直流測(cè)量裝置的選擇

直流測(cè)量裝置的選擇

0換流站測(cè)量系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與傳輸站配置的直接控制保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)密切相關(guān)，并且直接控制保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)取決于交換站測(cè)量系統(tǒng)在系統(tǒng)狀態(tài)和暫時(shí)條件下的精度和可靠性。根據(jù)直流控制保護(hù)的要求,結(jié)合換流站各位置的電壓電流特性,裝設(shè)相應(yīng)類型的交流和直流電壓、電流測(cè)量裝置,形成完整的測(cè)量系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本文通過對(duì)直流輸電工程中不同類型的直流測(cè)量裝置進(jìn)行介紹,提出直流測(cè)量裝置的技術(shù)性能和要求,為直流電流測(cè)量裝置的應(yīng)用提供了參考。1直流電流標(biāo)準(zhǔn)差動(dòng)保護(hù)根據(jù)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的需要,通常,換流站直流側(cè)電流,如:直流極線(包括平抗閥側(cè)和直流線路側(cè))、直流中性母線、直流地極引線等處電流是需要監(jiān)測(cè)的。另外,考慮到換流站無(wú)功控制、交直流濾波器保護(hù)與直流控制保護(hù)的密切關(guān)系,換流站交、直流濾波器各支路的電流也是必須監(jiān)測(cè)的。以一個(gè)雙極高壓直流輸電工程換流站為例,圖1給出了一種典型的測(cè)量裝置配置方案。對(duì)于±800kV特高壓直流輸電工程來(lái)說,每極由兩個(gè)12脈波換流器串聯(lián)而成,在兩個(gè)12脈波換流器之間還需裝設(shè)直流電流測(cè)量裝置,除此之外,測(cè)量裝置配置方案與常規(guī)高壓直流工程相比基本一致。直流極線、中性母線以及地極引線上流過的電流主要是直流分量。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),直流極線和中性母線流過額定直流電流;當(dāng)系統(tǒng)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)直流電流標(biāo)幺值將達(dá)到1.3左右。在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),這些位置的電流幅值發(fā)生突變,更是對(duì)測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍及響應(yīng)時(shí)間提出了相當(dāng)高的要求。圖2為雙極3000A,±500kV直流系統(tǒng)在雙極額定運(yùn)行情況下整流側(cè)一極線路發(fā)生接地故障時(shí)的直流電流標(biāo)幺值Idn,pu仿真波形。可見盡管直流控制系統(tǒng)快速響應(yīng),迅速增大觸發(fā)角限制直流電流幅值,直流電流標(biāo)幺值仍陡增至2.5左右。因此,為滿足控制保護(hù)功能要求,對(duì)用于控制和保護(hù)的測(cè)量裝置提出了不同的測(cè)量精度要求:對(duì)于任何用于保護(hù)的直流電流測(cè)量系統(tǒng),當(dāng)被測(cè)電流低于直流系統(tǒng)規(guī)定的2h過負(fù)荷電流時(shí),測(cè)量誤差應(yīng)不大于該測(cè)量裝置額定電流(所謂額定電流是指直流系統(tǒng)在額定電流下運(yùn)行時(shí)測(cè)量裝置所在位置所對(duì)應(yīng)的電流)的±0.5%,當(dāng)被測(cè)電流達(dá)到額定電流的300%時(shí),測(cè)量誤差不能超過測(cè)量裝置額定電流的±10%。對(duì)于任何用于控制的直流電流測(cè)量系統(tǒng),當(dāng)被測(cè)電流在最小保證值和直流系統(tǒng)所規(guī)定的2h過負(fù)荷運(yùn)行電流之間時(shí),測(cè)量誤差應(yīng)不大于額定電流的±0.2%,在被測(cè)電流達(dá)到額定電流的300%時(shí),測(cè)量誤差應(yīng)不大于額定電流的±10%。所有用于同一功能的多個(gè)直流電流測(cè)量系統(tǒng),如用于極差動(dòng)保護(hù)、極間電流平衡控制等的測(cè)量裝置,在被測(cè)電流為額定電流的150%及以下時(shí)應(yīng)具有等于或優(yōu)于±1%的配合精度,當(dāng)被測(cè)電流為連續(xù)過負(fù)荷電流的150%至300%之間時(shí),測(cè)量系統(tǒng)的精度應(yīng)能保證承包商的設(shè)備正確動(dòng)作。