基于全光纖電流互感器的火電廠發(fā)變組保護(hù)配置探索

摘

要：針對(duì)目前大型火電機(jī)組發(fā)電機(jī)主回路電流互感器變比選型存在的問(wèn)題，提出了用全光纖電流互感器替代傳統(tǒng)發(fā)變組保護(hù)用電磁型電流互感器的設(shè)想，介紹了傳統(tǒng)火電機(jī)組發(fā)變組保護(hù)配置情況以及基于全光纖電流互感器的繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)基于全光纖電流互感器的火電廠發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)各子單元的配置進(jìn)行了深入探索，并對(duì)全光纖電流互感器在火電機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：全光纖電流互感器；發(fā)變組保護(hù)；保護(hù)配置；智能化；組柜0

引言發(fā)電機(jī)組的發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)作為機(jī)組的主保護(hù)，對(duì)采集電流的暫態(tài)特性要求較高，國(guó)內(nèi)300MW及以上火力發(fā)電機(jī)組差動(dòng)保護(hù)用電流互感器常規(guī)采用TPY級(jí)電磁式電流互感器。根據(jù)《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》（DL/T866—2015）要求，發(fā)電機(jī)主回路電流互感器二次電流宜采用5A，而根據(jù)《互感器第2部分：電流互感器的補(bǔ)充技術(shù)要求》（GB20840.2—2014）及IEC61869的要求，對(duì)于暫態(tài)特性保護(hù)用電流互感器，額定二次電流標(biāo)準(zhǔn)值為1A。以上規(guī)范用于發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)用互感器二次側(cè)額定電流值選型時(shí)具有差異。大型發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)及出線側(cè)額定電流值較高，這就導(dǎo)致電磁式電流互感器設(shè)計(jì)尺寸較大，但實(shí)際可供安裝該電流互感器的位置空間非常有限，如果將二次額定電流選為1A，會(huì)造成線圈匝數(shù)成比例增加，增大繞組溫升過(guò)高發(fā)生短路的概率，還會(huì)因體積過(guò)大而無(wú)法生產(chǎn)及安裝。相比傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，全光纖電流互感器具有尺寸小、安全性及靈敏度高、測(cè)量范圍寬、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，用全光纖電流互感器替代火電機(jī)組發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)用電磁式電流互感器，有望解決以上變比選擇及安裝等難題。近年來(lái)，基于法拉第磁光效應(yīng)原理的全光纖電流互感器已在智能變電站、水電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組等領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用，但尚未在火電機(jī)組上進(jìn)行過(guò)完全替代性的嘗試，因此，開展全光纖電流互感器在大型火力發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)上的應(yīng)用研究非常有價(jià)值。1

