±500kV换流站不平衡光CT故障原因分析

孙少晗，张功望，杨东斌

（西安输变电运行公司，陕西西安710075）

±500kV换流站不平衡光CT故障原因分析

孙少晗，张功望，杨东斌

（西安输变电运行公司，陕西西安710075）

随着电力系统电压等级的升高和传输容量的不断增大，以及科学技术的不断更新，传统的电磁式电流互感器（CT）暴露的一系列缺点越来越突出：高压绝缘复杂、故障电流下铁心易磁饱和，以及存在磁滞现象等等。相比之下，新型光学电流互感器（Optical Current Transformer，光CT）在这些问题上就具有绝对的优势。新型光学电流互感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和问题、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰强、安全性能好、体积小、重量轻、易与数字设备接口等优点[1]，被认为是传统电磁式电流互感器（CT）的理想替代品。光CT作为测量电流的新型设备，在目前的±500kV直流输电系统[2]中得到了广泛的应用。

本文以宝鸡换流站为例进行介绍，宝鸡换流站双极共配置4组直流滤波器，用来滤除换流阀在直流侧产生的12、24次和12、36次谐波。不平衡光CT每组滤波器配置1套，完成直流滤波器电容器组不平衡电流的数据采集和数据处理，用于直流控制保护系统，包括控制、保护、测量、录波等[3-4]。

1 光CT原理介绍

光CT作为电子式互感器的一种，主要由3部分组成：高精度分流器与光电模块、信号传输光缆、光接口模块[5]。直流滤波器电容不平衡电流采用光CT进行测量，在一次回路中串联一个电阻，通过测量电压来反映电流的大小，测量信号经过A/D转换及光电转换后，通过光纤接入控制室光接口模块，即合并器，由合并器将不平衡电流通过光纤以TDM格式送往直流滤波器保护、监控及故障录波装置。每一个光CT在运行人员工作站（OWS）界面上应有用于监视光CT运行状况的数据，如光功率、光电流、采样脉冲峰值、数据脉冲峰值及误码率等。

图1 光CT原理图Fig.1 Schematic diagram of optical CT

2 故障现象及处理过程

2010年3月15日以来，宝鸡换流站监控系统多次报出“极Ⅰ第一组直流滤波器保护采样出错”，其中严重故障8次，造成7次极Ⅰ第一组直流滤波器保护退出运行，1次直流滤波器被迫停运。现场曾采取更换采集器、合并器，增大光功率插件发射功率及多次更换光纤备用芯等措施，问题仍无法彻底解决。故障及处理过程如下：

1）2010年3月15日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护A采样出错，合并器面板告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。检查发现光路不通，更换备用光纤后设备运行正常。

2）2010年3月28日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护A采样出错，合并器面板告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。测试分析后发现A系统第一台装置启动电流太大（17mA），其他三台为10mA，更换采集器后报警消除。

3）2010年4月28日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护A采样出错，合并器面板告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。检查发现一条光路不通，将极Ⅰ第一组直流滤波器不平衡光CT户外光缆熔接盒光纤进行重新熔接后故障消失。

4）2010年4月29日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护A采样出错，合并器面板告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。现场检查发现第二套合并器激光发射功率太低，由800mW调至1100mW后正常。

5）2010年4月30日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护B采样出错，合并器面板告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。检查发现激光功率太低，将第三、第四套合并单元光功率由原来的800mW调至1100mW。

6）2010年5月1日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护A采样出错，合并器告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。检查发现激光功率太低，将第一套合并单元光功率由原来的800mW调至1100mW。

7）2010年5月2日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护A采样出错，合并器告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。测试发现三路光纤不通，备用光纤数量不够，无法现场修复。随即将极Ⅰ第一组直流滤波器保护A退出运行。

8）2010年5月5日，极Ⅰ第一组直流滤波器保护B采样出错，合并器告警灯亮，告警菜单显示“REMOTE ERR”。由于5月2日已将保护A退出运行，造成2套保护均退出运行，根据电力系统运行导则要求，一次主设备不得无保护运行，被迫将极I第一组直流滤波器退出运行。

