基于磁光式电流传感器的无磁饱和特性测试

基于磁光式电流传感器的无磁饱和特性测试

随着能源技术的发展和应用，能源系统对设备的小型、数字和高可靠性提出了更高的要求。基于电磁感应原理构成的电磁式电流互感器(TA)由于存在饱合、暂态特性等问题,在电网建设和改造进程中,不但要满足特高压系统的要求,其体积、价格、绝缘性能等方面也接受巨大挑战。随着光电子技术、光纤传感技术和微处理器等技术的发展与进步,新型的光互感器已能完全满足电力系统高可靠性的需求。ABB公司曾于20世纪90年代中期推出有源式光电式电流互感器,其电压等级为72.5~765kV,额定电流为600~6000A。在日本,一些电气公司把光电流互感器用于抽水蓄能电站电流的测量,电流范围为8000~35000A,频率范围为1/60~150Hz。国内相关的高压产品在准确度、结构和功能上尚需完善才能达到实际要求。由于新型的电子式光互感器具有成本低、安全性高、精度高、测量范围广等优点,用其取代传统的铁磁式互感器已成为业界共识。最近随着IEC60044—7《电子式电压互感器》,IEC60044—8《电子式电流互感器》和IEC61850《变电站网络和系统》等标准的相继颁布,规范了电子式互感器的技术要求,为光电式互感器在电力系统的应用奠定了基础。1次侧开口需要采用电磁式整体传感技术目前,传统TA广泛应用于电力系统保护中,然而在系统电压等级向超高压、特高压发展趋势下,互感器复杂的绝缘结构使得其造价居高不下。受自身铁心磁饱和及磁滞回线的影响,传统TA的输出存在相位差,同时其动态范围小,频带窄,易受电磁干扰,且二次侧开路会产生高电压、铁磁谐振,易燃易爆。最近南方某地区的统计数据显示,35kV及以上电流互感器主要缺陷是渗漏油,油色谱超标,介质和直流电阻超标,二次端子及引线也有问题。作为构成电网中各种保护的基本元件,保护用电磁式互感器取得了发展,形成了P类和TP类两大产品,但因自身结构特点,仍然难以满足目前电力系统对设备要求小型化、在线检测以及对故障高精度诊断和数字化传输的要求。例如,电网中一次侧暂态电流的非周期分量容易引起传统TA的磁饱和,影响反时限过流保护的动作时间,使纵差过电流保护误动作率高,容易导致传统TA暂态下二次侧电流波形畸变。为了克服这一畸变带来的不稳定性,采用无饱和特性的电子式互感器可从根本上解决这类问题,其高保真瞬时传变的特性,可有效提高保护的可靠性及快速性,同时也使差动保护的判据大为简化。2半常规整体传感技术作为电子式互感器重要组件的传感器,大致可以分为2类:一类是半常规互感器,如无铁心的独立式空心线圈,即罗戈夫斯基线圈互感器,带铁心的低功率电流互感器以及电阻和阻容分压传感器等,其原理与常规互感器较近似,在新型开关柜中已能看到由国内厂商生产的这类互感器;另一类是采用电-光变换或磁-光变换原理的互感器。在已投入商业运行的两类传感器中,ABB公司生产的CP14型金属封闭SF6绝缘组合电器(额定工作电压145~300kV)和CP34型金属封闭SF6绝缘组合电器(额定工作电压300~550kV)属于半常规互感器。该类产品为单相电气设备,SF6气体绝缘,采用电容、电阻分压原理,将罗戈夫斯基线圈的二次绕组绕制在非磁性骨架上,接高阻抗负载,输出为光信号,通过高精度数字积分器得到一次输入电流。线圈输出电压u(t)用式(1)表示,即u(t)=μ0nAdI1(t)d(t).(1)u(t)=μ0nAdΙ1(t)d(t).(1)式中:u(t)——线圈输出电压,V;I1(t)——一次电流,A;μ0——真空导磁率;n——绕组线圈匝数密度,匝/m2;A——单匝截面积,m2。我国三峡工程±500kV直流换流站已经开始使用ABB公司生产的HPL型550kV敞开式空气绝缘组合电器。该元件简化了对地绝缘,仅依靠断路器的500kV瓷套管,模块的总质量仅约7.5kg。