、電子元件集成和封裝、電路設(shè)計等各方面整體設(shè)計來綜合解決。

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Equipotential on－line electroscope is prone to the interference by high electromagnetic(EM)field during its operation，especially in 1 000 kV UHV transmission line.The interference makes LED cannot be completely switched off and leads to irregular LED flashing.In order to overcome these problems，the influence of high EM field on LED components and control components is analyzed according to the measured data of HV test，and the corresponding protective measures are found out. Test results show that it can effectively reduce the interference to electroscope from high EM field by installing metallic mesh as shielding and using the integration of circuits with multi－chip module and thick－film package.Through optimizing the design of circuit board，adding metal foil of ferro－magnetic material and installing transient voltage suppressor，it can ensure the normal and stable operation of 1 000 kV equipotential on－line electroscope under the interference of high EM field and transient over－current.

equipotential on－line electroscope;high electromagnetic field;protective measure;metal－shielded mesh;transient over－current;thick－film package

TM835.1

A

1003－6954(2015)06－38－05

2015－09－22)

張大堃(1991)，碩士，從事高電壓設(shè)備傳感器和智能電網(wǎng)研究;

張文勝(1969)，高級工程師，從事高壓電技術(shù)研究。