換流站用OCT基本原理分析和現(xiàn)場校驗方法的研究

劉 罡，王江波，房 琛，武 珺

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3.大連電力建筑工程公司，遼寧 大連 116021）

換流站用OCT基本原理分析和現(xiàn)場校驗方法的研究

劉 罡1，王江波2，房 琛3，武 珺1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3.大連電力建筑工程公司，遼寧 大連 116021）

近年來，隨著我國電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，尤其是直流輸電工程日益增多，有源光電式直流電流互感器（OCT）在國內(nèi)換流站有了廣泛應用。對OCT的原理和結(jié)構(gòu)進行了介紹，并對其現(xiàn)場校驗方法進行研究，結(jié)合現(xiàn)場實際情況給出異地同步測量法，最后通過現(xiàn)場試驗進行驗證。

直流互感器；OCT；換流站；異地同步測量法；現(xiàn)場試驗

隨著我國電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，超高壓和特高壓直流輸電工程日益增多，直流互感器作為關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵設備已顯得越來越重要。目前在我國常用的直流大電流互感器主要有分流器式、飽和電抗器式、霍爾變換器式、直流比較儀式以及磁光效應式直流互感器等［1］，其中飽和電抗器式直流互感器雖具有安全穩(wěn)定、二次帶載能力強等優(yōu)點，但其測量準確度較差，需要交流或直流輔助電源，在高壓直流輸電條件下將大大增加其絕緣要求，在高壓計量和保護用互感器中應用前景不高；基于霍爾變換器式直流互感器目前在冶金行業(yè)已得到廣泛的應用，但由于霍爾元件受溫度影響較大，同時互感器準確度較差，同樣無法在電力系統(tǒng)中廣泛應用；采用磁光效應法的直流互感器技術(shù)門檻高，造價昂貴，在國內(nèi)現(xiàn)有條件下無法推廣使用；目前，只有基于分流器和直流比較儀式（零磁通）直流互感器在國內(nèi)換流站中具有廣泛應用。本文將主要介紹分流器式直流互感器，該類互感器將分流器作為傳感元件，采用光纖作為傳輸介質(zhì)，因此又稱為有源光電式直流電流互感器（簡稱OCT）［2］。

1 OCT基本原理和結(jié)構(gòu)

有源光電式直流電流互感器在換流站的應用非常廣泛，如直流場極線、閥廳極線等，其額定一次電流可以從幾千安培到幾十安培不等［3］。被測電流可以是直流電流，也可以為諧波電流，當用作直流測量時，一般采用分流器作為傳感器。用于直流測量的OCT原理示意圖如圖1所示，其主要由采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。采集系統(tǒng)主要由分流器、濾波電路、放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路以及電—光轉(zhuǎn)換電路組成，傳輸系統(tǒng)主要為光纖，控制系統(tǒng)主要由合并單元組成［4］。

圖1 OCT基本原理圖

1.1 分流器

常見的分流器是一種四端電阻，中間的多個圓棒為分流器的錳銅電阻，這是分流器電阻的核心。這種幾何對稱結(jié)構(gòu)巧妙地消除了引線電阻的影響，減小了計量誤差。分流器輸出電壓與分流器阻值的比值即為被測電流，被測電流的誤差主要受以下3方面影響［5］

a.錳銅阻值的漂移。分流器的主要傳感元件為錳銅電阻，而錳銅電阻本身因受錳銅合金成分不均勻、外界的內(nèi)應力和錳銅合金表面氧化作用等因素的影響，阻值往往不穩(wěn)定。而其穩(wěn)定性直接影響分流器的準確度。為提高其準確度，通常會對加工完成的分流器進行老化處理。

b.溫度系數(shù)的影響。由于存在二次電阻溫度系數(shù)，其理論電阻值RT由式（1）確定：

式中：RM為20℃時分流器的電阻值；T為電阻的溫度；α和β分別為一次和二次電阻溫度系數(shù)。由式（1）可知，錳銅電阻理論電阻值溫度曲線為一開口向上的拋物線，因誤差和電阻值成反比，故若只考慮溫度影響可得錳銅電阻理論溫度—誤差曲線如圖2所示。

圖2 錳銅電阻溫度—誤差曲線

c.電流分布不均勻造成的影響。

實際安裝中，由于分流器結(jié)構(gòu)的不完全對稱及材料的差異，將導致電流分布不均勻，而且這種不均勻會隨著時間推移進一步發(fā)生變化，這使得分流器電位端子輸出電壓發(fā)生變化，即分流器的誤差發(fā)生變化。

