光學(xué)電流互感器在距離保護(hù)中的應(yīng)用

光學(xué)電流互感器在距離保護(hù)中的應(yīng)用

0電磁式電力整體傳感技術(shù)。在現(xiàn)代電流交換（ct）的任務(wù)是將側(cè)系統(tǒng)壓電路上的大電流正確轉(zhuǎn)化為二次側(cè)低壓電路上的小電流（5a或3a），并隔離高壓電路側(cè)的電路，以確保二次設(shè)備和員工的安全。目前,電力系統(tǒng)中廣泛使用的是電磁式電流互感器。這種互感器在應(yīng)用上的最大問題是電流互感器飽和后其二次側(cè)電流波形及幅值失真。隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展,采用電子式電力互感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式電力互感器已成為當(dāng)前國(guó)際電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì),因其電氣絕緣性能好,占地少、造價(jià)低、動(dòng)態(tài)范圍大,不會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象,暫態(tài)響應(yīng)速度快,為改善傳統(tǒng)保護(hù)性能及新的保護(hù)控制原理應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文在分析了互感器誤差對(duì)距離保護(hù)造成的影響后,總結(jié)了傳統(tǒng)的減小這些不利影響的方法,分析論證了采用電子式電流互感器(ECT)對(duì)距離保護(hù)帶來的優(yōu)越性。1繼電器測(cè)量地下范圍電流互感器和電壓互感器的誤差均將引起阻抗繼電器端子上電壓和電流的相位誤差以及數(shù)值誤差,從而影響阻抗測(cè)量的精確度,導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)。具體分析如下。設(shè)在被保護(hù)線路上離保護(hù)安裝處ld處發(fā)生了金屬性短路故障(如A相接地短路故障),則保護(hù)安裝處母線殘壓為式中:Z1為被保護(hù)線路單位長(zhǎng)度的正序阻抗值;為流經(jīng)保護(hù)的由母線流向被保護(hù)線路的A相電流。考慮了電流互感器的角誤差和比誤差后,繼電器的測(cè)量電流為式中:nCT為電流互感器變比。ki為計(jì)及電流互感器角誤差和比誤差后的系數(shù),其中ki為考慮比誤差的系數(shù),比誤差不計(jì)時(shí),ki=1;δi為考慮角誤差的角度,二次電流超前一次電流時(shí),δi為正角度。同樣,考慮了電壓互感器的角誤差和比誤差后,繼電器的測(cè)量電壓為式中:nPT為電壓互感器變比;ku為計(jì)及電壓互感器角誤差和比誤差后的系數(shù),,其中ku為考慮比誤差的系數(shù),比誤差不計(jì)時(shí),ku=1;δu為考慮角誤差的角度,二次電壓超前一次電壓時(shí),δu為正角度,反之δu為負(fù)角度。所以,由繼電器測(cè)量阻抗得到可見,計(jì)及電流互感器和電壓互感器的角誤差和比誤差后,使測(cè)量阻抗在數(shù)值上發(fā)生ku/ki倍變化,相角上發(fā)生(δu-δi)的變化。由于比誤差的存在,使得測(cè)量阻抗數(shù)值有所增加(一般ku/ki>1),從而導(dǎo)致保護(hù)區(qū)縮短;由于角誤差的存在,使得繼電器的測(cè)量阻抗角φLine偏離整定阻抗角,從而動(dòng)作阻抗相應(yīng)減小。因φLine偏離最大靈敏角,靈敏度也受到影響。如果流經(jīng)保護(hù)的故障電流較大,使電流互感器鐵芯進(jìn)入飽和,勵(lì)磁電抗減小,比誤差和角誤差將大為增加,從而使保護(hù)區(qū)縮得更短。2保護(hù)電流電流過小一般地,為了減小電流互感器的誤差對(duì)距離保護(hù)的影響,應(yīng)選用在第I段保護(hù)區(qū)末端短路流經(jīng)保護(hù)的短路電流為最大時(shí)滿足10%誤差曲線的電流互感器。傳統(tǒng)的防止電流互感器飽和的方法有如下幾種:(1)增大CT變比。不能采用按負(fù)荷電流的大小確定保護(hù)級(jí)電流變比的方法,必須用保護(hù)安裝處可能出現(xiàn)的最大短路電流和互感器的負(fù)載能力與飽和倍數(shù)來確定CT的變比。但增大CT變比會(huì)使得二次側(cè)所測(cè)得的電流過小,從而不利于繼電保護(hù)裝置(特別是微機(jī)繼電保護(hù)裝置)作出正確判斷。因此應(yīng)該在選擇電流互感器保護(hù)級(jí)上慎重考慮,權(quán)衡利弊,遵守國(guó)標(biāo)GB1208—1997《電流互感器》的相關(guān)規(guī)定。(2)減小電流互感器的二次負(fù)荷?？梢酝ㄟ^選用功耗小的繼電保護(hù)裝置,將繼電保護(hù)裝置就地安裝,減小CT的二次側(cè)額定電流,縮短CT二次電纜長(zhǎng)度,加大二次電纜面積等等方法來實(shí)現(xiàn)。(3)采用比相原理的繼電器。采用相位判別原理的繼電器比采用幅值判別原理的繼電器的抗CT飽和的性能要好,因?yàn)榧词乖趪?yán)重飽和狀態(tài),正確地恢復(fù)電流的相位還是比較容易的。(4)增大數(shù)據(jù)窗來減小測(cè)量阻抗和故障測(cè)距的誤差。輸電線路發(fā)生短路故障時(shí),不可避免地產(chǎn)生非周期分量電流和高次諧波分量電流。