光電式直流分壓器原理及數據異常原因分析

韋超

摘要：光電式直流分壓器是換流站重要設備，對于高壓直流輸電系統的控制和保護的數據采樣及測量有著非常重要的作用，其數據的準確性對高壓直流輸電的安全可靠有著關鍵性影響。分析永仁換流站光電式直流分壓器的原理以及數據異常的原因，提出日常運維過程中的簡單的預控措施，對于高壓直流輸電的安全穩定運維有一定的參考價值及意義。

關鍵詞：高壓直流輸電;光電式直流分壓器;結構及原理;電壓測量;數據異常

引言

隨著高壓直流輸電技術的發展，光電式直流分壓器應用越來越廣泛，它主要應用于換流站高壓直流母線和中性母線的電壓測量，例如永仁換流站極1高壓直流母線、極2高壓直流母線各配置一臺光電式直流分壓器，極1中性母線、極2中性母線各配置一臺光電式直流分壓器，為永仁換流站直流控制保護、故障錄波系統及換流變諧波監視系統提高準確的電壓采樣值。本文主要介紹光電式直流分壓器的結構及原理，并對光電式直流分壓器數據異常的原因進行簡要分析，最后針對原因提出預控措施及運行維護過程中的注意事項。

1.光電式直流分壓器的結構及原理

1.1光電式直流分壓器的結構

永仁換流站光電式直流分壓器為PCS-9250-EAVD-500型電子式電壓互感器，主要由復合絕緣子、均壓環、直流分壓器、電阻盒、遠端模塊（RTU）及合并單元組成，如圖 1所示。

直流分壓器由多節阻容單元串聯組成，單節阻容單元由若干高壓電阻及單節電容器并聯組成，電阻分壓器傳感直流電壓，并聯電容分壓器均壓并保證頻率特性，直流分壓器額定二次輸出為50V。高壓側主要承受直流高電壓，充SF6氣體絕緣，根據高壓直流輸電的電壓等級確定所串聯的阻容單元節數，而每節的主體為電容筒，電容筒內部裝有電容，主要起均壓作用，而外殼為玻璃鋼，兩端用金屬材料固定。電容筒兩端的金屬材料用環氧板來固定，上面安裝著串聯的電阻，主要起分壓的作用。

電阻盒也叫低壓分壓板，是由多個相互并聯的阻容分壓回路組成的低壓分壓板，將直流分壓器輸出的低壓信號轉換為多路信號輸送至多個遠端模塊進行處理。為了防止低壓分壓板過電壓，低壓分壓板的兩端并聯了一個氣體放電管，即配有保護放電間隙，過壓時擊穿，放電氣隙的保護低壓值不會對低壓回路的元件造成損害。

遠端模塊主要負責接收并處理直流分壓器的輸出信號，并將處理后的串行數字光信號通過光纜輸送至合并單元。

合并單元放置在控制保護室內，一方面為遠端模塊提供供能激光，一方面接收并處理遠端模塊下發的數據，并將測量數據輸出至二次設備，合并單元可輸出數字信號及模擬量信號。

1.2光電式直流分壓器的原理

直流電流屬于恒流，不能在線圈中產生交變磁通，因此無法利用交流系統類似的感應原理來測量直流電壓。

光電式直流分壓器采用阻容分壓的原理將高電壓等級的一次值轉換為可供二次采樣裝置的采集的低電壓值，其高壓側并接于高壓母線或線路上，低壓側接地。通過直流分壓器獲得直流電壓，經電阻盒進行低壓分壓并將低壓信號輸送至遠端模塊，遠端模塊接收直流分壓器信號并進行處理后通過光纜將數字電信號輸送至合并單元處理，最后合并單元將測量數據輸送至直流保護系統，作為各種保護的判據。

其中R1、R2為高精度的大功率電阻，可以準確傳感直流電壓;C1、C2為均壓電容，以保證每個電阻承受相同的電壓，另一方面改善分壓器的頻率和暫態特性。

即直流分壓器的作用是采集直流系統的電壓信號，通過光纜輸送至合并單元，合并單元將采樣信號供給各保護裝置，如圖2所示。直流分壓器測量系統主要由分壓回路、信號傳輸系統和信號采集裝置組成。

