一种电子式电流互感器暂态特性合成试验回路的设计

一种电子式电流互感器暂态特性合成试验回路的设计

0暂态特性试验随着电气系统容量的增加和供电电压等级的提高，当出现短路故障时，电源的维护和电源的运行应在短路期间内消除。这就要求互感器具有良好的暂态响应特性,能真实、快速地反映一次故障信号,使继电保护装置能在暂态过程尚未结束前就正确动作于跳闸。传统的电磁式互感器因存在磁饱和、剩磁等情况造成一次电流与电流互感器二次电流产生误差,从而无法真实反映一次故障电流,导致保护误动作。与传统电磁式互感器相比,电子式互感器具有暂态性能和绝缘性能好,无磁饱和,对电力系统故障响应速度快,动态和频率响应范围宽,经济性好等优点。作为应用于电力系统中的互感器,暂态特性是衡量它性能优劣的一个重要参数,而且电力系统继电保护更关注电流互感器带直流衰减分量的低频响应特性。由于电子式电流互感器(ECT)自身结构,暂态性能检测上只能选用直接法,采用直接法试验时比较复杂,需要一个容量足够大并具备选相合闸功能的电流源且一次回路时间常数满足标准要求。就现有试验装备的技术水准而言,实现暂态特性试验所需的暂态大电流难度较大,因而对暂态过程中的一些重要性质和物理量的变化还不能直接通过试验真实有效地反映,如故障产生的直流分量、谐波畸变等,它们将对保护装置的正确动作产生影响。针对目前存在的问题,笔者提出了一种测试电子式电流互感器暂态性能的方法并给出了试验回路设计方案,同时对所搭建的合成试验回路进行热性能仿真分析。1电子式电流东北部暂态误差的计算保护用电子式电流互感器目前主要有采用法拉第磁光效应原理的光学电流互感器或罗氏线圈原理传感器。根据电力系统要求切除短路故障和继电保护动作时间的快慢,对保护用电流互感器提出了不同的要求。在电压较低的电网中,短路电流非周期分量衰减速度很快,短路电流很快达到稳定状态,故采用一般保护用电流互感器即可满足要求。在超高压电力系统中,短路电流非周期分量衰减时间较长,而要求切除短路故障的时间很短,此时电流互感器处于过渡工作状态,因此必须采用暂态保护用电流互感器,在规定的时间内的互感器暂态误差不能超过规定限值。GB/T20840.8—2007对电子式电流互感器的暂态保护TPE级的定义为:在准确限值条件下,额定一次时间常数和额定工作循环下的最大瞬时误差为10%,峰值瞬时误差同时包含暂态直流分量和交流分量的误差。此定义等同于常规电流互感器的TPY级定义。TPE级电子式电流互感器满足继电保护用途和故障暂态录波的通用要求。在额定频率下的电流误差、相位误差和复合误差,以及规定暂态特性是在规定工作循环下的最大值瞬时误差应满足表1的误差限值。在规定的工作循环中,用额定一次短路电流峰值的百分数表示峰值瞬时误差ε赞,单位%。式(1)中:iε为瞬时误差电流;IPSC为额定一次短路电流峰值幅值。2tpe电子电流传感器的临时特性试验方法2.1等安螺合成试验回路为验证TPE级保护用电子式电流互感器的误差限值是否符合要求,需对电子式电流互感器进行暂态特性测试。传统电磁式电流互感器的暂态试验可采用直接法和间接法,但是电子式电流互感器因为没有铁心,不适合采用间接法进行暂态特性测量,只能选用直接法试验。暂态误差试验要求试验系统必须满足下列试验条件:1)输出足够的电流能够得到不小于额定一次短路电流ipse的电流值;2)选相合闸,即能够实现电压过零合闸,以便得到具有最大偏移的额定一次短路电流;3)试验系统的一次时间常数应与被试电流互感器的一次时间常数一致,偏差不大于10%;4)程序控制自动开关能够自动控制开关完成C-0或C-0-C-0工作循环。500kV及以上电网短路电流达到几十kA,一次系统时间常数一般超过100ms,要实现这样的暂态电流面临较大困难。