全光纖電流互感器電子單元改進設(shè)計研究

鄭維高，高拓宇，舒志海，李義峰，李開拓，谷相宏

(江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

全光纖電流互感器(以下簡稱光CT)是一種基于法拉第磁光效應(yīng)原理的新型無源電流互感器，主要包括光CT傳感器頭、調(diào)制器(罐)和電子單元裝置3個重要組成部分，具有體積小，測量精度高，絕緣性能好，響應(yīng)速度快，無磁飽和問題等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于特高壓直流輸電工程中[1-4]，普遍配置在換流站的直流場和交流濾波器場。目前對于光CT的研究主要集中在噪聲研究[5]、溫度特性[6-7]、故障診斷[8]、靈敏度分析[9]等方面，而關(guān)于光CT的電子單元研究較少。電子單元主要功能是將電流測量得到的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出給直流控保系統(tǒng)，同時具有測量故障診斷能力[10-11]。

本文基于某換流站直流系統(tǒng)調(diào)試期間光CT電子單元直流電源單路空開試驗時出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，通過多次試驗分析發(fā)現(xiàn)電子單元在復(fù)電過程中受到高頻干擾引起測量異常，經(jīng)排查干擾源為雙電源失電告警擴展繼電器，提出了將雙電源失電告警擴展繼電器由固態(tài)繼電器替換傳統(tǒng)電磁式繼電器的改進設(shè)計方案，并通過多次斷電、復(fù)電試驗驗證改進設(shè)計方案的可行性。

1 試驗概況及故障分析

1.1 試驗概況

2017年4月29日某換流站系統(tǒng)調(diào)試期間進行光CT電子單元直流電源單路空開試驗：

15:47:06:824，斷開極2光CT測量接口屏B屏內(nèi)所有電子單元和合并單元A段電源，此時電子單元和合并單元正常工作(B段電源正常)；

15:47:50:841，A段電源空開重新合上；

15:47:51:359，后臺報極2高端閥組高壓側(cè)出口電流光CT測量故障，極2高端閥組低壓側(cè)出口電流光CT測量故障，數(shù)據(jù)無效(data invalid，DI)嚴重告警，同時極2高端閥短路保護S閉鎖，閥短路保護跳閘，閥短路保護隔離閥組；

15:47:51:446，極2高端閥組高壓側(cè)出口電流光CT測量故障消失，極2高端閥組低壓側(cè)出口電流光CT測量故障告警消失，具體后臺動作事件如表1所示。

查看故障時刻的波形，極2高端閥組高、低壓側(cè)光CT數(shù)值短時電流達到3 101 A。試驗人員讀取了電子單元內(nèi)部的故障日志，結(jié)果顯示電子單元在15:47:51未報出任何異常。

1.2 故障分析

1.2.1 光CT測量值波動致使保護動作

閥短路保護用于閥短路故障和換流變閥側(cè)相間故障，避免發(fā)生短路時換流閥遭受過應(yīng)力，保護主要檢測換流變閥側(cè)Y繞組和D繞組的電流，直流極母線以及直流中性線上的電流。電子單元單路電源失電瞬間，光CT測量值異常，查看內(nèi)置錄波如圖1所示，極2高端閥組高、低壓側(cè)光CT數(shù)值短時電流最大達到3 101 A，差流大于制動電流，滿足閥短路保護動作判據(jù)，直流保護動作正確。

表1 電子單元單電源失電閥短路保護動作事件

圖1 光CT測量波動致閥短路保護動作波形

1.2.2 電子單元單路復(fù)電報出數(shù)據(jù)無效告警

根據(jù)冗余設(shè)計要求，光CT接口屏內(nèi)1n-5n電子單元和6n合并單元，均為雙電源供電，單套電源故障不應(yīng)引起電子單元光CT測量故障和DI嚴重告警，電子單元通過光纖發(fā)至合并單元轉(zhuǎn)給測量屏的電流數(shù)字量不應(yīng)有變化。

當合并單元單路斷電和復(fù)電時，后臺事件報出正常，無光CT電流數(shù)值突變，無相關(guān)保護動作。電子單元單路斷電和復(fù)電時，后臺事件異常，報出光CT測量故障、DI告警，并有相關(guān)保護動作。由于電子單元裝置的自檢和故障日志功能不完善，無異常監(jiān)視記錄，可基本排除合并單元的問題，故障原因定位在電子單元和電子單元相關(guān)的回路。電子單元裝置報DI嚴重告警時直流控保會報對應(yīng)的光CT測量故障。

1.3 試驗分析

電子單元內(nèi)+6 V電源過低導(dǎo)致數(shù)據(jù)無效判斷條件是+6 V電源電壓閥值低于+5.35 V，判斷越限延時50 μs。現(xiàn)場通過示波器監(jiān)測板卡工作電源，開展單電源復(fù)電試驗，利用失電告警接點觸發(fā)示波器，示波器CH1接電子單元內(nèi)部板卡+6 V接點，CH2接電子單元內(nèi)部板卡-6 V接點。觀測到單電源復(fù)電瞬間，+6 V電壓有明顯的波動，其波動范圍為+5.24 V～+6.28 V，如圖2所示。復(fù)電瞬間出現(xiàn)了+6 V電源電壓偏低越下限閥值+5.35 V，持續(xù)時間180 μs，達到+6 V電源DI動作判據(jù)，并會在電壓恢復(fù)到閾值+5.35 V之上后復(fù)歸DI告警。

