智能變電站電子式互感器激光供能回路薄弱環節分析

賴桂森 何海歡 梁家豪 陳海鋒 胡義

摘? 要：電子式互感器相對于傳統的電磁式互感器具有諸多優點，未來在智能變電站中將得到更廣泛的應用。激光供能是電子式互感器的重要供能形式，具有不存在電能死區、電源穩定、噪聲小的特點。然而，激光供能回路的器件本身的缺陷和異常，將影響電子式互感器的穩定性和可靠性。本文首先闡述激光供能回路的工作原理，并結合在現場實際運行中的電子式互感器的激光供能回路發生的缺陷和異常案例，對供能回路的薄弱環節進行分析。針對施工環境污染、激光器失效、光纖回路異常等三類主要問題，給出了運行和維護的具體建議，為后續工程的實施和運維提供參考。

關鍵詞：智能變電站? 電子式互感器? 激光供能? 供能網絡

中圖分類號：TM72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0001-03

Analysis of weaknesses in laser energy supply circuit of electronic transformer in intelligent power substation

LAI Guisen? HE Haihuan? LIANG Jiahao? CHEN Haifeng? HU Yi

（1. Guangzhou Bureau of EHV Transmission Company， Guangzhou， Guangdong Province， 510640 China）

Abstract： Compared with traditional electromagnetic transformer， electronic transformer has many advantages and will be widely used in intelligent substation in the future. Laser is an important form of energy supply for electronic transformer， which has the characteristics of no dead zone， stable power supply and low noise. However， the defects and anomalies of the components in the laser energy supply circuit will affect the stability and reliability of the electronic transformer. This paper first describes the working principle of the laser energy supply circuit， and combined with the defects and abnormal cases of the laser power supply circuit of the electronic transformers in operation， as to analyze the weaknesses of the energy supply circuit. At last， specific suggestions are put forward for the operation and maintenance to the three main problems， such as construction environmental pollution， laser failure and optical fiber circuit abnormality.

Key Words： Intelligent power substation; Electronic instrument transformer; Laser energy supply; Energy supply network

在智能變電站中，電子式電流互感器是進行電流測量的關鍵環節。新型的數字化電子式電流互感器采用新型傳感材料，消除了傳統的電磁式電流互感器中廣泛存在的鐵芯飽和、鐵磁諧振等問題。此外，在互感器的二次側通過光纖引至合并單元，可直接輸出數字信號，具有方便網絡通信的特點[1-2]。

有源電子式電流互感器的采集器需要電源才能正常工作，供能是否穩定將直接影響到電子式互感器運行的可靠性。如果電子式互感器出現故障，無法正確地傳變一次信號，則保護、測控、計量等二次設備可能出現錯誤的動作或輸出，繼而可能引發嚴重的后果[3]。據統計，在某一示范工程的6座智能變電站中，發生測量系統缺陷22個，激光供能回路缺陷7個，占比31.8%。可見，激光供能回路是有源電子式互感器應用的關鍵環節[4]。

本文對在實際運行中的電子式電流互感器的激光供能回路缺陷和異常進行了統計，對導致激光供能回路發生故障的薄弱環節進行了分析，提出了激光供能回路的運維建議，可為提高有源電子式互感器的可靠性提供參考。

1? 有源電子式互感器供電方式

有源電子式電流互感器的工作原理圖如圖1所示，首先由一次側傳感器將大電流信號轉變為小電壓信號，再將經過采集器進行采樣將電信號轉換為光信號，通過信號光纖傳輸至低壓側合并單元，經合并單元與測量或保護等二次設備接口。由此可見，為了確保電子式互感器的正常工作，必須給采集器提供可靠、穩定的供電電源。

目前電子式互感器的供電模塊常用的供電方式主要包括感應線圈從母線取能和激光供能兩種方式，太陽能供電、超聲波供電、無線供電等技術也在探索當中[5]。相對于其他供能方式，激光供能系統結構簡單，輸出的供電電壓不存在電能死區、穩定性好，使用光纖傳遞能量和信號將高、低壓兩側電路進行了隔離，有效避免了兩側的電磁干擾，特別適合在強電磁干擾環境下工作。此外，激光的發射和接收元器件體積都較小，便于激光供能模塊的微型化[6]。基于上述優點，激光供能方式在有源電子式互感器中得到了廣泛的應用。

