换流阀防火监测装置设计及其电磁屏蔽性能研究

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检验与测试
基金项目：国家电网有限公司总部科技项目资助(5200-201946091A-0-0-00)作者简介：张承(1987— )，男，工程师，本科，从事换流阀及大功率电力电子设备结构设计工作； 毛志云(1986— )，男，工程师，硕士，从事电力设备结构设计、流体分析及抗震分析工作。

张承，毛志云，宋全刚，罗鹏，陈本乾
(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)
摘 要：为改变换流阀阀厅防火监测系统监测精度不足和时效性差的问题，研制了一种适用于换流阀阀塔的防火监测装置，该装置可实时监控阀塔内部元件的状态，及时发现火情。

为考核阀塔防火监测装置在复杂电磁环境下的电磁屏蔽特性，采用等效传输法对装置的电磁屏蔽效能进行计算，得出其屏蔽效能值满足使用要求。

试制出防火监测装置样机，并对防火监测装置成像关键技术进行试验验证，结果表明该装置完全满足工程使用要求，可大幅提高火情监测精度。

关键词：换流阀阀塔；防火监测装置；等效传输法；电磁屏蔽效能中图分类号：TM721.1 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2021)04-0044-04
Abstract: In order to get over the problem of insufficient monitoring accuracy and poor timeliness of the fire protection monitoring system of the converter valve hall, a fire protection monitoring device suitable for the valve tower was developed, which can monitor the state of the internal components of the valve towers in real time and detect fires in time. In order to evaluate the electromagnetic shielding characteristics of the valve tower fire monitoring device in a complex electromagnetic environment, the equivalent transmission method is used to calculate the electromagnetic shielding effectiveness of the device, and the shielding effectiveness value is obtained to meet the requirements of use. The prototype of the fire pro -tection monitoring device was trial-produced, and the key imaging technology of the fire protection monitoring device was tested and verified. The results showed that the device fully meets the requirements of engineering use and can greatly improve the accuracy of fire monitoring. Key words: valve tower; fire monitoring device; equivalent transmission method; effectiveness of electromagnetic shielding
ZHANG Cheng, MAO Zhi-yun, SONG Quan-gang, LUO Peng, CHEN Ben-qian
（XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China ）
Design of Fire Protection Monitoring Device for Valve Tower and Study on
Its Electromagnetic Shielding Performance
换流阀防火监测装置设计及其电磁屏蔽性能研究
0 引言
换流阀属于直流输电工程的核心设备[1-2]，近年来，国内外换流阀火灾事故已发生几十起，造成了较大的经济损失，因此，亟待提升换流阀阀厅及阀塔防火监测能力，及时发现并处理火情，最大程度减少损失。

在换流阀阀厅防火监测方面，国内外进行了大量研究，刘艳华提出在特高压阀厅中使用红外智能监控系统[3]，王抗、孙哲将烟雾和紫外检测结合后应用在高压直流换流阀火灾探测系统中[4-5]，韦鹏提出了阀厅智能巡检机器人系统等，分别从静动态
监测方面实现阀厅的火灾监测[6]，但目前阀厅防火监测系统存在监测精度不足和时效性差的问题。

为弥补阀厅监测系统的不足，针对换流阀阀塔内部火灾监测进行研究，研制出一种植入换流阀阀塔内部的防火监测装置，该装置可以实时监控阀塔内部关键元器件的状态和温度。

一旦阀塔内部元器件起火，阀塔防火监测装置能及时发现火情。

换流阀阀塔长期运行在高电压、大电流、强电磁的复杂环境下，要求装置产生的电磁辐射不能干扰其他设备正常工作，同时装置本身不受外界电磁干扰的影响[7]，需对其进行电磁屏蔽性能分析。

文中首先提出防火监测装置的结构设计方案，而后依据电磁屏蔽基本原理，利用等效传输法对防
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火监测装置的电磁屏蔽效能进行分析，最后试制防火监测装置的样机，并结合软件后台对防火监测装置成像关键技术进行试验验证，结果表明该装置完全满足工程使用要求，可大幅提高火情监测精度。