火電廠發(fā)變組保護(hù)配置現(xiàn)狀目前，大型火力發(fā)電機(jī)組發(fā)變組保護(hù)用電流互感器為電磁式電流互感器，根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》（GB/T14285—2006）要求，100MW及以上容量的發(fā)變組裝設(shè)數(shù)字式保護(hù)時(shí)，除非電量保護(hù)外，應(yīng)雙重化配置。圖1所示為某300MW火電機(jī)組發(fā)變組雙重化保護(hù)用互感器配置情況（其他非用于發(fā)變組保護(hù)的互感器未示意），其中，保護(hù)用電流互感器均采用雙套配置方案，即TA01、TA03、TA06、TA11、TA13、TA21為第一套保護(hù)用電流互感器，TA02、TA04、TA05、TA12、TA14、TA22為第二套保護(hù)用電流互感器；雙重化的發(fā)電機(jī)保護(hù)所需的發(fā)電機(jī)出口電壓分別取自TV1和TV2，TV3同時(shí)用于雙套的發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)；雙重化的主變保護(hù)所需的主變高壓側(cè)電壓分別取自TV4的不同二次線圈；接地變二次側(cè)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)啟停機(jī)保護(hù)（16L）及基于不同原理雙套配置的定子接地保護(hù)（64G1、64G2、64G3）；雙重化轉(zhuǎn)子接地保護(hù)分別采用注入式和乒乓式配置在勵(lì)磁系統(tǒng)中。發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)作為機(jī)組的主保護(hù)，對(duì)采集電流的暫態(tài)特性要求較高，如圖1所示，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)（87G）電流取自TA01（TA02）與TA06（TA05），主變差動(dòng)保護(hù)（87T）電流取自TA06（TA05）與TA21（TA22），該部分差動(dòng)保護(hù)用電流互感器均選用TPY級(jí)以滿足暫態(tài)特性要求，其中發(fā)電機(jī)主回路的電流互感器二次側(cè)額定電流值選取為5A，主變高壓側(cè)的電流互感器二次側(cè)額定電流值選取為1A。用于發(fā)電機(jī)逆功率（32G）及程跳逆功率保護(hù)（37G）的TA03（TA04）選用0.2S級(jí)，用于主變零序過(guò)流保護(hù)（51TN）的TA11（TA12）和主變間隙零序過(guò)流保護(hù)（51N1GT）的TA13（TA14）選用P級(jí)。TA01和TA02兩組電流互感器安裝于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)，TA03～TA06四組電流互感器安裝于發(fā)電機(jī)出口側(cè)。目前，大型火力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)常采用高壓出線套管結(jié)構(gòu)，從發(fā)電機(jī)底部出線，對(duì)應(yīng)以上六組電流互感器均采用吊裝方式吊裝在發(fā)電機(jī)底部罩殼下方，如圖2所示。TA01～TA06的二次側(cè)接線引至布置于發(fā)電機(jī)旁的發(fā)電機(jī)CT端子箱后，再轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的保護(hù)裝置。TV1～TV3三組發(fā)電機(jī)出口電壓互感器分別組柜，布置在發(fā)電機(jī)旁，電壓采取從發(fā)電機(jī)出口封母T接的方式引入電壓互感器柜，另在發(fā)電機(jī)旁設(shè)發(fā)電機(jī)出口PT端子箱作為轉(zhuǎn)接箱，將TV1～TV3的二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的保護(hù)裝置。TA11和TA12兩組電流互感器安裝于主變高壓側(cè)中性點(diǎn)套管內(nèi)，二次側(cè)電流通常由變壓器廠家引接至主變本體端子箱；TA13和TA14兩組電流互感器安裝于主變中性點(diǎn)間隙接地保護(hù)裝置內(nèi)；另在主變旁設(shè)主變端子箱作為轉(zhuǎn)接箱，將TA11～TA14的二次側(cè)電流轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的保護(hù)裝置。主變間隔高壓配電裝置為戶外布置，當(dāng)采用GIS結(jié)構(gòu)時(shí)，TA21、TA22及TV4均封裝于主變間隔GIS裝置內(nèi)，如圖3（a）所示；當(dāng)主變間隔高壓配電裝置采用隔離式斷路器結(jié)構(gòu)時(shí)，TA21、TA22及TV4均為支柱式安裝，如圖3（b）（c）所示。對(duì)于GIS結(jié)構(gòu)，互感器二次側(cè)電流/電壓通常引至GIS匯控柜后再接至相應(yīng)保護(hù)裝置；對(duì)于隔離式斷路器結(jié)構(gòu)，需另配置斷路器端子箱及PT端子箱作為轉(zhuǎn)接箱，互感器的二次側(cè)電流/電壓轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的保護(hù)裝置。目前，大型火力發(fā)電機(jī)組的發(fā)變組保護(hù)裝置常組柜布置在主廠房?jī)?nèi)的機(jī)組電氣繼電器室，各CT、PT的接線箱就近布置在主設(shè)備附近，其中，發(fā)電機(jī)CT、PT端子箱也位于主廠房?jī)?nèi)，通常與機(jī)組電氣繼電器室距離較近，不足200m；主變間隔高壓配電裝置則遠(yuǎn)離主廠房，對(duì)應(yīng)的各CT、PT轉(zhuǎn)接箱體與發(fā)變組保護(hù)裝置的距離常在200m以上。2