1.2 濾波電路

濾波電路的作用是盡可能減小直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。在OCT采集系統(tǒng)中，有用的信號頻率范圍在0～2 500 Hz之間，因此它是一個低通濾波電路，并且保證截止頻率至少要大于5 000 Hz。

1.3 放大電路

OCT的分流器額定輸出信號一般在幾百mV數(shù)量級，電磁兼容性較差。為充分利用AD轉(zhuǎn)換芯片的量程，提高數(shù)量采集電路的準確度，一般都需要合適的放大電路。該放大電路的基本要求為低噪聲、低失調(diào)和低溫漂。

1.4 A／D轉(zhuǎn)換電路

A／D轉(zhuǎn)換電路的采樣脈沖或同步脈沖均由低壓側(cè)提供。通常采樣脈沖和激光供能共同采用一根光纖。每隔一個采樣周期或同步周期，短暫地停止激光器供電。高壓側(cè)電路提取該脈沖信號，并將其轉(zhuǎn)換成采樣脈沖用于控制A／D轉(zhuǎn)換器。

1.5 電—光轉(zhuǎn)換電路

具體分為電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊。高壓側(cè)的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后，通過電光轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)；相應地在低壓側(cè)有一光電轉(zhuǎn)換模塊，將光纖傳入的光信號恢復為數(shù)字的電信號，以供控制模塊進行處理。

1.6 控制電路

控制電路主要由合并單元組成。合并單元主要有兩個作用：一是提供激光供能。直流輸電系統(tǒng)的高壓側(cè)一次電流為直流，因此無法采用母線感應供電方式，只能采用激光供能。低壓側(cè)的激光器將供能激光通過光纖傳輸至高壓側(cè)，通過直流—直流變換電路將激光能量轉(zhuǎn)換為合適的供電電源；另一作用為進行數(shù)據(jù)處理。高壓側(cè)傳輸過來的數(shù)據(jù)信號經(jīng)光纖和其它電路傳輸至合并單元，根據(jù)IEC60044-8或TDM協(xié)議輸出供二次設備使用。

通過上述結(jié)構(gòu)可以看出OCT主要優(yōu)點為絕緣上的優(yōu)勢，采用光纖絕緣子作為主絕緣，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。其缺點為電氣元件較為復雜，電磁兼容性較差，在換流站中工作環(huán)境較為惡劣，故障率較高。其主要故障點為電子電路和激光器等部分。因此，OCT的低壓側(cè)一般采用冗余配置，1套OCT一般至少裝有2套電子電路模塊，各電子電路模塊均處于熱備用狀態(tài)。另外，直流測量用OCT采用的分流器受環(huán)境溫度影響較大，在炎熱和寒冷的天氣條件下會影響OCT的準確度和可靠性。

2 校驗方法和主要裝置［6］

2.1 校驗方法

對于普通交流互感器，依據(jù)JJG1021—2007《電力互感器》檢定規(guī)程［7］通常采用比較法對電力互感器進行檢定或校準；而對于換流站用OCT，由于被試品與標準裝置通常距離較遠，只能采用異地同步測量法。異地同步測量法的原理圖如圖3所示。

圖3 異地同步測量法校準OCT原理圖

電流比值誤差表達式按式（2）計算：

當被校準直流互感器只有數(shù)字輸出，US可在終端顯示上人工讀取，標準器輸出數(shù)據(jù)與被校準直流電流互感器輸出數(shù)據(jù)通過對講機進行同步。當被校準直流互感器具備模擬輸出時，標準器的輸出與被校準互感器的輸出通過GPS設備同步讀取。

2.2 標準裝置［8］

由于互感器的標準裝置需要具有良好的穩(wěn)定性并且要比被試OCT準確度高出兩個等級，故通常采用直流電流比較儀。它是一個基于磁調(diào)制原理工作在深度負反饋狀態(tài)下的閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流電流比較儀誤差主要由系統(tǒng)靜差、磁性誤差以及零位誤差組成。實際對直流比較儀進行校準時，可以通過補償調(diào)零手段去除零位誤差，所以校準的主要任務是客觀地反映比較儀的系統(tǒng)靜差和磁性誤差。

2.3 電源裝置［9］

由于校準方法采用異地同步測量法，這對直流電流源的穩(wěn)定性提出了較高要求。通過試驗驗證，認為穩(wěn)定度為0.05%／min的現(xiàn)場有高穩(wěn)定度直流電流源可以應用在OCT現(xiàn)場校驗中，該電流源電路框圖如圖4所示。三相交流電經(jīng)過三相不控整流、DC／AC高頻逆變、高頻變壓器輸出再經(jīng)過全波不控整流、濾波最終得到所需直流電流源。