圖2 復(fù)電瞬間電子單元電源電壓波形

然后對失電路復(fù)電過程進行了分析，電子單元裝置電源告警回路原理如圖3所示。電子機箱的雙電源失電告警繼電器K1包含一副觸點，通過外部串聯(lián)繼電器擴展成2副節(jié)點，該擴展繼電器K2在斷開瞬間會產(chǎn)生1個高電壓尖脈沖，對接點K1產(chǎn)生沖擊，進而導(dǎo)致電子單元內(nèi)部6 V電源電壓跌落，最終發(fā)出DI嚴重告警。

現(xiàn)場電子單元裝置失電告警擴展繼電器K2使用的是歐姆龍OMRON MM2XP傳統(tǒng)電磁式繼電器，輸入側(cè)為線圈，等效為電感和線圈內(nèi)阻，整個回路可等效為一階響應(yīng)電路。電子單元在單路電源失電后，接點K1為閉合狀態(tài)，110 V直流電源對電感進行充電，線圈儲能數(shù)值可用公式(1)計算所得：

(1)

圖3 電子單元裝置電源告警回路原理

單路電源復(fù)電瞬間，接點K1斷開，繼電器K2失電，節(jié)點K1承受沖擊。根據(jù)換路定理，換路瞬間儲能元件的能量不能躍變，能量越高，對K1繼電器影響越大。

試驗1：單段電源B段失電，電源1繼續(xù)正常工作，電源2斷開，繼電器K1閉合，此時K2的線圈通電。

試驗2：單段電源B段復(fù)電，電源2閉合通電，K1繼電器觸點由閉合變?yōu)閿嚅_，K2繼電器線圈由通電變?yōu)閿嚯姟Ｓ捎陔姼须娏鞑荒芩沧儯€圈磁場能量無法立即釋放，此時會在線圈兩端產(chǎn)生高頻震蕩，震蕩幅度DV/DT過高會干擾電子單元機箱內(nèi)+6/-6 V電源系統(tǒng)，現(xiàn)場示波器實測電源正電壓最高達到512 V。

2 改進設(shè)計

2.1 優(yōu)化設(shè)計方案

考慮到電子單元裝置雙電源失電告警繼電器采用的是傳統(tǒng)電磁式繼電器，在換路瞬間儲存能量不能突變，會產(chǎn)生較大的電磁干擾沖擊，因此為了減少繼電器蓄能回路對換路瞬間干擾影響，使用固態(tài)繼電器替換傳統(tǒng)電磁式繼電器，采用PLC-RSC-120UC/21-21超薄型固態(tài)繼電器，一方面內(nèi)部微型線圈體積小且匝數(shù)少，等效電感值小；另一方面該繼電器線圈輸入側(cè)前部自帶整流橋保護電路，包含防錯接極性保護二極管和阻尼二極管，具有很強抑制電壓干擾和波動能力。

2.2 改進設(shè)計驗證

K2擴展繼電器更換原OMRON MM2XP電磁式繼電器，選擇PLC-RSC -120UC/21-21超薄固態(tài)繼電器，兩款繼電器參數(shù)如表2所示。從定性分析、定量計算和斷復(fù)電試驗3個方面驗證改進設(shè)計的可行性。

表2 繼電器各項參數(shù)

1)定性分析。因為線圈前部有電壓干擾抑制電路，線圈儲能對回路的沖擊會有所下降。

2)定量計算。根據(jù)表2兩種繼電器參數(shù)和公式(1)，計算兩者線圈儲存能量，固態(tài)繼電器僅為傳統(tǒng)電磁式繼電器的2.43%。

3)試驗驗證。更換繼電器后，重新進行單路電源斷電和復(fù)電試驗，試驗結(jié)果如圖4所示：黃色波形表示電子單元6 V供電電壓，電壓未受干擾；綠色波形表示DI嚴重告警信號，試驗一直未報出；粉紅波形表示固態(tài)繼電器觸點電壓，波形正常；藍色波形表示電子機箱失電觸點電壓，無異常波動。雙電源失電告警繼電器采用固態(tài)繼電器替換傳統(tǒng)電磁式繼電器后，試驗異常現(xiàn)象消失，改進設(shè)計方案可行，現(xiàn)場對全站光CT電子單元雙電源失電告警繼電器進行更換，異常現(xiàn)象未再復(fù)現(xiàn)。

圖4 固態(tài)繼電器試驗錄波

3 結(jié) 論

本文基于某換流站系統(tǒng)調(diào)試期間電子單元直流電源單路空開試驗時出現(xiàn)異常現(xiàn)象，通過不斷試驗復(fù)現(xiàn)故障和故障原因分析，最后發(fā)現(xiàn)電子單元雙電源失電告警擴展繼電器失電瞬間會對電源產(chǎn)生高頻電磁干擾，提出了采用固態(tài)繼電器替換傳統(tǒng)電磁式繼電器的改進設(shè)計方案，并通過定性分析、定量計算和斷電、復(fù)電試驗3個方面驗證改進方案可行，有效避免了光CT電子單元運行過程中出現(xiàn)單電源短時失電后復(fù)電引起特高壓直流光CT測量擾動，導(dǎo)致直流保護動作閉鎖直流，提高了光CT測量系統(tǒng)運行可靠性。該改進設(shè)計后續(xù)被廣泛應(yīng)用在其他同類型光CT電子單元的換流站，對保障特高壓直流輸電安全運行具有重要意義。