高壓直流電流測量裝置的研究

高壓直流電流測量裝置的研究

0高壓直流電流整體研究在中國，無論能源和負(fù)荷的反向分布如何，高壓直接輸電工具的應(yīng)用前景是顯而易見的。到2020年我國將建成包括38項直流輸電工程的“強交強直”特高壓混合電網(wǎng)。我國規(guī)劃的和已建成直流輸電系統(tǒng)的輸電距離大多超過1000km,最遠(yuǎn)達(dá)3000km以上,直流線路建設(shè)和運行費用占整個工程投資的比例達(dá)到30~50%。由于直流輸電線路距離較長,受沿線地區(qū)外力破壞、雷擊及環(huán)境污染等因素的影響,直流線路故障率逐年升高,對天廣直流2001年2007年故障統(tǒng)計顯示,線路故障占直流系統(tǒng)故障的50%。高壓直流電流互感器安裝于直流輸電系統(tǒng)直流極母線、雙十二脈動換流閥組中點(如果適用)母線及中性母線處,為直流系統(tǒng)線路控制和保護(hù)提供輸入信號[6,7,8,9,10,11,12,13],是每個直流輸電工程換流站不可缺少的核心設(shè)備。從20世紀(jì)70年代起,國外ABB、SIEMENS等國外公司就開始研制直流互感器,目前電壓等級達(dá)到±800kV。中國的高壓直流輸電技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始起步,直流電流互感器的技術(shù)研究也始于這一時期,國內(nèi)的原武漢高壓研究所、西安高壓電器研究院、華中科技大學(xué)等科研單位和高校都對直流互感器的相關(guān)技術(shù)展開研究。由于當(dāng)時國內(nèi)需求少,加之國內(nèi)自主研制的互感器運行不穩(wěn)定,一直未在直流輸電線路上推廣。目前,國內(nèi)已投運的直流輸電工程用高壓直流電流測量裝置絕大多數(shù)被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷,核心技術(shù)由國外少數(shù)的公司所掌握,價格昂貴且運行維護(hù)成本隨著設(shè)備運行年限的增加而直線增加。鑒于我國高壓直流輸電裝備的國產(chǎn)化需求,必須研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓電流測量方法及技術(shù)。本文首先對已在國內(nèi)外直流輸電工程中投運的直流電流測量裝置進(jìn)行了分析和分類、闡述了其工作原理,然后介紹了我國在高壓直流電流測量技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展,指出部分技術(shù)在我國高壓直流輸電工程國產(chǎn)化、實用化過程中存在的主要問題,希望為未來高壓直流電流測量裝置的設(shè)計、實施與運行維護(hù)提供有益的參考。1直流電流測量裝置國標(biāo)GB/T26216.1-2010《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測量裝置第1部分:電子式直流電流測量裝置》和國標(biāo)GB/T26216.2-2010《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測量裝置第2部分:電磁式直流電流測量裝置》給出了直流電流測量裝置的性能指標(biāo)要求。國內(nèi)外已投運的直流電流測量裝置從原理上主要分為以下三類。1.1基于保護(hù)電流的直流電流傳感檢測零磁通式直流電流互感器可看成是由基本磁積分器和磁調(diào)制器組成,以磁勢自平衡比較儀為基本原理,通過磁調(diào)制器與電子反饋構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)原理,系統(tǒng)框圖如圖1所示。一次回路磁芯繞組由T1、T2、T3三個磁芯以及三個相應(yīng)的輔助繞組N1、N2、N3組成,在三個磁芯外還有兩個并聯(lián)連接的補償繞組N4、N5。由磁調(diào)制器原理可知,當(dāng)被測直流電流I1≠0時,峰值檢測器輸出校正電壓U來控制磁積分器的放大器輸出次邊補償電流I2,使得原邊產(chǎn)生的磁勢和次邊線圈產(chǎn)生的磁勢完全平衡,即I1N1=I2N2(N1=1,N2包括N4,N5)。通過測出補償電流I2在負(fù)載電阻上形成的直流電壓信號就能得到一次側(cè)直流電流信號的大小。圖2為云南至廣東±800kV直流輸電工程中采用的零磁通式直流電流互感器。