在計(jì)算故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的線路阻抗時(shí),就出現(xiàn)了計(jì)算精度和時(shí)間窗口長(zhǎng)短的矛盾。當(dāng)時(shí)間窗口較短時(shí)(如小于10ms)計(jì)算精度就差一些,但可使繼電器的動(dòng)作速度快一些,當(dāng)時(shí)間窗口較長(zhǎng)時(shí)(如取20ms),計(jì)算精度就可得到保證,但繼電器的動(dòng)作速度相對(duì)慢一些。由于電磁式CT不能有效地傳變非周期分量,導(dǎo)致測(cè)量阻抗和故障測(cè)距產(chǎn)生較大的誤差,現(xiàn)有的解決方法是通過增大數(shù)據(jù)窗來減小誤差,但這也將影響到距離保護(hù)動(dòng)作的快速性。3電子電流傳感器的方法3.1光電電流整體傳感技術(shù)由于傳統(tǒng)電磁式電流互感器存在的固有缺點(diǎn),導(dǎo)致如前所述的各種誤差。雖可采取一系列措施進(jìn)行遏制,但仍很難根除其對(duì)線路保護(hù)造成的隱患。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及微機(jī)、光纖等技術(shù)在電力系統(tǒng)的大量應(yīng)用,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)漸漸不能滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定要求。新出現(xiàn)的光電電流互感器是集電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)為一體的新型電流互感器,其高精度、高可靠性、寬頻帶、無(wú)磁飽和問題、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),決定了它將逐漸成為傳統(tǒng)電磁式電流互感器的替代品。光電電流互感器主要分為以下兩類:(1)全光電式電流互感器。由于這種互感器利用了法拉第(Faraday)磁光效應(yīng)原理,所以又稱為MOCT。又由于它在高壓側(cè)不需要供電電源,所以也稱為無(wú)源型光電電流互感器。(2)電子式電流互感器。通常利用Faraday電磁感應(yīng)原理,有鐵芯線圈和空心線圈兩種傳感結(jié)構(gòu),空心線圈結(jié)構(gòu)的電流互感器又叫Rogowski線圈電流互感器。其高壓部分無(wú)光學(xué)元件,而采用有源電子線路,利用光纖的耐高壓特性,作為信號(hào)傳輸通道。由于其高壓側(cè)需要供電電源,所以也稱為有源型光電電流互感器。3.2faradon磁旋光效應(yīng)原理全光電式電流互感器的工作原理為普遍采用的Faraday磁光效應(yīng):當(dāng)一束線偏振光通過置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí),線偏振光的偏振面就會(huì)線性隨著平行于光線方向的磁場(chǎng)的大小發(fā)生旋轉(zhuǎn),如圖1所示。φ=μV∫LHdl,其中,φ為Faraday旋光角(偏振面的轉(zhuǎn)角);μ為磁光材料的磁導(dǎo)性;V為旋光材料的Verdet常數(shù);H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;L為通過旋光材料偏振光的光程長(zhǎng)度。因此,通過測(cè)量載流導(dǎo)體周圍線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度,就可間接地測(cè)量出導(dǎo)體中的電流值。Faraday磁光效應(yīng)原理具有良好的測(cè)量線性度,不僅可以測(cè)量變化電流,而且可以測(cè)量穩(wěn)恒電流?；贔araday磁旋光效應(yīng)原理的光學(xué)電流互感器在測(cè)量原理上不存在測(cè)量頻帶問題。根據(jù)Malus定律,通過檢偏器的光強(qiáng)為A=A0(1+sin2θ)/2,可得到光電互感器的動(dòng)作特性如圖2所示。雖然全光電式電流互感器已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化的程度,但還存在雙折射效應(yīng)的影響、磁場(chǎng)干擾問題以及溫度的影響等問題待解決,現(xiàn)階段可以通過自適應(yīng)技術(shù)、互易行補(bǔ)償法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊傳感技術(shù)等方法進(jìn)行糾正補(bǔ)償。3.3rogowski線圈電子式電流互感器的工作原理是利用空心線圈或帶鐵芯的線圈采樣電流信號(hào),然后通過光纖把采樣到的信號(hào)傳送到低壓側(cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于帶鐵芯線圈的固有缺點(diǎn),現(xiàn)在通常采用空心Rogowski線圈作為電流采樣線圈。這里,光纖僅僅是聯(lián)系高、低壓側(cè)的介質(zhì),并未參與到對(duì)電流的傳感過程中去。圖3為一種采用Rogowski線圈作為傳感頭來獲取電流信號(hào)的電子式電流互感器示意圖。其測(cè)量原理為:當(dāng)被測(cè)電流i通過Rogowki線圈時(shí),在線圈出線端感應(yīng)出電勢(shì)e,e與初級(jí)電流i的變化率di/dt成比例。