特高壓換流站內(nèi)光CT故障分析及處理

陳 意

（國網(wǎng)江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

光CT作為變電站內(nèi)核心設(shè)備之一，為電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行提供保障，其測量故障將會(huì)導(dǎo)致電流測量故障并造成保護(hù)誤動(dòng)作。

1 光CT的結(jié)構(gòu)和原理

法拉第磁光效應(yīng)指線性偏振光沿外加磁場方向或磁化強(qiáng)度方向通過磁光介質(zhì)時(shí)，線性偏振光的偏振面發(fā)生的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象[1]。法拉第磁光效應(yīng)示意如圖1所示，偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)相位與左、右旋偏振光通過介質(zhì)時(shí)的相位差密切相關(guān)，與沿光傳播方向的磁場分量和光在磁場中所經(jīng)歷的路徑距離成正比。由于偏振光通過磁光介質(zhì)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角與偏振光傳輸路徑所包圍的總電流成比例關(guān)系，因此基于法拉第磁光效應(yīng)的電流互感器只要測出偏振光的偏轉(zhuǎn)角就可間接得到被測電流大小[2]。

圖1 法拉第磁光效應(yīng)示意圖

光電流互感器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由高壓側(cè)傳感部分、前置單元以及合并單元3大部分組成。高壓側(cè)傳感部分主要由具有磁光效應(yīng)光纖環(huán)、λ/4波片以及反射鏡組成，負(fù)責(zé)一次電流的轉(zhuǎn)換。前置單元主要包含光源、耦合器、偏振器、調(diào)制器、探測器以及信號(hào)處理單元等，主要作用是產(chǎn)生線性偏振光，同時(shí)檢測返回的偏振光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與一次電流相關(guān)的數(shù)字量信號(hào)[3]。高壓側(cè)傳感部分與前置單元之間采用保偏光纖聯(lián)接，以保證偏振光傳輸過程中的可靠性。合并單元主要負(fù)責(zé)接收前置單元的數(shù)字量信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成一次電流信號(hào)，并同步不同間隔之間的電流信號(hào)，供保護(hù)、計(jì)量以及監(jiān)控等后端應(yīng)用使用。高壓側(cè)傳感部分結(jié)構(gòu)簡單，不需油絕緣，體積小。前置單元和合并單元安裝在二次低壓側(cè)，巡視、維護(hù)以及檢修方便。

圖2 光電流互感器基本結(jié)構(gòu)

光電流互感器通過保偏光纖將線性偏振光傳輸?shù)溅?4波片，線性偏振光通過λ/4波片后形成圓偏振光進(jìn)入光纖環(huán)，圓偏振光穿過光纖環(huán)后的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)角，從而間接反映一次電流。實(shí)際應(yīng)用中，光電流互感器普遍采用干涉原理檢測光強(qiáng)的方法間接得到偏振光的旋轉(zhuǎn)角，從而得到一次電流[4]。

光CT整體由本體電流互感器、高壓隔離裝置以及接線盒等組成。COCT-OIB光電流互感器由一個(gè)位于高壓回路中的光電流傳感器和位于控制室光接口板組成，帶有光纖的高壓連接是作為光電流傳感器的機(jī)械支撐。

光電流傳感器中兩個(gè)羅柯夫斯基線圈并聯(lián)用作電流傳感器。為了冗余，光電流傳感器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)包含4個(gè)獨(dú)立的光電遠(yuǎn)程模塊，其中兩個(gè)遠(yuǎn)程模塊連接著與公共電流分流，其他遠(yuǎn)程模塊與獨(dú)立的羅柯夫斯基線圈相連。利用其他遠(yuǎn)程模塊，如增加測量系統(tǒng)的冗余，電流傳感器的非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)也可滿足條件。該傳感器所附的遠(yuǎn)程模塊最多可達(dá)8個(gè)。相關(guān)光纖的支柱絕緣子或信號(hào)柱是為了實(shí)現(xiàn)光電流傳感器與地電勢的絕緣。支柱絕緣子是用于在高壓回路中安放光電流傳感器的機(jī)械支撐，而光信號(hào)柱是光電流傳感器用主導(dǎo)體作為機(jī)械支撐。為了完成光纖系統(tǒng)，高壓連接與控制室二次設(shè)備之間需要鋪設(shè)光纜。光纖系統(tǒng)要與光電流互感器上的光電轉(zhuǎn)換裝置相匹配，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)光纖和使用ST/PC接口。控制室里的二次設(shè)備包括一些光接口板，每一塊光接口板由一個(gè)或兩個(gè)光接口模塊組成。兩塊光接口板使用其中一個(gè)光接口模塊是為了冗余。此外，光電流傳感器COCT標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是在一個(gè)并聯(lián)電阻、兩個(gè)羅柯夫斯基線圈以及用于冗余的4個(gè)遠(yuǎn)程模塊基礎(chǔ)上建立的，所有元件組裝在一個(gè)公共的傳感器內(nèi)[5]。

