基于全光纖電流互感器的火電廠發變組保護配置探索

摘要：針對目前大型火電機組發電機主回路電流互感器變比選型存在的問題，提出了用全光纖電流互感器替代傳統發變組保護用電磁型電流互感器的設想，介紹了傳統火電機組發變組保護配置情況以及基于全光纖電流互感器的繼電保護結構，對基于全光纖電流互感器的火電廠發變組保護系統各子單元的配置進行了深入探索，并對全光纖電流互感器在火電機組中的應用進行了展望。

關鍵詞：全光纖電流互感器；發變組保護；保護配置；智能化；組柜

中圖分類號：TM621；TM772" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0001-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.001

0" " 引言

發電機組的發變組差動保護作為機組的主保護，對采集電流的暫態特性要求較高，國內300 MW及以上火力發電機組差動保護用電流互感器常規采用TPY級電磁式電流互感器。根據《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》（DL/T 866—2015）要求，發電機主回路電流互感器二次電流宜采用5 A[1]，而根據《互感器 第2部分：電流互感器的補充技術要求》（GB 20840.2—2014）及IEC 61869的要求，對于暫態特性保護用電流互感器，額定二次電流標準值為1 A[2]。以上規范用于發電機差動保護用互感器二次側額定電流值選型時具有差異。

大型發電機組中性點及出線側額定電流值較高，這就導致電磁式電流互感器設計尺寸較大，但實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1 A，會造成線圈匝數成比例增加，增大繞組溫升過高發生短路的概率，還會因體積過大而無法生產及安裝。

相比傳統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、測量范圍寬、安裝方便等優點，用全光纖電流互感器替代火電機組發變組差動保護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，基于法拉第磁光效應原理的全光纖電流互感器已在智能變電站、水電機組、抽水蓄能機組等領域得到了充分應用，但尚未在火電機組上進行過完全替代性的嘗試，因此，開展全光纖電流互感器在大型火力發電機組繼電保護上的應用研究非常有價值。

1" " 火電廠發變組保護配置現狀

目前，大型火力發電機組發變組保護用電流互感器為電磁式電流互感器，根據《繼電保護和安全自動裝置技術規程》（GB/T 14285—2006）要求[3]，100 MW及以上容量的發變組裝設數字式保護時，除非電量保護外，應雙重化配置。

圖1所示為某300 MW火電機組發變組雙重化保護用互感器配置情況（其他非用于發變組保護的互感器未示意），其中，保護用電流互感器均采用雙套配置方案，即TA01、TA03、TA06、TA11、TA13、TA21為第一套保護用電流互感器，TA02、TA04、TA05、TA12、TA14、TA22為第二套保護用電流互感器；雙重化的發電機保護所需的發電機出口電壓分別取自TV1和TV2，TV3同時用于雙套的發電機匝間保護；雙重化的主變保護所需的主變高壓側電壓分別取自TV4的不同二次線圈；接地變二次側實現發電機啟停機保護（16L）及基于不同原理雙套配置的定子接地保護（64G1、64G2、64G3）；雙重化轉子接地保護分別采用注入式和乒乓式配置在勵磁系統中。

發變組差動保護作為機組的主保護，對采集電流的暫態特性要求較高，如圖1所示，發電機差動保護（87G）電流取自TA01（TA02）與TA06（TA05），主變差動保護（87T）電流取自TA06（TA05）與TA21（TA22），該部分差動保護用電流互感器均選用TPY級以滿足暫態特性要求，其中發電機主回路的電流互感器二次側額定電流值選取為5 A，主變高壓側的電流互感器二次側額定電流值選取為1 A。用于發電機逆功率（32G）及程跳逆功率保護（37G）的TA03（TA04）選用0.2S級，用于主變零序過流保護（51TN）的TA11（TA12）和主變間隙零序過流保護（51N1GT）的TA13（TA14）選用P級。

TA01和TA02兩組電流互感器安裝于發電機中性點側，TA03～TA06四組電流互感器安裝于發電機出口側。目前，大型火力發電機組發電機常采用高壓出線套管結構，從發電機底部出線，對應以上六組電流互感器均采用吊裝方式吊裝在發電機底部罩殼下方，如圖2所示。TA01～TA06的二次側接線引至布置于發電機旁的發電機CT端子箱后，再轉接至相應的保護裝置。