零磁通式直流電流互感器屬于非接觸式測量,不需要斷開一次母線,可以在mA至kA級測量范圍內(nèi)保持測量精度,時間響應(yīng)快,具有很高的穩(wěn)定性和良好的動態(tài)性能,但其絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣成本較高、抗電磁干擾能力較差。運行經(jīng)驗表明,零磁通式直流電流互感器更適合測量換流站中性線上的直流電流。1.2同源直流輸電系統(tǒng)的體制缺陷有源式直流電流互感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。一次電流傳感器通常包含分流器和空心線圈。分流器工作不需外加電源,測量沒有方向性,測量準(zhǔn)確度不受外磁場影響,它串接于被測直流線路中,基于歐姆定律輸出正比于被測電流的幾十毫伏級電壓信號,空心線圈基于電磁感應(yīng)定律輸出正比于諧波電流微分的電壓信號,用于線路的諧波測量。這兩路電壓信號經(jīng)高壓側(cè)調(diào)制電路調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號后通過光纖傳輸至低壓側(cè)電路進(jìn)行解調(diào)還原。有源式直流電流互感器將成熟的分流器技術(shù)與光纖通信技術(shù)相結(jié)合,解決了高低壓間絕緣及外界電磁干擾兩大問題,是目前國內(nèi)外直流輸電系統(tǒng)中較多采用的技術(shù)方案。西門子公司在我國天廣直流輸電工程安裝的有源式直流電流互感器如圖4所示,整體測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.75%,頻帶范圍0~5kHz。ABB公司的有源式直流電流互感器如圖5所示,在我國三常直流輸電工程中額定直流電流3000A,300~3000A范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為0.5%。有源式直流電流互感器也存在一定的缺陷:(1)屬于接觸式測量,拆裝時需要停電斷開母排;(2)分流器自身消耗功率較大,持續(xù)發(fā)熱影響測量準(zhǔn)確度,且當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)對地短路等故障時,分流器有燒毀的危險性;(3)采用激光供能方式對高壓側(cè)遠(yuǎn)端模塊供電時,激光器壽命短,激光供能板卡故障率非常高。南方電網(wǎng)各直流輸電工程在實現(xiàn)控制保護(hù)供能的SI-MADYND系統(tǒng)中,故障的LM3插件數(shù)量甚至超過了所有故障插件數(shù)量的90%。1.3反射式全光纖電流監(jiān)測技術(shù)反射式全光纖直流電流互感器是基于法拉第效應(yīng)、薩格納克干涉原理和安培環(huán)路定理的一種無源式電流傳感器,它的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。低壓側(cè)LED光源發(fā)出的普通光經(jīng)互感器底座內(nèi)的偏振器作用后產(chǎn)生兩個在X軸和Y軸上互相垂直的線性偏振光,沿復(fù)合絕緣子內(nèi)的保偏光纖傳至高壓側(cè)的λ/4波片后轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光進(jìn)入傳感光纖。在被測電流磁場的作用下,經(jīng)歷一次法拉第效應(yīng)兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化(Δθ=2VNI)并以不同的速度傳輸,到達(dá)傳感光纖末端后經(jīng)反射鏡作用后,兩束圓偏振光偏振模式發(fā)生互換,左旋光變?yōu)橛倚?右旋光變?yōu)樽笮?再次穿過傳感光纖經(jīng)歷一次法拉第效應(yīng)使產(chǎn)生的相位加倍(Δθ=4VNI),然后兩路圓偏振光再次通過λ/4波片恢復(fù)為線偏振光,并沿保偏光纖返回低壓側(cè)的偏振器處進(jìn)行干涉。反射式全光纖式電流互感器的光信號轉(zhuǎn)換框圖如圖7所示。由于兩路光信號的相位差與被測電流有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,測量出相干的非互易位相差就可以推出被測電流值。2008~2009年間,日本東京電力公司將一臺額定電流為1200A的反射式全光纖直流電流互感器在北海道-本州間250kV高壓直流輸電線路上掛網(wǎng)運行,互感器如圖8所示,一年監(jiān)測結(jié)果表明互感器比差達(dá)到JEC-1201class1PS級。