（国网蒙东电力公司检修分公司伊敏换流站 内蒙古呼伦贝尔 021134）
摘要：在高压直流输电工程中，通常采用零磁通电流互感器来测量其低压区域的直流电流。本文介绍了高压直流输电零磁通电流互感器的工作原理，阐述了高压直流输电系统中零磁通电流互感器回路的构成，分析了呼辽直流输电工程整流侧零磁通电流互感器测量装置故障情况，详细分析其故障原因，描述了故障查找过程，并针对测量的异常情况及本次故障发现问题提出有效的整改措施和建议。
关键词：直流输电工程；零磁通电流互感器；故障分析；
1 概述
高压直流输电系统的稳定运行很大程度上取决于换流站所配置的直流控制保护及监视系统，而直流控制保护及监视系统又依赖于换流站测量系统在系统稳态和暂态条件下的准确度和可靠性[1,2]。高压直流输电工程中通常采用零磁通电流互感器来测量其低压区域的直流电流[3]。零磁通电流互感器是一种理论上磁通为零（即电流互感器的铁芯没有磁通）的互感器，其基本原理是采用电子反馈电路与补偿来实现线圈和铁心组件的安匝平衡，从而达到“零磁通”以降低测量误差。实际上，由于分布电容、漏感等原因，零磁通电流互感器还存在一定误差，但相比一般电流互感器精度提高了一个数量级。本文主要分析了呼辽直流输电工程整流侧零磁通电流互感器测量装置故障情况，详细分析其故障原因，描述了故障查找过程，并针对测量的异常情况及本次故障发现问题提出有效的整改措施和建议。
2 故障描述
故障前，伊穆直流系统运行方式为双极大地回线正常运行，直流输送功率1600MW。极I控制保护系统P1PCPA主机为值班状态，P1PCPB主机为备用状态， P1PPRA、P1PPRB保护主机正常运行。
2012年10月27日06:41，呼辽直流输电工程整流侧运行工作站报警，极保护主机和极控制主机同时监测到IDNC（该量由中性线零磁通电流互感器采集）电压消失和饱和报警，同时极保护主机报IDNC及UDL（直流电压测量量）测量异常。事件记录如表1所示。
3 零磁通电流互感器
3.1 零磁通电流互感器的工作原理
图1 零磁通电流互感器基本原理框图
零磁通电流互感器是无触点直流测量装置，具有线圈和铁芯组件，环绕着载流导体作为检测的体系，并具有测量装置[4]。它的测量方法是基于线圈和铁芯组件安匝的完全平衡，因而其准确性仅由测量装置内的负载电阻器和输出放大器来决定，如图1。电流互感器有三个铁芯，分别有三个辅助线圈N1、N2、N3，N4是补偿线圈，N5是校验线圈。N4和N5并联且有含相同匝数，两个线圈同时围绕三个铁芯线圈，N5在校验补偿线圈N4时才被打开，正常运行时与N4并联工作。整个零磁通电流互感器可看做是由磁积分器和磁调制器组成。N3、N4、N5及功率放大器和负载电阻构成磁积分器；N1、N2 、峰值检测器及振荡器组成了磁调制器。N1和N2反向串接，注入交流电流， 感应电压基波相互抵消，两线圈磁通量平衡，以实现零磁通测量原理。N1、N2注入的电压经过峰值监测器监测电压的峰值，峰值监测器输出的直流电压信号和线圈N3的感应电压一起进入校正回路（负反馈），负反馈单元输出的信号送入监视回路中，监视回路调节交流电压输出，同时负反馈单元输出电压进入功率放大器后接入到N4补偿线圈中。N4补偿线圈输出的电流与负载电阻器串接把二次电流转换成电压，输出到保护系统[5,6]。
3.2 零磁通电流互感器信号采集回路
极I中性线零磁通电流(IDNC)采自极I阀厅中性线穿墙套管零磁通电流互感器。此种电流互感器设计有两个绕组，测量的电流值分别送给极I直流光CT接口屏A和B的测量装置。测量值经过零磁通测量装置处理后再分别送往P1.DFTA、P1.DFTB及故障录波屏DTFR。由各对应的保护系统采集使用，如图2所示。
图2 零磁通电流互感器回路示意图
3.3 零磁通电流互感器测量装置