全光纖電流互感器原理全光纖電流互感器（Fiber-OpticalCurrentTransformer，F(xiàn)OCT）以圍繞被測(cè)載流導(dǎo)體的光纖為電流敏感單元。基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器的測(cè)量原理是對(duì)被測(cè)電流i周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的線性積分，即線偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，在磁場(chǎng)H的作用下其偏振面旋轉(zhuǎn)了φ角度，結(jié)合安培環(huán)路定理可知，旋轉(zhuǎn)角度為：式中：V為磁光介質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)；l為通光路徑長(zhǎng)度；N為圍繞通流導(dǎo)體閉合光路的圈數(shù)；i為電流。對(duì)于特定的磁光介質(zhì)，其費(fèi)爾德常數(shù)V為恒定數(shù)值，因此由式（1）可知，偏振光的旋轉(zhuǎn)角大小與電流大小及光纖環(huán)路的匝數(shù)成正比。如圖4所示，基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器光路主要由光源、光電探測(cè)器、耦合器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏光纖延遲環(huán)、光纖波片及傳感光纖（含反射膜）組成，光源依次經(jīng)過(guò)耦合器、起偏器、45°熔接點(diǎn)，形成兩個(gè)互相垂直、大小相等的偏振光。這兩個(gè)正交模式的線偏振光在調(diào)制解調(diào)器處受到相位調(diào)制后，經(jīng)過(guò)λ/4波片分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖。在傳感光纖中傳輸時(shí)，受被測(cè)電流磁場(chǎng)影響，這兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化，當(dāng)傳輸至反射鏡處時(shí)發(fā)生反射，兩束圓偏振光發(fā)生模式互換，然后再次穿過(guò)傳感光纖，使法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角加倍。當(dāng)兩束圓偏振光再次經(jīng)過(guò)λ/4波片后，恢復(fù)為線偏振光，并在偏振器處發(fā)生干涉，最終得到的光波信號(hào)相位差為：經(jīng)過(guò)整個(gè)光路，線偏振光的旋轉(zhuǎn)角增大為4倍的法拉第相移，極大地提高了系統(tǒng)的靈敏度。通過(guò)測(cè)量該偏轉(zhuǎn)角，就可以間接地測(cè)量出導(dǎo)體中的電流值。由前述原理可知，與電磁式電流互感器相比，全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)上不再采用鐵芯結(jié)構(gòu)，不存在磁飽和、剩磁、鐵磁諧振等帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題，具有較好的低頻傳變特性和暫態(tài)特性；全光纖電流互感器將電流量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行傳輸，也不存在二次側(cè)開路過(guò)電壓的問(wèn)題，安全性能高；且傳感元件為柔性結(jié)構(gòu)，能較好地適應(yīng)狹小空間的安裝環(huán)境，安裝方式靈活。3

基于全光纖電流互感器的火電廠發(fā)變組保護(hù)配置分析針對(duì)發(fā)電機(jī)主回路電流互感器二次側(cè)額定電流值在不同規(guī)范中要求不一致，以及適用于大型火電機(jī)組發(fā)電機(jī)主回路的二次側(cè)額定電流值為1A的電磁式電流互感器生產(chǎn)安裝困難的問(wèn)題，本文提出將發(fā)變組保護(hù)用電磁式電流互感器替換為全光纖電流互感器的設(shè)想，并對(duì)基于全光纖電流互感器的發(fā)變組保護(hù)的配置情況展開分析。全光纖電流互感器具有比電磁式電流互感器更優(yōu)良的暫態(tài)特性，因此，考慮將發(fā)變組保護(hù)中對(duì)電流互感器暫態(tài)特性要求較高的保護(hù)用電流互感器（圖1中TPY級(jí)電流互感器TA01、TA02、TA05、TA06、TA21、TA22）替換為全光纖電流互感器，其余電流互感器（TA03、TA04、TA11～TA14）仍采用電磁式，電壓互感器（TV1～TV4）仍采用傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器。3.1