TV1～TV3三組發電機出口電壓互感器分別組柜，布置在發電機旁，電壓采取從發電機出口封母T接的方式引入電壓互感器柜，另在發電機旁設發電機出口PT端子箱作為轉接箱，將TV1～TV3的二次側電壓轉接至相應的保護裝置。

TA11和TA12兩組電流互感器安裝于主變高壓側中性點套管內，二次側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間隙接地保護裝置內；另在主變旁設主變端子箱作為轉接箱，將TA11～TA14的二次側電流轉接至相應的保護裝置。

主變間隔高壓配電裝置為戶外布置，當采用GIS結構時，TA21、TA22及TV4均封裝于主變間隔GIS裝置內，如圖3（a）所示；當主變間隔高壓配電裝置采用隔離式斷路器結構時，TA21、TA22及TV4均為支柱式安裝，如圖3（b）（c）所示。對于GIS結構，互感器二次側電流/電壓通常引至GIS匯控柜后再接至相應保護裝置；對于隔離式斷路器結構，需另配置斷路器端子箱及PT端子箱作為轉接箱，互感器的二次側電流/電壓轉接至相應的保護裝置。

目前，大型火力發電機組的發變組保護裝置常組柜布置在主廠房內的機組電氣繼電器室，各CT、PT的接線箱就近布置在主設備附近，其中，發電機CT、PT端子箱也位于主廠房內，通常與機組電氣繼電器室距離較近，不足200 m；主變間隔高壓配電裝置則遠離主廠房，對應的各CT、PT轉接箱體與發變組保護裝置的距離常在200 m以上。

2" " 全光纖電流互感器原理

全光纖電流互感器（Fiber-Optical Current Transformer，FOCT）以圍繞被測載流導體的光纖為電流敏感單元。基于法拉第磁光效應的光學電流互感器的測量原理是對被測電流i周圍磁場強度的線性積分，即線偏振光通過磁光介質時，在磁場H的作用下其偏振面旋轉了φ角度[4]，結合安培環路定理可知，旋轉角度為：

式中：V為磁光介質的費爾德常數；l為通光路徑長度；N為圍繞通流導體閉合光路的圈數；i為電流。

對于特定的磁光介質，其費爾德常數V為恒定數值，因此由式（1）可知，偏振光的旋轉角大小與電流大小及光纖環路的匝數成正比。

如圖4所示，基于Sagnac反射結構的全光纖電流互感器光路主要由光源、光電探測器、耦合器、起偏器、相位調制器、保偏光纖延遲環、光纖波片及傳感光纖（含反射膜）組成，光源依次經過耦合器、起偏器、45°熔接點，形成兩個互相垂直、大小相等的偏振光。這兩個正交模式的線偏振光在調制解調器處受到相位調制后，經過λ/4波片分別轉變為左旋和右旋的圓偏振光，并進入傳感光纖。在傳感光纖中傳輸時，受被測電流磁場影響，這兩束圓偏振光的相位發生變化，當傳輸至反射鏡處時發生反射，兩束圓偏振光發生模式互換，然后再次穿過傳感光纖，使法拉第效應產生的旋轉角加倍[5]。當兩束圓偏振光再次經過λ/4波片后，恢復為線偏振光，并在偏振器處發生干涉，最終得到的光波信號相位差為：

經過整個光路，線偏振光的旋轉角增大為4倍的法拉第相移，極大地提高了系統的靈敏度。通過測量該偏轉角，就可以間接地測量出導體中的電流值。

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構上不再采用鐵芯結構，不存在磁飽和、剩磁、鐵磁諧振等帶來的測量誤差問題，具有較好的低頻傳變特性和暫態特性；全光纖電流互感器將電流量轉換為數字量進行傳輸，也不存在二次側開路過電壓的問題，安全性能高；且傳感元件為柔性結構，能較好地適應狹小空間的安裝環境，安裝方式靈活。