2? 激光供能回路工作原理

激光供能原理如圖2所示，在低壓側由驅動及保護電路控制激光器產生光能，通過光纖傳輸到高壓側，由光電池將光能轉換為電能，最后經過DC-DC轉換器構成的穩壓電路，為電子式互感器采集器提供穩定的直流電壓。通常激光器和驅動電路集成于合并單元當中，而光電池和穩壓電路集成于數據采集單元當中。根據控制方式的不同，激光供能回路可分為開環和閉環控制兩種工作模式[7]。

（1）開環控制工作模式：根據采集單元的最大功率需求，合并單元中的驅動電路控制激光器輸出一定功率的光能，通過供能光纖傳輸給光電池。綜合考慮到激光器、光電池、供能光纖的效率和衰減等因素，合并單元中給驅動電路設定的功率值往往比采集單元正常工作情況下的功率需求大得多。

（2）閉環控制工作模式：采集單元所需功率隨其運行環境變化，采集單元實時監測工作狀態并反饋給合并單元，合并單元相應地調整驅動電流改變激光器的輸出功率。同時，合并單元實時監測驅動電流和激光器溫度，并加入功率限制、告警功能。當驅動電流或溫度大于設定值時，仍不能滿足采集單元的功率需求，則需發送告警信息，必要時關閉激光器防止損壞。

3? 激光供能回路薄弱環節及案例分析

從上述的工作原理進行分析，不難發現激光供能回路的薄弱環節在于激光器和光纖回路。當激光器或光纖出現異常，導致效率降低、損耗增大時，不管在開環模式下還是閉環模式下，為了維持較高功率輸出，合并單元只能增大驅動電流。然而，驅動電流越大，激光器的溫度就越高。如果長時間工作在驅動電流較大的狀態，激光器容易發生老化導致其工作壽命迅速降低甚至直接損壞。

本文對某公司現場在運行的電子式互感器的激光供能回路發生的缺陷進行了統計。如圖3所示，在2015—2019的5年期間，共發生激光供能回路缺陷或異常23次。現場運行的表現主要是合并單元出現驅動電流升高或合并單元出現瞬時報警后自動復歸。綜合現場運行情況和返廠檢測的結果進行分析，認為導致缺陷或異常的主要原因包括：在現場安裝時施工環境不夠潔凈，屏柜內存在灰塵，導致激光器斷面污染;激光器受靜電干擾導致效率變低或關閉;光纖瞬時受到外力導致瞬時損耗變化或損傷。

4? 結語

本文結合理論分析和實際案例，證明了電子式互感器激光供能回路的薄弱環節在于激光器和光纖回路。建議在現場安裝和后期運行維護時，需首先對環境進行清潔處理，再對供能回路的相關器件進行安裝或更換，在安裝和更換過程要注意光纖插拔操作和防靜電保護措施。通過防塵控制、防靜電控制及規范操作預防來減少可能導致激光器和光纖回路異常的因素，提高電子互感器激光供能回路的可靠性。

參考文獻

[1] 蘇占江.智能變電站關鍵技術及其構建方式的分析[J].科技創新導報，2016，13（16）：18-19.

[2] Xingchao Zhang， Lu Wang， Chengzhi Yang. Research and design of integral circuit for electronic current transformer[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，423（1）.

[3] 張秋雁，李紅斌，程含渺，等.有源電子式電流互感器在線監測技術研究[J].高電壓技術，2016，42（1）：208-213.

[4] 熊俊軍，黃華，胡蓓，等.一種有源電子式電流互感器供能狀態監測系統的設計[J].變壓器，2018，55（4）：25-31.

[5] 劉娜.無線供電技術在電子式互感器方面的應用研究[D].淄博：山東理工大學，2019.

[6] 胡偉曦，譚建成.電子式互感器原理及關鍵技術綜述[J].電氣開關，2018，56（3）：7-12.

[7] 王軍，夏利民，陳磊.電子式電流互感器激光供能方案設計[J].江蘇科技信息，2017（13）：45-46.