高壓直流電流互感器運行現狀及現場校準技術研究

張鼎衢，潘 峰，林國營，肖 勇

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080)

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高壓直流電流互感器運行現狀及現場校準技術研究

張鼎衢，潘 峰，林國營，肖 勇

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080)

±500 kV和±800 kV高壓直流輸電工程已在我國順利實施，±1 000 kV特高壓直流輸電系統已處于研究試運行階段。由于缺乏理論研究和試驗設備的支撐，尚不具備額定條件下直流互感器現場校準的條件。報告了高壓直流輸電工程中高壓直流電流互感器的運行及其校準技術現狀，研究了直流電流互感器的現場校準方法并提出了現場校準中的關鍵問題，為高壓直流電流互感器現場校準技術提供有益參考。

高壓直流輸電；直流電流互感器；現場校準；校準方法

Foundation items：The Program of "One Thousand Talented People" of State Grid Corporation of China(PD71-12-017)；Basic Forward-Looking Technology Projects of State Grid Corporation of China (PD71-14-001)

直流輸電是解決超高壓、大容量、低損耗遠距離輸電以及互聯電網的重要手段。目前，我國高壓直流系統的電壓等級已從±500 kV向±800 kV推進，±1 000 kV系統正在完善中，隨著高壓直流輸電的快速發展，高壓直流互感器得到廣泛應用。隨之而來，也暴露出直流互感器在實際運行中的問題，例如，南方電網公司貴廣二回直流輸電工程貴州興仁換流站，直流極試運行期間多次出現交流場隔離刀閘誤操作引起直流差動保護誤動作。研究表明直流電流互感器在運行現場的高頻干擾信號下阻抗發生變化，從而導致直流側保護誤動作。這些問題可以通過直流電流互感器的現場校準提早發現并解決。然而，由于理論研究和試驗設備的匱乏，直流電流互感器現場測試一般只在低電流下對互感器變比進行粗略考察，尚不具備額定條件下現場校準的條件。

隨著高壓及特高壓直流輸電系統的推廣應用，對高壓直流電流互感器現場校準系統需求將越來越大，功能要求也將越來越全[1-3]。額定條件下直流電流互感器現場校準技術尚為空白，同時新技術的發展提出了新問題及新挑戰，加之應用的實際需要，開展高壓直流電流互感器現場校準方法研究、建立現場校準系統迫在眉睫。

1 高壓直流電流互感器運行現狀

目前，國內外已投運的高壓直流電流互感器從原理上可分為3類[4]。

1.1 零磁通式直流電流互感器

零磁通式直流電流互感以磁勢自平衡為基本原理，通過電子反饋構成閉環系統。如圖1所示。圖1中，T1、T2、T3為一次回路磁芯，N1、N2、N3為一次回路補償繞組，N4、N5為磁芯外并聯的補償繞組。當被測直流電流I1≠0 時，峰值檢波器輸出的校正電壓U控制補償電流I2，使得原、次邊線圈的磁勢平衡，即I1*1= I2*(N4+N5)。通過測出負載電阻上的直流電壓就可得出一次直流電流。

圖1 零磁通式直流電流互感器框圖

目前，西門子公司的零磁通式直流電流互感器已經應用于國內的直流輸電工程中，例如云南至廣東± 800kV 直流輸電工程，如圖2所示。

圖2 ±800 kV零磁通式電流互感器

中國電力科學研究院于2010年研制了50 kV零磁通式直流電流互感器樣機，如圖3所示。在額定電流(3 000 A)及持續熱電流工作條件下各點測量誤差均小于0.2%，在18kA下測量誤差小于0.3%，同時，樣機具有良好的暫態性能且通過了電磁兼容試驗[5]。

圖3 零磁通直流電流互感器

零磁通式直流電流互感器具有寬測量范圍內高準確度的優點，同時具有很好的穩定性和動態性能，但其絕緣結構復雜、絕緣成本較高。因此，零磁通式直流電流互感器多用于測量電壓等級較低的換流站中性線上的直流電流，其輸出形式多為模擬電流或電壓[6]。