然而这类有源互感器在一次变换时首先得解决高压侧电源的绝缘问题。为此,AREVA公司(原ALSTOM公司)开发出基于法拉第磁光效应的光学电流传感器。光信号直接从高压侧经光纤或块状玻璃送至低压侧,再通过变换器处理。由于高压侧没有电气组件,实现了所谓的无源传感器。这种结构特别适合用于超高压空气绝缘开关装置。下面对这类磁光式光学电流传感器的基本工作原理和实验室模型设计与性能测试作简要介绍。3旋转角度正比当一次电流I(t)通过载流体时,其周围产生的磁场强度H和I(t)成正比。如果将某些透明物质,如光纤绕制套在高压载流体上并注入一束线性偏振光,在磁场的作用下,偏振光的振动面将以光的传播方向为轴线旋转一定的角度,这种效应被称为法拉第旋转效应或磁致旋转光效应。它可以理解为进入物质的线性偏振光为折射率不同的左旋圆和右旋圆偏振光的组合。如果左旋圆偏振光传播快,即折射率nL<nR,光矢量为逆时针旋转,故θ>0,反之,θ<0。对给定的介质,旋转角度θ正比于磁场强度H,其表达式为θ=VN∮LHdL.(2)式中:V——与光纤材料有关的费尔德常数(Verdet);L——通光路径长度;N——环型绕制光纤的匝数。由安培定理可计算封闭在线圈中导体上的电流I为I(t)=∮LHdL.(3)从式(3)可推出:θ=NVI(t).(4)式(4)表明,旋转角度θ与光纤线圈尺寸大小以及导体在线圈中的位置无关;偏振面的旋转方向与输入光的传播方向无关;旋转量不受载流导体的震动影响;旋转角度θ正比于一次电流I(t)的大小。磁光式电流传感器装置的原理见图1所示。从图1可知,由于旋转角度θ一般很小,故加装一个反射镜,再次将出射光线注入回光纤中,使它在磁场中再次被旋转,其偏振面的旋转方向仍保持不变,然后利用拉斯登棱镜的晶体双折效应,用光探测器检测光纤中射出的两个相互正交的光强偏振分量I1和I2,可得出发射光的光强比P,即P=Iv1−Iv2Iv1+Iv2+E2x−E2yE2x+E2y≈2θ.(5)Ρ=Ιv1-Ιv2Ιv1+Ιv2+Ex2-Ey2Ex2+Ey2≈2θ.(5)式中:P——发射光的光强比;Iv1,Iv2——光强的偏振分量,cd;Ex,Ey——光矢量大小;θ——穿过磁场后,偏振面的旋转角度。4设备主要部件的选择4.1多模光纤系统半导体光源体积小,结构简单,重量轻,工作寿命长。根据发光机理分为两类:一类是基于自然辐射的半导体发光二极管(LED),工作在荧光区域,能产生非单一的波长光源,表面辐射的LED发射功率高,但发光角度大,与光纤的耦合效率低,一般不到10%,仅适用于多模光纤系统,边缘辐射的LED亮度高,有利于与光纤的耦合;另一类是半导体激光二极管(LD),工作在激光区,当电子复合过程受激辐射加速大于其吸收速率,便产生激光,其工作波长约为850nm,单色性,亮度高,方向性好,是光纤系统较佳的光源。然而光源的中心波长处,频谱受温度影响较大,约为0.25nm/C,从而导致费尔德常数在一定范围内波动,并影响到输出光信号。如采用半导体二极管时,需要增强LED特定波长下的灵敏度,或使LD器件工作温度稳定。气体激光器通常用于提供高度相干性的光源。最常用的是氦-氖(He-Ne)激光器,其工作波长为632.8nm,功率约为0.1~100mW。尽管其电源电压高,工作寿命约2×104h,且体积大,对震动灵敏,频率较稳定,不算是最理想的光源,但目前仍为一种磁光电流传感器的满意电源。4.2光纤双折射和收率装置中,光传播的介质应该能保证光波偏振态沿整个光纤长度传播时不变,但实际上的单模光纤并非如此。由于光纤内部的残余应力、芯径不对称性以及外部的弯曲,加上外应力和杂散电磁场的影响,两个正交的偏振分量的传播常数不再相等,使偏振态沿光纤出现连续的变化,造成光纤双折射。这种客观存在的因素对偏振态调制影响很大,因此,现在投入商业运行的一种光电流传感器并没有采用光纤,而是使用块状玻璃。