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摘 要：电子式互感器相对于传统的电磁式互感器具有诸多优点，未来在智能变电站中将得到更广泛的应用。激光供能是电子式互感器的重要供能形式，具有不存在电能死区、电源稳定、噪声小的特点。然而，激光供能回路的器件本身的缺陷和异常，将影响电子式互感器的稳定性和可靠性。本文首先阐述激光供能回路的工作原理，并结合在现场实际运行中的电子式互感器的激光供能回路发生的缺陷和异常案例，对供能回路的薄弱环节进行分析。针对施工环境污染、激光器失效、光纤回路异常等三类主要问题，给出了运行和维护的具体建议，为后续工程的实施和运维提供参考。
关键词：智能变电站 电子式互感器 激光供能 供能网络
中图分类号：TM72 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（a）-0001-03
Analysis of weaknesses in laser energy supply circuit of electronic transformer in intelligent power substation
LAI Guisen HE Haihuan LIANG Jiahao CHEN Haifeng HU Yi
（1. Guangzhou Bureau of EHV Transmission Company， Guangzhou， Guangdong Province， 510640 China）
Abstract： Compared with traditional electromagnetic transformer， electronic transformer has many advantages and will be widely used in intelligent substation in the future. Laser is an important form of energy supply for electronic transformer， which has the characteristics of no dead zone， stable power supply and low noise. However， the defects and anomalies of the components in the laser energy supply circuit will affect the stability and reliability of the electronic transformer. This paper first describes the working principle of the laser energy supply circuit， and combined with the defects and abnormal cases of the laser power supply circuit of the electronic transformers in operation， as to analyze the weaknesses of the energy supply circuit. At last， specific suggestions are put forward for the operation and maintenance to the three main problems， such as construction environmental pollution， laser failure and optical fiber circuit abnormality.
Key Words： Intelligent power substation; Electronic instrument transformer; Laser energy supply; Energy supply network
在智能变电站中，电子式电流互感器是进行电流测量的关键环节。新型的数字化电子式电流互感器采用新型传感材料，消除了传统的电磁式电流互感器中广泛存在的铁芯饱和、铁磁谐振等问题。此外，在互感器的二次侧通过光纤引至合并单元，可直接输出数字信号，具有方便网络通信的特点[1-2]。
有源电子式电流互感器的采集器需要电源才能正常工作，供能是否稳定将直接影响到电子式互感器运行的可靠性。如果电子式互感器出现故障，无法正确地传变一次信号，则保护、测控、计量等二次设备可能出现错误的动作或输出，继而可能引发严重的后果[3]。据统计，在某一示范工程的6座智能变电站中，发生测量系统缺陷22个，激光供能回路缺陷7个，占比31.8%。可见，激光供能回路是有源电子式互感器应用的关键环节[4]。
本文对在实际运行中的电子式电流互感器的激光供能回路缺陷和异常进行了统计，对导致激光供能回路发生故障的薄弱环节进行了分析，提出了激光供能回路的运维建议，可为提高有源电子式互感器的可靠性提供参考。
1 有源电子式互感器供电方式
有源电子式电流互感器的工作原理图如图1所示，首先由一次侧传感器将大电流信号转变为小电压信号，再将经过采集器进行采样将电信号转换为光信号，通过信号光纤传输至低压侧合并单元，经合并单元与测量或保护等二次设备接口。由此可见，为了确保电子式互感器的正常工作，必须给采集器提供可靠、稳定的供电电源。 目前电子式互感器的供电模块常用的供电方式主要包括感应线圈从母线取能和激光供能两种方式，太阳能供电、超声波供电、无线供电等技术也在探索当中[5]。相对于其他供能方式，激光供能系统结构简单，输出的供电电压不存在电能死区、稳定性好，使用光纤传递能量和信号将高、低压两侧电路进行了隔离，有效避免了两侧的电磁干扰，特别适合在强电磁干扰环境下工作。此外，激光的发射和接收元器件体积都较小，便于激光供能模块的微型化[6]。基于上述优点，激光供能方式在有源电子式互感器中得到了广泛的应用。
2 激光供能回路工作原理
激光供能原理如图2所示，在低压侧由驱动及保护电路控制激光器产生光能，通过光纤传输到高压侧，由光电池将光能转换为电能，最后经过DC-DC转换器构成的稳压电路，为电子式互感器采集器提供稳定的直流电压。通常激光器和驱动电路集成于合并单元当中，而光电池和稳压电路集成于数据采集单元当中。根据控制方式的不同，激光供能回路可分为开环和闭环控制两种工作模式[7]。
