基于柔性光學電流互感器的接地選線裝置

2022-03-17 08:15:50任百群李宇琦劉倪宣

四川電力技術 2022年1期

石勇，任百群，王耀，李宇琦，劉倪宣，姜磊

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102)

0 引言

小電流接地系統接地選線一般使用有功分量法、諧波法、注入信號法、殘流增量法、中電阻法、暫態無功功率法等選線方法[1-4]。以上方法均需使用到線路的零序電流，但是在架空線、GIS開關柜等場合傳統的穿心式零序互感器無法安裝，只能使用三相電流互感器自產零序電流進行選線。小電流接地系統單相接地故障殘流一般在10 A以內，相電流互感器一次額定值在600 A以上，變比太大導致二次側傳變到選線裝置的零序電流只有毫安級，小于裝置的靈敏測量范圍。自產零序電流由于三相變比不一致導致不平衡電流過大也會影響選線精度及靈敏度。此外現有常規零序互感器在現場二次電纜較長的情況下，由于帶負載不足導致幅值誤差及角度誤差大于允許范圍，影響選線靈敏度導致高阻接地時拒動。

1 柔性全光纖電流互感器

全光纖電流互感器(fiber optical current transducer,FOCT)[5]是采用光纖作為電流傳感材料的光學CT。柔性全光纖電流互感器[6]是FOCT發展的方向，它可以在現場根據導體形狀不同繞制成所需形狀的光纖傳感環，比傳統互感器更靈活，安裝和維護更加方便，重量更輕，無絕緣要求。

對于GIS開關柜體形狀不規則、架空線三相距離較遠等場合，將三相電流從常規零序電流互感器穿過需要孔徑很大，且形狀特殊。由于鐵芯材料及重量限制無法制造出適合現場安裝孔徑的常規互感器，柔性光互感器可以根據現場需要繞制成各種形狀且重量很輕。將三相導線從零序光互感器的光纖環中穿過，全光纖式電流互感器采集單元利用傳感光纖的法拉弟磁光效應感應被測三相導線中電流產生的磁場信號即零序電流磁場，計算出被測零序電流并輸出，具有精度高、動態范圍大、諧波特性好等特點。

2 選線系統方案

基于光學電流互感器的選線系統由接地選線裝置、多個零序光學互感器及采集單元組成。每個間隔配置一臺零序光學電流互感器，每套光學互感器含一個光纖環及一臺采集單元，每個采集單元配置一個光路模塊，三相電流都從光纖環的保偏光纜中穿過，這樣在光纖環采集的就是零序電流。采集單元置于柜中，采集保偏光纖中的模擬量轉換成數字量后，通過點對點通訊光纖將采集的電流數據輸出至接地選線裝置，無需經交換機中轉。選線裝置的電壓由常規電壓互感器接入。對于現場部分支路使用傳統電磁式電流互感器、部分支路使用光學電流互感器的場合，選線裝置支持常規電流互感器與光學電流互感器混合采樣。整個系統如圖1所示。

3 接地故障檢測選線對光學電流互感器的要求

目前保護用光學電流互感器采樣率按數字化站標準為4000 Hz。單相接地故障的暫態電流主要為暫態電容電流，對于架空線自由振蕩頻率一般為300～1500 Hz，電纜線路的電感遠小于架空線路，對地電容卻比架空線大很多倍，因此暫態過程振蕩頻率很高，一般為1500～3000 Hz[4]，根據奈奎斯特定理采樣率fs.max需要大于2倍信號的最高頻率fmax，即fs.max≥2fmax=6000 Hz采樣率。因此光CT采集單元的采樣率不能低于6000 Hz，所提系統中光學電流互感器采集單元的采樣率與接地選線裝置采樣率一致，設置為10 kHz，保證接地故障時刻暫態特征數據能可靠采集。

為保證采樣數據的實時性及可靠性，采集單元數字信號光纖與接地選線裝置通過點對點連接，不經過交換機，保證各支路零序電流采樣延時都是固定的。接地選線裝置根據額定時延調整光CT信號與電磁型零序電流互感器及電壓互感器信號時差，保證各信號時間的一致性。