3 故障原因分析

±500kV换流站每组直流滤波器不平衡光CT配备4个通道，每通道由独立的采集器、光纤、合并器组成。在光CT频繁故障中，均出现“REMOTE ERR”信号，表示合并器无法正确接收采集器发送来的数据。光CT工作时，从光CT本体采集器将数据传输到合并器的过程中，出现数据丢失或错误时，就会出现误码，若只是间断性出现误码，该通道仍可继续运行，若在一段时间内连续出现误码，则会导致该通道关闭，合并器接收数据出现异常，导致“REMOTE ERR”信号出现。

从图2分析可知，光CT故障可能出现的原因有：采集器故障；合并器输出光功率不足，导致采集器无法正常工作；采集器顶部、底部熔接盒光纤熔接不合格；顶部至底部浇注式光缆或底部熔接盒至屏柜熔接盒主光缆纤芯衰耗大，工作不稳定；尾纤质量不合格、接触不好。3月15日至5月5日，对于出现的故障，由于时间仓促，采取了更换备用光纤、调节光功率、更换采集器等方法进行恢复，确保直流滤波器正常运行。5月5日极I第一组直流滤波器退出运行后，现场用OTDR（光时域反射仪）对12条光纤进行了全面测试，结果发现有3条光纤存在强度衰减或断点，2条为数据线，1条为激光供电线，其中数据线的衰减点定位在浇注式光缆的顶部与采集器之间0～1m处，激光供电线的衰减点定位在浇注式光缆底部的光线熔接盒0～2m处。通过测试分析，发现光CT存在制造质量问题[6]：

图2 光CT光缆连接图Fig.2 Optical cable connection diagram of optical CT

1）浇注式光缆顶部0～1m的光纤未能严格按圆形（直径大于5cm）或椭圆形盘绕固定，致使长期运行在引力作用下导致光纤断裂；同时尾纤端部未用酒精棉擦试，轻则造成光传输损耗增大，重则造成光路不通。

2）浇注式光缆底部0～2m的光纤熔接盒中光纤盘绕走线不专业，光缆固定不牢，受风力及其他外力作用时，造成光缆向两侧拉抻，从而使原先盘好的光纤变形、扭曲或断裂。另外热胀冷缩也会造成光纤变形、扭曲或断裂。

3）光缆施工中存在弯曲半径过大、挤压，纤芯存在杂质、不均匀，熔接中存在虚接等现象，造成光纤衰减过大，引起通信业务中断[7]。

4）合并器激光功率输出不稳定，存在功率漂移现象，发送功率无法与采集器形成闭环调节，造成采集器运行不稳定。

5）合并器对发现的异常信息未及时储存上送运行人员工作站（OWS），造成故障分析困难。

6）采集器电源转换器受外部环境温度影响较大，温度高时转换效率较低。

4 解决方案

为彻底解决问题，西安输变电运行公司多次组织设计、施工、厂家技术人员进行分析，并结合故障现象，提出以下改进方案：

1）改进光纤浇注工艺，将束装24芯光纤（如图3所示）灌注到绝缘子中，改变以前将24根光纤分散平行地灌浇在绝缘子中的工艺，顶部的光芯直接带ST和FC接头，减少光纤熔接点，易于故障排查处理。

图3 光缆结构示意图Fig.3 Optical cable schematic

2）在采集器中增加温度检测功能，实时监测采集器由于光电转换和电阻发热所引起板卡温度变化的情况。

3）对激光供电模块进行优化改进，由以前的定功率变为动态自适应，解决由于外界运行环境变化引起采集器工作异常情况。

4）对合并器界面显示菜单进行优化，增加异常及故障信息自动存储、录波功能，同时将信息通过网络形式送至运行人员工作站（OWS）。

5）工厂内搭建试验测试平台，模拟现场运行情况，组织专家对完善后的整个产品进行现场测试验收，考察光CT整体运行稳定性及监控信息完整性，确保产品运行稳定后对现场进行一次性更换处理。

5 结论与建议

经过对改进后的光CT进行了30天的工厂测试验收，2010年6月中旬，对极I第一组不平衡光CT进行了整体更换，新的光CT对光缆浇注工艺、采集器、合并器进行了改进，绝缘子顶部的光纤直接带有ST和FC接头，减少熔接点，提高了设备整体运行稳定性。鉴于国内±500kV换流站光CT设计、施工、运行维护中出现故障较多，为了保障光CT及直流滤波器保护的长期稳定运行，特提出以下建议：