目前的动热稳定试验装置虽然可以提供这个级别的电流,但是不能满足C-0以及C-0-C-0循环要求的时间常数。而使用冲击发电机或者直接把电网短接以产生短路电流工程投资巨大。为此,笔者提出了一种等安匝合成试验回路,在较少投入情况下满足电子式互感器暂态特性试验的需求。通过采用一次导体均绕等安匝的方法,使单匝较小电流通过等安匝即能产生等效的一次大电流作为暂态试验所需电流源。同时考虑短路电流波形可知,该电流波形可分解为一个衰减的直流电流波形和一个标准的正弦波,故单匝电流可通过稳态工频电流和直流暂态电流合成,采用特殊的控制,使两种电流波形严格同步,输出波形符合要求的系统故障波形。现有电子式电流互感器的传感部件采用两种原理:Rogowski线圈和法拉第磁光效应,两种传感原理均遵从安培环路定理,传感部件无铁心,没有磁饱和现象,闭合曲线上的局部强磁场对传感器输出没有直接影响。因此,采用等安匝合成试验方法与直接法基本等效。实验室搭建暂态试验合成试验系统见图1,由工频稳态电流试验系统、直流暂态电流试验系统组成。主要包括暂态试验电源、试验回路、TPE级电子式电流互感器暂态特性校验仪和作为参考标准的低感分流器,以及与合成电源相关的通讯触发部件。暂态试验电源由工频稳态电源与直流暂态电源两部分合成。两只低感分流器作为标准分别检测工频电流和暂态电流,转换成相应的电压降,幅值在数十mV,将其正向串联合成一个电压信号,作为校验的参考量送入TPE级电子式电流互感器暂态特性校验仪的参考量接口。校验仪在接收到合成电源选相合闸的触发信号后,同时向电子式电流互感器试品和自身的参考量接口发出采样触发信号,控制试品和参考量同时A/D采样,参考量的数字化数据通过校验仪内部总线送至校验仪处理器,试品数据通过以太网接口(光接口或电接口)送至校验仪处理器。校验仪对两路数据按照一定的算法进行计算,得到试品的最大峰值误差限值等相关参数。试验控制监测系统主要是对暂态电源系统进行充电电压电流控制,工频电流和暂态电流同步选项合闸控制,暂态波形及一次时间常数调节。2.2试验电源及参数优化整个合成试验系统中,暂态试验电源设计是整个系统的关键。电力系统发生短路故障时,考虑最严重的情况,一次侧电流可表示为式(2)中:Im为短路电流工频分量的幅值;T1为一次回路时间常数。由式(2)可知,一次短路电流i1由正弦周期分量与按指数规律衰减的非周期分量组成,故试验用电流采用工频稳态电源与直流暂态电源两部分合成。各部分参数选择的主要依据包括:试验回路的电感值、直流电阻值、试品的相关参数:电流值、一次时间常数以及试品故障重合闸工作方式。该次设计试品参数:一次工作电路50kA,暂态偏移电流峰值40kA,一次时间常数120ms。故采用20匝结构,单匝工频电流2.5kA,单匝暂态电流峰值2kA。搭建的试验电源见图2。工频稳态电源由三相/单相变压器,单相调压器,无功补偿电容器组,升流器,大容量双向可控硅开关,工频稳态电流回路组成。因工频回路电源容量需求很大,在单相调压器后增加了无功补偿装置,以减小对系统容量要求。直流暂态电流由直流充电电源(输出可调),储能电容器组,充放电开关系统,直流暂态电流回路,可调功率电感,大电流续流二极管组成。直流暂态电路为典型RLC二阶电路,所设计试验回路直流电阻值在mΩ级,属于欠阻尼二阶电路。在储能电容器组的两端反向并联一只大功率二极管,在谐振电压过零极性反转时,其正向导通,储能电容器组被短接,破坏谐振条件,使谐振在电压过零点附近停止。此时RLC二阶电路相当于转变为RL一阶电路。达到峰值的电流按照一阶RL零输入响应电路衰减,此衰减的电流波形基本符合暂态试验对直流分量的要求。