電子式電流互感器測量回路異常分析及處理

宋海龍，張娟梅

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.銀川市金鳳區(qū)良田小學(xué)，寧夏 銀川 750011)

在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，電子式電流互感器在直流場、交直流濾波器場等場景下應(yīng)用廣泛[1-2]，主要對直流電流或電容器不平衡電流進(jìn)行測量，供交直流控制、保護(hù)或故障錄波裝置使用[3]。以電容器不平衡電子式電流互感器為例，通常配置在交直流濾波器電容器橋型結(jié)構(gòu)中，用于電容器三段式不平衡保護(hù)報警或跳閘，從而保障濾波器向直流系統(tǒng)提供足夠無功、濾除相應(yīng)次數(shù)諧波和調(diào)節(jié)母線電壓等功能[4-5]。一般情況下，如果1個電容器單元的元件熔絲熔斷，該橋臂的電容值將隨之變化，從而導(dǎo)致橋中流過較大不平衡電流[6]，一旦電子式電流互感器測量回路出現(xiàn)異常，則對應(yīng)的電容器不平衡保護(hù)將會退出，無法對電容器組起到保護(hù)作用[7]，若此時發(fā)生多個電容器單元故障，有可能引起電容器組雪崩損壞導(dǎo)致設(shè)備故障擴大，給直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來極大影響。本文介紹了電子式電流互感器測量原理，對存在的問題及處理情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，可為直流換流站交直流濾波器運維管理提供參考。

1 測量原理及存在問題

1.1 測量原理

電容器不平衡電子式電流互感器利用低功率CT(low power current transformer, LPCT)傳感一次電流,利用基于激光供電技術(shù)的遠(yuǎn)端模塊輸出電流信號,利用光纖傳送信號,利用光纖復(fù)合絕緣子保證設(shè)備絕緣，具有絕緣簡單可靠、重量輕、測量精度高、動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、響應(yīng)快、運行穩(wěn)定可靠等特點。電容器不平衡電子式電流互感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

電容器不平衡電子式電流互感器有懸掛式及支柱式2種結(jié)構(gòu)方式，可以滿足不同的現(xiàn)場安裝需求。從圖1可知，其測量回路主要由一次傳感器、電阻盒、遠(yuǎn)端模塊、光纖復(fù)合絕緣子、戶外光纖熔接箱、戶內(nèi)光纖配線架和合并單元等組成[8-9]。每臺不平衡電子式電流互感器利用LPCT傳感一次電流，再將產(chǎn)生的二次電流經(jīng)電阻盒轉(zhuǎn)換成電壓信號，并聯(lián)輸出多路模擬電壓信號分別送至對應(yīng)遠(yuǎn)端模塊，經(jīng)信號處理后輸出串行數(shù)字電流光信號，通過多模光纖送至合并單元，最終將測量數(shù)據(jù)按照規(guī)定協(xié)議發(fā)送至二次裝置使用[10]。電容器不平衡電子式電流互感器光纖接口配置如圖2所示。

圖1 不平衡電子式電流互感器測量原理

圖2 不平衡電子式電流互感器光纖接口配置

從圖2可知，以Z11.T11 A相為例，即7611小組交流濾波器電容器組高壓塔A相不平衡電子式電流互感器，其一次傳感器輸出二次電流，經(jīng)電阻盒輸出6路電壓信號，分別接至6個遠(yuǎn)端模塊，每塊遠(yuǎn)端模塊通過2芯光纖與戶外光纖熔接箱相連，1芯用于激光取能，1芯用于電流量傳輸，均內(nèi)嵌在光纖復(fù)合絕緣子中；戶外光纖熔接箱通過光纖一端與遠(yuǎn)端模塊相連，另一端與戶內(nèi)光纖配線架及合并單元通過24芯光纜相連，其中12芯光纖在運，12芯光纖備用；合并單元NR1125采樣板卡通過光纖與戶內(nèi)光纖配線架相連，一方面給遠(yuǎn)端模塊提供工作電源，另一方面接收并處理遠(yuǎn)端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，并送至交流保護(hù)及故障錄波使用；當(dāng)不平衡電子式電流互感器測量回路發(fā)生異常，合并單元DSP板卡將報出相應(yīng)報警信息，提醒運維人員及時檢查處理。

1.2 存在的問題

在直流換流站日常運維工作中，交直流濾波器電容器不平衡電流采樣情況主要通過運維人員數(shù)據(jù)監(jiān)盤、合并單元異常告警等方式進(jìn)行監(jiān)視[11]。由于電容器不平衡電子式電流互感器測量回路故障率較高，測量回路異常時常伴有激光器驅(qū)動電流高、數(shù)據(jù)電平低告警、遠(yuǎn)端模塊置檢修和電流信號輸出異常等現(xiàn)象[12-13]。經(jīng)長期故障診斷排查，直流換流站交直流濾波器電容器不平衡電子式電流互感器測量回路異常主要有采樣板卡故障、光纖回路故障、遠(yuǎn)端模塊故障、傳感器或電阻盒故障4個方面的原因。