該信號(hào)經(jīng)積分器得到一個(gè)與i成比例的電壓信號(hào);接著在高壓端通過發(fā)射電路把這個(gè)電壓信號(hào)變成頻率調(diào)制光脈沖信號(hào)。再把這個(gè)光脈沖信號(hào)通過光纖傳到低電位,在低電位端,經(jīng)接收電路變換把光信號(hào)解調(diào)為電信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,還原成所測(cè)量的電流信號(hào)。Rogowski線圈的輸出特性如圖4所示。由圖4可見,混合式光電互感器線性度良好,不含鐵芯,不會(huì)有磁飽和現(xiàn)象,可以大幅度提高故障情況下基波測(cè)量的精度,同時(shí),由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉而被公認(rèn)為是較理想的電流采樣元件。因此,使用電子式電流互感器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式電流互感器,試驗(yàn)結(jié)果表明,它對(duì)距離保護(hù)確實(shí)帶來了諸多方面的性能改善。3.4電子式電流機(jī)構(gòu)的應(yīng)用從以上分析可見,與傳統(tǒng)CT相比,電子式電流互感器具有優(yōu)良的絕緣性能,無(wú)磁飽和問題,動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大,測(cè)量精度高,抗電磁干擾能力強(qiáng),頻率響應(yīng)寬。這些特點(diǎn)無(wú)疑將大大改善保護(hù)的性能。具體到距離保護(hù)來說,可以從以下幾個(gè)方面改善它的性能:(1)提高距離保護(hù)起動(dòng)元件的動(dòng)作準(zhǔn)確率?，F(xiàn)在,在微機(jī)距離保護(hù)起動(dòng)元件中,以反應(yīng)突變量的起動(dòng)元件應(yīng)用最為廣泛。突變量就是故障分量,即電流i(t)故障前、后的變化情況。在線路突然短路時(shí),短路電流大大增加,以一簡(jiǎn)單110kV雙端電源供電系統(tǒng)為例(如圖5所示),圖中F點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障時(shí),一次側(cè)電流將瞬間增大到4000多安(如圖6所示),這對(duì)于普通電磁式電流互感器來說,有可能進(jìn)入其磁化曲線的飽和區(qū),引起較大的誤差,影響距離保護(hù)中起動(dòng)元件的正確動(dòng)作。而采用電子式電流互感器后,無(wú)論短路電流達(dá)到多大,都不存在鐵芯磁飽和的問題,這無(wú)疑將提高起動(dòng)元件的靈敏度,解決了起動(dòng)元件因測(cè)量不準(zhǔn)導(dǎo)致誤動(dòng)作的后顧之憂。(2)提高選相元件的動(dòng)作正確率。選相也是距離保護(hù)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。處理得好,可以保證后面的距離保護(hù)元件正確動(dòng)作;處理得不好,則必然導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)作或甚至程序出軌?，F(xiàn)階段微機(jī)距離保護(hù)多采用相間電流突變量和相間電壓突變量原理進(jìn)行選相。當(dāng)采用相電流差突變量元件作為選相元件時(shí),同樣要求在發(fā)生任何故障的情況下準(zhǔn)確測(cè)得各相電流差。與上述起動(dòng)元件類似,當(dāng)采用電子式電流互感器后,由于不存在磁飽和問題,可以確保任何故障情況下所測(cè)短路電流正確無(wú)誤。(3)提高距離保護(hù)阻抗元件的動(dòng)作精度。阻抗元件是距離保護(hù)正確動(dòng)作的核心元件。無(wú)論采用圓特性、直線特性還是四邊形(多邊形)特性的阻抗元件,都需要首先采用傅氏算法或微分方程算法進(jìn)行測(cè)量阻抗的相關(guān)計(jì)算。計(jì)算的基礎(chǔ)是互感器提供的準(zhǔn)確的電流、電壓值,所以,采用電子式電流互感器對(duì)提高阻抗元件的動(dòng)作精度和速度都將起到一定的作用。(4)增強(qiáng)其他輔助功能。電子式電流互感器為距離保護(hù)中的故障錄波和故障測(cè)距都提供了準(zhǔn)確而可靠的測(cè)量基礎(chǔ)。ECT的穩(wěn)態(tài)精度和暫態(tài)精度都能達(dá)到0.2級(jí),可明顯提高故障測(cè)距的精度。4ect的優(yōu)點(diǎn)電流互感器在線路距離保護(hù)中起著舉足輕重的基礎(chǔ)性測(cè)量作用。它的任何誤差均將引起阻抗繼電器端子上電流的相位誤差以及數(shù)值誤差,從而影響阻抗測(cè)量的精確度,導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)。通常情況下,將縮短距離保護(hù)的保護(hù)區(qū);故障情況下,電磁互感器易飽和,導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。傳統(tǒng)的改進(jìn)方法包括增大CT變比;減小電流互感器的二次負(fù)荷;采用比相原理的繼電器;增大數(shù)據(jù)窗等方法。隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的升高和傳輸容量的不斷增大,