光电流互感器在换流站直流滤波器中的应用及故障原因分析

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习超群等：光电流互感器在换流站直流滤波器中的应用及故障原因分析 Vol. 32 Supplement 1
工程直流滤波器的运行初期情况看，直流滤波器故 障跳闸相对较多，下文将对故障案例和解决方法进 行具体分析。
3 案例描述
2007 年 4~6 月，宜都换流站曾出现 7 次因光电
流互感器测量故障而使直流滤波器电容器不平衡
对于方法一，本文考虑增加光电磁式电流互感 器的测试项目，判断是否是光电磁式电流互感器本 身的问题，但因历次故障后进行相关检查均未发现 任何问题，估计该方法实施起来较困难。对于方法 二，仔细研究图 3 的软件逻辑图可以发现，该设计 逻辑存在以下问题：①IT2RMS 是将 iT2 瞬时采样值平 方后在 500 ms 时间段内求积分然后开方所得，这种 算法会导致尖波在 500 ms 内每进行一次积分就会 被计算一次，这样就会在 500 ms 内不停地计算，在 连续 500 ms 的每次积分中都含有尖波，并不能达到 平抑尖波、避免误动的目的。②返回值 H=0.01 相 对于 IT2RMS 而言比较大，一旦直流滤波器保护启动 后(IT2RMS−0.008 8 IT4>0)很难返回。③延时 t2 考虑不 合理，可以考虑适当增加 t2。三广、三常直流输电 工程中，该延时一直设定为 2 000 ms。
iT2
有效值 平方
在 t1 时间段 求积分
开方
IT2RMS
IT4RMS 0.008 8
×
0.008 8 IT4RMS
H=0.01 比较器
跳闸 延时 t2
图 3 直流滤波器电容器不平衡保护动作逻辑
此处以 2007 年 6 月 16 日 14:47:09 极 I Z12
直流滤波器电容器不平衡保护 III 段跳闸为例，其
第 32 卷 增刊 1 2008 年 6 月
文章编号：1000-3673（2008）S1-0017-03
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM45；TM77
文献标识码：A
Vol. 32 Supplement 1 Jun. 2008
学科代码：470·40
光电流互感器在换流站直流滤波器中的应用 及故障原因分析
随着电力需求的不断扩大、电压等级的不断提 高，传统的电磁式电流互感器的缺点日益显露，主 要有：①绝缘费用昂贵；②内部充油易引起爆炸； ③二次侧绕组开路有过电压的危险；④电磁干扰严 重；⑤体积大、笨重。
从 20 世纪 60 年代起，人们就寻求可替代传统 电磁式电流互感器的新型电流互感器，其中光电流 互感器(optical current transducer，OCT)成为全球研究 的热点。与传统电磁式电流互感器相比，OCT 具有 绝缘性能优良、无暂态磁饱和问题、动态测量范围 大、频率范围宽、抗电磁干扰能力强、安全性能好、 体积小且重量轻、易与数字设备接口等优点[1-3]。特 别是在目前国家大力发展的特高压交流 1 000 kV 输 电系统和直流±600~800 kV 输电系统中，交流电磁 式电流互感器要再提高电压等级存在一定的难度， 但是 OCT 就不存在这方面的问题。可以预见，广 泛应用 OCT 是电力系统电流测量的发展趋势[4-6]。
习超群，程 炯，杨世贵
（国网运行有限公司 宜昌超高压管理处，湖北省 宜昌市 443005）
The Application of Optical Current Transformer in Converter Station DC Filter and Its Fault Reason Analysis
摘要：简单介绍了光电流互感器的特点，阐述了其在换流站 直流滤波器中的应用情况，针对宜都换流站中多次出现因光 电流互感器测量故障而使直流滤波器电容器不平衡保护跳 闸的事件，分析了光电流互感器在使用中发生故障的原因， 并提出了相应的解决办法。
关键词：光电流互感器；直流滤波器；电容器不平衡保护； 跳闸
0 引言
故障录波图如图 4 所示。由图 4 可知：iT2RMS 的