1.2 有源式直流電流互感器

有源式直流電流互感器由高壓測量部分、光纖及光纖絕緣子、低壓端合并單元等部分組成。高壓測量部分包含分流器、空心線圈和遠端模塊(高壓側采集及轉換電路)，因高壓部分需電源供電，故被稱為有源式，基本原理結構如圖4所示。分流器用于一次直流電流測量，空心線圈用于一次諧波測量，空心線圈和分流器輸出的電壓信號經過遠端模塊轉換為數字信號，數字信號經過光纖傳輸至合并單元并轉換為標準規約數據發送至直流控制保護裝置及其他測量設備。合并單元內的激光器配合光電轉換器為遠端模塊供電。內嵌光纖的復合絕緣子具有高壓絕緣和避免光纖損傷的作用。

圖4 有源式直流電流互感器系統結構圖

目前，進口的有源式直流電流互感器在我國的直流輸電工程中得到了較為廣泛的應用，如天廣直流輸電工程安裝了西門子公司的有源式直流電流互感器，如圖5所示。其頻帶范圍為0～5 kHz，測量準確度優于0.75%；三常直流輸電工程安裝了ABB公司的有源式直流電流傳感器，如圖6所示。其階躍響應最大上升時間為400 μs，超調小于20%，10%～134%額定電流(3 000 A)范圍內的準確度為0.5%。

圖5 西門子有源式直流直流互感器

圖6 ABB有源式直流直流互感器高壓部分

2004年，國內首臺±120 kV有源式直流電流互感器在靈寶背靠背直流示范站掛網運行，如圖7所示。該臺互感器由華中科技大學和西安高壓電器研究所聯合研制，直流測量準確度等級為0.2級。2010年，南瑞繼保有限公司研制的±500 kV有源式直流電子式電流互感器樣機，其測量范圍為(10%～600%)Ipr，(10%～120%)Ipr的測量準確度為0.2%，階躍響應時間小于125 μs，均達到國際先進水平。同年4月，成品在天廣直流改造和葛南直流改造工程中投入運行，5年多來運行穩定可靠。

圖7 有源式直流電流互感器靈寶示范站掛網

有源式直流電流互感器是目前實際應用最多的一類直流電流互感器，其具有信號光纖傳輸不受電磁干擾、高低電位信號完全隔離、絕緣性價比高、傳感器可靠性高且無飽和、體積小、重量輕、數字光信號輸出等優點。其不足之處在于供能激光器壽命短，激光供能板卡故障率高。

1.3 反射式全光纖式直流電流互感器

反射式全光纖直流電流互感器是基于法拉第效應、薩格納克干涉原理和安培環路定理的一種無源式電流傳感器，其原理如圖8所示[4]。光源經耦合器由偏振器形成X、Y軸上相互垂直的線偏振光，并以45°角注入保偏光纖傳輸，再經λ/4波片后轉變為左旋、右旋的圓偏振光。圓偏振光經傳感光纖后在光纖末端反射鏡的作用下互換模式(即左旋光變為右旋光，右旋光變為左旋光)并再次經傳感光纖返回。在被測電流磁場的作用下，兩束圓偏振光經過兩次Faraday效應，相位發生變化(φ=4NVI)，再次通過λ/4波片后，恢復為線偏振光，并在光纖偏振器處發生干涉。最后，攜帶相位信息的光由耦合器耦合進探測器。由于兩束光的相位變化與被測電流的對應關系，根據非互易相位差即可得到被測電流，其表達式為：

Id=0.5KlossI0(1+cos(φb+φ))

(1)

式中N——傳感纖的匝數；V——Verdet常數；I——導線中的電流)；φb——調制相位；Kloss——光路損耗；I0——光源輸出光強。

圖8 反射式全光纖電流傳感器原理圖

基于反射式全光纖電流互感器結構如圖9所示，由光纖圈構成的傳感頭置于光纖絕緣子的頂部，數匝光纖圈環繞著被測電流母線。光纖圈由保偏光纖連接至絕緣子底部的光路系統及信號解調系統。該原理的電流互感器一次與二次之間無任何電氣連接，安全性極高[7]。

