高压直流电流测量装置的研究

高压直流电流测量装置的研究

0高压直流电流整体研究在中国，无论能源和负荷的反向分布如何，高压直接输电工具的应用前景是显而易见的。到2020年我国将建成包括38项直流输电工程的“强交强直”特高压混合电网。我国规划的和已建成直流输电系统的输电距离大多超过1000km,最远达3000km以上,直流线路建设和运行费用占整个工程投资的比例达到30~50%。由于直流输电线路距离较长,受沿线地区外力破坏、雷击及环境污染等因素的影响,直流线路故障率逐年升高,对天广直流2001年2007年故障统计显示,线路故障占直流系统故障的50%。高压直流电流互感器安装于直流输电系统直流极母线、双十二脉动换流阀组中点(如果适用)母线及中性母线处,为直流系统线路控制和保护提供输入信号[6,7,8,9,10,11,12,13],是每个直流输电工程换流站不可缺少的核心设备。从20世纪70年代起,国外ABB、SIEMENS等国外公司就开始研制直流互感器,目前电压等级达到±800kV。中国的高压直流输电技术从20世纪80年代开始起步,直流电流互感器的技术研究也始于这一时期,国内的原武汉高压研究所、西安高压电器研究院、华中科技大学等科研单位和高校都对直流互感器的相关技术展开研究。由于当时国内需求少,加之国内自主研制的互感器运行不稳定,一直未在直流输电线路上推广。目前,国内已投运的直流输电工程用高压直流电流测量装置绝大多数被进口产品垄断,核心技术由国外少数的公司所掌握,价格昂贵且运行维护成本随着设备运行年限的增加而直线增加。鉴于我国高压直流输电装备的国产化需求,必须研究具有自主知识产权的高压电流测量方法及技术。本文首先对已在国内外直流输电工程中投运的直流电流测量装置进行了分析和分类、阐述了其工作原理,然后介绍了我国在高压直流电流测量技术领域的研究进展,指出部分技术在我国高压直流输电工程国产化、实用化过程中存在的主要问题,希望为未来高压直流电流测量装置的设计、实施与运行维护提供有益的参考。1直流电流测量装置国标GB/T26216.1-2010《高压直流输电系统直流电流测量装置第1部分:电子式直流电流测量装置》和国标GB/T26216.2-2010《高压直流输电系统直流电流测量装置第2部分:电磁式直流电流测量装置》给出了直流电流测量装置的性能指标要求。国内外已投运的直流电流测量装置从原理上主要分为以下三类。1.1基于保护电流的直流电流传感检测零磁通式直流电流互感器可看成是由基本磁积分器和磁调制器组成,以磁势自平衡比较仪为基本原理,通过磁调制器与电子反馈构成的闭环系统原理,系统框图如图1所示。一次回路磁芯绕组由T1、T2、T3三个磁芯以及三个相应的辅助绕组N1、N2、N3组成,在三个磁芯外还有两个并联连接的补偿绕组N4、N5。由磁调制器原理可知,当被测直流电流I1≠0时,峰值检测器输出校正电压U来控制磁积分器的放大器输出次边补偿电流I2,使得原边产生的磁势和次边线圈产生的磁势完全平衡,即I1N1=I2N2(N1=1,N2包括N4,N5)。通过测出补偿电流I2在负载电阻上形成的直流电压信号就能得到一次侧直流电流信号的大小。图2为云南至广东±800kV直流输电工程中采用的零磁通式直流电流互感器。零磁通式直流电流互感器属于非接触式测量,不需要断开一次母线,可以在mA至kA级测量范围内保持测量精度,时间响应快,具有很高的稳定性和良好的动态性能,但其绝缘结构复杂、绝缘成本较高、抗电磁干扰能力较差。运行经验表明,零磁通式直流电流互感器更适合测量换流站中性线上的直流电流。1.2同源直流输电系统的体制缺陷有源式直流电流互感器结构如图3所示。一次电流传感器通常包含分流器和空心线圈。分流器工作不需外加电源,测量没有方向性,测量准确度不受外磁场影响,它串接于被测直流线路中,基于欧姆定律输出正比于被测电流的几十毫伏级电压信号,空心线圈基于电磁感应定律输出正比于谐波电流微分的电压信号,用于线路的谐波测量。这两路电压信号经高压侧调制电路调制转换为光信号后通过光纤传输至低压侧电路进行解调还原。有源式直流电流互感器将成熟的分流器技术与光纤通信技术相结合,解决了高低压间绝缘及外界电磁干扰两大问题,是目前国内外直流输电系统中较多采用的技术方案。