光學(xué)電流互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

光學(xué)電流互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

0光學(xué)電流傳感電壓的測量正確的測量方法、測量的傳輸光譜化和測量的輸出電子顯微化是電子顯微化的三個(gè)主要發(fā)展趨勢?！皽?zhǔn)確測量任何時(shí)刻的電流瞬時(shí)值”是電流互感器(TA)的理想測量品質(zhì)。廣泛使用的鐵磁線圈TA盡管穩(wěn)態(tài)測量準(zhǔn)確度能滿足0.2級(jí)的要求,但短路故障時(shí)存在磁路飽和現(xiàn)象,動(dòng)態(tài)測量能力差,是保護(hù)裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)的主要原因?；贔araday電磁感應(yīng)原理的Rogowski線圈TA不存在磁路飽和現(xiàn)象,但由其基本原理決定了它不能測量穩(wěn)恒直流,對于變化較緩慢的分量比如非周期分量,也不能保證測量準(zhǔn)確度。很顯然,Rogowski線圈TA是存在測量頻帶問題的電子式TA。Faraday磁光效應(yīng)原理具有良好的測量線性度,既可測量變化電流,又可測量穩(wěn)恒電流。很明顯,基于Faraday磁光效應(yīng)原理的光學(xué)電流互感器(OCT)在測量原理上不存在測量頻帶問題,并具有較高的諧波測量準(zhǔn)確度,能滿足電能質(zhì)量測量和監(jiān)控的需要。電壓等級(jí)越高,鐵磁線圈TA的絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、絕緣費(fèi)用越高。光纖具有天然優(yōu)良的絕緣性能,測量的光纖傳輸方式是簡化絕緣結(jié)構(gòu)、大幅度降低成本的有效途徑,是電子式互感器的必然趨勢。對于基于電磁感應(yīng)原理的電子式TA,需要采用電光轉(zhuǎn)換的手段,對于OCT,則順理成章地需要采用測量的光纖傳輸方式。文統(tǒng)計(jì)表明,從1995年至2001年底,全國正在運(yùn)行的500kVTA共有2894臺(tái),從2000年至2001年底發(fā)生7起500kVTV事故,年故障率達(dá)到1.7%,問題幾乎全部集中在絕緣上,具體數(shù)據(jù)見表1。因OCT采用光纖傳輸數(shù)據(jù),從結(jié)構(gòu)上保證了電絕緣性能,故OCT的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鐵磁線圈TA。文統(tǒng)計(jì)表明,電壓等級(jí)越高,OCT制造成本的優(yōu)勢越明顯,其中,110kV鐵磁線圈TA與OCT的造價(jià)比約為1.4:1,220kV約2:1,330kV約2.5:1,500kV約4:1,據(jù)有關(guān)互感器生產(chǎn)廠家預(yù)算,1000kV約6:1。同時(shí),利用光纖傳輸信號(hào)可顯著減少線路損耗,提高現(xiàn)場的安全性,使得OCT非常適用于超高壓和特高壓電力系統(tǒng)。現(xiàn)代電網(wǎng)的二次系統(tǒng)是實(shí)時(shí)信息化系統(tǒng),要求互感器提供標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出,而不是具有負(fù)載能力的二次電流或二次電壓輸出。測量輸出電子化是OCT的基本特征,是建設(shè)數(shù)字電力系統(tǒng)的基本需要。1受線偏振的磁光材料和檢測方法基于Faraday磁光效應(yīng)的OCT一直是光學(xué)電流傳感技術(shù)的主流,它通過測量由被測電流i引起的磁場強(qiáng)度的線積分來間接測量i。根據(jù)Faraday磁光效應(yīng),線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過介質(zhì)(晶體或光學(xué)玻璃)時(shí),其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角θ為其中,μ為Faraday磁光材料的磁導(dǎo)率;V為磁光材料的Verdet常數(shù),它與介質(zhì)的特性、光源波長、外界溫度等有關(guān);H為作用于磁光材料的磁場強(qiáng)度;L為通過磁光材料的偏振光的光程長度,見圖1。為求出上述積分而實(shí)現(xiàn)電流測量,可使線偏振光圍繞i形成回路,根據(jù)安培環(huán)路定律可知:其中,N為線偏振光圍繞i的環(huán)路數(shù)。針對阻礙OCT實(shí)用化的測量溫漂和不能長期穩(wěn)定運(yùn)行的問題,由哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華北電力大學(xué)聯(lián)合組成的課題組提出了相應(yīng)的解決方法——自適應(yīng)光學(xué)傳感原理和螺線管聚磁光路結(jié)構(gòu)。以標(biāo)準(zhǔn)檢測系統(tǒng)為平臺(tái),按照測試標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8對自適應(yīng)光學(xué)電流互感器(AOCT)進(jìn)行的準(zhǔn)確度檢測結(jié)果表明,此AOCT穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度達(dá)到了0.2級(jí),非周期分量電流的最大峰值瞬時(shí)值誤差<±1%。