直流電流測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有足夠好的暫態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性,以確保在最大誤差情況下的測(cè)量值仍滿足直流輸電系統(tǒng)控制和保護(hù)提出的精度要求。另外,在直流側(cè)上述位置會(huì)出現(xiàn)一定水平的諧波電流,在50～1200Hz頻率范圍內(nèi),電流測(cè)量裝置內(nèi)仍應(yīng)具有一定的測(cè)量精度。流過交流濾波器各支路的電流(包括電容器不平衡電流)主要為工頻及奇次諧波電流;對(duì)于直流濾波器(包括電容器不平衡電流)則主要是偶次諧波電流。穩(wěn)態(tài)下這些位置的工頻電流或諧波電流僅為數(shù)百A(電容器不平衡電流甚至僅幾A),但故障情況下電流達(dá)穩(wěn)態(tài)值的30倍左右。安裝在交流及直流濾波器支路中的電流測(cè)量裝置應(yīng)在穩(wěn)態(tài)及故障條件下對(duì)工頻及各次諧波電流具有足夠的測(cè)量精度。2高壓直流測(cè)量裝置直流電流測(cè)量裝置通常安裝于換流站的高壓直流線路端、換流站內(nèi)中性母線和接地極引線等處。直流電流測(cè)量裝置的輸出信號(hào)用于直流系統(tǒng)的控制和保護(hù),是高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)最為重要的測(cè)量數(shù)據(jù)之一,因此,對(duì)該裝置總的要求是:抗電磁干擾性能強(qiáng)、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快、輸出電路與被測(cè)主回路之間要有足夠的絕緣強(qiáng)度等。高壓直流測(cè)量裝置通常采用電磁式和電子式兩種。直流工程中應(yīng)用的零磁通式或克拉姆(Kramer)式(一種具有di/dt繞組的直流電流互感器)直流電流測(cè)量裝置,主要測(cè)量原理都是基于電磁耦合作用。電子式電流互感器則是微電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,目前正越來(lái)越多地應(yīng)用到高壓直流電流測(cè)量領(lǐng)域。3德國(guó)法上的電流測(cè)量裝置電磁式電流互感器主要布置在具有較低直流電壓的低壓側(cè),如中性母線、地極引線以及交直流濾波器支路的低壓側(cè),如圖1所示T11、T12。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)電流的特點(diǎn),安裝于中性母線、地極引線上的電流測(cè)量裝置采用零磁通式電流互感器;安裝于交直流濾波器支路低壓側(cè)的電流測(cè)量裝置采用電壓等級(jí)為200kV以下的常規(guī)電流互感器型式。安裝于中性母線、地極引線等處的零磁通式電流互感器,根據(jù)布置位置又分為戶內(nèi)和戶外兩種。流過換流站交、直流濾波器支路低壓側(cè),中性母線電容器等測(cè)點(diǎn)的電流主要為換流站特有的諧波電流(如2次、3次、12n±1次、12n次等,n=1,2,3,…),配置常規(guī)電流互感器對(duì)這些點(diǎn)的諧波電流進(jìn)行測(cè)量,以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的保護(hù)和監(jiān)測(cè)。零磁通式電流互感器一次回路(也稱為傳感器)由磁芯和繞組組成,二次電子模塊則位于控制室中。零磁通電流互感器的特點(diǎn)是具有比較寬的頻率響應(yīng)范圍,能夠?qū)?、直流電流進(jìn)行比較準(zhǔn)確測(cè)量,在50Hz至1500Hz頻率范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)3%,50Hz頻率下最大相角差為±10′。圖3為德國(guó)RITZEMVI型電流測(cè)量裝置的原理圖。磁芯、繞組的匝數(shù)比和電子模塊影響著整個(gè)測(cè)量裝置的精度,一旦匝比確定,電子模塊就成為唯一影響精度的因素。在磁芯和繞組安匝精確平衡的基礎(chǔ)上,測(cè)量裝置的測(cè)量精度由位于電子模塊中的負(fù)荷電阻和輸出放大器決定。如圖3所示,一次回路磁芯繞組由T1、T2、T33個(gè)磁芯以及3個(gè)相應(yīng)的輔助繞組N1、N2、N3組成,在3個(gè)磁芯外還有兩個(gè)并聯(lián)連接的補(bǔ)償繞組N4、N5。在對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),繞組N5可以打開,作為校準(zhǔn)的輸入來(lái)使用。磁芯T3是磁通穩(wěn)定器或磁積分器,任何在該磁芯繞組T3上產(chǎn)生的電壓都會(huì)立即被功率放大器抵消,若短時(shí)直流漂移的影響忽略不計(jì),功率放大器根據(jù)被測(cè)電流的變化改變二次電流來(lái)實(shí)現(xiàn)精確地維持磁芯中的安匝平衡。