圖9 全光纖電流互感器結構圖

目前，我國±800 kV同里(蘇州)換流站和±800 kV浙西換流站均安裝了ALSTOM公司生產的NXCT-F3型全光纖電流互感器。

反射式全光纖直流電流互感器采用全光纖傳感和傳輸，結構簡單，無需一次轉換器及電源，高低壓絕緣性能優良；由于輸入和輸出光路共用一根光纖，抗干擾能力高，同時還具有傳感響應快、數字信號輸出的優點。但由于傳全光學器件暴露于戶外，存在隨機漂移及信號衰減等穩定性問題，同時，傳感光纖需從國外進口，價格昂貴。因此，目前反射式全光纖直流電流互感器尚未大量投入使用。

2 高壓直流電流互感器現場校準現狀

我國從上世紀八十年代就已開始了高壓直流互感器標準體系和現場校準技術的研究。

1986年起華中科技大學就開始研制直流大電流現場計量裝置：直流電流比較儀。經過多年對直流電流比較儀原理、磁屏蔽以及自校準系統的深入研究，建立了直流大電流計量標準體系。2004年起中國計量院著手研究建立高準確度的國家直流大電流計量標準，并尋求方法解決直流大電流現場在線校準難題。經過10年探索提出了DDC分布式母線優化設計、現場反向偏心安裝法、DDC串并聯自校準等方法，解決了直流大電流計量溯源國內外長期存在的“準”、“大”、“現場”三大難題，促進了直流大電流計量的進步。

2004年華中科技大學和西安高壓電器研究所聯合研制了國內首臺有源式直流電流互感器(DCOCT)，并提出了現場校準方法，校準原理如圖10所示。為避免信號波動的影響，標準互感器與被測DCOCT 采用同步采樣、A/ D 轉換的方式；采集結果經數字輸出口輸出至標準校準儀進行差值運算。當時由于現場校準條件所限，實際采用ABB公司準確度為0.2級的零磁通直流電流互感器，作為參考標準進行了比對試驗[8]。

圖10 高壓直流電流互感器校驗原理

2010年中國電力科學研究院(武漢)研制了一套直流電流互感器現場校準系統，包括直流電流比例標準、便攜式5000 A高穩定度直流電流源、GPS無線同步數據采集系統[8]。采用該系統對±800 kV復龍換流站的光電流互感器在額定電流(4 000 A)下進行了現場校準試驗。在現場校準試驗中，由于被校準直流電流互感器的一、二次部分相距較遠，因而采用異地同步測量法。如圖11所示。標準輸出電壓UP位于直流場；被試輸出電壓US位于控制室。通過同步測量兩地的信號，可得到被校準直流電流互感器的誤差。

圖11 直流電流互感器現場校準試驗原理圖

針對直流電流互感器二次輸出形式的不同，同步采用對講機方式或GPS方式：(1)當被試直流電流互感器二次輸出不含模擬量時，采用對講機同步現場和控制室兩地的數字萬用表和終端的數字輸出，為降低讀數延遲造成的誤差，需要高穩定度的直流電流源，并采取多次測量求平均值的方法；(2)當被試二次輸出含有模擬量時，采用GPS無線同步數據采集裝置同步兩地數字萬用表的數字輸出，此種方法的同步精度高，可降低對電流源穩定度要求。

除此之外，西安高壓研究所研制了實驗室校準裝置。許繼、南瑞繼保、南瑞航天等公司研制了直流電流互感器校驗裝置用于各自設備的出廠校驗。

在國際方面，直流輸電系統電量信號的精密測量并借此優化直流輸電的參數設計和運行控制，是高壓直流輸電領域的前沿課題。

可見，直流互感器現場校準缺乏現場校準方法的嚴密論證，缺少現場校準配套的專業設備，更沒有相關標準及規程，諸多問題有待研究完善。

3 高壓直流電流互感器的現場校準方法

目前高壓直流輸電系統所用直流電流互感器多為0.2級或0.5級，一次電流絕大部分在5 kA以內。電磁式直流電流互感器一般采用模擬電壓輸出形式；包括有源式和無源式在內的電子式電流互感器一般采用數字形式輸出，數字輸出有光數字和電數字輸出之分。