零磁通电流互感器测量装置（IDNC）处于直流光CT接口屏内，装置前面板可以测量装置的工作电源、激磁电压、输出电压等，零磁通测量装置前面板示意图如图3所示。正常运行时的测量值如下：
图3 零磁通测量装置前面板示意图
(1) 正常的输入电源电压为 110V，装置背后的端子1接+110V；端子4接-110V。经过DC转换为 24V再经调压器后输出电压 15V。工作电源：X1-X2之间电压：DC +48V；X1-X4之间电压：DC +24V；X2-X4之间电压：DC -24V；X3-X4之间电压：DC +15V；X5-X4之间电压：DC -15V。
(2) 正常运行时激磁电压：X6-X7之间电压<AC 11V；输出电压：X10-X11之间电压DC 0V～1.66V左右。
(3) 正常运行时，测量装置内监视继电器K1、K2、K3带电(K3用于监视装置DC24电源；K1、K2用于监视CT线圈和铁芯是否饱和)，其常开接点闭合，即端子排上的端子27、29对地均为+110V，26为正电源输入端子(+110V)。 三个常开接点串联后，送往P1.DFT的输入板卡RS852。经CAN总线，将开入经CAN总线送往PPR的PCIB，由程序取反后，用于OWS事件报警，如图4所示。
图4 零磁通测量装置故障信号图
4 故障过程分析
值班人员发现上述报警事件后，立即安排人员至现场检查一、二次设备运行情况，一次设备未发现异常，二次控制保护屏柜相应报警灯点亮，P1PCP由A系统切换至B系统运行，A系统退至“服务”状态， P1PCPA主机严重故障出现，P1PPRA主机紧急故障出现，主机报警灯亮，P1PPR A系统保护闭锁，控制与保护B系统运行正常，主机报警画面如图5所示。
图5 主机报警画面
4.1 开关量测量板卡分析
在Hidraw软件中查看软件页面，发现A系统U_CT2_OKA信号为0，系统报CT饱和报警，U_CT2_VOL_OKA信号为0，报电压消失报警；B系统信号正常，报警信号监测软件页面如图6所示。程序中以上两个信号同时来自CAN1的CAN接点号为143的RS852板（I/O输入板）。
图6 报警信号监测软件页面
现场检查板卡运行正常。在接口屏DFT内测量CT饱和及电压消失报警信号电源输入都为-110V(在软件中再取反报警)，在光CT接口屏内测量装置端子26(报警信号X100A正电)处为+110V，开入正确；27及29(信号正常时状态输出应为+110V)处电压为-110V，证明K1、K2、K3继电器失磁。
4.2模拟量测量板卡分析
HIBUG发现P1.PPRA主机IDNC电流值已达到12818A，超过报警值，系统报测量异常，PPRA主机IDNC电流采样软件页面如图7所示。此时，P1PPRB系统主机电流值约为1628A(正常值800MW/500kV=1600A)。
图7 PPRA主机IDNC电流采样软件页面
其中UDL测量异常因为UDL_CALC是由IDNC计算得到的，当IDNC测量异常，相应的计算出的UDL值也会报测量异常，PPRA主机UDL计算值软件页面和异常报警软件页面分别如图8和图9所示。
现场检查南瑞接口屏两块采集板卡RS8621E无异常，测量对应两路输入电压都为7.08V(换算后的电流为3000*7.08/1.66=12795A)，与故障系统监测电流量一致，后对测量装置+1H15.X2的三路电压输出进行测量，电压都约为7V(实际应在0~1.667V)。
综上判断南瑞系统模拟量采集及开关量输入均与后台报警信息一致，说明测量装置至南瑞系统回路无异常。
4.3 电流测量装置分析
对零磁通电流互感器电流测量装置进行了检查，测量结果如下：
工作电源：(1) X1-X2之间电压：DC +24V(异常，正常值应为48V)；(2) X1-X4之间电压：DC +24V(正常)；(3) X2-X4之间电压：DC 0V(异常，正常值应为-24V)；(4) X3-X4之间电压：DC +15.1V(正常)；(5) X5-X4之间电压：DC 0V(异常，正常值应为-15V)；(6) X3-X5之间电压：DC 13.7V(异常，正常值应为30V)。
