电子式电流互感器测量回路异常分析及处理

宋海龙，张娟梅

(1.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011；2.银川市金凤区良田小学，宁夏 银川 750011)

在特高压直流输电系统中，电子式电流互感器在直流场、交直流滤波器场等场景下应用广泛[1-2]，主要对直流电流或电容器不平衡电流进行测量，供交直流控制、保护或故障录波装置使用[3]。以电容器不平衡电子式电流互感器为例，通常配置在交直流滤波器电容器桥型结构中，用于电容器三段式不平衡保护报警或跳闸，从而保障滤波器向直流系统提供足够无功、滤除相应次数谐波和调节母线电压等功能[4-5]。一般情况下，如果1个电容器单元的元件熔丝熔断，该桥臂的电容值将随之变化，从而导致桥中流过较大不平衡电流[6]，一旦电子式电流互感器测量回路出现异常，则对应的电容器不平衡保护将会退出，无法对电容器组起到保护作用[7]，若此时发生多个电容器单元故障，有可能引起电容器组雪崩损坏导致设备故障扩大，给直流系统安全稳定运行带来极大影响。本文介绍了电子式电流互感器测量原理，对存在的问题及处理情况进行了详细分析，可为直流换流站交直流滤波器运维管理提供参考。

1 测量原理及存在问题

1.1 测量原理

电容器不平衡电子式电流互感器利用低功率CT(low power current transformer, LPCT)传感一次电流,利用基于激光供电技术的远端模块输出电流信号,利用光纤传送信号,利用光纤复合绝缘子保证设备绝缘，具有绝缘简单可靠、重量轻、测量精度高、动态范围大、频率范围宽、响应快、运行稳定可靠等特点。电容器不平衡电子式电流互感器结构原理如图1所示。

电容器不平衡电子式电流互感器有悬挂式及支柱式2种结构方式，可以满足不同的现场安装需求。从图1可知，其测量回路主要由一次传感器、电阻盒、远端模块、光纤复合绝缘子、户外光纤熔接箱、户内光纤配线架和合并单元等组成[8-9]。每台不平衡电子式电流互感器利用LPCT传感一次电流，再将产生的二次电流经电阻盒转换成电压信号，并联输出多路模拟电压信号分别送至对应远端模块，经信号处理后输出串行数字电流光信号，通过多模光纤送至合并单元，最终将测量数据按照规定协议发送至二次装置使用[10]。电容器不平衡电子式电流互感器光纤接口配置如图2所示。

图1 不平衡电子式电流互感器测量原理

图2 不平衡电子式电流互感器光纤接口配置

从图2可知，以Z11.T11 A相为例，即7611小组交流滤波器电容器组高压塔A相不平衡电子式电流互感器，其一次传感器输出二次电流，经电阻盒输出6路电压信号，分别接至6个远端模块，每块远端模块通过2芯光纤与户外光纤熔接箱相连，1芯用于激光取能，1芯用于电流量传输，均内嵌在光纤复合绝缘子中；户外光纤熔接箱通过光纤一端与远端模块相连，另一端与户内光纤配线架及合并单元通过24芯光缆相连，其中12芯光纤在运，12芯光纤备用；合并单元NR1125采样板卡通过光纤与户内光纤配线架相连，一方面给远端模块提供工作电源，另一方面接收并处理远端模块下发的数据，并送至交流保护及故障录波使用；当不平衡电子式电流互感器测量回路发生异常，合并单元DSP板卡将报出相应报警信息，提醒运维人员及时检查处理。

1.2 存在的问题

在直流换流站日常运维工作中，交直流滤波器电容器不平衡电流采样情况主要通过运维人员数据监盘、合并单元异常告警等方式进行监视[11]。由于电容器不平衡电子式电流互感器测量回路故障率较高，测量回路异常时常伴有激光器驱动电流高、数据电平低告警、远端模块置检修和电流信号输出异常等现象[12-13]。经长期故障诊断排查，直流换流站交直流滤波器电容器不平衡电子式电流互感器测量回路异常主要有采样板卡故障、光纤回路故障、远端模块故障、传感器或电阻盒故障4个方面的原因。

2 异常分析及处理

2.1 采样板卡故障

在正常运行时，合并单元采样板卡会存在发热现象，如果屏柜内通风散热不良，可能导致数据处理短时异常或激光器供能故障[14-15]，一旦采集板卡故障，电流采样将存在异常，现场可采取以下几个步骤进行分析处理：

(1)当采样板卡出现数据处理短时异常时，一般合并单元会自动重启，如果没有自动重启而电流数据仍旧异常时，可手动断电重启合并单元1次，若电流数据恢复正常，则需加强关注。

(2)当合并单元断电重启后电流数据仍未恢复正常，可在合并单元断电情况下将自带的远端模块和光纤跳线连接到合并单元NR1125采样板卡的故障通道上，或者直接将户内光纤配线架接至备用远端模块的光纤跳线连接到故障通道上；然后，合上合并单元装置电源，在合并单元液晶屏上观察原故障通道对应激光器驱动电流和数据电平是否正常，合并单元与远端模块通讯是否正常，采样数据是否正常以及监控后台报警信号是否复归。

(3)当更换备用远端模块光纤通道后，如果原故障通道以上测试均恢复正常，则可排除合并单元NR1125板卡故障，初步判断为外部光纤通道或远端模块故障；如果原故障通道以上测试仍旧存在异常，则判断为采样板卡故障，可能是激光器供能故障，也可能是板卡数据处理模块故障。