1）在安装敷设光纤、光缆过程中必须注意光缆弯曲度，采取措施提高光纤接头制作工艺，并检查接头衰耗率。

2）对于光CT测量回路光纤，每次拔出后必须戴好护套，防止碰撞光纤头或灰尘入侵；插回以前使用无水乙醇及专用清洁纸张对光纤头进行清洁。

3）在巡检中对光纤的弯曲度进行检查，尤其是年度检修过程中，对所有光纤弯曲度和周围温度进行系统检查，发现异常及时处理。

4）建议在工程设计时尽量减少光纤的中间转接点，并选用性能优良的光纤及尾纤。

5）做好光CT的防雨防潮工作。设备停电检修时检查光CT接线盒密封情况，更换接线盒内的干燥剂，恢复时确保密封良好。

6）定期对光CT的所有数据，包括有光功率、光电流、光脉冲、峰值、误码率进行监视，及时发现问题。

[1]王少杰.电子式电流互感器的组合式电源系统[D].大连：大连理工大学,2008.

WANG Shao-jie.Combined Power Supply System for Electronic Current Transformer[D].Dalian:Dalian University of Technology,2008(in Chinese).

[2]刘振亚.直流输电系统电压等级序列研究[J].中国电机工程学报,2008,28(10):1-8.

LIU Zhen-ya.Study on the Voltage Sequence of HVDC Transmission System[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(10):1-8(in Chinese).

[3]崔吉峰.高压直流输电岗位培训教材:互感器、滤波器及避雷器[M].北京:中国电力出版社,2009:39.

CUI Ji-feng.HVDC Training Materials:Instrument Transformer,Filters and Surge Arrester[M].Beijing:China Electric Power Press,2009:39(in Chinese).

[4]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004:346.

ZHAO Wan-jun.HVDC Transmission Project Technology[M].Beijing:China Electric Power Press,2004:346(in Chinese).

[5]梁旭明.换流站单双极闭锁报告汇编[M].北京:中国电力出版社,2009:161.

LIANG Xu-ming.The Blocking Compilation Reports of Single and Double Pole Block Converter Station[M].Beijing:China Electric Power Press,2009:161(in Chinese).

[6]李兴源.高压直流输电系统的运行与控制[M].北京:科学出版社,1998:44-66.

LIXing-yuan.HVDCsystemoperationandcontrol[M].Beijing:Science Press,1998:44-66(in Chinese).

[7]高强.基于不确定型AHP的店里光缆线路模糊综合评估[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):46-49.

GAO Qiang.Fuzzy Comprehensive Assessment in Electric Power Optical Cable Line Based on the Uncertain AHP[J].Power System Protection and Control,2009,37(3):46-49(in Chinese).

Analysis of Failures on the Unbalanced Optical CT in the±500kV Converter Station

SUN Shao-han,ZHANG Gong-wang,YANG Dong-bin
（Xi′an Power Transmission Operation Company,Xi′an 710075,Shaanxi Province,China）

This paper describes differences between the electromagnetic CT and the optical CT,the working principles of the optical CT,and the connection between the optical CT and the primary and secondary systems of the power system.The paper mainly reviews the abnormalities of the optical CT in operation,treatments of these abnormalities and precautions in the maintenance.Through the theoreticalanalysis,field experiments and other methods,it is found that the imbalanced ray-CT has problems in its casting method in method,the principle of power supply and the self-test of the equipment.Properimprovementmeasureshavebeen taken and the operation stability of the device has been enhanced.

optical CT;OTDR;failure analysis

介绍了电磁式CT与光CT的区别、光CT的原理、光CT与电力一次、二次系统之间的连接方式，重点对光CT运行中出现的异常、处理方法及维护过程注意事项进行总结。通过理论分析、现场实验方法，发现不平衡光CT在浇注方式、激光供电原理、设备自检等方面存在问题，并加以改进，提高了设备运行稳定性。

光CT；OTDR；故障分析

1674-3814（2011）11-0046-04

TP212.14

B

2010-11-30。

孙少晗（1973—），男，工程师，研究方向为直流输电控制保护及自动化；

张功望（1964—），男，高级工程师，研究方向为交直流输电一、二次设备；

杨东斌（1972—），男，高级工程师，研究方向为交直流输电二次设备。

（编辑 冯露）