首页 >
论文范文 >
工程工业论文 >
电力工业论文 >
全光纤电流互感器故障原因分析及改进措施
摘要：全光纤电流互感器(all-fiber optic current transformer, AFOCT)作为换流站内重要的测量设备，是保证直流系统安全稳定运行的基础。以某±800 kV换流站交流滤波器不平衡AFOCT测量数据异常导致断路器跳闸事件为例，首先，详细阐述了AFOCT的基本工作原理，并推导得出其测量原理；其次，通过保护动作正确性分析、现场故障排查、现场验证、保偏光缆振动影响试验等方法深度研究分析，最终得出引起测量数据异常的根本原因，以及保偏光缆受振动影响的故障机理；最后，针对保偏光缆易受振动干扰导致测量数据异常问题，提出了具体的改进措施和工程建议，为后期换流站AFOCT的工程设计、现场施工验收、可靠性提升提供理论支撑。
加入收藏
全光纤电流互感器(fiber optic current transformer, AFOCT)是基于法拉第磁光效应，采用光纤作为传感元件和传输媒介，通过对偏振光的检测实现电流解算，相比其他电流互感器具有非介入式测量方式、可测交直流电流、绝缘结构简单、测量精度高、动态响应快、抗干扰能力强等优点[1]。且AFOCT采用数字量输出，可以很好地兼容现代控制保护系统，更符合新型电力系统的发展方向[2]。因此，AFOCT近年来在直流系统工程中得到了广泛应用，已成为换流站中重要的测量设备。然而，AFOCT挂网运行时间较短，工程经验仍有不足，产品成熟度有待提高。因此有必要开展专项技术研究，解决AFOCT存在的技术难题。近年来，已有较多学者针对AFOCT的故障机理进行了研究，主要包括运行维护、光学器件的老化、温度影响等方面[3-7],为AFOCT的故障分析提供了理论参考，但对AFOCT保偏光缆受冲击振动影响的故障机理，尚缺乏深度研究分析。为此，通过深度分析一起AFOCT保偏光缆受冲击振动引起测量数据异常的典型故障案例，介绍保偏光缆受振动影响的故障机理，提出了具体的整改措施和工程建议，为AFOCT工程设计、现场施工验收、可靠性提升提供技术参考。
1、全光纤电流互感器结构及原理
1.1 全光纤电流互感器结构及传输路径
AFOCT结构如图1所示，由户外的一次测量本体和放置于户内屏柜中的二次采集单元组成。一次传感部分采用无源式的全光纤结构，由传感光纤、反射镜和1/4波片组成一个无源的光纤传感环[8]。通过保偏光缆(光纤)与二次采集单元装置内的信号处理器和光学器件组成一个完整的测量系统。从采集单元出来后以光纤数字信号的方式提供给电力系统中保护、控制及监控等电流数据应用装置。
图1 全光纤电流互感器结构
1.2 全光纤电流互感器基本原理
AFOCT是基于法拉第磁光效应所实现的电流测量装置，其工作原理如图2所示。
图2 全光纤电流互感器基本原理
光经过耦合器与起偏器变为线偏振光，偏振分光后沿X轴和Y轴传输[9]。再经过1/4波片后，变为左旋和右旋的圆偏振光，进入光纤传感环。最后在一次电流产生的磁场作用下使这两束圆偏振光的方向(相位差)发生变化，然后在反射镜处逆向返回，通过起偏器的干涉特性后，光进入光接收组件，可以检测到磁场的变化，从而得到电流的大小和方向[9]。
法拉第效应的数学表达式如下：
ΔφR=θ=∫lVHdl(1)
式中：ΔφR为旋向相反的圆偏振光在相同距离传播过程中产生的相位差；V为Verdet常数；H为磁感应强度；l为光与磁场相互作用的距离。
根据安培环路定理，对光纤传感环构成的闭合环路积分时，一次导体中流过的电流产生的磁场与旋转角关系为
式中：Ni为穿过光纤传感环的载流导体根数(在实际应用中，Ni=1),I为每根载流导体中流过的电流。
通过上述公式推出：
式中：N为传感光纤圈数。
根据法拉第效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。
2、全光纤电流互感器故障案例分析
2.1 故障案例