（1）开环控制工作模式：根据采集单元的最大功率需求，合并单元中的驱动电路控制激光器输出一定功率的光能，通过供能光纤传输给光电池。综合考虑到激光器、光电池、供能光纤的效率和衰减等因素，合并单元中给驱动电路设定的功率值往往比采集单元正常工作情况下的功率需求大得多。
（2）閉环控制工作模式：采集单元所需功率随其运行环境变化，采集单元实时监测工作状态并反馈给合并单元，合并单元相应地调整驱动电流改变激光器的输出功率。同时，合并单元实时监测驱动电流和激光器温度，并加入功率限制、告警功能。当驱动电流或温度大于设定值时，仍不能满足采集单元的功率需求，则需发送告警信息，必要时关闭激光器防止损坏。
3 激光供能回路薄弱环节及案例分析
从上述的工作原理进行分析，不难发现激光供能回路的薄弱环节在于激光器和光纤回路。当激光器或光纤出现异常，导致效率降低、损耗增大时，不管在开环模式下还是闭环模式下，为了维持较高功率输出，合并单元只能增大驱动电流。然而，驱动电流越大，激光器的温度就越高。如果长时间工作在驱动电流较大的状态，激光器容易发生老化导致其工作寿命迅速降低甚至直接损坏。
本文对某公司现场在运行的电子式互感器的激光供能回路发生的缺陷进行了统计。如图3所示，在2015—2019的5年期间，共发生激光供能回路缺陷或异常23次。现场运行的表现主要是合并单元出现驱动电流升高或合并单元出现瞬时报警后自动复归。综合现场运行情况和返厂检测的结果进行分析，认为导致缺陷或异常的主要原因包括：在现场安装时施工环境不够洁净，屏柜内存在灰尘，导致激光器断面污染;激光器受静电干扰导致效率变低或关闭;光纤瞬时受到外力导致瞬时损耗变化或损伤。
4 结语
本文结合理论分析和实际案例，证明了电子式互感器激光供能回路的薄弱环节在于激光器和光纤回路。建议在现场安装和后期运行维护时，需首先对环境进行清洁处理，再对供能回路的相关器件进行安装或更换，在安装和更换过程要注意光纤插拔操作和防静电保护措施。通过防尘控制、防静电控制及规范操作预防来减少可能导致激光器和光纤回路异常的因素，提高电子互感器激光供能回路的可靠性。
参考文献
[1] 苏占江.智能变电站关键技术及其构建方式的分析[J].科技创新导报，2016，13（16）：18-19.
[2] Xingchao Zhang， Lu Wang， Chengzhi Yang. Research and design of integral circuit for electronic current transformer[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，423（1）.
[3] 张秋雁，李红斌，程含渺，等.有源电子式电流互感器在线监测技术研究[J].高电压技术，2016，42（1）：208-213.
[4] 熊俊军，黄华，胡蓓，等.一种有源电子式电流互感器供能状态监测系统的设计[J].变压器，2018，55（4）：25-31.
[5] 刘娜.无线供电技术在电子式互感器方面的应用研究[D].淄博：山东理工大学，2019.
[6] 胡伟曦，谭建成.电子式互感器原理及关键技术综述[J].电气开关，2018，56（3）：7-12.
[7] 王军，夏利民，陈磊.电子式电流互感器激光供能方案设计[J].江苏科技信息，2017（13）：45-46.
关键词：智能变电站 电子式互感器 激光供能 供能网络
中图分类号：TM72 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（a）-0001-03
Analysis of weaknesses in laser energy supply circuit of electronic transformer in intelligent power substation
LAI Guisen HE Haihuan LIANG Jiahao CHEN Haifeng HU Yi
（1. Guangzhou Bureau of EHV Transmission Company， Guangzhou， Guangdong Province， 510640 China）
Abstract： Compared with traditional electromagnetic transformer， electronic transformer has many advantages and will be widely used in intelligent substation in the future. Laser is an important form of energy supply for electronic transformer， which has the characteristics of no dead zone， stable power supply and low noise. However， the defects and anomalies of the components in the laser energy supply circuit will affect the stability and reliability of the electronic transformer. This paper first describes the working principle of the laser energy supply circuit， and combined with the defects and abnormal cases of the laser power supply circuit of the electronic transformers in operation， as to analyze the weaknesses of the energy supply circuit. At last， specific suggestions are put forward for the operation and maintenance to the three main problems， such as construction environmental pollution， laser failure and optical fiber circuit abnormality.
