±500 kV直流電子式電流互感器及其應(yīng)用研究

張志楊

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

在對直流電子式電流互感器進(jìn)行應(yīng)用研究的過程中，技術(shù)人員一定要全面掌握其應(yīng)用原理、基本結(jié)構(gòu)以及主要技術(shù)參數(shù)等，這樣才可以使其在實(shí)際的高壓直流輸電工程中得以良好應(yīng)用，充分發(fā)揮出其直流控制保護(hù)方面的應(yīng)用優(yōu)勢。為高壓直流輸配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供足具科學(xué)性的技術(shù)與設(shè)備支撐。

1 ±500 kV直流電子式電流互感器

本次所研究的是國產(chǎn)的±500 kV直流電子式電流互感器，主要組成結(jié)構(gòu)包括分流器、Rogowski空心線圈、遠(yuǎn)端模塊、合并單元、高壓測量頭、直流控制系統(tǒng)以及光纖絕緣子等。具體應(yīng)用中，分流器可對被測的一次直流電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)殡妷盒盘枺招木€圈則可讓電流中所攜帶的諧波電流實(shí)現(xiàn)到電壓信號的轉(zhuǎn)換。借助于遠(yuǎn)端模塊，可對來自于分流器或者是空心線圈中的電壓信號進(jìn)行就地采集，然后再將電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，并借助于光纖將其傳輸給合并單元[1]。在接收到相應(yīng)的信號之后，合并單元會將其轉(zhuǎn)換成與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約相符的數(shù)據(jù)，再將其發(fā)送到直流控制保護(hù)裝置中。在高壓測量頭中，其遠(yuǎn)端模塊主要通過低壓合并單元中的激光器來供電，激光發(fā)送器中的激光主要以光纖的形式來給遠(yuǎn)端模塊傳遞信號，借助于遠(yuǎn)端模塊中的光電轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)激光能量到電能的轉(zhuǎn)換，以此來為遠(yuǎn)端模塊供電[2]。其中，光纖絕緣子屬于光纖內(nèi)嵌復(fù)合形式，通過該絕緣子的應(yīng)用，不僅可實(shí)現(xiàn)高壓絕緣的良好保障，同時也可以防止光纖受到損傷[3]。圖1為±500 KV直流電子式電流互感器的主要原理示意圖。

圖1 ±500 kV直流電子式電流互感器的主要原理示意

1.1 分流器

在±500 kV直流電子式電流互感器中，分流器是最為關(guān)鍵的一個組成部分，其主要功能是確?；ジ衅骶龋虼诵枰邆浞浅：玫臏囟确€(wěn)定性以及散熱性能。分流器的主要設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是錳銅合金形式的鼠籠式結(jié)構(gòu)，其二次輸出額定值是75 mV[4]。在一次電流額定值條件下，其錳銅管所具有的通流速度應(yīng)控制在1 A/mm2以下，這樣才可以實(shí)現(xiàn)其發(fā)熱量的顯著降低。同時，錳銅合金的溫度系數(shù)應(yīng)足夠小，這樣才可以確保其溫度穩(wěn)定性。圖2為±500 kV直流電子式電流互感器中分流器測量的原理示意。

圖2 分流器測量原理示意

1.2 Rogowski空心線圈

在±500 kV直流電子式電流互感器中，Rogowski空心線圈的主要功能是諧波電流傳感。具體設(shè)計(jì)中，對于1～50次的諧波電流，其測量精度應(yīng)控制在2.5%以內(nèi)。Rogowski空心線圈屬于一個空心形式的螺線管，應(yīng)用時需將其纏繞在非磁性骨架上[5]。因?yàn)樵摼€圈沒有鐵芯，不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，且頻率特征和線性都很好，所以在諧波電流測量中十分適用。具體應(yīng)用中，其信號輸出值e(t)和被測電流i之間的關(guān)系為：

式中，μ0為空心線圈在真空條件下的磁導(dǎo)率；n為線圈中的匝數(shù)密度值；S為線圈自身的截面積；f所代表的是諧波電流所具有的頻率。具體計(jì)算中，按照線圈在不同頻率條件下輸出的信號值，便可對其各次諧波電流進(jìn)行求解。

因?yàn)镽ogowski空心線圈中沒有鐵芯，所以外磁場和溫度等各種干擾因素都很容易對其性能產(chǎn)生不良影響。為有效降低各種干擾影響，技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際情況，對回繞線技術(shù)和等安匝技術(shù)加以合理應(yīng)用[6]。

1.3 遠(yuǎn)端模塊

遠(yuǎn)端模塊的主要功能是對來自于分流器或者是空心線圈中的輸出信號進(jìn)行接收和處理，其輸出信號是串行數(shù)字形式的光信號。具體工作中，對于來自于分離器中的光信號，該模塊主要進(jìn)行了兩個獨(dú)立采樣模擬回路設(shè)置，以此來實(shí)現(xiàn)雙重采樣操作，并對兩路采樣值實(shí)時進(jìn)行比較和校驗(yàn)；同時，實(shí)時采樣回路中的硬件也具備良好的自檢功能，可有效防止采樣異常所導(dǎo)致的保護(hù)誤動情況[7]。圖3為遠(yuǎn)端模塊原理示意圖。