通过选择适当的充电电压、储能电容器容量C、回路电感L、直流电阻R,以及直流回路的放电合闸角,可以对暂态电流的峰值、衰减时间常数等几个重要的参数进行精确调整,以满足各种不同型号试品的暂态试验要求。直流暂态回路参数设计见表2。直流暂态电流可表示为3试验结构的设计与热性能的分析3.1次暂态特性试验回路根据暂态一次电流特性,暂态特性合成试验需适应大动态范围试验电流的合成,应包括工频电流试验回路与直流暂态电流试验回路两部分。设计原则为:便于TPE级电子式电流互感器试品的安装以及试验回路的拆装,使试验回路自感和直流电阻最小化,并优化试验回路散热措施,保证试验回路的通用性。该次暂态特性合成试验回路采用立式十字形安装方案,见图5。暂态合成回路底部细节效果图见图6。工频回路和直流暂态回路被设计成完全相同的结构,均采用两个“8”字形回绕结构,各20匝,交错布置,使其在空间上近似合成在一起。为使两种合成电流在试验段导体内均匀分布,回路采用上下两层相互换位绕制方法。整个试验回路外侧返回导体产生的外磁场比较均匀,其对试品影响较小。导体采用铜排,尺寸100mm×5mm,截面积500mm2,安全载流量1080A。铜排之间每隔一段距离放置绝缘夹件固定。为便于试验回路拆装,铜排连接处采用特殊设计,仅用一只螺栓最多可以使20匝铜排紧固连接。为提高试验回路的通用性,在回路的中间设计了多个抽头,通过各抽头的不同连接方式,可以改变试验回路的匝数。回路电感量计算值为156μH,直流电阻为5.1mΩ,满足电路设计要求。3.2温度对合成回路的影响热、动稳定性特性是高压互感器的主要性能参数。试验时上、下两层铜排分别加载工频稳态电流和直流暂态电流,铜排在加载大电流的情况下,可能会产生极高的温升破坏与之相连的绝缘夹件。而且电子式互感器中采用了光学器件或有源电子器件,其实现原理与电磁式互感器有很大的不同,所以在实际运行中必须考虑温度对其测量准确度的影响。IEC标准中,对电子式互感器的工作环境温度范围规定为-4~+40℃、-24~+40℃和-40~+40℃。为在试验过程中减少由环境温度引起的测量误差,并保证传感单元中部分元件不会因环境温度而导致性能劣化,在方案实施中采用ANSYS仿真软件对试验回路进行温度场计算,以优化试验回路散热措施,在不损害试品性能的条件下,保证试品在试验回路中进行误差检测的准确性。根据试验要求,回路中交流电流峰值为2500A;直流暂态电流峰值为2000A。温度场计算中,等效体生热率为4.5×105、5×104W/m3。暂态电流通电时间为120ms,在ANSYS中进行仿真计算,见图7。仿真结果表明,暂态电流的通电时间为t=120ms,即使是在散热条件最恶劣的情况下,即全部对流系数hf=0时,铜排温升只有0.01℃,合成回路中铜排的发热很小。因此,短时间通电情况下基本可忽略铜排的温升对互感器暂态特性试验的影响。考虑暂态试验反复进行时铜排的温升累计效应,计算铜排温升达到80℃时所需要的时间。图8为t=1200s时,铜排与外界完全不存在对流情况下,铜排温升接近80℃时,整个合成回路的温度分布图。图9为中心部分局部放大图。由仿真结果可看出,当考虑最恶劣情况,即对流系数hf=0,铜排连续通入电流1200s时,温升最高可达75℃。散热条件对温升的影响较大,由于中心部分散热条件最差,因此合成回路中心部分铜排发热最严重。尤其在长时间通电的情况下,铜排与绝缘夹件的连接处因散热条件不好,温升上升较快,合成回路中中心部分铜排绝缘夹件最多,因而在持续通电的情况下温升较高,在实际设计中需要重点考虑。4试验系统及方法新型电子式互感器结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、不饱和及易于数字信号传输,能顺应电力工程的发展要求。电流互感器作为电流信号传变元件,其准确度