2023年6月，某±800换流站OWS后台报出第4大组第3小组交流滤波器B套保护不平衡III段动作，B套保护动作跳闸，A套保护未动作，7643断路器跳闸Ⅱ出口、7643断路器三相跳闸(交流滤波器不平衡保护测点采用的是AFOCT)。
2.2 保护动作正确性分析
异常发生时刻7 643三相不平衡电流均有明显波动，其中B套保护达到0.362A不平衡电流动作值，不平衡Ⅲ段启动后延时21.6ms(满足20ms延时条件),不平衡Ⅲ段动作出口跳开关，如图3所示。
图3 7643交流滤波器保护B故障录波
图4 7643交流滤波器保护A故障录波
在查看故障录波波形时发现故障时刻7644三相不平衡电流也存在明显异常波动，但未达到保护动作定值，保护未启动，如图5所示。
图5 7644交流滤波器保护故障录波
2.3 现场故障排查
现场对7643交流滤波器T11不平衡AFOCT测点的CMB光纤熔接箱和采集单元进行检查，测量回路完整，无断点和明显异常，采集单元中各参数设置无误，采集单元无异常告警。
由于本次故障7643小组与7644小组在同一时刻A、B、C三相均有不平衡电流波动，故现场对7643与7644光缆汇集之后的地下电缆沟道进行检查，发现分支电缆沟中有一处防火隔板掉落，掉落位置如图6所示。
图6 交流滤波器小组AFOCT保偏光缆路径
2.4 故障点及原因初步判断
AFOCT三相测点在本体处通过三根保偏光缆分别独立接入CMB光纤熔接箱后，再熔接成为4根保偏光缆(对应A套启动、A套保护、B套启动、B套保护)分别传输给4个采集单元，测量通道配置情况如图7所示。由于7643和7644小组同时出现异常，因此可基本排除一次设备本体和二次采集单元问题，故障点大概率出现在CMB至小室屏柜同路径的保偏光缆回路上。
图7 交流滤波器场AFOCT测量通道配置图
结合现场排查情况，可初步判定本次故障原因为7643与7644保偏光缆同路径处的电缆沟道内防火隔板掉落砸到光缆槽盒，使保偏光缆受振动影响造成本次测量数据异常波动。
3、故障原因试验验证
3.1 保偏光缆受振动影响机理
依据AFOCT的基本原理可知，保偏光缆中传输的偏振光具有互易性，理论上，若不考虑光的传输时间，则“去”和“回”的振动干扰相位差会相互抵消，则振动影响为零。但实际上，光缆振动引起的“去”和“回”的偏振光相位差不可能完全抵消，具有一定的非互易性，从而产生振动干扰。
所以保偏光缆受振动影响的机理是由于光路的时间非互易性导致的。其振动引起的相位差[10]为
式中：lp为光纤长度；LB为光纤拍长；Vb为冲击力强度；∂LB/∂Vb为拍长随冲击力强度的变化率；∂Vb/∂t为冲击力强度随时间的变化率；τ0为反射镜距离受冲击干扰处的时间延时。
因此，由公式(5)可知，保偏光缆在任何冲击力振动情况下，都会对AFOCT测量产生影响，且与光缆长度和冲击点至传感环的距离成正比。
3.2 保偏光缆受振动影响试验
由光纤传感环、保偏光缆、采集单元、录波装置组建试验样机，进行不平衡AFOCT保偏光缆冲击振动试验。将保偏光缆敷设于光缆槽盒中放置于振动试验台，如图8所示。对两种不同长度光缆的不同位置施加冲击振动，验证光缆长度及不同位置振动对输出电流的影响。
图8 保偏光缆振动试验台
选取4个不同的试验测试点，试验点位如图9所示。试验中所采用的AFOCT额定一次电流为1A,采样频率为10kHz, 准确度等级为1级。
图9 保偏光缆振动测试点位
对各测试点位分别施加10G冲击振动，4个不同位置光缆受振动引起的误差电流如表1所示。
表1 保偏光缆不同位置受振动引起的误差电流值
3.3 试验结论
保偏光缆在受到振动干扰时会对AFOCT的测量产生影响，引起测量误差。从试验数据结果可以看出，对于同长度的保偏光缆，越靠近采集单元区域，传输的保偏光缆受振动影响越大，越靠近传感环区域，光缆受振动影响越小；而且保偏光缆长度越长受振动影响越大，且成正比。
3.4 现场验证