2 光CT故障分析與處理

2.1 問題發(fā)現(xiàn)

特高壓換流站1 000 kV濾波器進(jìn)行帶電試驗(yàn)時(shí)，T611小組A相因首端光CT與尾端光CT差流過大造成A套保護(hù)系統(tǒng)跳閘，而B套保護(hù)系統(tǒng)未發(fā)出跳閘信號(hào)。

2.2 故障分析

從控保內(nèi)置故障錄波上看，首端光CT在小組帶電1 min后A套系統(tǒng)其波形發(fā)生畸變，而尾端光CT波形正常，造成差流過大（最小差動(dòng)電流為57.16 A），引起保護(hù)動(dòng)作；B套波形從故障錄波上看，波形正常，無畸變。因此，基本可判斷此次事件是光CT造成。

2.2.1 排除合并單元后端設(shè)備故障的可能性

（1）試驗(yàn)方式。首先對T611小組A相進(jìn)行注流試驗(yàn)，將首端光CT和尾端光CT直接通過導(dǎo)線連在一起，跳過中間的電容器塔直接構(gòu)成電流回路。其次將第一大組光CT測量接口屏內(nèi)合并單元的輸出直接連接到外置故障錄波器，以直接觀察合并單元的輸出是否存在電流畸變，排除了后端設(shè)備（FMPI及AFP保護(hù)屏）故障的可能性。最后通過交叉電子單元輸出將A套電子單元的輸出連接至B套合并單元，同時(shí)將B套電子單元的輸出連接至A套合并單元，進(jìn)一步定位故障點(diǎn)位。

（2）試驗(yàn)結(jié)果是排除了合并單元后端設(shè)備故障的可能性。在試驗(yàn)階段的20:16:17時(shí)刻、20:20:21時(shí)刻以及20:21:05時(shí)刻出現(xiàn)3次電流畸變，內(nèi)置和外置故障錄波均捕捉到A套高端光CT的電流畸變信號(hào)。在交叉電子單元輸出之后，繼續(xù)注流3 h，內(nèi)置和外置故障錄波均未再次捕捉到電流畸變的現(xiàn)象。

2.2.2 排除合并單元故障可能性。

（1）試驗(yàn)方式。先對T611小組A相進(jìn)行注流試驗(yàn),將首端光CT和尾端光CT直接通過導(dǎo)線連在一起，直接構(gòu)成電流回路。然后通過交叉電子單元輸出，將A套電子單元的輸出連接至B套合并單元，同時(shí)將B套電子單元的輸出連接至A套合并單元，進(jìn)一步定位故障點(diǎn)位。

（2）試驗(yàn)結(jié)果是排除了合并單元故障的可能性。在試驗(yàn)最初階段，保護(hù)分別在09:39:05時(shí)刻和09:40:30時(shí)刻A套觸發(fā)了兩次保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)內(nèi)置和外置故障錄波均捕捉到A套高端光CT如圖3所示的電流畸變，從而故障定位為A套光CT測量系統(tǒng)。

圖3 高端光CT畸變時(shí)波形

2.2.3 更換電子單元并注流驗(yàn)證故障是否消除

更換電子單元后波形如圖4所示，未出現(xiàn)電流嚴(yán)重畸變的現(xiàn)象，首端光CT和尾端光CT的差流一般在10 A以下，最大差流為16 A，不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作。但波A套高端光CT波形仍存在較大毛刺，持續(xù)時(shí)間約為180 ms。