圖3 遠(yuǎn)端模塊原理示意

具體應(yīng)用中，該模塊可借助于激光供能反饋控制以及低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)使激光供能具有更高的效率，以此來實(shí)現(xiàn)激光器中驅(qū)動電流值的合理降低，讓激光供能壽命及其可靠性得以進(jìn)一步提升。在該模塊中，所有的電子器件都具有非常低的工作電壓和功耗，整個模塊的實(shí)際功耗可控制在30 mW以內(nèi)。借助于數(shù)字光纖，可將該模塊中的功耗參數(shù)實(shí)時下傳，并以此為依據(jù)來進(jìn)行激光器中驅(qū)動電流的合理調(diào)節(jié)，這樣便可實(shí)現(xiàn)激光供能反饋的有效控制。在±500 kV直流電子式電流互感器的具體應(yīng)用中，相關(guān)單位與技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行若干個相同遠(yuǎn)端模塊的配置。

1.4 合并單元

在±500 kV直流電子式電流互感器的應(yīng)用過程中，其合并單元應(yīng)設(shè)置在控制室內(nèi)，主要功能包括以下幾點(diǎn)。第一是將供能激光提供給遠(yuǎn)端模塊，第二是接收和處理來自于遠(yuǎn)端模塊中的下發(fā)數(shù)據(jù)，第三是按照規(guī)定的IEC 60044-8協(xié)議或者是TDM協(xié)議將相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)輸出到直流控制保護(hù)設(shè)備中，以便設(shè)備的合理使用[8]。在合并單元中有很多的硬件措施以及軟件措施，如果合并單元自身或者是遠(yuǎn)端模塊出現(xiàn)了故障，借助于這些硬件措施和軟件措施便能夠及時發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的故障，并按照預(yù)定的方案來正確進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的處理。通過這樣的方式，便可有效確保直流保護(hù)裝置獲得數(shù)據(jù)的正確性。

2 主要試驗(yàn)參數(shù)及應(yīng)用效果分析

2.1 主要試驗(yàn)參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)±500 kV直流電子式電流互感器應(yīng)用效果的良好保障，本次特對其進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)中，選擇的是PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流電子式電流互感器，通過一次電壓額定值、設(shè)備電壓最高值、直流電壓耐受值、雷電擊穿電壓耐受值、操作沖擊電壓耐受值、局部放電、爬電比距、一次電流額定值、溫升限值、測量精度、直流電流測量范圍、階躍響應(yīng)、采樣率以及諧波電流測量精度等的試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該互感器中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都達(dá)到了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[9]。本次±500 kV直流電子式電流互感器的主要試驗(yàn)參數(shù)情況為：①設(shè)備電壓最高值是515 kV；②一次電壓額定值是500 kV；③雷電擊穿電壓耐受值是±1 425 kV；④直流電壓耐受值是±750 kV；⑤操作沖擊電壓耐受值是 ±1 300 kV；⑥爬電比距是50 mm/kV；⑦溫升限值是60 K；⑧一次電流額定值有5個檔，第一檔是1 000 A，第二檔是 2 000 A，第三檔是 3 000 A，第四檔是 4 000 A，第五檔是 5 000 A；⑨測量精度是 ±0.2%；⑩階躍響應(yīng)在125 μs以內(nèi)；?直流電流測量范圍在10%～600%； ?2～50次諧波范圍內(nèi)的諧波電流測量精度可控制在±2.5以內(nèi)；?采樣率為10 kHz。

2.2 應(yīng)用效果

在通過試驗(yàn)測試并明確其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，在某市高壓輸電線路的直流改造中，便將16臺PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流電子式電流互感器應(yīng)用其中。截至目前，這些設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用了3年時間，運(yùn)行情況十分穩(wěn)定可靠，并沒有出現(xiàn)光纖接口異常、元件故障或者是高溫等問題。由此可見，此類直流電子式電流互感器具有非常好的應(yīng)用效果[10]。

3 結(jié) 論

±500 kV直流電子式電流互感器在高壓輸電線路中具有良好的安全保護(hù)與控制作用。為實(shí)現(xiàn)該互感器的良好應(yīng)用，相關(guān)單位與技術(shù)人員需要對其主要的工作原理、組成部分以及功能進(jìn)行全面了解，并通過相應(yīng)的試驗(yàn)來獲取其運(yùn)行參數(shù)。在確保運(yùn)行參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，便可將其應(yīng)用到高壓輸電項(xiàng)目中，以此來實(shí)現(xiàn)高壓輸電安全的良好保障。經(jīng)本次研究發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流電子式電流互感器具有非常好的應(yīng)用性能，將該電流互感器合理應(yīng)用到高壓輸電項(xiàng)目中可有效確保測量精度，為其安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的技術(shù)支撐，這對于當(dāng)今社會供電質(zhì)量、供電安全需求的全面滿足以及電力行業(yè)的良好發(fā)展都具有十分積極的促進(jìn)作用。