从测量结果分析该装置内电源转换模块一路故障，无输出电压。将装置上部顶盖抽出，发现下部一块直流电源转换模块DC 0K等熄灭。
图10 装置直流电源转换模块示意图
进一步对装置输入输出电流量进行了测量，实际测量输入电流值约为1.8A（3000*1.7/1.5=3600A，测量值比正常电流值偏大，怀疑为测量装置异常导致输入电流偏大），当时系统中测量的电流值已为14310A，输入电流经测量模块转换后的电流大约增大了4倍。期间，对测量模块进行2次断电重启，但装置电压及输出电流仍异常。确认测量装置电源及输出量已明显异常，测量装置已故障。
5 故障恢复及反思
经现场分析，现场一次设备只由绕组及铁芯组成，故障可能性很小，本次测量异常只是由于其中一块电源转换模块无电压输出导致。将该电源模块更换后恢复接线测量装置面板上各点工作电压值已恢复正常，输出电压值为0V。将现场二次安全措施恢复后检查装置三路输出电压均约为DC 1V(3000*1/1.66=1807A)，当时单极功率值为900MW(电流值1800A)。HIBUG检查PPRA主机电流值为1802A，PPRA主机报警全部恢复正常，检查主机无三级报警及跳闸出口信号。
目前，零磁通电流互感器普遍应用于国内各直流换流站工程，伊敏换流站直流场共设计零磁通电流互感器8台，对应测量装置16台。本次故障虽然未导致更加严重的后果，但是，由于每套保护对应的零磁通测量模块都是1台，保护“启动+动作”逻辑的采集量都来自同一台测量装置，当测量装置电源模块故障，装置故障报警信号慢于保护(如过流保护)闭锁时间将极有可能直接造成直流系统误闭锁。
6 措施及建议
从此次故障的分析不难看出，零磁通电流互感器告警信号采用开关量的形式采集，由于采集和传输环节存在延时，当零磁通电流互感器故障时，告警信号不能及时闭锁快速保护。避免此类情况可采取如下措施：
(1) 已在零磁通电流互感器测量装置电源板输出端增加电容，经过试验，装置可延长300ms左右模拟量输出时间，从而保证内部电源故障时低电压告警及饱和报警信号在模拟量输出异常前可靠发出并闭锁相应保护。从而保证内部24V电源故障时报警信号在模拟量输出异常前可靠发出并闭锁相应保护。另外，建议对目前报警信号的监视方式由开关量监视更改为模拟量监视，可缩短系统采集报警信号的反应时间，加快故障后保护闭锁。
(2) 永久性措施：即增加零磁通电流互感器一次及二次回路冗余，各套直流保护系统所对应的二次绕组及二次回路完全独立；采用“启动+动作”逻辑的，启动和动作所对应的二次绕组及二次回路也应完全独立。
(3) 建议设备厂家取消目前使用的24V电源转换模块，将电源转换功能集成在一块电源板上，减少部件的故障率。
参考文献
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[6] 南京南瑞继保电气有限公司. RD6T011400-001,PCS-9500直流控制保护系统硬件手册. 2009.
作者简介：
杨义勇(1983-), 男, 本科, 工程师, 现从事高压直流输电的运维检修管理工作。
赵强(1985-), 男, 本科, 工程师, 现从事高压直流输电的运行工作。
阎乃臣(1985-), 男, 本科, 工程师, 现从事高压直流输电的运行工作。
论文作者:杨义勇,赵强,阎乃臣
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/11
标签：测量论文; 电压论文; 装置论文; 电流论文; 电流互感器论文; 故障论文; 系统论文; 《电力设备》2016年第14期论文;