±500 kV 直流輸電線路暫態(tài)故障監(jiān)測裝置的設計與應用

魏 旭，謝天喜，陶風波，王銘民，周志成

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送距離遠、容量大、損耗低、控制靈活迅速等優(yōu)點，擔負著電能傳輸?shù)姆敝厝蝿铡Ｓ捎诟邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)換流站設備種類繁多、主回路和控制保護系統(tǒng)結構復雜，易因設備絕緣承受暫態(tài)過電壓的威脅而導致直流系統(tǒng)故障或停運，嚴重威脅區(qū)域電網的安全運行。近幾年，全國直流輸電工程運行中，因暫態(tài)過程引起的單極故障及雙極閉鎖每年都有發(fā)生，造成了巨大的社會經濟損失[1-3]。

目前，高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障后，錄波儀所監(jiān)測到的極線電壓和電流波形是進行故障判斷的重要依據，但錄波儀無法監(jiān)測故障過程中的高頻電流信息，導致重要故障信息的遺漏，不利于快速排除分析故障原因及恢復送電。

1 監(jiān)測裝置結構及功能模塊設計

監(jiān)測裝置構成如圖1 所示。其主要功能模塊包括供電系統(tǒng)、高頻傳感器、數(shù)據采集系統(tǒng)、數(shù)據處理與傳輸系統(tǒng)。監(jiān)測裝置工作流程如圖2 所示。當變電站正常運行時，為了最大程度減少電能的損耗，監(jiān)測裝置處于休眠狀態(tài)；一旦有暫態(tài)電流經過或雷電波入侵變電站時，監(jiān)測裝置就會啟動，采集相應的數(shù)據，將采集的數(shù)據儲存到采集單元，隨后通過GPRS 移動網絡傳送到后臺數(shù)據處理中心進行處理和顯示。

圖1 直流線路監(jiān)測裝置結構框架示意圖

圖2 監(jiān)測裝置工作流程

1.1 電源系統(tǒng)設計

目前，交流輸電線路監(jiān)測裝置主要采用電磁耦合取電技術，然而高壓直流輸電線路導線中流過的直流電不產生交變的電磁場，因而該技術無法應用于直流輸電線路在線監(jiān)測設備[4]。

本文所設計的直流線路監(jiān)測裝置采用太陽能電池板加鋰電池供電的設計方案，其設計目標：在白天太陽能電池板直接給裝置供電，而且在陽光最充足的時候給儲能電池充電；在夜間或陽光不充足的情況下，當電池板輸出功率接近0時，電池就可以給系統(tǒng)供電。供電系統(tǒng)功能模塊結構框圖如圖3 所示。

圖3 太陽能供電系統(tǒng)結構框圖

（1）太陽能電池板。根據太陽光的強度，太陽能電池板的供電策略分為3 種方式：①陽光非常充足，太陽能電池板輸出能量可以滿足對負載供電及對其中一塊電池充電（充電電流可調），此時電源板選擇給能量少的鋰電池充電及DC-DC 給負載供電；②陽光不是很充足，太陽能電池板輸出能量只能夠對負載供電，不能滿足同時為電池充電，此時電源板選擇DC-DC 對負載供電；③陽光很弱，太陽能電池板輸出電流很微弱，不能帶載，此時電源板為能量少的鋰電池充電，能量多的電池為負載供電，關閉DC-DC。

（2）最大峰值功率跟蹤（MPPT）模塊。本系統(tǒng)方案采用Linear Technology 公司生產的鋰電池充電芯片，具有太陽能電源跟蹤功能的單片壓降型電池充電器，該器件運用了輸入電壓調節(jié)環(huán)路，負責控制充電電流以將輸入電壓保持在編程設定的電平上。當由單塊太陽能電池板供電時，輸入調節(jié)環(huán)路強制電池板以峰值輸出功率運行。

（3）DC-DC 轉換模塊。該模塊能使太陽能電池板工作時輸出電壓18 V 轉換為負載工作時的電壓5 V。本系統(tǒng)設計方案采用的DC-DC 模塊內含固定頻率振蕩器（52 kHz）和基準穩(wěn)壓器（1.23 V），并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可以構成高效穩(wěn)壓的電路。

（4）充電選擇切換控制電路。該電路所實現(xiàn)的功能為根據鋰電池組電量不同選擇電量較低的電池組為其充電。本系統(tǒng)設計方案的充電選擇控制電路采用MCU 驅動繼電器來實現(xiàn)，充電時由充電電路根據太陽能電池板輸出功率大小自動設定電流值。

（5）電源切換控制電路。該電路所實現(xiàn)的功能為根據DC-DC、電池組1 和電池組2的電壓大小選擇哪一路為負載供電。在本系統(tǒng)應用中，DC-DC的電壓值設定為5 V，電池組電壓為3.6～4.2V，由于DC-DC 電壓值高于電池組電壓，因此在工作時優(yōu)先選用DC-DC為負載供電，當太陽能電池板輸出功率較弱時（例如陰天或夜晚）DC-DC 輸出電壓趨近于0 V，此時切換至能量較高的電池組為負載供電，能量的高低由電池電壓來判定。