在换流站现场实际模拟故障，用实物敲击7643小组滤波器不平衡AFOCT电流测量回路的保偏光缆槽盒，冲击位置如图10所示。
图10 保偏光缆槽盒冲击位置
用手持故障录波仪监测采集单元输出的电流波形，在敲击前三相不平衡电流均为0A,当敲击光缆槽盒让保偏光缆感受到振动应力时，在故障录波仪上监测出了三相不平衡电流数据的波动，最大异常电流达到了0.556A,如图11所示。
图11 敲击时的故障波形
3.5 引起本次故障的原因及结论
本站750 kV交流滤波器场分支电缆沟内发生防火隔板跌落，砸到了下层光缆槽盒，引起光缆槽盒中保偏光缆受到振动应力，使7643小组滤波器不平衡电流测量数据异常波动，达到了保护动作定值，最终导致了本次误动事件的发生。
4、改进措施
由于保偏光缆测量原理特性，目前没有研制出不受振动影响或影响更小的保偏光缆，所以本文从减小保偏光缆的传输长度、电缆沟内桥架及光缆槽盒的设计、防火隔板的设计、光缆槽盒内保偏光缆的防护等四个方面提出了具体的改进措施：
1)将采集单元由户内的控制室改造至户外就地布置，如图12所示，减小保偏光缆的传输长度，从而有效降低保偏光缆受振动影响的范围。
图12 采集单元从户内改造至就地图
2)电缆沟内桥架最上层设计为低压动力电缆，中间层为控制电缆，光缆槽盒布置于桥架一侧最下方，且需靠墙内侧放置，槽盒不得凸出桥架，如图13所示。
图13 电缆沟内保偏光缆防护措施及槽盒布置位置
3)电缆沟中采用直接落地或L形防火隔板，将光缆槽盒隐藏封闭起来，防止防火板及盖板等物体掉落引起光缆振动。
4)为了降低光缆槽盒受冲击时保偏光缆的振动，槽盒内部光缆周围敷设减震垫，如图14所示。
图14 保偏光缆在槽盒内的防护措施
5、结 论
1)针对一起AFOCT的典型异常事件，通过故障波形分析、现场排查与验证、保偏光缆振动影响试验，最终得出造成测量数据异常的根本原因和保偏光缆受振动影响的基本机理，为后期研究提供理论支撑。
2)提出了采集单元就地化改造，电缆沟内桥架、光缆槽盒、防火隔板的合理化设计，光缆槽盒内保偏光缆的防护等具体改进措施，为新建换流站AFOCT可靠性提升、工程设计和现场施工提供借鉴。
3)就地光纤熔接箱至采集单元的传输光缆为保偏光缆，对振动应力相对敏感，需研制不受振动影响或影响更小的光缆进行替代是后续研究的重点方向。
参考文献:
[1]贾春荣,卓越,邸志刚,等.光学电流互感器的研究现状及发展趋势[J].激光杂志,2024,45(7):16-22.
[2]郭贤珊,张民,陈争光,等.基于故障树分析法的全光纤电流互感器可靠性研究[J].电力工程技术,2022,41(6):201-210.
[3]庞福滨,李鹏,魏旭,等.正弦波调制的全光纤电流互感器故障机理分析[J].电力系统自动化,2020,44(17):153-160.
[4]鲁博文.光纤电流互感器故障机理及分析[D].北京:北京交通大学,2023.
[5]邓凯,冯轩,何茂慧,等.全光纤电流互感器在直流输电工程中的运行维护[J].浙江电力,2021,40(3):16-20.
[6]陈明锟,陈辉,杨肖,等.AFOCT系统中敏感光纤器件的老化对系统测量准确性的影响[J].传感技术学报,2024,37(2):209-215.
[7]朱长银,阎嫦玲,罗苏南,等.光学器件对全光纤电流互感器温度稳定性影响研究[J].光学与光电技术,2023,21(5):52-60.
[8]罗苏南,王耀,丁晔,等.柔性直流输电用±500 kV直流全光纤电流互感器研制及测试[J].高压电器,2017,53(6):48-55.
[9]韩丰收,郑炯光,肖一鹏,等.全光纤电流互感器在禄高肇±500 kV三端直流工程的应用[J].电子测试,2022,(1):102-104.
[10]胡蓓,肖浩,李建光,等.光纤电流互感器的噪声分析与信噪比优化设计[J].高电压技术,2017,43(2):654-660.
文章来源:马吉,宋海龙,柴斌,等.全光纤电流互感器故障原因分析及改进措施[J].宁夏电力,2024,(06):61-66.