對于模擬量輸出的直流電流互感器，可用差值法進行校準，如圖12所示。

圖12 差值法校準直流電流互感器原理框圖

校準誤差表達式為：

(2)

式中UP——標準輸出電壓；ΔU——測差單元輸出電壓。

差值法可大大減小電流源輸出紋波對校準準確度的影響，因此對直流電流源的穩定度要求不高。當標準與被校互感器的變比不相同時，需調整求差單元中的標準電阻箱，使得二者額定變比相等，標準電阻箱引入的負載誤差應小于被校直流電流互感器允許誤差的1/10。該方法要求直流電子式互感器校驗儀至少有2個模擬量輸入端口，標準A/D轉換器可采用低準確度、高分辨力轉換器來測量差值電壓。

對于具有模擬量二次電壓輸出的直流電流互感器，也可采用直接測量法，如圖13所示。

圖13 模擬量直接校準法原理

校準誤差表達式為：

(3)

式中Krp——直流電流比較儀的變比；Kra——被校直流電流互感器的變比；UP——電流比較儀二次側輸出電壓；US——被校直流電流互感器的二次側輸出電壓。

模擬量直接校準法同樣要求直流電子式互感器校驗儀具有至少2個模擬量輸入端口并且需要兩個相同的高精度A/D轉換器對兩個電壓值進行采集。校準過程中需要利用校驗內置同步裝置對上述兩個模擬輸出量進行同步采樣。

對于具有數字量輸出的直流電流互感器，其輸出是對應瞬時電流值的數字序列，只能采用直接測量法。數字量直接校準法原理如圖14所示。

圖14 數字量直接校準法原理框圖

校準誤差表達式為校準誤差表達式為：

(4)

式中UP——電流比較儀二次側輸出電壓；IS——被校直流電流互感器的測量值輸出。

數字量直接校準法要求直流電子式互感器校驗儀至少具備1個模擬量輸入端口和一個數字量輸入端口。標準的模擬輸出量需要使用高精度的A/D轉換器進行采集。校準時利用校驗儀內置時鐘對標準的輸出量采集和被試進行同步[9]。

4 高壓直流互感器現場校準關鍵問題研究

4.1 高壓直流電流標準器及準確度影響研究

現場直流電流標準器擬采用基于磁調制器原理的直流電流比較儀。其工作原理如圖15所示。環形鐵芯T1和T2以及相應的勵磁繞組W3和W4構成雙鐵芯差動式結構的磁調制器，勵磁繞組W3和W4反向串聯相接。振蕩器作為信號發生器用來產生正弦波，經過變壓器變換出合適幅值的交流電壓信號，作為雙鐵芯差動式結構磁調制器的勵磁電源。I1為被測一次直流大電流，W1為其母線匝數(一般為1 匝)。I2為二次反饋直流電流，W2為反饋繞組匝數，通常W2>W1。環形鐵芯T3 是防磁鐵芯用，抵御外來干擾磁場，確保雙鐵芯差動式結構磁調制器檢測微弱信號的可靠性。應特別注意W1和W2的繞向，使I2與I1所產生的磁勢方向相反。

圖15 基于磁調制器原理的直流比較儀原理圖

整個測量系統是一個自動平衡系統，只要保證系統穩定運行，就能滿足此磁勢平衡條件。當測量系統工作時，通入一次被測大電流I1，會對應產生二次反饋直流電流I2。如果一次磁勢大于二次磁勢(W1I1>W2 I2)，磁調制器信號中將出現“正向”的二次諧波信號，二次反饋直流電流I2變大，直至W1I1=W2 I2，此時，磁調制器無輸出信號，系統處于平衡狀態。同理，如果一次磁勢小于二次磁勢(W1I1