2 異常分析及處理

2.1 采樣板卡故障

在正常運行時，合并單元采樣板卡會存在發(fā)熱現(xiàn)象，如果屏柜內(nèi)通風(fēng)散熱不良，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理短時異?；蚣す馄鞴┠芄收蟍14-15]，一旦采集板卡故障，電流采樣將存在異常，現(xiàn)場可采取以下幾個步驟進(jìn)行分析處理：

(1)當(dāng)采樣板卡出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理短時異常時，一般合并單元會自動重啟，如果沒有自動重啟而電流數(shù)據(jù)仍舊異常時，可手動斷電重啟合并單元1次，若電流數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，則需加強關(guān)注。

(2)當(dāng)合并單元斷電重啟后電流數(shù)據(jù)仍未恢復(fù)正常，可在合并單元斷電情況下將自帶的遠(yuǎn)端模塊和光纖跳線連接到合并單元NR1125采樣板卡的故障通道上，或者直接將戶內(nèi)光纖配線架接至備用遠(yuǎn)端模塊的光纖跳線連接到故障通道上；然后，合上合并單元裝置電源，在合并單元液晶屏上觀察原故障通道對應(yīng)激光器驅(qū)動電流和數(shù)據(jù)電平是否正常，合并單元與遠(yuǎn)端模塊通訊是否正常，采樣數(shù)據(jù)是否正常以及監(jiān)控后臺報警信號是否復(fù)歸。

(3)當(dāng)更換備用遠(yuǎn)端模塊光纖通道后，如果原故障通道以上測試均恢復(fù)正常，則可排除合并單元NR1125板卡故障，初步判斷為外部光纖通道或遠(yuǎn)端模塊故障；如果原故障通道以上測試仍舊存在異常，則判斷為采樣板卡故障，可能是激光器供能故障，也可能是板卡數(shù)據(jù)處理模塊故障。

(4)當(dāng)判斷為采樣板卡故障時，首先需做好二次安全措施，對故障采樣板卡進(jìn)行更換及程序下載，即可消除電流測量回路異常問題。

2.2 光纖回路故障

由于電子式電流互感器是電量采集、光纖傳輸?shù)脑O(shè)備，測量回路存在長距離光纖回路，如果戶外光纜由于敷設(shè)時環(huán)境惡劣，光纜或尾纖受較大應(yīng)力擠壓，光纖熔接質(zhì)量不合格，光纖頭未擰緊或光纖頭被污染，均有可能引起光纖回路損耗增大、激光器驅(qū)動電流高和數(shù)據(jù)電平低等問題[16]，一旦光纖回路故障，電流采樣結(jié)果將存在異常。

以±800 kV某特高壓換流站為例，2016年12月29日，該換流站處于極寒天氣環(huán)境下，運行人員監(jiān)控后臺顯示4塊遠(yuǎn)端模塊頻刷數(shù)據(jù)電平低、置檢修狀態(tài)。經(jīng)排查，4條故障通道均來自7634小組交流濾波器電容器組高壓塔C相不平衡電子式電流互感器單元。為盡快排查故障點，現(xiàn)場將合并單元采樣板卡上C相故障光纖通道與B相正常光纖通道進(jìn)行調(diào)換，發(fā)現(xiàn)C相光纖通道數(shù)據(jù)恢復(fù)正常而B相光纖通道數(shù)據(jù)電平變低，說明外部光纖回路或遠(yuǎn)端模塊可能存在故障。

為了進(jìn)一步定位故障點，現(xiàn)場申請將小組交流濾波器轉(zhuǎn)檢修，進(jìn)入交流濾波器圍欄內(nèi)對光纖回路及遠(yuǎn)端模塊接口位置進(jìn)行詳細(xì)檢查處理，主要包括以下幾個步驟：

(1)在電子式電流互感器光纖熔接箱處將在運12芯光纖剪斷并進(jìn)行光衰耗測試，發(fā)現(xiàn)光纖熔接箱至遠(yuǎn)端模塊之間光纖衰耗均在正常范圍內(nèi)，約9 dB左右，至合并單元之間光纖衰耗很大，約40 dB左右，初步判斷為光纖熔接箱至合并單元之間光纖回路存在故障。

(2)在戶內(nèi)光纖配線架處將接至合并單元在運12芯光纖剪斷，并進(jìn)行光衰耗測試，發(fā)現(xiàn)光纖配線架至合并單元之間光纖衰耗在正常范圍內(nèi)，約8 dB左右，排除了合并單元采樣板卡的尾纖故障，初步判斷為戶外光纖熔接箱至戶內(nèi)光纖配線架之間鎧裝光纜回路存在故障。

