锡盟换流站交流滤波器不平衡保护误动作分析

刘天作，赵文诗，张泽强

(1.国网河南省电力公司直流中心，河南 郑州 450003；2.国网内蒙古东部电力有限公司内蒙古超特高压分公司，内蒙古 通辽 028002)

锡盟换流站位于内蒙古自治区锡林郭勒盟，是锡盟—泰州±800 kV特高压直流输电工程的送端站，额定输送功率1000万kW，于2017年9月投入运行。交流滤波器是特高压换流站的重要设备之一，其主要作用是滤除交流母线谐波并补偿换流器运行时的无功消耗，维持交流母线电压在设定范围内[1-2]。该站共配置4大组20小组交流滤波器(含并联电容器)，其中4组HP24/36型滤波器，4组BP11/13型滤波器，2组HP3型滤波器；10组SC并联电容器，额定电压为525 kV。本文针对锡盟换流站一起光纤电流互感器电子单元程序设置问题导致交流滤波器电容器不平衡保护误动作事故进行分析，并提出光纤电流互感器运维建议。

1 保护动作及现场检查情况

1.1 保护动作情况

某日，锡盟换流站双极1200 MW大地回线平衡运行。10：41：53，操作站后台(operations workstation，OWS)报出“第2小组BP13分支不平衡光纤电流互感器1合并单元B相数据无效产生/消失”、“第2小组BP 13分支电容器不平衡保护投入消失/产生”、“第2大组滤波器保护系统AFPB，5622小组滤波器13分支电容器不平衡保护B相跳闸启动+动作”等告警，保护动作跳开5622小组滤波器进线断路器5622，同时OWS后台锁定5622；10：41：55，绝对最小滤波器不满足要求，直流控制系统自动投入5612 BP11/13小组交流滤波器。

1.2 现场检查情况

故障发生后，运维人员立即对5622小组滤波器电容器设备本体和光纤电流互感器回路进行全面检查，电容器塔B相BP13分支的支柱绝缘子无放电、变形现象，单只电容未发现渗油、鼓包现象，电容器的接头无断股、松动现象，设备本体未发现明显异常。对光纤电流互感器的光纤回路、调制盒和光纤管理盒进行细致检查，均未发现异常。进入继电保护小室检查确认交流滤波器控制屏柜内电子单元无异常，第2大组滤波器保护装置A套保护装置未动作，滤波器保护装置B套保护装置显示动作报文，与OWS后台保护动作告警情况一致。

2 光纤电流互感器概述

2.1 系统构成

光纤电流互感器具有无油、无SF6、无TA饱和效应、数字化接口、带自我诊断功能等性能，采用光纤作为传输介质，被测电流可以是直流电流，也可以是谐波电流[3]，相比电磁式电流互感器具有较大优势，在本工程中大量使用。整套测量系统由光纤电流互感器本体、传输光纤、调制器盒、电子装置、合并单元等元件构成，如图1所示[4]。

图1 光纤电流互感器系统构成

2.2 工作原理

光纤电流互感器工作时，由电子单元中的LED光源发出1束光信号，经偏振片分成2束线性偏振光信号，再经由保偏光纤将信号送到传感头部。光纤偏振器的尾纤与下一段光纤的尾纤以45°角度熔接，偏振光被平分为2束并沿保偏光纤的X轴和Y轴传输，当这2束正交模式的光经过1/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光(1/4波片的光学效应)，进入传感光纤。

在传感光纤中由于被测电流产生磁场的法拉第效应，这2束圆偏振光将以不同的速度传输，2束光信号绕着导体转了多圈后，形成一定的相位差，在光纤的终点有1个镜子，将光信号反射回去，但偏振的方向也同时被逆转，左旋变右旋，右旋变左旋，再次穿过传导光纤和电流产生的磁场相互作用，由于逆转使加速、减速的效应加倍。2束光再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光，并在光纤偏振器处发生干涉。线偏振光在光纤偏振器处发生干涉后，经过耦合器后进入电探测器，电探测器响应光强信息而输出的电压信号经过放大、滤波后送入A/D转换器转换为数字信息，然后送入基于FPGA的数字信号处理单元，经过一定的算法得到电流大小；同时以输出量作为反馈量，经过D/A转换器及其驱动电路后加到相位调制器，在2束相干光间引入反馈相移(与法拉第效应相移大小、方向相反)，实现闭环信号检测，如图2所示[5]。