1 防火监测装置结构设计
换流阀自身的复杂电磁环境特性，要求其内部植入元件必须满足电磁屏蔽和电气距离等要求，因此防火监测装置自身应具备以下特性：结构紧凑，外形保持曲面，避免棱角凸起；具备电磁兼容功能和良好散热性能。

防火监测装置包含成像模块、供能模块、通信模块，结合阀塔的运行特性和金属壳体加工工艺性，综合布局后将模块集成在一近似球状的铝合金壳体内，铝壳厚1mm，半球最大直径100mm，壳体表面开有直径2.5mm 均匀分布散热孔，见图1，该装置具有质量小、强度大、结构紧凑、可调整监控视角及适合不同电压等级换流阀使用等特点。

防火监测装置直接安装在阀塔层间的支撑梁上，外壳与支撑梁等电位连接。

每个阀层布置2个监测装置就可以监测阀层的全部元件，装置单层布置及监测覆盖范围如图2所示。

通过分层布置的防火监测装置，可实现对阀塔关键零部件的全景监测。

以国内运行的某±800kV 工程换流阀为例，对加装防火监测装置后的阀塔进行绝缘设计和电磁场仿真校核，阀塔内部的电气间隙和磁场均满足设计要求。

2 电磁屏蔽性能评估
根据IEC 61000-6-2电磁兼容性(EMC)中要求，换流阀相关设备抗干扰能力需达到10V/m。

设备最低屏蔽要求可通过下述电磁屏蔽计算公式[8]得出：
S min =20log(E sta /E immu ) (1)
式中：
S min 为最低屏蔽效能，单位dB ；E sta 为设备外部干扰场强能力，单位V/m ；
E immu 为设备抗干扰的能力，需达到10V/m。

换流阀发出的电磁干扰最主要的高幅值场强出现在低频段，特别是频率值小于1MHz 的频段[9-11]，随频率的增高换流阀电磁干扰水平衰减很快[12]。

±800kV 换流阀阀塔辐射信号的工作频率1MHz 时，实测得出换流阀产生电磁干扰强度为990V/m [13]，代入式(1)得出：防火监测装置的最低屏蔽效能值为40dB。

当入射电磁波频率远低于金属板上圆孔的截止频率时，开孔金属屏蔽体的综合屏蔽效能S ，采用等效传输法来分析，可近似由以下式(2)进行计算。

S =A +R +B +K 1+K 2+K 3 (2)式中：
A 为孔的吸收损耗；R 为孔的单次反射损耗；
B 为孔的多次反射损耗；K 1为孔数目修正项；K 2为由趋肤深度不同而引入的低频穿透修正项；K 3为孔间耦合修正项。

以上各参数的单位均为dB。

1)A 项
式中：t 为孔深，单位m ；d 为圆孔直径，单位m。

2)R 项
对于低阻抗的圆形孔：k =d /(3.68r )；
对于高阻抗的圆形孔：
k =-3.41πdr /λ2。

式中：
r 是干扰源到屏蔽体的距离，单位m ；λ为波长，单位m。

3)B 项
当A ＜15dB 时，多次反射损耗B 为：
4)K 1项
当干扰源到屏蔽体距离远大于孔间距时K 1为：
K 1=
-10lg an (6)
监测装置
阀组件电抗器组件阀组件
图2 防火监测装置布置及监测范围示意图
A =32t d
(3)
(4)R =-20lg
4k
(1+k )2
(5)B =-20lg 1-( )210-0.1A
k -1
k +1
图1 防火监测装置
设备固定螺杆设备主体外壳
通信模块光电池
热成像、摄像模块
设备固定螺杆
a)背面b)正面
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式中：a 为单个孔的面积，单位cm 2；n 为单位面积上的孔数。