理想情況下，比較儀檢測繞組的電流為零時，一次、二次繞組產生的磁場完全抵消，鐵芯內各處磁場均應為零。然而，由于存在干擾磁場，檢測電流為零時，鐵芯內各點的磁場并不為零，將影響測量準確度誤差。干擾磁場主要有以下來源：

(1)由于繞組繞制過程中難以實現理想均勻和密繞，各繞組中會產生的泄露磁場；

(2)由于鐵芯的材料特性難以達到理想均勻，導致鐵芯各處磁化曲線不一致，也會產生泄漏磁場；

(3)由于外界通流導體的存在，會產生雜散磁場。

泄漏磁場和雜散磁場均會導致鐵芯內磁場不均勻。 為消除干擾磁場，可采取如下措施：

(1)盡可能保證各繞組均勻繞制，若一次繞組為單匝大電流母線，可使其從鐵芯窗口中心垂直穿過；若一次繞組為等安匝母線，可使其均勻對稱地繞制于鐵芯窗口上；

(2)加裝磁屏蔽和金屬屏蔽于檢測繞組外和二次繞組內，可以切斷泄漏磁場和雜散磁場的回路，避免其進入鐵芯；加裝平衡繞組于鐵芯外和檢測繞組內，可消除鐵芯材料不均勻帶來的泄漏磁場[10-12]。

(3)現場外界通流導體盡可能遠離比較儀。對現場無法遠離的通流導體應評估其影響。

4.2 直流電源對現場校準的影響

直流電流源對校準的影響最主要體現在諧波對直流電流比較儀的影響。實際中，由于直流大電流由交流整流而來，不可避免的含有與脈動波相關的諧波電流。當電流比較儀一次繞組含有交流諧波電流時，雖然檢測繞組的諧波感應信號由于同名端對接而抵消，但一次繞組中的交流諧波電流會同時在二次繞組感應出諧波電流。此時直流電流比較儀的等效模型類似于交流電流互感器，其一次電流諧波對電流比較儀的影響，可根據等效模型折算到二次側進行計算。

直流電流源的穩定性對校準的影響還體現在標準器與被校互感器響應時間的不一致上。

4.3 現場校準不確定因素的影響

直流電流互感器現場校準還存在以下的不確定因素：

(1)溫度、濕度及變化等環境因素對校準系統標準通道的影響；

(2)校準系統標準通道受現場電磁干擾的影響；

(3)被校互感器響應時間的不確定性；

(4)信號傳輸過程中誤碼和丟幀的影響，等等。

5 結語

高壓直流電流互感器應用越來越廣，需求量越來越大，直流電流互感器的運行準確度和穩定性可影響整個系統的安全穩定運行。對直流電流互感器進行現場校準可及時發現現場實際運行環境下存在的問題，提高高壓直流電流互感器運行的準確度和穩定性。本文根據國內外直流電流互感器的實際情況，提出了現場校準的方法和校準中應注意的關鍵問題。

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(本文編輯：嚴 加)

Operational Status and On-Site Calibration Technology for HVDC Transformer

ZHANG Ding-qu1, PAN Feng1, LIN Guo-ying1, XIAO Yong1

(Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

±500kV and ±800kV HVDC project have been successfully implemented in our country , and ±1000kV HVDC transmission system has been studied in the experimental stage. However, due to lack of theoretical research and test equipment, on-site calibration of HVDC current transformer can not as yet be performed at rated conditions. First of all, this paper overviews the status of operational and calibration technology, then analyzes the HVDC current transformer on-site calibration method and proposes the key issues. This research will provide a useful reference for HVDC current transformer on-site calibration.

HVDC transmission; DC transformer; on-site calibration; calibration method

10.11973/dlyny201506010

國家電網公司“千人計劃”專項支持項目(PD71-12-017)；國家電網公司基礎性前瞻性科技項目(PD71-14-001)

張鼎衢(1987)，男，碩士，工程師，從事電能計量新技術研究。

TM933

A

2095-1256(2015)06-0787-07

2015-09-22