磁芯T1、T2的作用是互磁強(qiáng)制平衡檢測(cè)器,通過對(duì)安匝平衡緩慢變化的連續(xù)檢測(cè),抵消功率放大器的直流漂移。這樣,整個(gè)系統(tǒng)集合了互磁強(qiáng)制檢測(cè)器的長(zhǎng)期高穩(wěn)定性和磁通穩(wěn)定器的精度和帶寬,可用于直流電流和交流電流的測(cè)量。互磁強(qiáng)制檢測(cè)器的作用相當(dāng)于勵(lì)磁發(fā)生器,將磁芯T1、T2激勵(lì)至飽和。當(dāng)磁芯飽和后,電流就會(huì)急劇增加,繞組N1中增加的電流會(huì)被峰值檢測(cè)器檢測(cè)到,繞組N2則平衡N1建立的磁通。如果磁芯中是凈直流磁通,峰值檢測(cè)器將會(huì)以不同的正、負(fù)極性電流峰值的形式檢測(cè)出來(lái)并向功率放大器發(fā)出修正信號(hào)。若一次電流過沖超出了功率放大器的輸出能力,就會(huì)導(dǎo)致功率放大器輸出飽和。如果是由于暫態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生的過沖(如,只有一個(gè)脈沖),則N4、N5就會(huì)起到一個(gè)常規(guī)電流互感器的作用向負(fù)載電阻提供電流。任何導(dǎo)致磁芯中出現(xiàn)凈直流磁通的過沖都會(huì)被飽和檢測(cè)器檢測(cè)到并向換流站控制系統(tǒng)發(fā)出直流電流測(cè)量裝置承受過電流的指示。直流電流測(cè)量裝置在出現(xiàn)磁芯飽和之前,都能夠連續(xù)正確地進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)確保原邊電流在額定電流的1%至300%之間變化時(shí),所測(cè)得的信號(hào)是可用的,甚至?xí)簯B(tài)時(shí)輸出信號(hào)瞬時(shí)值達(dá)到額定電流的600%時(shí)仍然可以測(cè)量,至少在一次繞組發(fā)生飽和前應(yīng)留有足夠的時(shí)間(如20ms或更長(zhǎng)),使換流站保護(hù)系統(tǒng)能夠先作出響應(yīng)。4電子表格電流計(jì)4.1電子式電流機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)電流互感器相比,電子式電流互感器具有絕緣性能優(yōu)良、無(wú)暫態(tài)磁飽和問題、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、頻率響應(yīng)寬、抗電磁干擾強(qiáng)、安全性能好、體積小重量輕、易與微機(jī)化控制保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。用電子式電流互感器替代傳統(tǒng)的電流互感器是電力系統(tǒng)電流測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8的定義,光學(xué)電流互感器是一種電子式互感器。根據(jù)傳感頭有無(wú)電源,可以分為無(wú)源電子式電流互感器和有源電子式電流互感器兩大類。無(wú)源電子式電流互感器也可稱為光學(xué)式電流互感器(OTA),普遍采用法拉第磁光效應(yīng)原理:即線性偏振光在透明物質(zhì)中傳播時(shí),光的偏振面在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和在透明物質(zhì)中光與磁場(chǎng)發(fā)生作用的長(zhǎng)度及材料的性質(zhì)有關(guān)。光學(xué)電流互感器的特點(diǎn)是:整個(gè)系統(tǒng)線性度好、靈敏度較高、絕緣性能好,但受到制造工藝和材料的制約,并且靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性容易受到溫度和振動(dòng)等外界條件變化的影響。有源電子式電流互感器也稱為光電混合型電流互感器或光電式電流互感器(OCT),是一種基于傳統(tǒng)互感器原理、利用有源器件調(diào)制技術(shù)、以光纖為信號(hào)傳輸媒介的新型電流互感器。這種電流互感器的特點(diǎn)是既發(fā)揮了光纖系統(tǒng)絕緣性能好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又利用了傳統(tǒng)互感器原理技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì),避開了純光學(xué)互感器光路復(fù)雜、穩(wěn)定性差等技術(shù)難點(diǎn),具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、抗電磁干擾能力強(qiáng)、重量輕、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易滿足直流控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)測(cè)點(diǎn)冗余的要求,且易于接口。