全光纤电流互感器电子单元改进设计研究

郑维高，高拓宇，舒志海，李义峰，李开拓，谷相宏

(江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102)

0 引 言

全光纤电流互感器(以下简称光CT)是一种基于法拉第磁光效应原理的新型无源电流互感器，主要包括光CT传感器头、调制器(罐)和电子单元装置3个重要组成部分，具有体积小，测量精度高，绝缘性能好，响应速度快，无磁饱和问题等优点，被广泛应用于特高压直流输电工程中[1-4]，普遍配置在换流站的直流场和交流滤波器场。目前对于光CT的研究主要集中在噪声研究[5]、温度特性[6-7]、故障诊断[8]、灵敏度分析[9]等方面，而关于光CT的电子单元研究较少。电子单元主要功能是将电流测量得到的光信号转换成数字信号输出给直流控保系统，同时具有测量故障诊断能力[10-11]。

本文基于某换流站直流系统调试期间光CT电子单元直流电源单路空开试验时出现的异常现象，通过多次试验分析发现电子单元在复电过程中受到高频干扰引起测量异常，经排查干扰源为双电源失电告警扩展继电器，提出了将双电源失电告警扩展继电器由固态继电器替换传统电磁式继电器的改进设计方案，并通过多次断电、复电试验验证改进设计方案的可行性。

1 试验概况及故障分析

1.1 试验概况

2017年4月29日某换流站系统调试期间进行光CT电子单元直流电源单路空开试验：

15:47:06:824，断开极2光CT测量接口屏B屏内所有电子单元和合并单元A段电源，此时电子单元和合并单元正常工作(B段电源正常)；

15:47:50:841，A段电源空开重新合上；

15:47:51:359，后台报极2高端阀组高压侧出口电流光CT测量故障，极2高端阀组低压侧出口电流光CT测量故障，数据无效(data invalid，DI)严重告警，同时极2高端阀短路保护S闭锁，阀短路保护跳闸，阀短路保护隔离阀组；

15:47:51:446，极2高端阀组高压侧出口电流光CT测量故障消失，极2高端阀组低压侧出口电流光CT测量故障告警消失，具体后台动作事件如表1所示。

查看故障时刻的波形，极2高端阀组高、低压侧光CT数值短时电流达到3 101 A。试验人员读取了电子单元内部的故障日志，结果显示电子单元在15:47:51未报出任何异常。

1.2 故障分析

1.2.1 光CT测量值波动致使保护动作

阀短路保护用于阀短路故障和换流变阀侧相间故障，避免发生短路时换流阀遭受过应力，保护主要检测换流变阀侧Y绕组和D绕组的电流，直流极母线以及直流中性线上的电流。电子单元单路电源失电瞬间，光CT测量值异常，查看内置录波如图1所示，极2高端阀组高、低压侧光CT数值短时电流最大达到3 101 A，差流大于制动电流，满足阀短路保护动作判据，直流保护动作正确。

表1 电子单元单电源失电阀短路保护动作事件

图1 光CT测量波动致阀短路保护动作波形

1.2.2 电子单元单路复电报出数据无效告警

根据冗余设计要求，光CT接口屏内1n-5n电子单元和6n合并单元，均为双电源供电，单套电源故障不应引起电子单元光CT测量故障和DI严重告警，电子单元通过光纤发至合并单元转给测量屏的电流数字量不应有变化。

当合并单元单路断电和复电时，后台事件报出正常，无光CT电流数值突变，无相关保护动作。电子单元单路断电和复电时，后台事件异常，报出光CT测量故障、DI告警，并有相关保护动作。由于电子单元装置的自检和故障日志功能不完善，无异常监视记录，可基本排除合并单元的问题，故障原因定位在电子单元和电子单元相关的回路。电子单元装置报DI严重告警时直流控保会报对应的光CT测量故障。

1.3 试验分析

电子单元内+6 V电源过低导致数据无效判断条件是+6 V电源电压阀值低于+5.35 V，判断越限延时50 μs。现场通过示波器监测板卡工作电源，开展单电源复电试验，利用失电告警接点触发示波器，示波器CH1接电子单元内部板卡+6 V接点，CH2接电子单元内部板卡-6 V接点。观测到单电源复电瞬间，+6 V电压有明显的波动，其波动范围为+5.24 V～+6.28 V，如图2所示。复电瞬间出现了+6 V电源电压偏低越下限阀值+5.35 V，持续时间180 μs，达到+6 V电源DI动作判据，并会在电压恢复到阈值+5.35 V之上后复归DI告警。