保護用光學電流互感器的測量范圍考慮到三相短路等情況，一般為額定電流的30～40倍，達到上千安培，遠大于負荷電流。但小電流接地系統單相接地故障時零序電流很小，特別是架空線路在經高阻單相接地時，一次側只有幾安培電流。如果使用常規保護用光學電流互感器在小電流情況下無法實現準確測量。根據規程規定，選線裝置用零序互感器一次額定電流宜按照系統電容電流值的2倍選取[7]。因此測量小電流能力要求比常規保護用光學互感器要求高很多，需要光學互感器最小能監測的一次電流為0.2 A，最高測量電流為250 A，滿足如下精度要求：1)0.2～0.5 A，比值誤差≤10%；2)0.5～250 A，比值誤差≤1%。

4 零序光學互感器現場安裝

光學電流互感器可采用如圖2所示的AIS支柱式(包括與斷路器集成方式)、套管式、GIS集成式、柔性等方式安裝。

圖2 光學電流互感器安裝方式

以上方式前兩種適用于相電流互感器的安裝，后兩種適合于零序電流互感器的安裝。柔性安裝方式可在不改動原有系統情況下進行，避免三相電纜的拆解，減小施工難度和周期。為便于現場安裝和維護，光CT采用柔性結構，傳感光纖制成光纜型式，支持現場纏繞，因此安裝及維護時無需拆解三相電纜，在傳感光纖外圍以兩瓣式殼體進行保護和固定，如圖3所示殼體可為圓形或跑道型等任意適合安裝的形狀。現場安裝如圖4所示，可在開關柜內安裝，也可以在電纜室安裝。因光CT重量很輕，在電纜室安裝時不會因為互感器很重而壓壞電纜。

圖3 零序光學電流互感器殼體

圖4 零序光學電流互感器現場安裝

5 試驗及運行

為驗證柔光學電流互感器在接地選線應用的可行性，對基于柔性光學CT的接地選線裝置分別進行靜態試驗與真型動模接地試驗驗證。

圓形殼體在現場已有大量應用，靜態模擬測試僅驗證跑道型殼體。搭建靜態試驗平臺，將圖3下面的“跑道型”柔性光學CT傳感環繞制在三相電纜外，三相電纜排布方式為分散與集中兩種。分散時三相電纜間距為20 cm，集中時三相電纜間距均為5 cm。采用博電測試儀加入由10 A的正常負荷電流及不同數值的零序電流合成的電流，其中正常運行負荷電流相位相差120°，調整電流中零序分量，記錄數據如表1所示。

表1 靜態試驗記錄

從測試數據可見，不管導體分布方式如何，對光學CT測量精度影響不大，一次電流在0.5 A以下幅值誤差小于等于1%，0.5 A以上幅值誤差小于1%，可以滿足接地選線裝置精度要求。

真型動模試驗：配電網戶外真型試驗場包括10 kV開關站1座和10 kV試驗線路7條，測試時用到5條。試驗1線、2線采用集中參數柜模擬真實線路的分布式參數，試驗3線、4線和5線為實際電纜線路。試驗場配置預調式消弧線圈，型號為XHDCZ-400/10.5，額定容量為400 kVA，電流調節范圍為20～66 A，共分為14擋，通過有載分接開關等差調節。母線電容電流為25.2 A，各線路參數詳見表2。

表2 各線路電容電流

在戶外試驗場安裝錄波裝置，在表1所示5條饋線的A、B、C相電纜出線處安裝10/1零序電流互感器。母線處安裝電壓互感器接入錄波裝置。

在消弧線圈自動補償、欠補償、過補償方式下，分別進行在試驗1線A相經不同過渡電阻接地的持續性電弧接地試驗和間歇性電弧接地試驗。自動補償時系統電容電流為25.2 A，消弧線圈補償電流為27.1 A;欠補償時調節系統電容電流為31.0 A，消弧線圈補償電流為20.0 A;過補償時調節系統電容電流為25.2 A，消弧線圈補償電流為34.2A。過渡電阻值分別為250 Ω、500 Ω、1000 Ω、2000 Ω、3000 Ω和4000 Ω。將錄波裝置錄取的接地波形經測試儀回放，將其中電流數據放大10倍還原為一次值后接入即將在現場投運的光學電流互感器，電壓信號直接接入接地選線裝置的電壓采集插件。選線啟動零序電壓設置為10 V，以上各種接地測試均能正確選出故障線路。

圖5是消弧線圈過補償系統經4000 Ω過渡電阻高阻接地時基于光CT接地選線裝置的波形。從波形中可以看出，單相高阻接地時零序電流及電壓信號都很微弱。經消弧線圈補償后各支路穩態電流方向一致，幅值基本差不多，僅靠接地瞬間故障線路與非故障線路相位及幅值特征可以判斷出線路1為故障線路。