安裝于河北省保定市某變電站110kV線路上的AOCT已連續(xù)運(yùn)行了25個(gè)月,運(yùn)行結(jié)果表明,AOCT具有長期運(yùn)行穩(wěn)定性,已基本具備實(shí)用化條件。2電力系統(tǒng)的應(yīng)用丘克2.1增強(qiáng)了繼電保護(hù)的可靠性和靈敏度OCT能滿足繼電保護(hù)要求,測量的動(dòng)態(tài)范圍大,頻帶寬,因而比鐵磁線圈TA更能真實(shí)反映故障下暫態(tài)過程中的一次電流,這將有助于提高繼電保護(hù)的快速性、靈敏性和可靠性,它的應(yīng)用必將對未來的保護(hù)產(chǎn)生重要影響。1利用創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)帶的二次平衡保護(hù)無論是電流縱差保護(hù)還是橫差保護(hù),其原理都是比較同一線路兩端的電流或不同線路同側(cè)的電流,當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)電流和近似為0,當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)電流和超過整定值,引起保護(hù)動(dòng)作。這就要求測量電流的兩個(gè)TA特性相近,否則,當(dāng)差動(dòng)保護(hù)區(qū)以外發(fā)生短路故障,短路電流很大,非周期分量影響嚴(yán)重時(shí),勵(lì)磁電流增大,由于磁飽和特性及磁化曲線差異,兩個(gè)TA二次電流將產(chǎn)生較大的不平衡電流,有時(shí)將引起保護(hù)誤動(dòng)。OCT無磁飽和現(xiàn)象,因而具有良好的暫態(tài)特性,不平衡電流小,提高了差動(dòng)保護(hù)的選擇性、靈敏性。特別是常規(guī)的短線路差動(dòng)保護(hù),必須鋪設(shè)與被保護(hù)線路一樣長的輔助導(dǎo)引線。導(dǎo)引線的短路或斷路將造成保護(hù)誤動(dòng),因此為了監(jiān)視導(dǎo)引線的完好,必須裝設(shè)專用的信號(hào)裝置。此外,若增大導(dǎo)引線阻抗,則會(huì)使隔離變壓器的二次負(fù)載增大,導(dǎo)致傳變誤差增大。若提高導(dǎo)引線回路電壓,則又使導(dǎo)引線分布電容電流、漏電流增大,且危及設(shè)備及人身安全。導(dǎo)引線一般與高壓輸電線平行鋪設(shè),在輸電線短路時(shí),短路電流可能在導(dǎo)引線回路中感應(yīng)產(chǎn)生過電壓,雷電也可能在導(dǎo)引線中產(chǎn)生感應(yīng)過電壓,這將損壞保護(hù)裝置中的元器件。而用OCT作短線路差動(dòng)保護(hù)將很好地克服這些問題:利用光纖直接將線路對側(cè)電流信息傳送到同一側(cè),進(jìn)行兩線路比較。它的優(yōu)點(diǎn)是無輔助線路短路問題,若光纖斷路則無光信號(hào)輸出,很容易檢測出來,且不存在感應(yīng)過電壓問題。光纖傳輸損耗小,不需信號(hào)中繼裝置,也可在較長的線路內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù),這對于地下電纜尤為重要。同時(shí),OCT因無飽和特性而更適用于母差保護(hù)。2附加傳統(tǒng)保護(hù)據(jù)因鐵磁線圈TA飽和后不能準(zhǔn)確測量電流,故為了提高保護(hù)的可靠性,不得不在保護(hù)算法中加入大量的附加判據(jù),使傳統(tǒng)的保護(hù)判據(jù)冗余而復(fù)雜。而OCT頻率響應(yīng)寬,無飽和現(xiàn)象,能準(zhǔn)確測量非周期分量和各種交流諧波分量,從而為簡化保護(hù)判據(jù)提供了可能。3鐵磁線圈ta目前的保護(hù)算法多采用電流的工頻分量,但需要經(jīng)過濾波,這樣不可避免地會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。為了提高保護(hù)動(dòng)作速度,采用故障后的暫態(tài)分量、瞬時(shí)值和電壓、電流的行波信號(hào)來構(gòu)成高速保護(hù)。鐵磁線圈TA因頻率范圍較窄而不能完全再現(xiàn)一次電流波形,而OCT測量的頻率范圍寬(理論上測量頻帶可達(dá)幾MHz),能真實(shí)地反映一些高頻信號(hào),并可較準(zhǔn)確地測量非周期分量,可為暫態(tài)量保護(hù)、瞬時(shí)值保護(hù)、行波保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù),從而促進(jìn)它們的發(fā)展,還可設(shè)想構(gòu)造基于非周期分量和高次諧波的保護(hù)新原理;因OCT采用光纖傳輸信號(hào),故可設(shè)想構(gòu)造完全基于光強(qiáng)的差動(dòng)保護(hù)新原理,實(shí)現(xiàn)保護(hù)光學(xué)化,從而更加徹底地解決電磁干擾問題?？梢韵嘈臤CT的使用一定會(huì)推動(dòng)繼電保護(hù)的發(fā)展。2.2電子式變壓器iec分析方法自從早期的遠(yuǎn)程終端單元(RTU)裝置、高頻繼電保護(hù)裝置等設(shè)備在變電站內(nèi)開始應(yīng)用,變電站就已注入了數(shù)字化的特征。