±500 kV直流電子式電流互感器及其應用研究

張志楊

（中國南方電網有限責任公司 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行應用研究的過程中，技術人員一定要全面掌握其應用原理、基本結構以及主要技術參數等，這樣才可以使其在實際的高壓直流輸電工程中得以良好應用，充分發揮出其直流控制保護方面的應用優勢。為高壓直流輸配電系統的安全穩定運行提供足具科學性的技術與設備支撐。

1 ±500 kV直流電子式電流互感器

本次所研究的是國產的±500 kV直流電子式電流互感器，主要組成結構包括分流器、Rogowski空心線圈、遠端模塊、合并單元、高壓測量頭、直流控制系統以及光纖絕緣子等。具體應用中，分流器可對被測的一次直流電流進行轉換，使其變為電壓信號，而空心線圈則可讓電流中所攜帶的諧波電流實現到電壓信號的轉換。借助于遠端模塊，可對來自于分流器或者是空心線圈中的電壓信號進行就地采集，然后再將電壓信號轉變成數字信號，并借助于光纖將其傳輸給合并單元[1]。在接收到相應的信號之后，合并單元會將其轉換成與標準規約相符的數據，再將其發送到直流控制保護裝置中。在高壓測量頭中，其遠端模塊主要通過低壓合并單元中的激光器來供電，激光發送器中的激光主要以光纖的形式來給遠端模塊傳遞信號，借助于遠端模塊中的光電轉換器，可以實現激光能量到電能的轉換，以此來為遠端模塊供電[2]。其中，光纖絕緣子屬于光纖內嵌復合形式，通過該絕緣子的應用，不僅可實現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，分流器是最為關鍵的一個組成部分，其主要功能是確保互感器精度，因此需要具備非常好的溫度穩定性以及散熱性能。分流器的主要設計基礎是錳銅合金形式的鼠籠式結構，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控制在1 A/mm2以下，這樣才可以實現其發熱量的顯著降低。同時，錳銅合金的溫度系數應足夠小，這樣才可以確保其溫度穩定性。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。具體設計中，對于1～50次的諧波電流，其測量精度應控制在2.5%以內。Rogowski空心線圈屬于一個空心形式的螺線管，應用時需將其纏繞在非磁性骨架上[5]。因為該線圈沒有鐵芯，不會出現飽和現象，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。具體應用中，其信號輸出值e(t)和被測電流i之間的關系為：

式中，μ0為空心線圈在真空條件下的磁導率；n為線圈中的匝數密度值；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行求解。

因為Rogowski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生不良影響。為有效降低各種干擾影響，技術人員可根據實際情況，對回繞線技術和等安匝技術加以合理應用[6]。

1.3 遠端模塊

遠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行接收和處理，其輸出信號是串行數字形式的光信號。具體工作中，對于來自于分離器中的光信號，該模塊主要進行了兩個獨立采樣模擬回路設置，以此來實現雙重采樣操作，并對兩路采樣值實時進行比較和校驗；同時，實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致的保護誤動情況[7]。圖3為遠端模塊原理示意圖。

圖3 遠端模塊原理示意

具體應用中，該模塊可借助于激光供能反饋控制以及低功耗設計技術使激光供能具有更高的效率，以此來實現激光器中驅動電流值的合理降低，讓激光供能壽命及其可靠性得以進一步提升。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，整個模塊的實際功耗可控制在30 mW以內。借助于數字光纖，可將該模塊中的功耗參數實時下傳，并以此為依據來進行激光器中驅動電流的合理調節，這樣便可實現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用中，相關單位與技術人員可根據實際需求來進行若干個相同遠端模塊的配置。

1.4 合并單元

在±500 kV直流電子式電流互感器的應用過程中，其合并單元應設置在控制室內，主要功能包括以下幾點。第一是將供能激光提供給遠端模塊，第二是接收和處理來自于遠端模塊中的下發數據，第三是按照規定的IEC 60044-8協議或者是TDM協議將相應的測量數據輸出到直流控制保護設備中，以便設備的合理使用[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端模塊出現了故障，借助于這些硬件措施和軟件措施便能夠及時發現相應的故障，并按照預定的方案來正確進行采樣數據的處理。通過這樣的方式，便可有效確保直流保護裝置獲得數據的正確性。

2 主要試驗參數及應用效果分析

2.1 主要試驗參數

為實現國產±500 kV直流電子式電流互感器應用效果的良好保障，本次特對其進行了應用試驗。具體實驗中，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、采樣率以及諧波電流測量精度等的試驗分析發現，該互感器中的各項技術參數都達到了規定標準[9]。本次±500 kV直流電子式電流互感器的主要試驗參數情況為：①設備電壓最高值是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階躍響應在125 μs以內；?直流電流測量范圍在10%～600%； ?2～50次諧波范圍內的諧波電流測量精度可控制在±2.5以內；?采樣率為10 kHz。

2.2 應用效果

在通過試驗測試并明確其各項技術參數均符合規定標準的情況下，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用其中。截至目前，這些設備已經應用了3年時間，運行情況十分穩定可靠，并沒有出現光纖接口異常、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用效果[10]。

3 結 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與控制作用。為實現該互感器的良好應用，相關單位與技術人員需要對其主要的工作原理、組成部分以及功能進行全面了解，并通過相應的試驗來獲取其運行參數。在確保運行參數符合標準的情況下，便可將其應用到高壓輸電項目中，以此來實現高壓輸電安全的良好保障。經本次研究發現，國產PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流電子式電流互感器具有非常好的應用性能，將該電流互感器合理應用到高壓輸電項目中可有效確保測量精度，為其安全穩定運行提供有效的技術支撐，這對于當今社會供電質量、供電安全需求的全面滿足以及電力行業的良好發展都具有十分積極的促進作用。