作為全光纖電流互感器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者,原ALSTOM公司將NXCT型全光纖電流互感器應(yīng)用于19個國家的電力系統(tǒng)中,在我國的錦屏-蘇南±800kV特高壓直流輸電工程同里(蘇州)換流站(額定電流4500A)和溪洛渡-浙西±800kV特高壓直流輸電工程浙西換流站(額定電流5000A)均安裝NXCT-F3型全光纖電流互感器,此外,ALSTOM公司還使用全光纖電流互感器對我國遼寧木家-伊敏500kV換流站原有的零磁通直流電流互感器進(jìn)行改造,如圖9所示,改造時使用了原零磁通直流電流互感器的線槽。反射式全光纖直流電流互感器的傳感元件和傳輸元件都是光纖,不需要一次轉(zhuǎn)換器及一次電源,結(jié)構(gòu)簡單,具有優(yōu)良的高低壓絕緣性能;不會因電流增大而飽和,動態(tài)范圍大;輸入和輸出光路通過同一根光纖,溫度振動的外界因素對兩路信號的影響也相同,抗干擾能力大大提高。此外,反射式全光纖電流互感器可以無差別的測量直流電流和交流電流,能夠簡化高壓測量設(shè)備種類,便于系統(tǒng)的檢修和維護(hù),是未來高壓電流測量裝置的發(fā)展趨勢。目前影響反射式全光纖直流電流互感器大量投入使用的主要問題在于:(1)測量時要求光在傳輸過程中保持特定的偏振態(tài),而光學(xué)器件的非理想性造成了兩路偏振光間的串?dāng)_,影響了測量準(zhǔn)確度;(2)傳感器的戶外部分為全光學(xué)器件,在惡劣的戶外環(huán)境中存在相位隨機漂移而導(dǎo)致的信號衰落問題;(3)反射式全光纖電流互感器的關(guān)鍵光學(xué)器件和加工設(shè)備都需要從國外進(jìn)口,不但價格昂貴,而且受制于人。2高壓直流電流測量系統(tǒng)的研制隨著我國直流輸電關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程,西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司、國電南瑞科技股份有限公司、國家電網(wǎng)中國電力科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)等多家科研單位和高校對上述原理的直流電子互感器的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究,并不斷提出新的高壓直流電流測量方案。2.1安溶劑的電流和電流的同時輸出中國電力科學(xué)研究院研制了1臺3000A/1V,50kV零磁通式直流電流互感器樣機,如圖10所示,它采用一對檢測鐵芯繞組作為一次和二次電流的安匝平衡檢測器,由安匝平衡檢測器控制的反饋功率放大器輸出二次電流與一次電流達(dá)到磁勢自平衡。直流誤差校準(zhǔn)試驗表明,該樣機在額定持續(xù)熱電流下的各點測量誤差均小于0.2%,在18kA下測量誤差小于0.3%。樣機在短時電流試驗和階躍電流響應(yīng)試驗中表現(xiàn)出了良好的暫態(tài)性能,且參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通過了電磁兼容試驗考核。2.2直流流傳感關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展國內(nèi)對有源式直流電流互感器的研究較為深入,研究熱點主要集中在分流器的集膚效應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計、供電技術(shù)、高壓側(cè)低功耗技術(shù)及互感器的可靠性等關(guān)鍵問題[15,25,26,27,28,29,30,31,32]。2005年6月至2006年9月,西安高壓電器研究所與華中科技大學(xué)共同研制成功的120kV直流光電混合型電流互感器已經(jīng)在我國第1個國產(chǎn)化直流工程西北-華中聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程靈寶背靠背直流工程中成功掛網(wǎng)運行,見圖11。國網(wǎng)電力科學(xué)研究院也在世界上首次對±1000kV特高壓有源式直流電流互感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計開展研究工作。此外,沈陽工業(yè)大學(xué)將薄膜技術(shù)和測溫技術(shù)有機的結(jié)合起來提出了一種新的直流電流傳感器的設(shè)計方案———測溫式直流電流傳感器,系統(tǒng)框圖如圖12所示。分流器把一次大電流轉(zhuǎn)換為二次小電壓信號后加到電熱轉(zhuǎn)換元件薄膜電阻上使其升溫,由于薄膜電阻溫度的變化與二次電壓的大小存在一定對應(yīng)關(guān)系,可以通過測量薄膜溫度上升值來得到電壓的大小,進(jìn)而得到被測直流電流值。