1.2 高頻傳感器設計

當前用于暫態(tài)電流行波監(jiān)測的傳感器大多基于羅氏線圈，如空心電流互感器、PCB 式行波傳感器等。羅氏線圈是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，直接套在被測量的導體上來測量電流，輸出信號是電流對時間的微分。通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可以真實還原輸入電流。該線圈具有電流可實時測量、響應速度快、不會飽和、幾乎沒有相位誤差的特點，故其可應用于雷電信號采集、繼電保護、可控硅整流、變頻調速等大電流的場合[5]。當電流通過線圈軸線時，根據電磁感應定律，在線圈包圍的軸線空間出現(xiàn)變化的磁場，由安培環(huán)路定律可得[6]：

當檢測線圈為環(huán)形時，互感系數(shù)M的值為M=nμS，線圈的自感L=n2μSL。

式（1，2）中：H為線圈內部的磁場強度；l為線圈的閉合回線；I為穿過線圈的閉合面積的電流；μ為磁導率；N為線圈匝數(shù)；n為線圈單位長度的匝數(shù)；S為垂直于線圈的面積。

繞制線圈時采用回線以便消除外界磁場的干擾，將細的漆包線均勻密繞在環(huán)型絕緣骨架上，以減少匝間電容對測量的影響。羅氏線圈由于采用非磁性的線圈芯，沒有非線性飽和效應，因而測量范圍從數(shù)安培到數(shù)百千安的電流，最小值和最大值主要取決于測量的電子元件。其允許隔離的電流測量，并具有較寬的帶寬，最大可達10 MHz，具有良好的線性特性，可認為是理想的電流傳感器。

1.3 數(shù)據采集與傳輸系統(tǒng)設計

數(shù)據采集系統(tǒng)由多路開關、積分電路、A/D 轉換器、先進先出（FIFO）存儲器和DSP 控制器順次連接，如圖4 所示。其中比較電路同時接收A/D 轉換和控制器的輸出，并將結果輸給控制器，多路開關、A/D 轉換器、FIFO 存儲器都由控制器協(xié)調工作。

圖4 數(shù)據采集單元框圖

為了保證通訊的可靠性，本監(jiān)測系統(tǒng)采用的GPRS 公共網絡進行數(shù)據傳輸。數(shù)據通訊單元具備雙向數(shù)據通訊功能，當現(xiàn)場監(jiān)測裝置監(jiān)測到輸電線路或者變電站母線出現(xiàn)幅值較大的行波電流時，可以將記錄的數(shù)據通過通訊模塊上傳至上位機數(shù)據庫，同時上位機也可以下傳命令，實現(xiàn)參數(shù)設置功能。

2 監(jiān)測裝置的試驗測試

據上述設計思想，并將其與±500 kV 線路間隔棒進行一體化融合設計，制作樣機后進行行波電流監(jiān)測試驗。測試過程中模擬發(fā)生行波電流，采用樣機進行監(jiān)測，通過分析監(jiān)測到的波形和幅值評價監(jiān)測裝置的準確度。其測試環(huán)境如圖5 所示，利用升壓器、整流硅、儲能電容、球隙、分流器組成沖擊電流發(fā)生器，產生峰值為5000 A的2.6/40 μs 波形進行沖擊電流試驗，分流器作為標準測量單元。

圖5 試驗回路原理圖

監(jiān)測裝置采樣頻率為2 MHz，采樣時長為800 μs，監(jiān)測結果如圖6 所示。監(jiān)測到的波形峰值為4961 A，波頭時間為2.6 μs，波尾時間為40 μs，可見該監(jiān)測裝置測量準確度較高。

圖6 沖擊電流監(jiān)測結果

3 監(jiān)測裝置的現(xiàn)場應用

將樣機安裝于某±500 kV 換流站附近2 km的輸電線路上，如圖7 所示。其中高頻傳感器安裝于分裂子導線上，太陽能板安裝于間隔棒框架上并展開，數(shù)據采集、處理、傳輸單元安裝于密封金屬盒內并嵌入間隔棒框架中。該裝置運行半年后，共監(jiān)測到了17 次雷電侵入波，其典型波形如圖8 所示，脈沖寬度范圍分布在10～25 μs，行波電流幅值位于150～1000 A。波形記錄時間與雷電定位系統(tǒng)所記錄的時間吻合。

5 結束語

（1）設計的太陽能加鋰電池的供電系統(tǒng)控制策略合理，參數(shù)選取適用，可以長期可靠地為暫態(tài)故障監(jiān)測裝置供應電能。

（2）監(jiān)測裝置試驗測試結果準確度高，運行性能穩(wěn)定，所監(jiān)測到的雷電行波數(shù)據與雷電定位系統(tǒng)記錄的時間、雷擊桿塔位置吻合，驗證了監(jiān)測裝置的有效性和可靠性。

圖7 測裝置安裝示意圖

圖8 型雷電侵入波波形

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