西门子公司在我国天广直流输电工程安装的有源式直流电流互感器如图4所示,整体测量准确度优于0.75%,频带范围0~5kHz。ABB公司的有源式直流电流互感器如图5所示,在我国三常直流输电工程中额定直流电流3000A,300~3000A范围内准确度为0.5%。有源式直流电流互感器也存在一定的缺陷:(1)属于接触式测量,拆装时需要停电断开母排;(2)分流器自身消耗功率较大,持续发热影响测量准确度,且当系统出现对地短路等故障时,分流器有烧毁的危险性;(3)采用激光供能方式对高压侧远端模块供电时,激光器寿命短,激光供能板卡故障率非常高。南方电网各直流输电工程在实现控制保护供能的SI-MADYND系统中,故障的LM3插件数量甚至超过了所有故障插件数量的90%。1.3反射式全光纤电流监测技术反射式全光纤直流电流互感器是基于法拉第效应、萨格纳克干涉原理和安培环路定理的一种无源式电流传感器,它的结构框图如图6所示。低压侧LED光源发出的普通光经互感器底座内的偏振器作用后产生两个在X轴和Y轴上互相垂直的线性偏振光,沿复合绝缘子内的保偏光纤传至高压侧的λ/4波片后转变为左旋和右旋的圆偏振光进入传感光纤。在被测电流磁场的作用下,经历一次法拉第效应两束圆偏振光的相位发生变化(Δθ=2VNI)并以不同的速度传输,到达传感光纤末端后经反射镜作用后,两束圆偏振光偏振模式发生互换,左旋光变为右旋光,右旋光变为左旋光,再次穿过传感光纤经历一次法拉第效应使产生的相位加倍(Δθ=4VNI),然后两路圆偏振光再次通过λ/4波片恢复为线偏振光,并沿保偏光纤返回低压侧的偏振器处进行干涉。反射式全光纤式电流互感器的光信号转换框图如图7所示。由于两路光信号的相位差与被测电流有严格的对应关系,测量出相干的非互易位相差就可以推出被测电流值。2008~2009年间,日本东京电力公司将一台额定电流为1200A的反射式全光纤直流电流互感器在北海道-本州间250kV高压直流输电线路上挂网运行,互感器如图8所示,一年监测结果表明互感器比差达到JEC-1201class1PS级。作为全光纤电流互感器技术的领导者,原ALSTOM公司将NXCT型全光纤电流互感器应用于19个国家的电力系统中,在我国的锦屏-苏南±800kV特高压直流输电工程同里(苏州)换流站(额定电流4500A)和溪洛渡-浙西±800kV特高压直流输电工程浙西换流站(额定电流5000A)均安装NXCT-F3型全光纤电流互感器,此外,ALSTOM公司还使用全光纤电流互感器对我国辽宁木家-伊敏500kV换流站原有的零磁通直流电流互感器进行改造,如图9所示,改造时使用了原零磁通直流电流互感器的线槽。反射式全光纤直流电流互感器的传感元件和传输元件都是光纤,不需要一次转换器及一次电源,结构简单,具有优良的高低压绝缘性能;不会因电流增大而饱和,动态范围大;输入和输出光路通过同一根光纤,温度振动的外界因素对两路信号的影响也相同,抗干扰能力大大提高。此外,反射式全光纤电流互感器可以无差别的测量直流电流和交流电流,能够简化高压测量设备种类,便于系统的检修和维护,是未来高压电流测量装置的发展趋势。目前影响反射式全光纤直流电流互感器大量投入使用的主要问题在于:(1)测量时要求光在传输过程中保持特定的偏振态,而光学器件的非理想性造成了两路偏振光间的串扰,影响了测量准确度;(2)传感器的户外部分为全光学器件,在恶劣的户外环境中存在相位随机漂移而导致的信号衰落问题;(3)反射式全光纤电流互感器的关键光学器件和加工设备都需要从国外进口,不但价格昂贵,而且受制于人。2高压直流电流测量系统的研制随着我国直流输电关键设备国产化进程,西安西电高压开关有限责任公司、国电南瑞科技股份有限公司、国家电网中国电力科学研究院、华中科技大学等多家科研单位和高校对上述原理的直流电子互感器的相关关键技术展开深入研究,并不断提出新的高压直流电流测量方案。2.1安溶剂的电流和电流的同时输出中国电力科学研究院研制了1台3000A/1V,50kV零磁通式直流电流互感器样机,如图10所示,它采用一对检测铁芯绕组作为一次和二次电流的安匝平衡检测器,由安匝平衡检测器控制的反馈功率放大器输出二次电流与一次电流达到磁势自平衡。