目前有源電子式電流互感器已廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電工程換流站中。我國(guó)的多條直流輸電工程:天廣線、貴廣線、三常線、三廣線、三滬線等換流站已引入了國(guó)外數(shù)百臺(tái)有源電子式電流互感器。國(guó)內(nèi)對(duì)電子式互感器的研究始于20世紀(jì)80年代,其中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(guó)第1個(gè)國(guó)產(chǎn)化直流工程—靈寶背靠背直流工程中成功掛網(wǎng)運(yùn)行,見圖4。4.2高壓側(cè)一次回路光電式電流互感器通過一次采樣傳感器將電流信號(hào)傳遞給發(fā)光元件而變成光信號(hào),再由光纖傳遞到低電位側(cè),變換成電信號(hào)輸出。高壓側(cè)電子器件的供電方式有光供電、母線供電和太陽(yáng)能供電等。如圖5所示,光電式電流互感器通常由3部分組成,即:1)傳感器部分,通常包括位于高壓側(cè)的一次回路和光電模塊;2)位于控制室測(cè)量機(jī)柜的光電接口模塊;3)光纖,傳感器與光接口模塊之間的光學(xué)連接通道,通常采用絕緣子保護(hù)的光纖或支撐光纖。通常,根據(jù)系統(tǒng)冗余的要求,位于高壓側(cè)的光電模塊和測(cè)量機(jī)柜中的光電接口模塊應(yīng)至少分別配置兩套。另外,由于各測(cè)點(diǎn)電流類型不同,傳感器的高壓側(cè)一次回路也有所不同,通常有以下4種形式:1)分流電阻器;2)電流互感器(TA)和分流電阻器;3)分流電阻器和Rogowski線圈;4)Rogowski線圈。圖5中,分流器串接在高壓直流母線中,分流器上產(chǎn)生的電壓降與流過的直流電流成正比,測(cè)量到的電壓降送入高壓側(cè)光電模塊,經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換形成光信號(hào)并經(jīng)過信號(hào)光纖傳輸?shù)轿挥诘碗娢粋?cè)的光電接口模塊,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和預(yù)處理等環(huán)節(jié)以數(shù)字量形式送入直流控制保護(hù)系統(tǒng)。高壓側(cè)電子器件則通過一條獨(dú)立的光纖獲取能量。4.3傳感器一次側(cè)結(jié)構(gòu)原理不動(dòng)產(chǎn)三光電式電流互感器在換流站中通常安置在高壓直流極線側(cè)和交、直流濾波器支路高壓側(cè),測(cè)量到的交、直流電流量主要用于直流控制保護(hù)和交、直流濾波器保護(hù)。當(dāng)然,隨著光電式互感器性價(jià)比的不斷提高,換流站直流中性母線和地極引線側(cè)也越來(lái)越多地采用了光電式電流互感器。以我國(guó)某一±500kV直流工程為例,換流站共配置了以下5種光電式電流互感器:a)位于直流極線側(cè)的直流OCT(測(cè)量直流電流);b)位于直流濾波器支路高壓側(cè)的交流OCT(測(cè)量流過直流濾波器的諧波電流);c)位于直流濾波器高壓電容器“H”接線中間位置的交流OCT(測(cè)量直流濾波器高壓電容不平衡電流);d)位于交流濾波器支路高壓側(cè)的交流OCT(測(cè)量流過交流濾波器或并聯(lián)電容器的電流);e)位于交流濾波器高壓電容器“H”接線中間位置的交流OCT(測(cè)量流過交流濾波器高壓電容器或并聯(lián)電容器的不平衡電流)。根據(jù)傳感器一次側(cè)結(jié)構(gòu)型式劃分,上述OCT又分為光電式直流電流互感器(DCOCT)、高壓電容器組不平衡電流測(cè)量OCT和交、直流濾波器電流測(cè)量OCT3種。由于直流極線上所流過的電流除了直流電流之外還含有諧波成分,位于直流極線上的光電式直流電流互感器(DCOCT)通常采用分流電阻器和Rogowski線圈形式,其中Rogowski線圈用于諧波電流的測(cè)量,且高壓側(cè)應(yīng)配置兩個(gè)獨(dú)立的光電模塊分別與分流電阻器和Rogowski線圈連接。根據(jù)安裝位置的不同DCOCT的傳感器一次回路通常有兩種結(jié)構(gòu)形式:一種串接于戶外直流場(chǎng)中的直流母線上,從增加絕緣強(qiáng)度方面考慮,通常將光纖通過復(fù)合硅橡膠空心絕緣子或自承式瓷空心絕緣子從高壓側(cè)引至地電位,見圖6;另一種則安裝于閥廳內(nèi)閥高壓端與穿墻套管之間的鋁質(zhì)管狀母線上,光纖可與晶閘管觸發(fā)用光纖一起敷設(shè),無(wú)需裝設(shè)絕緣子。高壓電容器組不平衡電流測(cè)量OCT和交、直流濾波器電流測(cè)量OCT的傳感器一次回路則可采用電流互感器和分流電阻器的形式,安裝在主電容器塔架上,對(duì)基波或某次諧波電流進(jìn)行測(cè)量。5研究可供借鑒