分享：
风能､潮汐能､太阳能等可再生能源存在间歇性供应和地域分布不均衡等特点,对自然条件的依赖性很强｡因此,开发新型储能材料成为解决这一问题的核心｡超级电容器因其具备高功率密度､超快的充放电速率及较长的循环使用寿命成为储能领域中非常重要的一员[1,2]｡
2025-09-07
根据《智能光伏产业创新发展行动计划(2021—2025年)》的指导,各相关部门推动智能制造与运维融合,国家数据局的成立也为数据资源整合提供了支持[1]｡基于大数据､人工智能和物联网技术构建的智慧运维平台,实现了设备实时监测､预测性维护及资源优化调度,显著提升了运维效率,降低了成本并增强了安全性｡
2025-09-07
新能源是人类传统能源外,以新技术诞生的地热能､太阳能､风能等能源种类,具有可再生､资源丰富的优点,对人类､环境负面影响小,却存在开发难度大问题｡而在新能源开发中,采取电气自动化技术,利用先进控制算法,能够提高新能源转换能源效率,如太阳能发电优化阵列倾斜方向。
2025-09-04
双进双出钢球磨煤机作为发电厂广泛应用的制粉设备,具有生产效率高､能耗低､不受异物影响等特点｡但是,由于煤种特性因素的变化､电网用电需求不确定,煤质与电厂负荷发生变化,要求磨煤机能够及时响应,提高燃烧效率,减少CO2与NOx排放｡因此,在发电厂双进双出钢球磨煤机运行中,应结合实际情况,对其进行优化调整,从而推动发电厂可持续发展｡
2025-09-04
随着电力系统规模的不断扩大和技术的日益复杂,高压输电线路的二次回路面临的故障类型也日趋多样化｡目前,专家学者大多对二次回路的继电保护回路､电流电压互感器回路的故障进行了研究,但是基于系统安全的高压输电线路二次回路全方位､全过程的故障研究分析相对缺乏｡
2025-09-04
电力载波通信(PowerLineCommunication,PLC)作为一种利用电力线进行数据传输的技术,凭借成本低廉和覆盖范围广泛的优势,在众多领域得到了广泛应用[1]｡特别是在智能电网､家庭自动化和工业控制等领域,PLC技术能通过现有的电力基础设施实现高效的数据传输[2]｡
2025-09-04
文献[6]提出基于随机规划的多能源系统日前调度模型,考虑了风电光伏的不确定性,但未纳入光热储能的长期调节能力｡文献[7]利用模型预测控制优化光热-光伏联合系统,侧重短期功率平滑,难以适应周计划的时间跨度｡文献[8]构建了“风光火储”多目标优化模型,但将储能视为独立单元,忽略了光热发电与储能的一体化特性｡
2025-09-04
高电压设备通常是在恶劣环境和长期高负荷状态下运行,在运维检修工作不到位情况下,极易造成较大经济损失和人身安全隐患｡尤其是绝缘老化现象,导致绝缘层无法对高压电起到良好绝缘效果,出现绝缘击穿､设备故障､通电故障及放电故障等多种问题｡
2025-08-29
根据国家电网公司抽检试验数据,熔断器主要缺陷集中于上导电片连接处､熔管螺纹接合部等关键部位｡材质缺陷与温升异常直接相关,导电部件材质不达标会造成接触电阻增大,正常负荷电流下产生过热现象,长期运行将加速触头氧化和弹性元件老化｡
2025-08-29
数字化浪潮中,智能工厂建设是企业高质量发展的必然选择｡开展基于MES系统的配电盘智能化生产线建设,是提升公司配电盘产能､品质和核心竞争力的重要路径｡智能工厂MES模块与产线对接投入生产后,预计投入5年后产量由现有的1200面增至2500面以上,产能得到有效提升｡
2025-08-29
人气：3863
人气：2682
人气：2558
人气：2012
人气：1957
我要评论
期刊名称：浙江电力
期刊人气：1839
主管单位：浙江省电力工业局
主办单位：浙江省电力学会,浙江省电力试验研究院
出版地方：浙江
专业分类：电力
国际刊号：1007-1881
国内刊号：33-1080/TM
创刊时间：1979年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：10-12个月
影响因子：0.814
影响因子：1.445
影响因子：0.657
影响因子：0.000
影响因子：0.688
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2024-12-18
73
上传者：管理员