基于FOCT的繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于全光纖電流互感器的繼電保護(hù)系統(tǒng)可分為光纖傳感環(huán)、采集單元、合并單元及保護(hù)裝置四個(gè)部分，如圖5所示。光纖傳感環(huán)可以看作互感器的一次側(cè)，用于將電流量轉(zhuǎn)換為光的相位偏轉(zhuǎn)角度，含傳感光纖、λ/4波片及反射鏡，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于外置式的電流互感器還包括固定整體結(jié)構(gòu)用的外殼。采集單元?jiǎng)t為互感器的二次側(cè)，由光源、耦合器、起偏器、相位調(diào)制器、延遲光纖及調(diào)制電子電路等組成，用于發(fā)射及接收光信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并將被測(cè)電流值處理為數(shù)字量后輸出。合并單元是用來(lái)對(duì)來(lái)自二次轉(zhuǎn)換器的電流或電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間相關(guān)組合的物理單元，在基于全光纖電流互感器的繼電保護(hù)系統(tǒng)中，合并單元可將不同傳感器采集到的模擬量信號(hào)或光數(shù)字信號(hào)組合成同一時(shí)間斷面的數(shù)據(jù)，再將這部分?jǐn)?shù)字信號(hào)按照IEC61850-9-2規(guī)約以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式提供給保護(hù)裝置。目前，普遍采用插值法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，即采集單元異步采樣，不同采集單元間時(shí)間不同步，各采集單元采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到合并單元后，合并單元給各數(shù)據(jù)幀打入時(shí)標(biāo)，再利用插值算法計(jì)算出各路測(cè)量信號(hào)在同一時(shí)刻的采樣值。在智能變電站中，合并單元通常按照間隔來(lái)設(shè)置，即同一間隔內(nèi)的電流、電壓信號(hào)均接入同一合并單元。保護(hù)裝置是整套繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)采集的電流、電壓量最終進(jìn)入保護(hù)裝置進(jìn)行計(jì)算、整定及出口。對(duì)于同一套繼電保護(hù)系統(tǒng)需接入多個(gè)合并單元的情況，除各合并單元需對(duì)本間隔內(nèi)的電流、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行同步外，還需要將各合并單元間的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，這一同步功能由保護(hù)裝置采用與合并單元類似的延時(shí)補(bǔ)償、插值重采樣等數(shù)據(jù)處理方法完成。在傳統(tǒng)發(fā)電廠繼電保護(hù)系統(tǒng)中，電磁式互感器以模擬量數(shù)據(jù)將電流、電壓量通過(guò)電纜直接接入到保護(hù)裝置，模擬量在電纜中的傳播速度接近光速，可認(rèn)為幾乎沒有延時(shí)，即保護(hù)裝置接收到的各路采樣值是同步的。當(dāng)引入全光纖電流互感器后，全光纖電流互感器將電流量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纜接入到保護(hù)裝置，但互感器的光纖傳感環(huán)、合并單元的數(shù)據(jù)處理單元等回路均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)延時(shí)。因此，在基于全光纖電流互感器的火電廠發(fā)變組保護(hù)配置中，需考慮保護(hù)裝置接收到的模擬量與數(shù)字量數(shù)據(jù)不同步的問(wèn)題。目前，對(duì)于混合數(shù)據(jù)源的繼電保護(hù)系統(tǒng)，普遍采用的技術(shù)方案為，增加模擬量輸入的合并單元，將電磁式互感器的模擬量輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后接入保護(hù)裝置，在保護(hù)裝置中再對(duì)各合并單元的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步。結(jié)合大型火力發(fā)變組的雙重化保護(hù)要求，并參考智能變電站設(shè)計(jì)中對(duì)雙采樣系統(tǒng)的要求，提出基于全光纖電流互感器的大型火電廠發(fā)變組保護(hù)配置結(jié)構(gòu)，如圖6所示（非用于發(fā)變組保護(hù)的互感器未示意）。3.2

