智能變電站電子式互感器激光供能回路薄弱環(huán)節(jié)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(tǒng)的電磁式互感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，未來在智能變電站中將得到更廣泛的應(yīng)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(qū)、電源穩(wěn)定、噪聲小的特點(diǎn)。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(wěn)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(jié)合在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行中的電子式互感器的激光供能回路發(fā)生的缺陷和異常案例，對供能回路的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。針對施工環(huán)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(yùn)行和維護(hù)的具體建議，為后續(xù)工程的實(shí)施和運(yùn)維提供參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站? 電子式互感器? 激光供能? 供能網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TM72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行電流測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。新型的數(shù)字化電子式電流互感器采用新型傳感材料，消除了傳統(tǒng)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(cè)通過光纖引至合并單元，可直接輸出數(shù)字信號，具有方便網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)[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(wěn)定將直接影響到電子式互感器運(yùn)行的可靠性。如果電子式互感器出現(xiàn)故障，無法正確地傳變一次信號，則保護(hù)、測控、計量等二次設(shè)備可能出現(xiàn)錯誤的動作或輸出，繼而可能引發(fā)嚴(yán)重的后果[3]。據(jù)統(tǒng)計，在某一示范工程的6座智能變電站中，發(fā)生測量系統(tǒng)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(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

本文對在實(shí)際運(yùn)行中的電子式電流互感器的激光供能回路缺陷和異常進(jìn)行了統(tǒng)計，對導(dǎo)致激光供能回路發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，提出了激光供能回路的運(yùn)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(cè)傳感器將大電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷盒盘枺賹⒔?jīng)過采集器進(jìn)行采樣將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過信號光纖傳輸至低壓側(cè)合并單元，經(jīng)合并單元與測量或保護(hù)等二次設(shè)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(wěn)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(yīng)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(shù)也在探索當(dāng)中[5]。相對于其他供能方式，激光供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，輸出的供電電壓不存在電能死區(qū)、穩(wěn)定性好，使用光纖傳遞能量和信號將高、低壓兩側(cè)電路進(jìn)行了隔離，有效避免了兩側(cè)的電磁干擾，特別適合在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作。此外，激光的發(fā)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(yōu)點(diǎn)，激光供能方式在有源電子式互感器中得到了廣泛的應(yīng)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(cè)由驅(qū)動及保護(hù)電路控制激光器產(chǎn)生光能，通過光纖傳輸?shù)礁邏簜?cè)，由光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，最后經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，為電子式互感器采集器提供穩(wěn)定的直流電壓。通常激光器和驅(qū)動電路集成于合并單元當(dāng)中，而光電池和穩(wěn)壓電路集成于數(shù)據(jù)采集單元當(dāng)中。根據(jù)控制方式的不同，激光供能回路可分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩種工作模式[7]。

（1）開環(huán)控制工作模式：根據(jù)采集單元的最大功率需求，合并單元中的驅(qū)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(qū)動電路設(shè)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(huán)控制工作模式：采集單元所需功率隨其運(yùn)行環(huán)境變化，采集單元實(shí)時監(jiān)測工作狀態(tài)并反饋給合并單元，合并單元相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動電流改變激光器的輸出功率。同時，合并單元實(shí)時監(jiān)測驅(qū)動電流和激光器溫度，并加入功率限制、告警功能。當(dāng)驅(qū)動電流或溫度大于設(shè)定值時，仍不能滿足采集單元的功率需求，則需發(fā)送告警信息，必要時關(guān)閉激光器防止損壞。

3? 激光供能回路薄弱環(huán)節(jié)及案例分析

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

本文對某公司現(xiàn)場在運(yùn)行的電子式互感器的激光供能回路發(fā)生的缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計。如圖3所示，在2015—2019的5年期間，共發(fā)生激光供能回路缺陷或異常23次。現(xiàn)場運(yùn)行的表現(xiàn)主要是合并單元出現(xiàn)驅(qū)動電流升高或合并單元出現(xiàn)瞬時報警后自動復(fù)歸。綜合現(xiàn)場運(yùn)行情況和返廠檢測的結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為導(dǎo)致缺陷或異常的主要原因包括：在現(xiàn)場安裝時施工環(huán)境不夠潔凈，屏柜內(nèi)存在灰塵，導(dǎo)致激光器斷面污染;激光器受靜電干擾導(dǎo)致效率變低或關(guān)閉;光纖瞬時受到外力導(dǎo)致瞬時損耗變化或損傷。

4? 結(jié)語

本文結(jié)合理論分析和實(shí)際案例，證明了電子式互感器激光供能回路的薄弱環(huán)節(jié)在于激光器和光纖回路。建議在現(xiàn)場安裝和后期運(yùn)行維護(hù)時，需首先對環(huán)境進(jìn)行清潔處理，再對供能回路的相關(guān)器件進(jìn)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(hù)措施。通過防塵控制、防靜電控制及規(guī)范操作預(yù)防來減少可能導(dǎo)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(xiàn)

[1] 蘇占江.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方式的分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)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(jiān)測技術(shù)研究[J].高電壓技術(shù)，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(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].變壓器，2018，55（4）：25-31.

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

[6] 胡偉曦，譚建成.電子式互感器原理及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電氣開關(guān)，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(shè)計[J].江蘇科技信息，2017（13）：45-46.