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,通信技術(shù)和電子技術(shù)越來越多地應(yīng)用于變電站內(nèi),數(shù)字化的職能裝置也逐步增加,數(shù)字化技術(shù)已成為變電站技術(shù)的重要組成部分。數(shù)字化變電站是指變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子裝置均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信,并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺(tái),在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置之間的互操作性。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)功能將變電站智能設(shè)備劃分為3個(gè)層:過程層、間隔層和變電站層。此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的過程層和間隔層在邏輯上是分離的。在目前的變電站中,由于技術(shù)上的限制并沒有出現(xiàn)獨(dú)立的過程層,過程層的功能由間隔層裝置完成。隨著電子式TA、TV的逐步實(shí)用化和智能開關(guān)技術(shù)的發(fā)展,在未來的數(shù)字化變電站中過程層功能從間隔層設(shè)備中分離已成為一種趨勢。過程層的分離具有一系列優(yōu)點(diǎn):傳統(tǒng)的二次電纜用光纖代替,從而節(jié)省投資;一次高壓系統(tǒng)和二次系統(tǒng)從電氣上完全隔離,增加了二次系統(tǒng)的抗電磁干擾性能和安全性;電子式互感器提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口信號(hào),簡化接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而隨著OCT的研制成功和實(shí)用化發(fā)展,更有助于帶動(dòng)電子式TV的研究應(yīng)用,進(jìn)而加快數(shù)字化變電站的改造進(jìn)程,最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)的建設(shè)。2.3廣域測量單元電力系統(tǒng)的監(jiān)視與控制正在從時(shí)間斷面逐步走向時(shí)間過程,電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制正在從電網(wǎng)的點(diǎn)和局部逐步走向系統(tǒng)全局。為了阻止發(fā)生破壞性越來越大的電力系統(tǒng)災(zāi)難事故,人們正在構(gòu)建電力系統(tǒng)安全防御體系。以相角測量單元(PMU)為基礎(chǔ)的提供電網(wǎng)準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)過程測量數(shù)據(jù)的廣域測量系統(tǒng)(WAMS)將成為電網(wǎng)保護(hù)控制的基礎(chǔ)測量系統(tǒng)。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),由于非周期分量的存在,鐵磁線圈TA迅速達(dá)到飽和,不能準(zhǔn)確測量出故障點(diǎn)電流,不能準(zhǔn)確反映電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程,這將直接導(dǎo)致PMU測量失準(zhǔn),從而影響整個(gè)廣域測量系統(tǒng)的可靠性。而具有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的OCT的廣泛應(yīng)用將大大提高電網(wǎng)保護(hù)與控制的可靠性。2.4故障分析方法在電力系統(tǒng)故障、操作、雷電等擾動(dòng)過程中,電壓電流信號(hào)含有豐富的頻率分量和大量的系統(tǒng)狀態(tài)信息。若對這些信息進(jìn)行提取分析,則可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)的快速辨識(shí),實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的暫態(tài)高速控制和電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確定位。所以TA用于故障分析時(shí)應(yīng)具有精細(xì)地描繪故障信號(hào)波形的能力。鐵磁線圈TA存在飽和問題,基于Rogowski線圈的電子式TA存在頻帶問題,而基于Faraday磁光效應(yīng)的OCT的傳感頭具有良好的暫態(tài)特性和理論上無限制的寬頻帶,只要電子線路中濾波器參數(shù)選擇合適,其二次輸出信號(hào)就既能真實(shí)地反映一次電流的高次諧波,又能較好地再現(xiàn)非周期分量含量。故利用OCT將徹底解決故障錄波的失真問題,促進(jìn)故障錄波的更新?lián)Q代。現(xiàn)有的母線或線路故障定位系統(tǒng)常常受到鐵磁線圈TA電磁飽和、二次線路長、電磁干擾嚴(yán)重等問題的影響而導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤。采用OCT的新型故障定位系統(tǒng)則可克服以上缺點(diǎn)