图2 光纤电流互感器工作原理

图2中电子装置既是光源也是接收装置，将接收到的返回值送入合并单元，形成测量值，最后根据需要和系统配置原则，将多个电子单元的输出接入控制保护及故障录波等装置。

2.3 光纤电流互感器运行参数

光纤电流互感器运行参数主要包括LED 驱动电流、光源温度、相位调制器驱动电压、输入最大光强、输入光强与其平均值的偏差、光的二次谐波等。正常运行数据见表1。

表1 光纤电流互感器运行参数

3 电容器不平衡保护原理

该站交流滤波器组并联在500 kV交流母线上，滤波器中的电容器承受了大部分的母线电压，电容器是交流滤波器的重要组成部分，当电容器元件发生故障时，剩余完好元件承受的电压升高，有可能引起新的元件击穿，导致其余元件上的电压继续升高，产生恶性连锁效果，最终导致该电容器贯穿性短路，造成雪崩效应[6-8]。交流滤波器保护中配置的电容器不平衡保护，通过测量桥臂间的不平衡电流大小来反映电容器元件的故障情况，以判断电容器内部或外部是否发生故障。电容器不平衡保护以滤波器入地电流为基准电流，采用两桥臂的不平衡电流与入地电流的比值作为动作判据，测量计算数值超过整定值时，电容器不平衡保护动作[9-10]。BP11/13电容器组结构如图3所示。

图3 BP11/13电容器组结构

该站每大组滤波器配置有A/B 2套保护装置，每套保护装置的测量回路相互独立，采用“启动+保护”出口逻辑，当其中1套滤波器保护的“启动+保护”满足条件时，保护动作出口。单套保护的“启动”和“保护”共用1个测量线圈。BP11/13交流滤波器电容器不平衡保护接线如图4所示。

图4 BP11/13交流滤波器不平衡保护接线

该小组交流滤波器电容器不平衡光纤电流互感器电流采样路径：现场不平衡光纤电流互感器测量数据经光纤回路传输到电子单元A/B，经电子单元处理后送入合并单元A/B；然后分别送到启动测量接口屏A/B和保护测量接口屏A/B，经处理后的电流分别接入交流滤波器保护装置A/B，若保护启动条件和动作条件同时满足，则保护动作出口，跳开滤波器组的断路器；外置故障录波则是从合并单元接入的电流量。具体采样路径见图5。

图5 交流滤波器不平衡光纤电流互感器采样路径

a.不平衡保护启动逻辑

不平衡保护启动分为三段式电流保护，启动判据为

(1)

式中：Iqd为不平衡保护启动电流；Iunb为电容器组桥臂间不平衡电流；Iw为滤波器尾端电流。

Ⅰ段为报警段，当Iqd>0.000 403 75时，延时10 s报警；Ⅱ段为120 min延时跳闸段，当Iqd>0.000 565 25时，延时120 min跳闸；Ⅲ段为速断跳闸段，当Iqd>0.000 769 5时，延时20 ms跳闸。

b.不平衡保护动作逻辑

不平衡保护动作分为三段式过流保护，动作判据为

(2)

式中：Idz为不平衡保护动作电流。

Ⅰ段为报警段，当Idz>0.000 425时，延时10 s报警；Ⅱ段为120 min延时跳闸段，当Idz>0.000 595时，延时120 min跳闸；Ⅲ段为速断跳闸段，当Idz>0.000 81时，延时20 ms跳闸。

4 原因分析

4.1 事故排查

a.电容器测量

首先检查设备外观无异常后，继续检查电容器本体设备，检修人员现场对5622交流滤波器组B相13分支电容器组桥臂电容值进行3次测量，并与交接试验数据进行对比，未发现异常排除电容器本体设备故障可能性。数据记录见表2。

