光电式直流分压器原理及数据异常原因分析

韦超

摘要：光电式直流分压器是换流站重要设备，对于高压直流输电系统的控制和保护的数据采样及测量有着非常重要的作用，其数据的准确性对高压直流输电的安全可靠有着关键性影响。分析永仁换流站光电式直流分压器的原理以及数据异常的原因，提出日常运维过程中的简单的预控措施，对于高压直流输电的安全稳定运维有一定的参考价值及意义。

关键词：高压直流输电;光电式直流分压器;结构及原理;电压测量;数据异常

引言

随着高压直流输电技术的发展，光电式直流分压器应用越来越广泛，它主要应用于换流站高压直流母线和中性母线的电压测量，例如永仁换流站极1高压直流母线、极2高压直流母线各配置一台光电式直流分压器，极1中性母线、极2中性母线各配置一台光电式直流分压器，为永仁换流站直流控制保护、故障录波系统及换流变谐波监视系统提高准确的电压采样值。本文主要介绍光电式直流分压器的结构及原理，并对光电式直流分压器数据异常的原因进行简要分析，最后针对原因提出预控措施及运行维护过程中的注意事项。

1.光电式直流分压器的结构及原理

1.1光电式直流分压器的结构

永仁换流站光电式直流分压器为PCS-9250-EAVD-500型电子式电压互感器，主要由复合绝缘子、均压环、直流分压器、电阻盒、远端模块（RTU）及合并单元组成，如图 1所示。

直流分压器由多节阻容单元串联组成，单节阻容单元由若干高压电阻及单节电容器并联组成，电阻分压器传感直流电压，并联电容分压器均压并保证频率特性，直流分压器额定二次输出为50V。高压侧主要承受直流高电压，充SF6气体绝缘，根据高压直流输电的电压等级确定所串联的阻容单元节数，而每节的主体为电容筒，电容筒内部装有电容，主要起均压作用，而外壳为玻璃钢，两端用金属材料固定。电容筒两端的金属材料用环氧板来固定，上面安装着串联的电阻，主要起分压的作用。

电阻盒也叫低压分压板，是由多个相互并联的阻容分压回路组成的低压分压板，将直流分压器输出的低压信号转换为多路信号输送至多个远端模块进行处理。为了防止低压分压板过电压，低压分压板的两端并联了一个气体放电管，即配有保护放电间隙，过压时击穿，放电气隙的保护低压值不会对低压回路的元件造成损害。

远端模块主要负责接收并处理直流分压器的输出信号，并将处理后的串行数字光信号通过光缆输送至合并单元。

合并单元放置在控制保护室内，一方面为远端模块提供供能激光，一方面接收并处理远端模块下发的数据，并将测量数据输出至二次设备，合并单元可输出数字信号及模拟量信号。

1.2光电式直流分压器的原理

直流电流属于恒流，不能在线圈中产生交变磁通，因此无法利用交流系统类似的感应原理来测量直流电压。

光电式直流分压器采用阻容分压的原理将高电压等级的一次值转换为可供二次采样装置的采集的低电压值，其高压侧并接于高压母线或线路上，低压侧接地。通过直流分压器获得直流电压，经电阻盒进行低压分压并将低压信号输送至远端模块，远端模块接收直流分压器信号并进行处理后通过光缆将数字电信号输送至合并单元处理，最后合并单元将测量数据输送至直流保护系统，作为各种保护的判据。

其中R1、R2为高精度的大功率电阻，可以准确传感直流电压;C1、C2为均压电容，以保证每个电阻承受相同的电压，另一方面改善分压器的频率和暂态特性。

即直流分压器的作用是采集直流系统的电压信号，通过光缆输送至合并单元，合并单元将采样信号供给各保护装置，如图2所示。直流分压器测量系统主要由分压回路、信号传输系统和信号采集装置组成。

2.直流分压器的数据传输

直流分压器信号传输系统和信号采集装置如图 1所示。直流分压器的信号传输可以采用电缆传输、光纤传输和光缆传输三种方式。

1）电缆传输：电缆传输的是电信号，分压回路输出的电压信号经电缆传输接入分压板或经过放大器转换进入控保系统;

2）光纤传输：光纤传输的是数字量光信号。将分压器测量的直流电压经过电光模块转换成数字量光信号，然后通过光纤传输到测量接口柜，再提供给控保系统;

3）光缆传输：光缆传输与光纤传输差不多，光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。即：由光纤（光传输载体）经过一定的工艺而形成的线缆。

3.导致光电式直流分压器数据异常的原因

3.1光电式直流分压器本体故障

光电式直流分压器高压侧故障：由于高压侧承受的是直流高电压，直流母线电压越高，分压器高压侧内部串联的阻容单元就越多，而分压器是通过SF6绝缘的，如果其内部SF6压力低、微水含量超标的话，分压器内部就可能会被击穿短路，最终导致测量的直流母线电压值发生异常。

光电式直流分压器二次分压模块进线开路：电阻盒是由多个分压模块并联组成的，而每个分压模块都有独立的进线电缆连接，若进线电缆断线或接触不良导致开路，那么二次分压模块的输出值必然为零，剩余的分压模块与分压器低压侧构成的等效电路势必会发生变化，從而造成直流分压器所测量的数据异常。

低压模块接地故障：分压器低压侧与电阻盒并联构成了低压模块，低压侧及每个二次分压模块都是由独立的电缆引出后接到低压模块箱的公共接地端。低压模块箱是金属材质，通过接地扁铁进行接地。如果低压模块箱公共接地端子螺丝松动或存在虚接情况，就会导致整个设备接地端悬空，二次分压模块测量值也会出现跳变，结果就是测量电压发生异常。

3.2光电式直流分压器测量系统故障

直流分压器采集的数据是通过光纤、光缆等通道传输到极控制保护室的，运行过程中若光纤或光缆因绝缘性能降低、小动物破坏等原因导致数据传输异常或中断，测量系统将不能准确的进行数据采集，从而送给极保护的信号将出现偏差，造成保护的误动。

另外，极控制保护小室内测量接口屏上的测量接口装置异常，如部分测量板卡不能正常启动、死机或故障会导致直流控保无法采集到电压量，类似的测量系统故障都会导致不能真实的反应极母线的电压。

4.光电式直流分压器的运维及简单预控措施

针对上述导致光电式直流分压器数据异常的原因，提出在日常运行维护过程中一些简单的运维及预控措施如下：

1）加强对直流分压器的日常巡视工作，做好红外测温及紫外检查工作，关注分压器的SF6气体压力并形成电子记录并进行对比分析，发现红外成像异常、明显放电现象或压力有所降低时及时反馈并上报缺陷处理;

2）在直流设备年检时严格执行直流分压器停电检修项目，重点对直流分压器低压模块箱内的接线及接地是否牢靠进行检查，验收时全面检查外观、远端模块、光缆接线等关键部位;

3）保护小室内做好防小动物检查工作，防止传输光缆受损，加强对测量接口屏的巡视检查，按照运维策略严格进行巡维、测温等维护工作。

5.总结

本文从光电式分压器的基本原理及结构、数据传输、造成数据异常的原因三个方面进行了简要的阐述，并针对分压器数据异常的原因提出了简单的运维及预控措施，对于换流站的运维有一定的参考价值，有利于提高高压直流输电的可靠性。

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