有效值为 0.21 A；iT4 的有效值为 7.832 A；iT2 的有 效值为 1.571 A；t=0 ms 时，iT2RMS、iT4 和 iT2 分别为 0.003 35、7.837 和 7.027 A。
iT2/A iT4/A iT2RMS/A
平衡保护 III 段跳闸。
在上述 7 次保护动作频繁的跳闸过程中，检查
一次设备均没有出现任何异常现象，对故障直流滤
波器的单只电容及整臂电容进行测量，测量结果均
在正常范围内，7 次跳闸均属于同一类型故障。从
每次故障时的录波图看，每次故障均有尖波存在，
ABB 公司负责人解释跳闸均是由直流滤波器 OCT
测量回路出现异常引起的。
电网技术
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一次设备又无异常，因此可以判断，历次故障均是 由于光电流互感器 T2 的测量故障引起的。
4 解决方法
通过上述分析可以得出，历次故障均与光电流 互感器 T2 有关，最根本的是 T2 有时会检测到尖波。 为避免上述跳闸事件，本文指出分别从硬件和软件 两方面解决问题，具体方法如下：①全面查找光电 磁式电流互感器及其测量回路，在工艺和技术上避 免光电磁式电流互感器再次出现瞬时尖脉冲。②通 过修改软件，在软件中判断并过滤掉该尖波脉冲。
iT2
有效值 平方
101 个采样值 求加权平方
开方 IT2RMS
IT4RMS 0.008 8
×
H H=0.01
跳闸 延时 t2
图 5 修改后的直流滤波器电容器不平衡保护动作逻辑
护在出现尖波后可能会启动，但在启动 10 ms 后会 及时返回，无法达到出口时间，从而达到了防止保 护误动的目的。
5 结论
当前，光电流互感器在实际应用中还未达到完 全成熟的阶段，应用过程中会出现一些异常现象， 为此本文针对宜都换流站中多次出现因光电流互 感器测量故障而使直流滤波器电容器不平衡保护 跳闸事件，分析了光电流互感器技术在使用中的故 障原因，并提出了相应的解决办法，以期为开展实 际工作提供借鉴经验。
在宜都站直流滤波器电容器不平衡保护动作
的 7 次故障中，不平衡保护没有经过 I 段报警、II 段延时 2 h 跳闸，均为电容器不平衡保护 III 段直接 立即跳闸出口。从历次故障情况看，每次录波波形
基本相同，这是因为光电流互感器 T2 检测到尖波， 经一定延时后动作出口，T4 的电流值基本恒定，而
第 32 卷 增刊 1
0.17 0
−0.17
4.6 0
−4.6
3.9 0
−3.9 0
500 1 000 1 500 2 000 t/ms
图 4 2007 年 6 月 16 日 14:47:09
极 I Z12 直流滤波器电容器不平衡保护跳闸录波图
由图 4 可以发现：iT2 瞬时出现了一个尖波，峰 值达到 7.027 A，导致 iT2RMS 突然变大然后逐渐变小； 当保护启动时，iT2RMS 为 0.21 A，而 iT4RMS 为 7.837 A， 达到保护动作值，保护启动正确；之后，iT2RMS 先 变大，然后慢慢减小，最后达到 0.067 67 A，iT4RMS 的变化都非常小，最终达到 5.391 A，而 0.067 67+ 0.01(保护出口返回值)−5.391×0.008 8=0.030 2>0，因 此保护动作出口，保护动作正确。
17:55:42，极 I Z12 直流滤波器电容器不平衡保护 III
段跳闸；5 月 29 日 22:18:09，极 I Z12 直流滤波器
电容器不平衡保护 III 段跳闸；5 月 30 日 08:26:09，
极 II Z12 直流滤波器电容器不平衡保护 III 段跳闸；
6 月 16 日 14:47:09，极 I Z12 直流滤波器电容器不
XI Chao-qun，CHENG Jiong，YANG Shi-gui
（Yichang Extra-high Voltage Administrative Company，State Grid Operation Company Limited， Yichang 443005，Hubei Province，China）
本文以宜都换流站直流滤波器保护动作情况 为例，介绍 OCT 在换流站直流滤波器中的应用情
况，并对故障原因进行分析。
1 宜都换流站 OCT 的数据采集原理