圖4 直流電流源電路框圖

為提高電源穩(wěn)定度，將電流比較儀作為采樣環(huán)節(jié)，并增加PI控制環(huán)節(jié)，該反饋控制原理如圖5所示。該反饋控制包括兩個控制環(huán)路，外環(huán)為慢速電流補償反饋環(huán)，內(nèi)環(huán)為快速電流反饋環(huán)。外環(huán)將輸出信號進行采樣，經(jīng)PI控制器與給定電流進行對比，得到補償電流信號，補償電流信號在經(jīng)內(nèi)環(huán)反饋，經(jīng)PWM調(diào)制器產(chǎn)生PWM波，控制逆變器的輸出。

圖5 反饋控制原理圖

2.4 現(xiàn)場試驗

用異地同步測量法對遼寧某±500 kV換流站內(nèi)極Ⅰ和極Ⅱ某OCT進行現(xiàn)場試驗，該OCT額定電流為2 000 A，試驗結(jié)果如表1所示［10］。

表1 OCT現(xiàn)場試驗誤差%

從表1可知在額定電流20%以上時，極Ⅰ和極ⅡOCT誤差均優(yōu)于0.25%，滿足GB／T26216.1—2010《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測量裝置》要求。

3 結(jié)論

本文對換流站用OCT基本原理進行了分析，給出現(xiàn)場常用校驗方法，并在遼寧某換流站進行驗證試驗，得到以下結(jié)論［11］。

a.有源光電式直流電流互感器在高壓絕緣和計量準確性等方面同其它直流互感器相比有較大的優(yōu)勢，適合在換流站中使用。

b.異地同步測量法有效解決換流站內(nèi)被試品與標準裝置距離較遠這一缺點，可作為換流站中直流互感器現(xiàn)場校驗的常用方法。

［1］ 李 前，李 鶴，周一飛，等.±800 kV直流輸電系統(tǒng)換流站直流電流互感器現(xiàn)場校準技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（12）：3 053-3 058.

［2］ JJG1069—2011，直流分流器檢定規(guī)程［S］.

［3］ 胡 燦.超／特高壓直流互感器現(xiàn)場校驗技術(shù)及裝置［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［4］ 羅承沐，張貴新.電子式互感器與數(shù)字化變電站［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［5］ 楊世皓.高壓直流光電電流互感器工作原理及現(xiàn)場檢驗［J］.上海電力，2010，27（6）：402-405.

［6］ 李 巖，張陳嘯，鄭立亮.±500 kV電子式直流電流互感器設計及檢驗［J］.水電能源科學，2012，30（5）：402-405.［7］ JJG1021—2007，電力互感器檢定規(guī)程［S］.

［8］ 李 愷，羅志坤，歐朝龍，等.基于電流比較儀測試直流互感器誤差的方法［J］.湖南電力，2010，30（10）：41-44.

［9］ 劉 罡，曾輝明，程 力，等.590系列互感器校驗儀對現(xiàn)場檢定的局限性［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（5）：52-55.

［10］ 郝建成，宋 丹，葉 峰.變壓器和組合電器特殊連接方式下的試驗方法［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（3）：15 -18.

［11］ 陳玥名，崔廣泉，劉長江.電力電流互感器實驗方法的研究［J］.東北電力技術(shù)，2009，30（9）：15-17.

Research on Fundamental Principle and On?sit Method of Calibration for OCT in Converter Station

LIU Gang1，WANG Jiang?bo2，F(xiàn)ANG Chen3，WU Jun1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning110006，China；2.China Nuclear Power Technology Research Institute Beijing Division Co.，Ltd.，Beijing 100086，China；3.Dalian Electric Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning116021，China）

In recent years，with the rapid development of electric power system in China，especially an increasing number of DC transmission project，OCT is widely used in convert station.The principle and structure of OCT is introduced，and also research on on?sit method of calibration is made，according to field situation the Multi?area Synchronous Measuring Method is given，which is veri?fied by field test at last.

DC transformer；OCT；Converter station；Multi?area Synchronous Measuring Method；Field test

TM452＋.92

A

1004-7913（2015）03-0019-03

劉 罡（1985—），男，碩士，工程師，從事測量用互感器及電力互感器的試驗與科研工作。

2014-12-10）