圖4 更換電子單元后波形

2.3 分析與處理

經(jīng)以上排查，確定波形畸變是調(diào)制信號(hào)不穩(wěn)定導(dǎo)致的。光CT數(shù)據(jù)處理主程序內(nèi)有兩個(gè)檢測窗口，一個(gè)是數(shù)據(jù)保持，即重復(fù)上一采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要用來防止微小干擾造成數(shù)據(jù)異常，另一個(gè)是數(shù)據(jù)無效檢測。因調(diào)制信號(hào)受到了干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出出現(xiàn)輕微異常，但又未觸發(fā)數(shù)據(jù)無效告警，所以導(dǎo)致采用數(shù)據(jù)出現(xiàn)了短時(shí)保持現(xiàn)象，從而出現(xiàn)了鋸齒波電流畸變波形。

造成調(diào)制信號(hào)不穩(wěn)定的原因主要有以下3點(diǎn)。一是調(diào)制電纜采用2×2雙絞屏蔽電纜，正常運(yùn)行時(shí)使用1對，備用1對。調(diào)制電纜雙絞線在進(jìn)入屏柜后沒有雙絞或是屏蔽接地不規(guī)范，都會(huì)導(dǎo)致調(diào)制電纜抗干擾能力降低。二是調(diào)制電纜長度因測點(diǎn)不同使得敷設(shè)長度有較大區(qū)別，而調(diào)制電纜本身具有電容，長度的不同會(huì)造成電纜電容發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光CT驅(qū)動(dòng)回路電壓有所降低，造成調(diào)制回路抗干擾能力降低。經(jīng)檢測，故障CT的驅(qū)動(dòng)電壓大致在1.7～1.8 V，低于最佳運(yùn)行電壓2.5～4 V。三是電子機(jī)箱內(nèi)調(diào)制電纜接線接觸不良，導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)不穩(wěn)定[6]。

3 建議整改措施

一是改進(jìn)調(diào)制電纜屏蔽接線方式，按規(guī)范檢查電纜屏蔽接線方式將備用芯雙端接地（備用芯一路在屏柜內(nèi)接地，另一路在CMB內(nèi)接地），將沒有雙絞的線進(jìn)行雙絞來增強(qiáng)調(diào)制回路的抗干擾能力。考慮現(xiàn)場情況及整改難度，決定將調(diào)制線備用芯在CMB側(cè)接地，這樣也能有效的避免干擾，增強(qiáng)調(diào)制電纜抗干擾能力。二是增大調(diào)制電壓，通過增加調(diào)制電纜匹配電容將電壓調(diào)至2.5～4 V，增強(qiáng)抗干擾能力。三是更新程序，設(shè)置合理的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，在數(shù)據(jù)保持時(shí)間超出設(shè)置值后發(fā)數(shù)據(jù)無效告警，避免波形畸變造成保護(hù)誤動(dòng)作。四是檢查故障電子機(jī)箱，對其進(jìn)行拆解，檢查調(diào)制電纜接線[7-10]。

4 結(jié) 論

通過統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)行以來的運(yùn)行參數(shù)和故障，發(fā)現(xiàn)光CT故障中超過一半的比重為誤碼率快速上升現(xiàn)象。

光CT傳感器故障或運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)會(huì)導(dǎo)致光CT測量電流不正確、監(jiān)視數(shù)據(jù)不正常、光功率測量數(shù)據(jù)偏大、誤碼率高，從而發(fā)出告警或引起控制保護(hù)主機(jī)退出運(yùn)行。

因?yàn)楣釩T通過光纖連接到控制保護(hù)系統(tǒng)主機(jī)，所以光CT對光纖的要求很高，光纖頭不清潔、連接不好或光纖回路衰耗大都可能導(dǎo)致光CT發(fā)誤碼率高告警。光纖故障也容易導(dǎo)致光CT測量系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，在已投運(yùn)換流站出現(xiàn)過由于光纖問題導(dǎo)致出現(xiàn)誤碼率高和光功率高導(dǎo)致控制系統(tǒng)主機(jī)退出運(yùn)行的情況。光纖回路故障需要使用光纖測試儀的波形分析功能檢查回路是否完好，使用光纖顯微鏡檢查接頭是否污損。通過清潔處理光纖頭、重新制作光纖頭以及更換備用光纖等方法進(jìn)行處理。