表2 电容器桥臂电容测试记录 单位：μF

b.电子单元运行参数

由于光纤电流互感器数据无效告警瞬时复归，通过查看电子机箱运行参数，各状态量均在正常范围内，该光纤回路LED驱动电流、二次谐波电压均无异常历史，说明光纤回路运行正常无损伤。运行参数如图6所示。

图6 光纤电流互感器运行参数

4.2 录波分析

图7 不平衡保护启动内置故障录波

图8 不平衡保护动作内置故障录波

c.查看5622小组交流滤波器不平衡保护外置故障录波，发现5622小组滤波器13分支B相不平衡电流峰值为0.107 A，而A、C两相不平衡电流均为0.008 A左右，与内置故障录波值保持一致，AFP2B 5622小组滤波器B相13分支不平衡保护动作正确。如图9所示。

图9 不平衡保护外置故障录波

交流滤波器不平衡保护在接收到光纤电流互感器电子单元发送的数据无效信号时，会退出相应的保护功能，该逻辑模块置于T1周期内，可以在2 ms内完成一次检测。交流滤波器保护程序在接收到数据异常信号后，将该信号展宽20 ms,闭锁对应小组滤波器不平衡保护，在数据异常消失20 ms后开始恢复正常判断保护逻辑。具体逻辑如图10和图11所示。

图10 光纤电流互感器数据异常闭锁不平衡保护逻辑1

图11 光纤电流互感器数据异常闭锁不平衡保护逻辑2

如果光纤电流互感器电子单元由数据异常恢复到正常状态后，延时20 ms后电子单元不能正常给相应保护输出正确数据，则可能导致交流滤波器保护不正确动作。

通过事故列表及故障录波分析可知，在跳开5622断路器时，只有AFP2B单套保护5622的 BP13分支不平衡保护动作(启动+保护均动作)，AFP2A 5622的BP13分支不平衡保护未动作(启动+保护均未动作)，并且在AFP2B保护动作前，AFP2B交流滤波器保护5622小组滤波器13分支光纤电流互感器测量异常信号刚复归。综合以上情况分析，初步判断为5622小组滤波器13分支不平衡光纤电流互感器电子单元在数据无效告警复归后发出杂乱数据，导致事故对应传感器产生100 mA左右随机电流，造成保护误动作跳开5622。

5 事故处理措施

在5622交流滤波器电容器不平衡保护误动作跳闸后，经过厂内仿真试验数据对比，确认该类型的光纤电流互感器在数据无效复归后需要设置延时来保证系统稳定，在这期间内有可能会输出错误的数据导致保护误动作。为避免保护误动作，确定如下整改措施。

a.交流滤波器不平衡光纤电流互感器和直流滤波器不平衡光纤电流互感器滤波环节的带通滤波频率由0.05 Hz设置为45 Hz，数据无效复归延时设置为10 ms。

b.直流场其他光纤电流互感器和接地极光纤电流互感器的数据无效复归延时设置为2 ms。

确定以上整改方案后，对全站的光纤电流互感器电子单元主板程序进行升级完善，未再发生类似保护误动作事故。

6 结论

目前在运或在建特高压换流站采用光纤电流互感器设备数量逐年增加，由于光纤电流互感器传输环节较多，光纤本身较脆弱，且电子设备对安装工艺、运行环境均有一定要求，结合本次故障情况，提出以下运维建议。

a.加强光纤电流互感器运行数据监视，定期对光纤电流互感器电子机箱数据LED驱动电流、光源温度、光的二次谐波电压和调制器驱动电压等数据进行抄录对比，超过正常运行范围数值时，及时开展检查，进行处理。必要时尽快申请设备停运，防止保护误动作。

b.加强一次设备巡视检查，特别是大风沙尘等恶劣天气，确保光纤调制盒及光纤管理盒不受外力破坏影响正常运行。

c.年度检修期间逐台检查设备情况，确保光纤调制盒及光纤管理盒密封良好，防潮剂正常，无进水受潮等情况。

d.地处北方的部分厂站，冬季气温可能要低于-30 ℃，光纤电流互感器设计安装阶段要考虑通过增加护套软管加强光纤保护，杜绝光纤穿管破损，防止水进入穿管后冬季结冰造成光纤受力，影响正常数据测量，产生数据无效告警，影响控制保护装置正常运行。