錫盟換流站交流濾波器不平衡保護誤動作分析

劉天作，趙文詩，張澤強

(1.國網河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450003；2.國網內蒙古東部電力有限公司內蒙古超特高壓分公司，內蒙古 通遼 028002)

錫盟換流站位于內蒙古自治區錫林郭勒盟，是錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程的送端站，額定輸送功率1000萬kW，于2017年9月投入運行。交流濾波器是特高壓換流站的重要設備之一，其主要作用是濾除交流母線諧波并補償換流器運行時的無功消耗，維持交流母線電壓在設定范圍內[1-2]。該站共配置4大組20小組交流濾波器(含并聯電容器)，其中4組HP24/36型濾波器，4組BP11/13型濾波器，2組HP3型濾波器；10組SC并聯電容器，額定電壓為525 kV。本文針對錫盟換流站一起光纖電流互感器電子單元程序設置問題導致交流濾波器電容器不平衡保護誤動作事故進行分析，并提出光纖電流互感器運維建議。

1 保護動作及現場檢查情況

1.1 保護動作情況

某日，錫盟換流站雙極1200 MW大地回線平衡運行。10：41：53，操作站后臺(operations workstation，OWS)報出“第2小組BP13分支不平衡光纖電流互感器1合并單元B相數據無效產生/消失”、“第2小組BP 13分支電容器不平衡保護投入消失/產生”、“第2大組濾波器保護系統AFPB，5622小組濾波器13分支電容器不平衡保護B相跳閘啟動+動作”等告警，保護動作跳開5622小組濾波器進線斷路器5622，同時OWS后臺鎖定5622；10：41：55，絕對最小濾波器不滿足要求，直流控制系統自動投入5612 BP11/13小組交流濾波器。

1.2 現場檢查情況

故障發生后，運維人員立即對5622小組濾波器電容器設備本體和光纖電流互感器回路進行全面檢查，電容器塔B相BP13分支的支柱絕緣子無放電、變形現象，單只電容未發現滲油、鼓包現象，電容器的接頭無斷股、松動現象，設備本體未發現明顯異常。對光纖電流互感器的光纖回路、調制盒和光纖管理盒進行細致檢查，均未發現異常。進入繼電保護小室檢查確認交流濾波器控制屏柜內電子單元無異常，第2大組濾波器保護裝置A套保護裝置未動作，濾波器保護裝置B套保護裝置顯示動作報文，與OWS后臺保護動作告警情況一致。

2 光纖電流互感器概述

2.1 系統構成

光纖電流互感器具有無油、無SF6、無TA飽和效應、數字化接口、帶自我診斷功能等性能，采用光纖作為傳輸介質，被測電流可以是直流電流，也可以是諧波電流[3]，相比電磁式電流互感器具有較大優勢，在本工程中大量使用。整套測量系統由光纖電流互感器本體、傳輸光纖、調制器盒、電子裝置、合并單元等元件構成，如圖1所示[4]。

圖1 光纖電流互感器系統構成

2.2 工作原理

光纖電流互感器工作時，由電子單元中的LED光源發出1束光信號，經偏振片分成2束線性偏振光信號，再經由保偏光纖將信號送到傳感頭部。光纖偏振器的尾纖與下一段光纖的尾纖以45°角度熔接，偏振光被平分為2束并沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，當這2束正交模式的光經過1/4波片后，分別轉變為左旋和右旋的圓偏振光(1/4波片的光學效應)，進入傳感光纖。

在傳感光纖中由于被測電流產生磁場的法拉第效應，這2束圓偏振光將以不同的速度傳輸，2束光信號繞著導體轉了多圈后，形成一定的相位差，在光纖的終點有1個鏡子，將光信號反射回去，但偏振的方向也同時被逆轉，左旋變右旋，右旋變左旋，再次穿過傳導光纖和電流產生的磁場相互作用，由于逆轉使加速、減速的效應加倍。2束光再次通過1/4波片后，恢復為線偏振光，并在光纖偏振器處發生干涉。線偏振光在光纖偏振器處發生干涉后，經過耦合器后進入電探測器，電探測器響應光強信息而輸出的電壓信號經過放大、濾波后送入A/D轉換器轉換為數字信息，然后送入基于FPGA的數字信號處理單元，經過一定的算法得到電流大小；同時以輸出量作為反饋量，經過D/A轉換器及其驅動電路后加到相位調制器，在2束相干光間引入反饋相移(與法拉第效應相移大小、方向相反)，實現閉環信號檢測，如圖2所示[5]。