(3)當(dāng)定位光纜回路故障后，現(xiàn)場組織開挖舊光纜，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)7634小組交流濾波器圍欄內(nèi)電容器組高壓塔C相不平衡電子式電流互感器光纜預(yù)埋鋼管堵塞，導(dǎo)致舊光纜無法抽出。當(dāng)切割硬化水泥地面后，發(fā)現(xiàn)預(yù)埋鋼管內(nèi)存在結(jié)冰凍實、舊光纜被完全卡死現(xiàn)象，初步判斷為在戶外敷設(shè)光纜預(yù)埋鋼管時由于工藝不良、封堵不嚴(yán)導(dǎo)致殘留雨水浸入；同時該段埋管地勢低洼導(dǎo)致雨水無法排出，以致于在極寒天氣下結(jié)冰凍實，導(dǎo)致整根光纜承受較大應(yīng)力而引起光纖衰耗增大和電流測量結(jié)果異常。

(4)當(dāng)判斷為戶外光纜損壞時，現(xiàn)場組織預(yù)埋新鋼管、敷設(shè)新光纜和進(jìn)行光纖熔接，要求光纜敷設(shè)、鋼管封堵及填埋工藝便于維護(hù)，待裝置送電后觀察合并單元及監(jiān)控后臺，4條故障通道所接合并單元激光器驅(qū)動電流和數(shù)據(jù)電平均恢復(fù)正常，電子式電流互感器一次通流試驗結(jié)果正確，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

2.3 遠(yuǎn)端模塊故障

每臺電子式電流互感器均配置6個遠(yuǎn)端模塊，分別送至第1套保護(hù)量采樣、第1套啟動量采樣、第2套保護(hù)量采樣和第2套啟動量采樣，剩余2個遠(yuǎn)端模塊作為備用[17]。如果遠(yuǎn)端模塊激光取能單元或數(shù)據(jù)處理單元發(fā)生故障，均有可能引起電流采樣結(jié)果異常。

(1)如果合并單元斷電重啟、采樣板卡更換后故障依舊存在，光纖熔接箱在運12芯光纖至遠(yuǎn)端模塊、合并單元之間光纖衰耗均在正常范圍內(nèi)，即可判斷遠(yuǎn)端模塊存在故障。

(2)作為緊急處理措施，可在戶內(nèi)光纖配線架處將備用遠(yuǎn)端模塊通道替換至該故障通道，電流測量回路即可恢復(fù)正常。

(3)待停電檢查處理時，將小組交流濾波器轉(zhuǎn)檢修，對故障遠(yuǎn)端模塊進(jìn)行更換，即可消除測量回路異常問題。

2.4 傳感器或電阻盒故障

每臺電子式電流互感器均配置1套一次傳感器和1塊電阻盒，如果正常運行時傳感器或電阻盒發(fā)生故障，將從根源處無法傳變電流或電壓信號，甚至發(fā)生電流開路或本體燒損故障，其故障發(fā)生率較低，然而一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致4組小組交流濾波器相關(guān)保護(hù)全部退出，使電容器組完全失去保護(hù)。

如果傳感器或電阻盒發(fā)生故障，需申請事故緊急處置，將小組交流濾波器轉(zhuǎn)為檢修，對一次傳感器或電阻盒進(jìn)行更換，待采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，一次通流試驗合格后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

3 效果評價

(1)通過將戶內(nèi)光纖配線架接至備用遠(yuǎn)端模塊的光纖跳線連接到故障通道上，即可排查采樣板卡是否存在故障，方法簡單，實現(xiàn)了板卡故障快速定位，能夠及時恢復(fù)電流正常采樣。

(2)通過對光纖分段開展光衰耗測試，能夠快速縮小故障光纖排查范圍，對光纜敷設(shè)、鋼管封堵及填埋工藝提出更高要求，便于光纖回路故障排查及處理，可為設(shè)備檢修和工程管理提供參考。

(3)通過對電子式電流互感器測量原理及異常原因進(jìn)行具體分析，為運維人員提供了針對性異常處理方法，具有較強的現(xiàn)場指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

(1)科學(xué)有效的異常分析處理方法，能夠有效縮短運維人員故障處理時間，提升現(xiàn)場工作效率，提高直流系統(tǒng)運行可靠性，具有較高的社會效益。

(2)測量回路異常處理方法能夠及時有效發(fā)現(xiàn)交直流濾波器深層次隱患問題，減少設(shè)備非計劃停運時間和故障搶修勞動成本，保障直流功率可靠外送輸出，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)電子式電流互感器測量回路異常處理方法可為其他直流換流站交直流濾波器運維管理提供參考，其應(yīng)用推廣范圍更大。