Key Words： Intelligent power substation; Electronic instrument transformer; Laser energy supply; Energy supply network
在智能变电站中，电子式电流互感器是进行电流测量的关键环节。新型的数字化电子式电流互感器采用新型传感材料，消除了传统的电磁式电流互感器中广泛存在的铁芯饱和、铁磁谐振等问题。此外，在互感器的二次侧通过光纤引至合并单元，可直接输出数字信号，具有方便网络通信的特点[1-2]。
有源电子式电流互感器的采集器需要电源才能正常工作，供能是否稳定将直接影响到电子式互感器运行的可靠性。如果电子式互感器出现故障，无法正确地传变一次信号，则保护、测控、计量等二次设备可能出现错误的动作或输出，继而可能引发严重的后果[3]。据统计，在某一示范工程的6座智能变电站中，发生测量系统缺陷22个，激光供能回路缺陷7个，占比31.8%。可见，激光供能回路是有源电子式互感器应用的关键环节[4]。
本文对在实际运行中的电子式电流互感器的激光供能回路缺陷和异常进行了统计，对导致激光供能回路发生故障的薄弱环节进行了分析，提出了激光供能回路的运维建议，可为提高有源电子式互感器的可靠性提供参考。
1 有源电子式互感器供电方式
有源电子式电流互感器的工作原理图如图1所示，首先由一次侧传感器将大电流信号转变为小电压信号，再将经过采集器进行采样将电信号转换为光信号，通过信号光纤传输至低压侧合并单元，经合并单元与测量或保护等二次设备接口。由此可见，为了确保电子式互感器的正常工作，必须给采集器提供可靠、稳定的供电电源。 目前电子式互感器的供电模块常用的供电方式主要包括感应线圈从母线取能和激光供能两种方式，太阳能供电、超声波供电、无线供电等技术也在探索当中[5]。相对于其他供能方式，激光供能系统结构简单，输出的供电电压不存在电能死区、稳定性好，使用光纤传递能量和信号将高、低压两侧电路进行了隔离，有效避免了两侧的电磁干扰，特别适合在强电磁干扰环境下工作。此外，激光的发射和接收元器件体积都较小，便于激光供能模块的微型化[6]。基于上述优点，激光供能方式在有源电子式互感器中得到了广泛的应用。
2 激光供能回路工作原理
激光供能原理如图2所示，在低压侧由驱动及保护电路控制激光器产生光能，通过光纤传输到高压侧，由光电池将光能转换为电能，最后经过DC-DC转换器构成的稳压电路，为电子式互感器采集器提供稳定的直流电压。通常激光器和驱动电路集成于合并单元当中，而光电池和稳压电路集成于数据采集单元当中。根据控制方式的不同，激光供能回路可分为开环和闭环控制两种工作模式[7]。
（1）开环控制工作模式：根据采集单元的最大功率需求，合并单元中的驱动电路控制激光器输出一定功率的光能，通过供能光纤传输给光电池。综合考虑到激光器、光电池、供能光纤的效率和衰减等因素，合并单元中给驱动电路设定的功率值往往比采集单元正常工作情况下的功率需求大得多。
（2）閉环控制工作模式：采集单元所需功率随其运行环境变化，采集单元实时监测工作状态并反馈给合并单元，合并单元相应地调整驱动电流改变激光器的输出功率。同时，合并单元实时监测驱动电流和激光器温度，并加入功率限制、告警功能。当驱动电流或温度大于设定值时，仍不能满足采集单元的功率需求，则需发送告警信息，必要时关闭激光器防止损坏。
3 激光供能回路薄弱环节及案例分析
从上述的工作原理进行分析，不难发现激光供能回路的薄弱环节在于激光器和光纤回路。当激光器或光纤出现异常，导致效率降低、损耗增大时，不管在开环模式下还是闭环模式下，为了维持较高功率输出，合并单元只能增大驱动电流。然而，驱动电流越大，激光器的温度就越高。如果长时间工作在驱动电流较大的状态，激光器容易发生老化导致其工作寿命迅速降低甚至直接损坏。
本文对某公司现场在运行的电子式互感器的激光供能回路发生的缺陷进行了统计。如图3所示，在2015—2019的5年期间，共发生激光供能回路缺陷或异常23次。现场运行的表现主要是合并单元出现驱动电流升高或合并单元出现瞬时报警后自动复归。综合现场运行情况和返厂检测的结果进行分析，认为导致缺陷或异常的主要原因包括：在现场安装时施工环境不够洁净，屏柜内存在灰尘，导致激光器断面污染;激光器受静电干扰导致效率变低或关闭;光纤瞬时受到外力导致瞬时损耗变化或损伤。
4 结语
本文结合理论分析和实际案例，证明了电子式互感器激光供能回路的薄弱环节在于激光器和光纤回路。建议在现场安装和后期运行维护时，需首先对环境进行清洁处理，再对供能回路的相关器件进行安装或更换，在安装和更换过程要注意光纤插拔操作和防静电保护措施。通过防尘控制、防静电控制及规范操作预防来减少可能导致激光器和光纤回路异常的因素，提高电子互感器激光供能回路的可靠性。
参考文献
[1] 苏占江.智能变电站关键技术及其构建方式的分析[J].科技创新导报，2016，13（16）：18-19.
[2] Xingchao Zhang， Lu Wang， Chengzhi Yang. Research and design of integral circuit for electronic current transformer[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，423（1）.
[3] 张秋雁，李红斌，程含渺，等.有源电子式电流互感器在线监测技术研究[J].高电压技术，2016，42（1）：208-213.
[4] 熊俊军，黄华，胡蓓，等.一种有源电子式电流互感器供能状态监测系统的设计[J].变压器，2018，55（4）：25-31.
[5] 刘娜.无线供电技术在电子式互感器方面的应用研究[D].淄博：山东理工大学，2019.
[6] 胡伟曦，谭建成.电子式互感器原理及关键技术综述[J].电气开关，2018，56（3）：7-12.
[7] 王军，夏利民，陈磊.电子式电流互感器激光供能方案设计[J].江苏科技信息，2017（13）：45-46.