其中,薄膜的溫度上升值采用與溫度有對應(yīng)關(guān)系的熒光測溫技術(shù)來測量,實現(xiàn)熱光轉(zhuǎn)換。由于分流器、電熱轉(zhuǎn)換器、熱光轉(zhuǎn)換器都是高壓側(cè)的無源器件,從而解決了有源式直流電流互感器高壓側(cè)的供電難題。實驗結(jié)果顯示,該方案具有一定可行性。2.3基于比較測量法的直流傳感器國電南瑞科技股份有限公司研發(fā)了PCS-9250反射式全光纖電流互感器,如圖13所示。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用特殊的光纖纏繞方式有效地抑制了溫度漂移;在電路上采用了特殊的處理方案,同時開發(fā)了獨有的算法系統(tǒng),消除了光源功率不穩(wěn)造成的影響,保證了系統(tǒng)運行的精度和穩(wěn)定性。該公司直流用全光纖電流互感器技術(shù)參數(shù)見表1。華中科技大學(xué)基于法拉第磁光效應(yīng)和比較測量法原理的提出了一種新型的光纖直流電流傳感器,采用雙輸入雙輸出式傳感頭,如圖14所示,通過驅(qū)動二個光源的輪流交替發(fā)光,配合特殊的解調(diào)算法巧妙地將被測直流電流對應(yīng)的法拉第旋轉(zhuǎn)角光電轉(zhuǎn)換后的直流量與直流本底光強信號區(qū)分開來。初步實驗結(jié)果顯示在300~3000A范圍內(nèi),測量線性度優(yōu)于0.5%。2.4基于gmr效應(yīng)的直流電流測量系統(tǒng)設(shè)計1988年,法國巴黎大學(xué)Fert研究小組發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的磁性多層膜的膜電阻隨外加磁場發(fā)生巨大變化,較傳統(tǒng)的磁各向異性磁電阻大一個數(shù)量級以上,這種現(xiàn)象稱為巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。GMR傳感器作為磁敏傳感器的一種,具有靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬等優(yōu)點。北京航空航天大學(xué)將GMR效應(yīng)應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)的母線電流測量系統(tǒng)中,總體框圖如圖15所示,高壓側(cè)傳感頭設(shè)計采用惠斯頓橋式結(jié)構(gòu),當(dāng)外界磁場發(fā)生變化時,四個橋臂上的電阻值發(fā)生改變,橋臂輸出端電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過光纖傳輸數(shù)據(jù)到低壓側(cè),再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換還原為模擬電信號送入相應(yīng)的測量、繼電保護(hù)設(shè)備。這種測量直流線路電流的方法在實用化上主要存在以下問題:(1)目前所有模型都只能定性解釋GMR效應(yīng)的作用機理,不能建立GMR變化率與外加磁場變化間的定量模型,須根據(jù)現(xiàn)場實驗結(jié)果標(biāo)定每一個傳感器的特性,在實際應(yīng)用中互換性較差。(2)基于GMR效應(yīng)的直流電流傳感器是一種有源式電流檢測設(shè)備,高壓側(cè)電路需要穩(wěn)定、可靠的供電技術(shù)和低功耗設(shè)計技術(shù)支撐。(3)非線性、磁滯、抗復(fù)雜磁場干擾等問題有待進(jìn)一步研究與驗證。2.5磁致伸縮料法測電流光纖光柵用于電流的測量是近年來電流傳感器研究的新方向,若光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變,其布拉格波長將隨應(yīng)變的變化而變化,目前研究較多的方法主要有磁致伸縮材料法以及懸臂梁結(jié)構(gòu)法等。磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁或亞鐵磁材料在磁場中磁化時材料表現(xiàn)出的宏觀伸縮效應(yīng)。磁致伸縮材料法中,磁致伸縮材料和光纖光柵器件的粘合體作為傳感元件放在被測電流母線附近,磁致伸縮材料在電流磁場的作用下產(chǎn)生形變進(jìn)而改變光纖光柵的布拉格波長,通過對布拉格波長漂移的解調(diào)即可確定待測電流的大小。磁致伸縮材料法測直