3" " 基于全光纖電流互感器的火電廠發變組保護配置分析

針對發電機主回路電流互感器二次側額定電流值在不同規范中要求不一致，以及適用于大型火電機組發電機主回路的二次側額定電流值為1 A的電磁式電流互感器生產安裝困難的問題，本文提出將發變組保護用電磁式電流互感器替換為全光纖電流互感器的設想，并對基于全光纖電流互感器的發變組保護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良的暫態特性，因此，考慮將發變組保護中對電流互感器暫態特性要求較高的保護用電流互感器（圖1中TPY級電流互感器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）仍采用傳統的電磁式電壓互感器。

3.1" " 基于FOCT的繼電保護系統結構

基于全光纖電流互感器的繼電保護系統可分為光纖傳感環、采集單元、合并單元及保護裝置四個部分，如圖5所示。

光纖傳感環可以看作互感器的一次側，用于將電流量轉換為光的相位偏轉角度，含傳感光纖、λ/4波片及反射鏡，在實際應用中，對于外置式的電流互感器還包括固定整體結構用的外殼。

采集單元則為互感器的二次側，由光源、耦合器、起偏器、相位調制器、延遲光纖及調制電子電路等組成，用于發射及接收光信號，對信號進行處理并將被測電流值處理為數字量后輸出。

合并單元是用來對來自二次轉換器的電流或電壓數據進行時間相關組合的物理單元[6]，在基于全光纖電流互感器的繼電保護系統中，合并單元可將不同傳感器采集到的模擬量信號或光數字信號組合成同一時間斷面的數據，再將這部分數字信號按照IEC 61850-9-2規約以統一的數據格式提供給保護裝置。目前，普遍采用插值法對采樣數據進行同步，即采集單元異步采樣，不同采集單元間時間不同步，各采集單元采集的數據發送到合并單元后，合并單元給各數據幀打入時標，再利用插值算法計算出各路測量信號在同一時刻的采樣值。在智能變電站中，合并單元通常按照間隔來設置，即同一間隔內的電流、電壓信號均接入同一合并單元。

保護裝置是整套繼電保護系統的核心，系統采集的電流、電壓量最終進入保護裝置進行計算、整定及出口。對于同一套繼電保護系統需接入多個合并單元的情況，除各合并單元需對本間隔內的電流、電壓數據進行同步外，還需要將各合并單元間的數據進行同步，這一同步功能由保護裝置采用與合并單元類似的延時補償、插值重采樣等數據處理方法完成[7]。

在傳統發電廠繼電保護系統中，電磁式互感器以模擬量數據將電流、電壓量通過電纜直接接入到保護裝置，模擬量在電纜中的傳播速度接近光速，可認為幾乎沒有延時，即保護裝置接收到的各路采樣值是同步的。當引入全光纖電流互感器后，全光纖電流互感器將電流量轉換為數字量，通過光纜接入到保護裝置，但互感器的光纖傳感環、合并單元的數據處理單元等回路均會導致數據延時。因此，在基于全光纖電流互感器的火電廠發變組保護配置中，需考慮保護裝置接收到的模擬量與數字量數據不同步的問題。目前，對于混合數據源的繼電保護系統，普遍采用的技術方案為，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換為數字量后接入保護裝置，在保護裝置中再對各合并單元的數據實現同步[8]。結合大型火力發變組的雙重化保護要求，并參考智能變電站設計中對雙采樣系統的要求[9]，提出基于全光纖電流互感器的大型火電廠發變組保護配置結構，如圖6所示（非用于發變組保護的互感器未示意）。

3.2" " 基于FOCT的火電廠發變組保護系統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

與傳統電磁式電流互感器配置相同，考慮發變組保護的雙重化，在每個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工程，即發電機主回路處吊裝在發電機下端；主變間隔斷路器處根據配電裝置結構選型選擇內嵌式安裝或外置式安裝。同時，對發電機主回路處電流互感器的組合結構進行優化，將一組全光纖電流互感器與一組0.2S級電磁型電流互感器組合安裝在同一支撐平板上，發電機出口側每相共配置兩組該結構形式的組合型電流互感器，極大地降低了發電機出口側電流互感器的安裝空間需求。該結構形式使得發電機出口側電流互感器排序與常規配置略有不同，即從發電機出口側往主變側依次為0.2S級電磁型、5TPE級FOCT、0.2S級電磁型、5TPE級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接入合并單元，每個采集單元需配置兩路能獨立工作的采樣系統，每路采樣系統均應包括A/D、D/A，每個采集單元的兩路采樣數據送入同一個合并單元，如圖7所示。采集單元與FOCT的光纖傳感環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較長時間維持偏振態不變的特殊光纖，從經濟性角度考慮，常規配置中會將采集單元布置在光纖傳感環附近，組柜式安裝。由于發電機與機組電氣繼電器室距離較近，而主變間隔高壓配電裝置離機組電氣繼電器室較遠，離網絡保護小室較近，因此圖6中TA01、TA02、TA04、TA06對應的12個采集單元可組一面機柜布置在機組電氣繼電器室，TA21和TA22對應的6個采集單元可組一面機柜布置在網絡保護小室，TA41和TA42對應的6個采集單元可組一面就地設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