为了克服光纤自身双折射的影响,可采用超低双折射光纤,其固有双折射几乎为零,使光纤固有双折射的影响减到最小,然而外部因素,如弯曲或压力仍然会引起双折射。随着制造工艺的提高,具有螺旋状纤芯的圆双折射光纤偏振态很稳定,受光纤固有和外界干扰影响很小。虽然光纤比较硬,绕制的环直径有最小尺寸限制,纤芯与光纤轴不平行,光的注入有些困难,但还是合适大电流的测量。英国南安普敦大学已制成椭圆双折射光纤(蝴蝶结型)。此光纤的偏振态为椭圆偏振,须采用温度补偿技术,减小应力和双折射对其的影响。4.3石瞳的光轴合合法选用复合偏振棱镜中的拉斯登棱镜,它由两个最高光学等级的天然方解石棱镜组成,利用晶体的双折射现象,以光轴互相交错的方式互相接合,能将光束分解为两束的光矢量并互相垂直的线偏振光。输出光束的分离角φ通常为10°或20°,适用波长范围300~2200nm。5差分电流il2的光强检测根据法拉第效应特性,2003年在英国UMIST的PSCAD平台上进行软件仿真短路计算,测试时双机网络主要参数有(按照英国132kV母线电压设计):送端电源中,电抗和电阻之比X/R=10,短路容量Ssc=1600MVA,额定电压Ur=400kV,受端电源中,电抗和电阻之比X/R=10,短路容量Ssc=200MVA,额定电压Ur=132kV;输电线路电阻R=1.1(标幺值),电抗X=3.1(标幺值),长L=10km;变压器接线方式为Y-Y,容量S=200MVA,电抗X=10(标幺值)。基于MATLAB软件,利用短路计算的结果来测试磁光式电流传感器在线路差动保护上的应用性能。差分电流IL1是变压器出口侧(靠近送端电源)电路首端母线L1相的电流;差分电流IL2是电路末端母线L1相的电流。利用磁光式电流传感器获取的这两个差分电流作为差动保护动作依据,输出结果可参见图2。图2中,当t=0.2s时,线路L1相发生单相短路,此时,输出光强1和输出光强2分别反映磁光式电流传感器探测到差分电流IL1和IL2的光强信息。测试中还发现,模型对光纤绕制的匝数比较敏感。增加磁场中光纤圈的匝数(由30匝增加到50匝),会造成输出光强1的波形明显畸变,但能有效提高输出光强2的光强值,见图3。当有较大的穿越性短路电流时,传统TA最初还能够线性变换电流量,仅产生较小的不平衡电流。一旦其铁心的磁通在0.25~0.5周期(一般0.025s为一个周期)内达到饱和密度,就会产生很大的虚假差动电流。若不采取任何措施,由此产生的工作点落入差动保护的动作特性区,保护就将误动作。磁光式电流传感器因为测量范围宽,没有饱和的特点,无需增设传统TA饱和时的附加稳定特性区。图4表明传感器与差动保护完全能够有效配合。图4中斜率大于零的两条折线表示差动保护动作的比差率设定边界线。方形表示利用傅立叶变换取样后的差分电流值,各点均落在差动保护的动作特性区(边界线上方),也就是说,对于保护线路内的短路故障,差动电流和制动电流的比值能够立刻满足保护动作的条件,对故障具有准确的判断特性。图5则表明差动保护对保护范围外故障能够及时正确闭锁。目前,ALSTOM公司已投入商业运行的光学电流互感器(CTO)采用LED光源,无需再考虑为氦-氖(He-Ne)激光器提供额外稳定可靠的工作电源。为克服一次导体和光纤绕制配合以及光纤耦合的问题,利用“ringglass”材料套穿在导体上,形成一个闭合的全反射光学回路。光学探头在末端直接测量光强。传感器由绝缘子支撑放置在顶部,装置底部为接线箱。采用真空绝缘,使用寿命长,可靠而且免维护。100kV产品总高约1.7m,总质量130kg;765kV产品总高约7.3m,总质量230kg。传感器额定电流40A~4kA。精度:测量0.2级(IEC标准);保护级的准确级:5p20。二次输出:1A,0.5VA,工作环境温度:-40℃~+40℃。基于IEC60044.8的光纤数字接口向继电保护提供数字信号,并