图2 复电瞬间电子单元电源电压波形

然后对失电路复电过程进行了分析，电子单元装置电源告警回路原理如图3所示。电子机箱的双电源失电告警继电器K1包含一副触点，通过外部串联继电器扩展成2副节点，该扩展继电器K2在断开瞬间会产生1个高电压尖脉冲，对接点K1产生冲击，进而导致电子单元内部6 V电源电压跌落，最终发出DI严重告警。

现场电子单元装置失电告警扩展继电器K2使用的是欧姆龙OMRON MM2XP传统电磁式继电器，输入侧为线圈，等效为电感和线圈内阻，整个回路可等效为一阶响应电路。电子单元在单路电源失电后，接点K1为闭合状态，110 V直流电源对电感进行充电，线圈储能数值可用公式(1)计算所得：

(1)

图3 电子单元装置电源告警回路原理

单路电源复电瞬间，接点K1断开，继电器K2失电，节点K1承受冲击。根据换路定理，换路瞬间储能元件的能量不能跃变，能量越高，对K1继电器影响越大。

试验1：单段电源B段失电，电源1继续正常工作，电源2断开，继电器K1闭合，此时K2的线圈通电。

试验2：单段电源B段复电，电源2闭合通电，K1继电器触点由闭合变为断开，K2继电器线圈由通电变为断电。由于电感电流不能瞬变，线圈磁场能量无法立即释放，此时会在线圈两端产生高频震荡，震荡幅度DV/DT过高会干扰电子单元机箱内+6/-6 V电源系统，现场示波器实测电源正电压最高达到512 V。

2 改进设计

2.1 优化设计方案

考虑到电子单元装置双电源失电告警继电器采用的是传统电磁式继电器，在换路瞬间储存能量不能突变，会产生较大的电磁干扰冲击，因此为了减少继电器蓄能回路对换路瞬间干扰影响，使用固态继电器替换传统电磁式继电器，采用PLC-RSC-120UC/21-21超薄型固态继电器，一方面内部微型线圈体积小且匝数少，等效电感值小；另一方面该继电器线圈输入侧前部自带整流桥保护电路，包含防错接极性保护二极管和阻尼二极管，具有很强抑制电压干扰和波动能力。

2.2 改进设计验证

K2扩展继电器更换原OMRON MM2XP电磁式继电器，选择PLC-RSC -120UC/21-21超薄固态继电器，两款继电器参数如表2所示。从定性分析、定量计算和断复电试验3个方面验证改进设计的可行性。

表2 继电器各项参数

1)定性分析。因为线圈前部有电压干扰抑制电路，线圈储能对回路的冲击会有所下降。

2)定量计算。根据表2两种继电器参数和公式(1)，计算两者线圈储存能量，固态继电器仅为传统电磁式继电器的2.43%。

3)试验验证。更换继电器后，重新进行单路电源断电和复电试验，试验结果如图4所示：黄色波形表示电子单元6 V供电电压，电压未受干扰；绿色波形表示DI严重告警信号，试验一直未报出；粉红波形表示固态继电器触点电压，波形正常；蓝色波形表示电子机箱失电触点电压，无异常波动。双电源失电告警继电器采用固态继电器替换传统电磁式继电器后，试验异常现象消失，改进设计方案可行，现场对全站光CT电子单元双电源失电告警继电器进行更换，异常现象未再复现。

图4 固态继电器试验录波

3 结 论

本文基于某换流站系统调试期间电子单元直流电源单路空开试验时出现异常现象，通过不断试验复现故障和故障原因分析，最后发现电子单元双电源失电告警扩展继电器失电瞬间会对电源产生高频电磁干扰，提出了采用固态继电器替换传统电磁式继电器的改进设计方案，并通过定性分析、定量计算和断电、复电试验3个方面验证改进方案可行，有效避免了光CT电子单元运行过程中出现单电源短时失电后复电引起特高压直流光CT测量扰动，导致直流保护动作闭锁直流，提高了光CT测量系统运行可靠性。该改进设计后续被广泛应用在其他同类型光CT电子单元的换流站，对保障特高压直流输电安全运行具有重要意义。