每個具有雙采樣系統的采集單元輸出兩路采樣數據進入同一個合并單元，因此，對應的合并單元需具有雙通道接入條件。合并單元根據輸入數據類型可分為模擬量合并單元及數字量合并單元，對于全光纖電流互感器回路，配置數字量合并單元，對于電磁式電流/電壓互感器回路，配置模擬量合并單元。數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。

對于發電機部分，考慮將數字量合并單元1A/1B分別與對應的發變組保護裝置合并組屏，布置在機組電氣繼電器室，而從節省電纜的角度出發，可將模擬量合并單元2A/2B均組柜布置在發電機附近。

對于主變及高廠變部分，模擬量合并單元3A/3B和數字量合并單元4A/4B均可與TA41和TA42的采集單元共同布置在變壓器區域的就地設備柜內。

對于主變間隔部分，模擬量合并單元5A/5B和數字量合并單元6A/6B均可與TA21和TA22的采集單元共同組屏布置在網絡保護小室。

3.2.4" " 發變組保護裝置安裝位置分析

基于FOCT的發變組保護裝置需實現與普通發變組保護裝置相同的保護功能，與普通裝置略有不同的地方在于，它需要實現各合并單元間的數據同步采集功能，且信號采集接口為光口。與常規火電機組相同，發變組保護裝置按照電量保護雙重化配置，雙套分別組柜安裝于機組電氣繼電器室，與合并單元間通過光纖連接。

結合工程實際情況，合理配置及布置各子單元設備，可在保證整體系統運行可靠性的前提下，節省硬接線電纜，推動火力發電廠向全方位數字化發展。

4" " 結語

本文探討了大型火力機組發電機主回路電磁式電流互感器變比選擇存在的問題，介紹了基于全光纖電流互感器的繼電保護原理及結構，并根據大型火電機組發變組繼電保護的基本配置，提出了將全光纖電流互感器應用于大型火電機組發變組保護回路的整體拓撲結構設想，分析了各子系統的配置情況和安裝位置，為火電機組的智能化發展提供了新思路。

全光纖電流互感器在火電機組繼電保護中的實際應用已有所嘗試，但尚未能完全替代電磁式電流互感器。隨著火電機組向數字化、智能化的不斷推進以及全光纖電流互感器技術的飛速發展，全光纖電流互感器在火電機組繼電保護中的應用必將越來越廣泛。

[參考文獻]

[1] 電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程：DL/T 866—2015[S].

[2] 互感器 第2部分：電流互感器的補充技術要求：GB 20840.2—2014[S].

[3] 繼電保護和安全自動裝置技術規程：GB/T 14285—2006[S].

[4] 肖智宏.電子式互感器原理與實用技術[M].北京：中國電力出版社，2018.

[5] 劉延冰，李紅斌，余春雨，等.電子式互感器原理、技術及應用[M].北京：科學出版社，2009.

[6] Instrument Transformers-Part 8：Electronic Current Transformers：IEC 60044：Part 8—2002[S].

[7] 白瑞，王亮，白雪婷.智能站合并單元采樣方式問題探討[J].山西電力，2018（4）：19-22.

[8] 劉益青，王林先，高偉聰.實現模擬量與數字量混合接入的同步采樣方法：CN103792419A[P].2014-05-14.

[9] 智能變電站繼電保護技術規范：Q/GDW 441—2010[S].

收稿日期：2022-09-23

作者簡介：許文笛（1990—），女，湖北黃岡人，碩士研究生，工程師，主要從事火力發電廠電氣控制及繼電保護設計和研究工作。