圖2 光纖電流互感器工作原理

圖2中電子裝置既是光源也是接收裝置，將接收到的返回值送入合并單元，形成測量值，最后根據需要和系統配置原則，將多個電子單元的輸出接入控制保護及故障錄波等裝置。

2.3 光纖電流互感器運行參數

光纖電流互感器運行參數主要包括LED 驅動電流、光源溫度、相位調制器驅動電壓、輸入最大光強、輸入光強與其平均值的偏差、光的二次諧波等。正常運行數據見表1。

表1 光纖電流互感器運行參數

3 電容器不平衡保護原理

該站交流濾波器組并聯在500 kV交流母線上，濾波器中的電容器承受了大部分的母線電壓，電容器是交流濾波器的重要組成部分，當電容器元件發生故障時，剩余完好元件承受的電壓升高，有可能引起新的元件擊穿，導致其余元件上的電壓繼續升高，產生惡性連鎖效果，最終導致該電容器貫穿性短路，造成雪崩效應[6-8]。交流濾波器保護中配置的電容器不平衡保護，通過測量橋臂間的不平衡電流大小來反映電容器元件的故障情況，以判斷電容器內部或外部是否發生故障。電容器不平衡保護以濾波器入地電流為基準電流，采用兩橋臂的不平衡電流與入地電流的比值作為動作判據，測量計算數值超過整定值時，電容器不平衡保護動作[9-10]。BP11/13電容器組結構如圖3所示。

圖3 BP11/13電容器組結構

該站每大組濾波器配置有A/B 2套保護裝置，每套保護裝置的測量回路相互獨立，采用“啟動+保護”出口邏輯，當其中1套濾波器保護的“啟動+保護”滿足條件時，保護動作出口。單套保護的“啟動”和“保護”共用1個測量線圈。BP11/13交流濾波器電容器不平衡保護接線如圖4所示。

圖4 BP11/13交流濾波器不平衡保護接線

該小組交流濾波器電容器不平衡光纖電流互感器電流采樣路徑：現場不平衡光纖電流互感器測量數據經光纖回路傳輸到電子單元A/B，經電子單元處理后送入合并單元A/B；然后分別送到啟動測量接口屏A/B和保護測量接口屏A/B，經處理后的電流分別接入交流濾波器保護裝置A/B，若保護啟動條件和動作條件同時滿足，則保護動作出口，跳開濾波器組的斷路器；外置故障錄波則是從合并單元接入的電流量。具體采樣路徑見圖5。

圖5 交流濾波器不平衡光纖電流互感器采樣路徑

a.不平衡保護啟動邏輯

不平衡保護啟動分為三段式電流保護，啟動判據為

(1)

式中：Iqd為不平衡保護啟動電流；Iunb為電容器組橋臂間不平衡電流；Iw為濾波器尾端電流。

Ⅰ段為報警段，當Iqd>0.000 403 75時，延時10 s報警；Ⅱ段為120 min延時跳閘段，當Iqd>0.000 565 25時，延時120 min跳閘；Ⅲ段為速斷跳閘段，當Iqd>0.000 769 5時，延時20 ms跳閘。

b.不平衡保護動作邏輯

不平衡保護動作分為三段式過流保護，動作判據為

(2)

式中：Idz為不平衡保護動作電流。

Ⅰ段為報警段，當Idz>0.000 425時，延時10 s報警；Ⅱ段為120 min延時跳閘段，當Idz>0.000 595時，延時120 min跳閘；Ⅲ段為速斷跳閘段，當Idz>0.000 81時，延時20 ms跳閘。

4 原因分析

4.1 事故排查

a.電容器測量

首先檢查設備外觀無異常后，繼續檢查電容器本體設備，檢修人員現場對5622交流濾波器組B相13分支電容器組橋臂電容值進行3次測量，并與交接試驗數據進行對比，未發現異常排除電容器本體設備故障可能性。數據記錄見表2。

表2 電容器橋臂電容測試記錄 單位：μF

b.電子單元運行參數

由于光纖電流互感器數據無效告警瞬時復歸，通過查看電子機箱運行參數，各狀態量均在正常范圍內，該光纖回路LED驅動電流、二次諧波電壓均無異常歷史，說明光纖回路運行正常無損傷。運行參數如圖6所示。