2.直流分壓器的數據傳輸

直流分壓器信號傳輸系統和信號采集裝置如圖 1所示。直流分壓器的信號傳輸可以采用電纜傳輸、光纖傳輸和光纜傳輸三種方式。

1）電纜傳輸：電纜傳輸的是電信號，分壓回路輸出的電壓信號經電纜傳輸接入分壓板或經過放大器轉換進入控保系統;

2）光纖傳輸：光纖傳輸的是數字量光信號。將分壓器測量的直流電壓經過電光模塊轉換成數字量光信號，然后通過光纖傳輸到測量接口柜，再提供給控保系統;

3）光纜傳輸：光纜傳輸與光纖傳輸差不多，光纜是一定數量的光纖按照一定方式組成纜心，外包有護套，有的還包覆外護層，用以實現光信號傳輸的一種通信線路。即：由光纖（光傳輸載體）經過一定的工藝而形成的線纜。

3.導致光電式直流分壓器數據異常的原因

3.1光電式直流分壓器本體故障

光電式直流分壓器高壓側故障：由于高壓側承受的是直流高電壓，直流母線電壓越高，分壓器高壓側內部串聯的阻容單元就越多，而分壓器是通過SF6絕緣的，如果其內部SF6壓力低、微水含量超標的話，分壓器內部就可能會被擊穿短路，最終導致測量的直流母線電壓值發生異常。

光電式直流分壓器二次分壓模塊進線開路：電阻盒是由多個分壓模塊并聯組成的，而每個分壓模塊都有獨立的進線電纜連接，若進線電纜斷線或接觸不良導致開路，那么二次分壓模塊的輸出值必然為零，剩余的分壓模塊與分壓器低壓側構成的等效電路勢必會發生變化，從而造成直流分壓器所測量的數據異常。

低壓模塊接地故障：分壓器低壓側與電阻盒并聯構成了低壓模塊，低壓側及每個二次分壓模塊都是由獨立的電纜引出后接到低壓模塊箱的公共接地端。低壓模塊箱是金屬材質，通過接地扁鐵進行接地。如果低壓模塊箱公共接地端子螺絲松動或存在虛接情況，就會導致整個設備接地端懸空，二次分壓模塊測量值也會出現跳變，結果就是測量電壓發生異常。

3.2光電式直流分壓器測量系統故障

直流分壓器采集的數據是通過光纖、光纜等通道傳輸到極控制保護室的，運行過程中若光纖或光纜因絕緣性能降低、小動物破壞等原因導致數據傳輸異常或中斷，測量系統將不能準確的進行數據采集，從而送給極保護的信號將出現偏差，造成保護的誤動。

另外，極控制保護小室內測量接口屏上的測量接口裝置異常，如部分測量板卡不能正常啟動、死機或故障會導致直流控保無法采集到電壓量，類似的測量系統故障都會導致不能真實的反應極母線的電壓。

4.光電式直流分壓器的運維及簡單預控措施

針對上述導致光電式直流分壓器數據異常的原因，提出在日常運行維護過程中一些簡單的運維及預控措施如下：

1）加強對直流分壓器的日常巡視工作，做好紅外測溫及紫外檢查工作，關注分壓器的SF6氣體壓力并形成電子記錄并進行對比分析，發現紅外成像異常、明顯放電現象或壓力有所降低時及時反饋并上報缺陷處理;

2）在直流設備年檢時嚴格執行直流分壓器停電檢修項目，重點對直流分壓器低壓模塊箱內的接線及接地是否牢靠進行檢查，驗收時全面檢查外觀、遠端模塊、光纜接線等關鍵部位;

3）保護小室內做好防小動物檢查工作，防止傳輸光纜受損，加強對測量接口屏的巡視檢查，按照運維策略嚴格進行巡維、測溫等維護工作。

5.總結

本文從光電式分壓器的基本原理及結構、數據傳輸、造成數據異常的原因三個方面進行了簡要的闡述，并針對分壓器數據異常的原因提出了簡單的運維及預控措施，對于換流站的運維有一定的參考價值，有利于提高高壓直流輸電的可靠性。

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