5)K 2项
K 2=-20lg(1+35P -2.3) (7)
式中：P 为孔间隔宽度与趋肤深度之比。

6)K 3项
电磁屏蔽计算所需各参数的具体值见表1，代入式(2)～式(8)中进行求解，得出各分项计算结果，见表2。

由计算可知，防火监测装置的电磁屏蔽效能达到124.54dB，大于最低屏蔽值40dB，满足换流阀复杂电磁环境下使用要求。

3 样机成像关键技术验证
阀塔防火监测装置获取阀组件的图像信息主要依靠可见光摄像头和红外摄像头，红外摄像头获取的是红外图像，主要反映器件的温度，其对器件的纹理特征不敏感，因此需要借助于自然图像易识别器件的特点，配准和融合自然图像，以获取温度过高的器件信息[14-17]。

火灾监测装置的成像终端样机控制架构图如图3所示。

样机的红外摄像头选用LEPTON 热像仪，可见光摄像头采用OV5640。

成像采集单元的控制模块由RAM 存储器和FPGA(MAX10)控制器组成，经成像采集单元实现可见光和红外摄像头的控制、数据接收及缓存。

数据控制单元采用FPGA+高速串行通信方式实现对外通信，各单元通过光电转换模块实现供能。

样机的可见光摄像头在QVGA 模式下成像矩阵为320×240，每秒120帧，而红外摄像头的成像矩阵为160×120，每秒8.8帧。

两者之间存在着明显的差异，需要在成像矩阵及帧率上进行匹配。

通过采用基于像素级的配准方法，对红外图像进行插值，从而实现红外和可见光图像的融合处理。

根据图像融合实现方案，搭建技术验证平台，以换流阀组件为对象，分别对热成像采集、可见光采集及图像融合的照片进行采集，如图4所示。

后台软件对缓存后的可见光图像数据自动转换
格式，通过调整检测范围和融合度显示出不同的增长效果，融合后图像见图5，成像系统的图像融合效果达到预期要求，其成像关键技术通过试验验证。

4 结语
防火监测装置植入到阀塔内部，满足电场及绝缘要求，通过对防火监测装置进行电磁屏蔽效能评估，得出装置的屏蔽效能值达到124.54dB，大于40dB 屏蔽值要求，装置的电磁屏蔽效能满足换流阀
运行要求。

使用火灾监测装置软件后台，对防火监测装置的监测成像系统等关键技术进行了试验验证，表明防火监测装置已具备工程应用的条件，防火监测装置应用后将大幅提升换流阀阀塔的火情监测精度，为直流工程的安全运行提供了有力保障，后续还要根据换流阀工程现场需求推广应用该技术。

表1 各输入参数值
t /m d /m f /Hz λ/m r /m p a /cm 2n 0.0010.00251×106300
1.2
0.000390.0491
4.61
图4 未融合前图像
a)可见光成像图像
b)红外成像图像
图5 融合后图像
图3 成像终端样机控制架构图
(8)
K 3=20lg
1
tan h (A /8.686)
表2 计算后数值
A R
B K 1K 2K 3S 12.8
124.9
-0.47
-13.5
-0.1
0.91
124.54
dB
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修稿日期：2020-12-17
4 结语
防跳回路在断路器操作回路中意义重大，能有效防止断路器发生“跳跃”对断路器本身和电网造成的巨大冲击。

因此二次检修人员在基建验收和定期校验中都要特别重视防跳回路的验证。

由于保护装置与一次设备通常出自不同厂家，在防跳回路的配合使用上容易出现寄生回路，二次检修人员在现场要特别注重防跳回路寄生回路的检查；另外要认真落实反措要求，仔细核查现场的接线情况。

文中给出了一种在现场缺少多余防跳继电器辅助接点情况下，消除防跳回路寄生回路的改进方法，经现场试验验证，该方法简便有效，可供现场借鉴使用。

图8 方案三回路图
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修稿日期：2021-02-22
(上接第37页)。