直流误差校准试验表明,该样机在额定持续热电流下的各点测量误差均小于0.2%,在18kA下测量误差小于0.3%。样机在短时电流试验和阶跃电流响应试验中表现出了良好的暂态性能,且参考相关标准通过了电磁兼容试验考核。2.2直流流传感关键技术研究进展国内对有源式直流电流互感器的研究较为深入,研究热点主要集中在分流器的集肤效应与结构设计、供电技术、高压侧低功耗技术及互感器的可靠性等关键问题[15,25,26,27,28,29,30,31,32]。2005年6月至2006年9月,西安高压电器研究所与华中科技大学共同研制成功的120kV直流光电混合型电流互感器已经在我国第1个国产化直流工程西北-华中联网背靠背直流输电工程灵宝背靠背直流工程中成功挂网运行,见图11。国网电力科学研究院也在世界上首次对±1000kV特高压有源式直流电流互感器的结构设计开展研究工作。此外,沈阳工业大学将薄膜技术和测温技术有机的结合起来提出了一种新的直流电流传感器的设计方案———测温式直流电流传感器,系统框图如图12所示。分流器把一次大电流转换为二次小电压信号后加到电热转换元件薄膜电阻上使其升温,由于薄膜电阻温度的变化与二次电压的大小存在一定对应关系,可以通过测量薄膜温度上升值来得到电压的大小,进而得到被测直流电流值。其中,薄膜的温度上升值采用与温度有对应关系的荧光测温技术来测量,实现热光转换。由于分流器、电热转换器、热光转换器都是高压侧的无源器件,从而解决了有源式直流电流互感器高压侧的供电难题。实验结果显示,该方案具有一定可行性。2.3基于比较测量法的直流传感器国电南瑞科技股份有限公司研发了PCS-9250反射式全光纤电流互感器,如图13所示。在结构设计上采用特殊的光纤缠绕方式有效地抑制了温度漂移;在电路上采用了特殊的处理方案,同时开发了独有的算法系统,消除了光源功率不稳造成的影响,保证了系统运行的精度和稳定性。该公司直流用全光纤电流互感器技术参数见表1。华中科技大学基于法拉第磁光效应和比较测量法原理的提出了一种新型的光纤直流电流传感器,采用双输入双输出式传感头,如图14所示,通过驱动二个光源的轮流交替发光,配合特殊的解调算法巧妙地将被测直流电流对应的法拉第旋转角光电转换后的直流量与直流本底光强信号区分开来。初步实验结果显示在300~3000A范围内,测量线性度优于0.5%。2.4基于gmr效应的直流电流测量系统设计1988年,法国巴黎大学Fert研究小组发现纳米结构的磁性多层膜的膜电阻随外加磁场发生巨大变化,较传统的磁各向异性磁电阻大一个数量级以上,这种现象称为巨磁电阻(GMR)效应。GMR传感器作为磁敏传感器的一种,具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽等优点。北京航空航天大学将GMR效应应用于直流输电系统的母线电流测量系统中,总体框图如图15所示,高压侧传感头设计采用惠斯顿桥式结构,当外界磁场发生变化时,四个桥臂上的电阻值发生改变,桥臂输出端电压经A/D转换为数字信号通过光纤传输数据到低压侧,再经光电转换及D/A转换还原为模拟电信号送入相应的测量、继电保护设备。这种测量直流线路电流的方法在实用化上主要存在以下问题:(1)目前所有模型都只能定性解释GMR效应的作用机理,不能建立GMR变化率与外加磁场变化间的定量模型,须根据现场实验结果标定每一个传感器的特性,在实际应用中互换性较差。(2)基于GMR效应的直流电流传感器是一种有源式电流检测设备,高压侧电路需要稳定、可靠的供电技术和低功耗设计技术支撑。(3)非线性、磁滞、抗复杂磁场干扰等问题有待进一步研究与验证。2.5磁致伸缩料法测电流光纤光栅用于电流的测量是近年来电流传感器研究的新方向,若光纤光栅产生轴向应变,其布拉格波长将随应变的变化而变化,目前研究较多的方法主要有磁致伸缩材料法以及悬臂梁结构法等。磁致伸缩效应是指铁磁或亚铁磁材料在磁场中磁化时材料表现出的宏观伸缩效应。磁致伸缩材料法中,磁致伸缩材料和光纤光栅器件的粘合体作为传感元件放在被测电流母线附近,磁致伸缩材料在电流磁场的作用下产生形变进而改变光纤光栅的布拉格波长,通过对布拉格波长漂移的解调即可确定待测电流的大小。磁致伸缩材料法测直