特高壓換流站內光CT故障分析及處理

陳 意

（國網江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

光CT作為變電站內核心設備之一，為電力系統的平穩運行提供保障，其測量故障將會導致電流測量故障并造成保護誤動作。

1 光CT的結構和原理

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

圖1 法拉第磁光效應示意圖

光電流互感器基本結構如圖2所示，由高壓側傳感部分、前置單元以及合并單元3大部分組成。高壓側傳感部分主要由具有磁光效應光纖環、λ/4波片以及反射鏡組成，負責一次電流的轉換。前置單元主要包含光源、耦合器、偏振器、調制器、探測器以及信號處理單元等，主要作用是產生線性偏振光，同時檢測返回的偏振光，并將光信號轉換成與一次電流相關的數字量信號[3]。高壓側傳感部分與前置單元之間采用保偏光纖聯接，以保證偏振光傳輸過程中的可靠性。合并單元主要負責接收前置單元的數字量信號，將其轉換成一次電流信號，并同步不同間隔之間的電流信號，供保護、計量以及監控等后端應用使用。高壓側傳感部分結構簡單，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，巡視、維護以及檢修方便。

圖2 光電流互感器基本結構

光電流互感器通過保偏光纖將線性偏振光傳輸到λ/4波片，線性偏振光通過λ/4波片后形成圓偏振光進入光纖環，圓偏振光穿過光纖環后的偏振面發生旋轉角，從而間接反映一次電流。實際應用中，光電流互感器普遍采用干涉原理檢測光強的方法間接得到偏振光的旋轉角，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械支撐。

光電流傳感器中兩個羅柯夫斯基線圈并聯用作電流傳感器。為了冗余，光電流傳感器的標準結構包含4個獨立的光電遠程模塊，其中兩個遠程模塊連接著與公共電流分流，其他遠程模塊與獨立的羅柯夫斯基線圈相連。利用其他遠程模塊，如增加測量系統的冗余，電流傳感器的非標準結構也可滿足條件。該傳感器所附的遠程模塊最多可達8個。相關光纖的支柱絕緣子或信號柱是為了實現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械支撐，而光信號柱是光電流傳感器用主導體作為機械支撐。為了完成光纖系統，高壓連接與控制室二次設備之間需要鋪設光纜。光纖系統要與光電流互感器上的光電轉換裝置相匹配，設計標準光纖和使用ST/PC接口。控制室里的二次設備包括一些光接口板，每一塊光接口板由一個或兩個光接口模塊組成。兩塊光接口板使用其中一個光接口模塊是為了冗余。此外，光電流傳感器COCT標準結構是在一個并聯電阻、兩個羅柯夫斯基線圈以及用于冗余的4個遠程模塊基礎上建立的，所有元件組裝在一個公共的傳感器內[5]。

2 光CT故障分析與處理

2.1 問題發現

特高壓換流站1 000 kV濾波器進行帶電試驗時，T611小組A相因首端光CT與尾端光CT差流過大造成A套保護系統跳閘，而B套保護系統未發出跳閘信號。

2.2 故障分析

從控保內置故障錄波上看，首端光CT在小組帶電1 min后A套系統其波形發生畸變，而尾端光CT波形正常，造成差流過大（最小差動電流為57.16 A），引起保護動作；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備故障的可能性

（1）試驗方式。首先對T611小組A相進行注流試驗，將首端光CT和尾端光CT直接通過導線連在一起，跳過中間的電容器塔直接構成電流回路。其次將第一大組光CT測量接口屏內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，排除了后端設備（FMPI及AFP保護屏）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，同時將B套電子單元的輸出連接至A套合并單元，進一步定位故障點位。

（2）試驗結果是排除了合并單元后端設備故障的可能性。在試驗階段的20:16:17時刻、20:20:21時刻以及20:21:05時刻出現3次電流畸變，內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。在交叉電子單元輸出之后，繼續注流3 h，內置和外置故障錄波均未再次捕捉到電流畸變的現象。

2.2.2 排除合并單元故障可能性。

（1）試驗方式。先對T611小組A相進行注流試驗,將首端光CT和尾端光CT直接通過導線連在一起，直接構成電流回路。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，同時將B套電子單元的輸出連接至A套合并單元，進一步定位故障點位。

（2）試驗結果是排除了合并單元故障的可能性。在試驗最初階段，保護分別在09:39:05時刻和09:40:30時刻A套觸發了兩次保護動作，同時內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。

圖3 高端光CT畸變時波形

2.2.3 更換電子單元并注流驗證故障是否消除

更換電子單元后波形如圖4所示，未出現電流嚴重畸變的現象，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，不會引起保護動作。但波A套高端光CT波形仍存在較大毛刺，持續時間約為180 ms。

圖4 更換電子單元后波形

2.3 分析與處理

經以上排查，確定波形畸變是調制信號不穩定導致的。光CT數據處理主程序內有兩個檢測窗口，一個是數據保持，即重復上一采樣點數據，主要用來防止微小干擾造成數據異常，另一個是數據無效檢測。因調制信號受到了干擾，從而導致數據輸出出現輕微異常，但又未觸發數據無效告警，所以導致采用數據出現了短時保持現象，從而出現了鋸齒波電流畸變波形。

造成調制信號不穩定的原因主要有以下3點。一是調制電纜采用2×2雙絞屏蔽電纜，正常運行時使用1對，備用1對。調制電纜雙絞線在進入屏柜后沒有雙絞或是屏蔽接地不規范，都會導致調制電纜抗干擾能力降低。二是調制電纜長度因測點不同使得敷設長度有較大區別，而調制電纜本身具有電容，長度的不同會造成電纜電容發生變化，從而導致光CT驅動回路電壓有所降低，造成調制回路抗干擾能力降低。經檢測，故障CT的驅動電壓大致在1.7～1.8 V，低于最佳運行電壓2.5～4 V。三是電子機箱內調制電纜接線接觸不良，導致調制信號不穩定[6]。

3 建議整改措施

一是改進調制電纜屏蔽接線方式，按規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接地，另一路在CMB內接地），將沒有雙絞的線進行雙絞來增強調制回路的抗干擾能力。考慮現場情況及整改難度，決定將調制線備用芯在CMB側接地，這樣也能有效的避免干擾，增強調制電纜抗干擾能力。二是增大調制電壓，通過增加調制電纜匹配電容將電壓調至2.5～4 V，增強抗干擾能力。三是更新程序，設置合理的數據保持時間，在數據保持時間超出設置值后發數據無效告警，避免波形畸變造成保護誤動作。四是檢查故障電子機箱，對其進行拆解，檢查調制電纜接線[7-10]。

4 結 論

通過統計分析運行以來的運行參數和故障，發現光CT故障中超過一半的比重為誤碼率快速上升現象。

光CT傳感器故障或運行不穩定時會導致光CT測量電流不正確、監視數據不正常、光功率測量數據偏大、誤碼率高，從而發出告警或引起控制保護主機退出運行。

因為光CT通過光纖連接到控制保護系統主機，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致光CT發誤碼率高告警。光纖故障也容易導致光CT測量系統運行不穩定，在已投運換流站出現過由于光纖問題導致出現誤碼率高和光功率高導致控制系統主機退出運行的情況。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行處理。