圖6 光纖電流互感器運行參數

4.2 錄波分析

圖7 不平衡保護啟動內置故障錄波

圖8 不平衡保護動作內置故障錄波

c.查看5622小組交流濾波器不平衡保護外置故障錄波，發現5622小組濾波器13分支B相不平衡電流峰值為0.107 A，而A、C兩相不平衡電流均為0.008 A左右，與內置故障錄波值保持一致，AFP2B 5622小組濾波器B相13分支不平衡保護動作正確。如圖9所示。

圖9 不平衡保護外置故障錄波

交流濾波器不平衡保護在接收到光纖電流互感器電子單元發送的數據無效信號時，會退出相應的保護功能，該邏輯模塊置于T1周期內，可以在2 ms內完成一次檢測。交流濾波器保護程序在接收到數據異常信號后，將該信號展寬20 ms,閉鎖對應小組濾波器不平衡保護，在數據異常消失20 ms后開始恢復正常判斷保護邏輯。具體邏輯如圖10和圖11所示。

圖10 光纖電流互感器數據異常閉鎖不平衡保護邏輯1

圖11 光纖電流互感器數據異常閉鎖不平衡保護邏輯2

如果光纖電流互感器電子單元由數據異常恢復到正常狀態后，延時20 ms后電子單元不能正常給相應保護輸出正確數據，則可能導致交流濾波器保護不正確動作。

通過事故列表及故障錄波分析可知，在跳開5622斷路器時，只有AFP2B單套保護5622的 BP13分支不平衡保護動作(啟動+保護均動作)，AFP2A 5622的BP13分支不平衡保護未動作(啟動+保護均未動作)，并且在AFP2B保護動作前，AFP2B交流濾波器保護5622小組濾波器13分支光纖電流互感器測量異常信號剛復歸。綜合以上情況分析，初步判斷為5622小組濾波器13分支不平衡光纖電流互感器電子單元在數據無效告警復歸后發出雜亂數據，導致事故對應傳感器產生100 mA左右隨機電流，造成保護誤動作跳開5622。

5 事故處理措施

在5622交流濾波器電容器不平衡保護誤動作跳閘后，經過廠內仿真試驗數據對比，確認該類型的光纖電流互感器在數據無效復歸后需要設置延時來保證系統穩定，在這期間內有可能會輸出錯誤的數據導致保護誤動作。為避免保護誤動作，確定如下整改措施。

a.交流濾波器不平衡光纖電流互感器和直流濾波器不平衡光纖電流互感器濾波環節的帶通濾波頻率由0.05 Hz設置為45 Hz，數據無效復歸延時設置為10 ms。

b.直流場其他光纖電流互感器和接地極光纖電流互感器的數據無效復歸延時設置為2 ms。

確定以上整改方案后，對全站的光纖電流互感器電子單元主板程序進行升級完善，未再發生類似保護誤動作事故。

6 結論

目前在運或在建特高壓換流站采用光纖電流互感器設備數量逐年增加，由于光纖電流互感器傳輸環節較多，光纖本身較脆弱，且電子設備對安裝工藝、運行環境均有一定要求，結合本次故障情況，提出以下運維建議。

a.加強光纖電流互感器運行數據監視，定期對光纖電流互感器電子機箱數據LED驅動電流、光源溫度、光的二次諧波電壓和調制器驅動電壓等數據進行抄錄對比，超過正常運行范圍數值時，及時開展檢查，進行處理。必要時盡快申請設備停運，防止保護誤動作。

b.加強一次設備巡視檢查，特別是大風沙塵等惡劣天氣，確保光纖調制盒及光纖管理盒不受外力破壞影響正常運行。

c.年度檢修期間逐臺檢查設備情況，確保光纖調制盒及光纖管理盒密封良好，防潮劑正常，無進水受潮等情況。

d.地處北方的部分廠站，冬季氣溫可能要低于-30 ℃，光纖電流互感器設計安裝階段要考慮通過增加護套軟管加強光纖保護，杜絕光纖穿管破損，防止水進入穿管后冬季結冰造成光纖受力，影響正常數據測量，產生數據無效告警，影響控制保護裝置正常運行。