基于FOCT的火電廠發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)配置及安裝方式分析3.2.1

全光纖電流互感器配置及安裝位置分析與傳統(tǒng)電磁式電流互感器配置相同，考慮發(fā)變組保護(hù)的雙重化，在每個(gè)需要配置電流互感器的位置配置兩組全光纖電流互感器。電流互感器的安裝位置可參考常規(guī)工程，即發(fā)電機(jī)主回路處吊裝在發(fā)電機(jī)下端；主變間隔斷路器處根據(jù)配電裝置結(jié)構(gòu)選型選擇內(nèi)嵌式安裝或外置式安裝。同時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)主回路處電流互感器的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將一組全光纖電流互感器與一組0.2S級(jí)電磁型電流互感器組合安裝在同一支撐平板上，發(fā)電機(jī)出口側(cè)每相共配置兩組該結(jié)構(gòu)形式的組合型電流互感器，極大地降低了發(fā)電機(jī)出口側(cè)電流互感器的安裝空間需求。該結(jié)構(gòu)形式使得發(fā)電機(jī)出口側(cè)電流互感器排序與常規(guī)配置略有不同，即從發(fā)電機(jī)出口側(cè)往主變側(cè)依次為0.2S級(jí)電磁型、5TPE級(jí)FOCT、0.2S級(jí)電磁型、5TPE級(jí)FOCT。3.2.2

采集單元配置及安裝位置分析考慮需采用雙采樣系統(tǒng)接入合并單元，每個(gè)采集單元需配置兩路能獨(dú)立工作的采樣系統(tǒng)，每路采樣系統(tǒng)均應(yīng)包括A/D、D/A，每個(gè)采集單元的兩路采樣數(shù)據(jù)送入同一個(gè)合并單元，如圖7所示。采集單元與FOCT的光纖傳感環(huán)間采用保偏光纖連接，這是一種可以使偏振光在光纖中傳輸時(shí)較長(zhǎng)時(shí)間維持偏振態(tài)不變的特殊光纖，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，常規(guī)配置中會(huì)將采集單元布置在光纖傳感環(huán)附近，組柜式安裝。由于發(fā)電機(jī)與機(jī)組電氣繼電器室距離較近，而主變間隔高壓配電裝置離機(jī)組電氣繼電器室較遠(yuǎn)，離網(wǎng)絡(luò)保護(hù)小室較近，因此圖6中TA01、TA02、TA04、TA06對(duì)應(yīng)的12個(gè)采集單元可組一面機(jī)柜布置在機(jī)組電氣繼電器室，TA21和TA22對(duì)應(yīng)的6個(gè)采集單元可組一面機(jī)柜布置在網(wǎng)絡(luò)保護(hù)小室，TA41和TA42對(duì)應(yīng)的6個(gè)采集單元可組一面就地設(shè)備柜布置在主變壓器及高壓廠用變壓器附近。3.2.3

合并單元配置及安裝位置分析每個(gè)具有雙采樣系統(tǒng)的采集單元輸出兩路采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入同一個(gè)合并單元，因此，對(duì)應(yīng)的合并單元需具有雙通道接入條件。合并單元根據(jù)輸入數(shù)據(jù)類型可分為模擬量合并單元及數(shù)字量合并單元，對(duì)于全光纖電流互感器回路，配置數(shù)字量合并單元，對(duì)于電磁式電流/電壓互感器回路，配置模擬量合并單元。數(shù)字量合并單元與采集單元間采用普通光纜連接，模擬量合并單元與電磁式電流/電壓互感器間采用電纜連接。對(duì)于發(fā)電機(jī)部分，考慮將數(shù)字量合并單元1A/1B分別與對(duì)應(yīng)的發(fā)變組保護(hù)裝置合并組屏，布置在機(jī)組電氣繼電器室，而從節(jié)省電纜的角度出發(fā)，可將模擬量合并單元2A/2B均組柜布置在發(fā)電機(jī)附近。對(duì)于主變及高廠變