光电流互感器数据采集原理如图 1 所示，光电 流互感器首先通过传感器采集电流信号，然后通过 光纤接口模块将电流信号转化为光信号，并通过光 纤传送到控制系统，在控制系统中再通过光纤接口 模块将光信号转化为数字信号供控制系统使用。
参考文献
[1] 尚秋峰，王仁洲，杨以涵．光学电流互感器及其在电力系统中的 应用[J]．华北电力大学学报，2001，28(2)：14-18．
[2] 易本顺，刘延冰，阮芳．光学电流传感器现场运行性能分析[J]．中 国电机工程学报，1997，24(2)：34-39．
[3] Inoue N，Tsunekage T，Sakai S．Fault section detection system for 275kV XlPE-insulated cables with optical sensing technique[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1995，10(3)：1148-1155．
下文对直流滤波器电容器不平衡保护跳闸予
以分析。直流滤波器电容器不平衡保护取量见图 2，
其中 C 为电容，L 为电感，T 为互感器，F 为电阻。
该保护采用了测量直流滤波器电容器 C1 不平衡电 流的光电流互感器 T2 和测量直流滤波器穿越电流 的常规电流互感器 T4，T4 主要用来保护直流滤波器 C1，及时检测电容故障，避免出现雪崩效应。
为此，本文考虑修改软件逻辑，采用如图 5 所 示的不平衡保护动作逻辑。在图 5 的软件逻辑中做 如下修改：①将返回值 H 由 0.01 改为 0.001；②将 延时 t2 由 500 ms 改为 1500 ms；③将 10 ms 分为 101 段，每段中采集一个量求加权平方和，这样尖波只 能影响到 10 ms 的时间区间，其它时间不被计算， 瞬时出现的一两个尖波不会影响到保护的出口，保
保护跳闸的事件，具体情况如下：4 月 1 日 16:01:57，
极 I Z12 直流滤波器电容不平衡保护 III 段跳闸；5
月 13 日 17:59:49，极 II Z12 直流滤波器电容器不平
衡保护 III 段跳闸；5 月 23 日 17:44:03，极 I Z12 直
流滤波器电容器不平衡保护 III 段跳闸；5 月 28 日
光电流互感器
传感器 光纤接口板 远传模块
光纤
光纤 连接 装置
光纤
光纤 接口板
光纤接口模块
数据输出
图 1 光电流互感器数据采集原理
2 OCT 在换流站直流滤波器中的应用情况
目前，光电流互感器已大量应用于换流站中， 无论是直流线路、交流滤波器，还是直流滤波器， 从已投入运行的 500 kV 常规直流输电工程来看，光 电流互感器在龙政[7-11]、三广、三上直流输电工程 中都有着广泛的应用。在这些直流系统的直流滤波 器中，光电磁式电流互感器和常规电磁式电流互感 器的应用比例达到 1﹕1，从用途上看，光电流互感 器主要用于直流滤波器差动保护和直流滤波器电 容器不平衡保护等重要保护，其动作的正确与否直 接关系着直流滤波器的运行稳定。从三上直流输电
光电流互感器传感器光纤光纤光纤接口板光纤接口模块光纤接口板远传模块数据输出光纤连接装置图1光电流互感器数据采集原理2oct在换流站直流滤波器中的应用情况目前光电流互感器已大量应用于换流站中无论是直流线路交流滤波器还是直流滤波器从已投入运行的500kv常规直流输电工程来看光电流互感器在龙政711三广三上直4/36
滤波器 T1 012LB C1
T2
051127
L1
C2
L2
T3
电
容
器
F3
不
平
衡
F2 F1
保 护
T4 00112 001127
图 2 直流滤波器电容器不平衡保护取量图
直流滤波器保护电容器不平衡保护的动作逻
辑如图 3 所示，其中 H 为比较器返回值。从图 3 可 以看到，当电容器不平衡电流 iT2 的有效值 IT2RMS 大于 0.008 8 倍的穿越电流 IT4 的有效值 IT4RMS 且持 续一定时间 t2(t2=500 ms)时，如果 IT2RMS 和返回值 H 相加仍不小于 0.008 8 倍的 IT4RMS 时，就动作出口， 即 IT2RMS−0.008 8IT4RMS>0 时保护启动，启动后 IT2RMS+H−0.0088 IT4RMS>0，持续一定时间 t2(t2= 500 ms)后出口跳闸。