(4)当判断为采样板卡故障时，首先需做好二次安全措施，对故障采样板卡进行更换及程序下载，即可消除电流测量回路异常问题。

2.2 光纤回路故障

由于电子式电流互感器是电量采集、光纤传输的设备，测量回路存在长距离光纤回路，如果户外光缆由于敷设时环境恶劣，光缆或尾纤受较大应力挤压，光纤熔接质量不合格，光纤头未拧紧或光纤头被污染，均有可能引起光纤回路损耗增大、激光器驱动电流高和数据电平低等问题[16]，一旦光纤回路故障，电流采样结果将存在异常。

以±800 kV某特高压换流站为例，2016年12月29日，该换流站处于极寒天气环境下，运行人员监控后台显示4块远端模块频刷数据电平低、置检修状态。经排查，4条故障通道均来自7634小组交流滤波器电容器组高压塔C相不平衡电子式电流互感器单元。为尽快排查故障点，现场将合并单元采样板卡上C相故障光纤通道与B相正常光纤通道进行调换，发现C相光纤通道数据恢复正常而B相光纤通道数据电平变低，说明外部光纤回路或远端模块可能存在故障。

为了进一步定位故障点，现场申请将小组交流滤波器转检修，进入交流滤波器围栏内对光纤回路及远端模块接口位置进行详细检查处理，主要包括以下几个步骤：

(1)在电子式电流互感器光纤熔接箱处将在运12芯光纤剪断并进行光衰耗测试，发现光纤熔接箱至远端模块之间光纤衰耗均在正常范围内，约9 dB左右，至合并单元之间光纤衰耗很大，约40 dB左右，初步判断为光纤熔接箱至合并单元之间光纤回路存在故障。

(2)在户内光纤配线架处将接至合并单元在运12芯光纤剪断，并进行光衰耗测试，发现光纤配线架至合并单元之间光纤衰耗在正常范围内，约8 dB左右，排除了合并单元采样板卡的尾纤故障，初步判断为户外光纤熔接箱至户内光纤配线架之间铠装光缆回路存在故障。

(3)当定位光缆回路故障后，现场组织开挖旧光缆，在施工过程中，发现7634小组交流滤波器围栏内电容器组高压塔C相不平衡电子式电流互感器光缆预埋钢管堵塞，导致旧光缆无法抽出。当切割硬化水泥地面后，发现预埋钢管内存在结冰冻实、旧光缆被完全卡死现象，初步判断为在户外敷设光缆预埋钢管时由于工艺不良、封堵不严导致残留雨水浸入；同时该段埋管地势低洼导致雨水无法排出，以致于在极寒天气下结冰冻实，导致整根光缆承受较大应力而引起光纤衰耗增大和电流测量结果异常。

(4)当判断为户外光缆损坏时，现场组织预埋新钢管、敷设新光缆和进行光纤熔接，要求光缆敷设、钢管封堵及填埋工艺便于维护，待装置送电后观察合并单元及监控后台，4条故障通道所接合并单元激光器驱动电流和数据电平均恢复正常，电子式电流互感器一次通流试验结果正确，系统恢复正常运行。

2.3 远端模块故障

每台电子式电流互感器均配置6个远端模块，分别送至第1套保护量采样、第1套启动量采样、第2套保护量采样和第2套启动量采样，剩余2个远端模块作为备用[17]。如果远端模块激光取能单元或数据处理单元发生故障，均有可能引起电流采样结果异常。

(1)如果合并单元断电重启、采样板卡更换后故障依旧存在，光纤熔接箱在运12芯光纤至远端模块、合并单元之间光纤衰耗均在正常范围内，即可判断远端模块存在故障。

(2)作为紧急处理措施，可在户内光纤配线架处将备用远端模块通道替换至该故障通道，电流测量回路即可恢复正常。

(3)待停电检查处理时，将小组交流滤波器转检修，对故障远端模块进行更换，即可消除测量回路异常问题。

2.4 传感器或电阻盒故障

每台电子式电流互感器均配置1套一次传感器和1块电阻盒，如果正常运行时传感器或电阻盒发生故障，将从根源处无法传变电流或电压信号，甚至发生电流开路或本体烧损故障，其故障发生率较低，然而一旦发生故障，将导致4组小组交流滤波器相关保护全部退出，使电容器组完全失去保护。

如果传感器或电阻盒发生故障，需申请事故紧急处置，将小组交流滤波器转为检修，对一次传感器或电阻盒进行更换，待采样数据恢复正常，一次通流试验合格后，系统恢复正常运行。

3 效果评价

(1)通过将户内光纤配线架接至备用远端模块的光纤跳线连接到故障通道上，即可排查采样板卡是否存在故障，方法简单，实现了板卡故障快速定位，能够及时恢复电流正常采样。

(2)通过对光纤分段开展光衰耗测试，能够快速缩小故障光纤排查范围，对光缆敷设、钢管封堵及填埋工艺提出更高要求，便于光纤回路故障排查及处理，可为设备检修和工程管理提供参考。

(3)通过对电子式电流互感器测量原理及异常原因进行具体分析，为运维人员提供了针对性异常处理方法，具有较强的现场指导意义。

4 结 论

(1)科学有效的异常分析处理方法，能够有效缩短运维人员故障处理时间，提升现场工作效率，提高直流系统运行可靠性，具有较高的社会效益。

(2)测量回路异常处理方法能够及时有效发现交直流滤波器深层次隐患问题，减少设备非计划停运时间和故障抢修劳动成本，保障直流功率可靠外送输出，具有较高的经济效益。

(3)电子式电流互感器测量回路异常处理方法可为其他直流换流站交直流滤波器运维管理提供参考，其应用推广范围更大。