(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

超特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展起源于20世紀(jì)60年代。瑞典查爾穆斯理工(Chalmers)大學(xué)于20世紀(jì)60年代中期開始著手研究超、特高壓(±750 kV)輸電線路等工作。此后，歐洲的前蘇聯(lián)、南美洲的巴西等國(guó)也投入到超特高壓輸電工程的研究和工程實(shí)踐工作中來[1]。IEEE(美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì))和CIGRE (國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議)均在20世紀(jì)80年代中后期指出[2]：根據(jù)已有技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), ±500 kV、±800 kV均是合適的直流輸電電壓等級(jí)[3]。中國(guó)歷時(shí)數(shù)年對(duì)高壓直流輸電的電壓等級(jí)多方研究論證并進(jìn)行不斷技術(shù)攻關(guān)，同時(shí)考慮到對(duì)直流輸電技術(shù)的研發(fā)水平和直流設(shè)備的研究及生產(chǎn)能力，堅(jiān)定了必須明確一個(gè)特高壓直流輸電等級(jí)作為方向，并最終鎖定±800 kV為中國(guó)特高壓直流輸電的標(biāo)稱電壓[4]。

直流互感器是直流輸電系統(tǒng)的重要一次設(shè)備[5]，為系統(tǒng)的控制和保護(hù)提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量信息，其運(yùn)行可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確性直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。為了開展直流換流站電流傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，需研究現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用電流源的技術(shù)要求、適用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)裝置類型和結(jié)構(gòu)、測(cè)量線路和誤差處理方法及大電流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)技術(shù)[7]。目前已投運(yùn)的換流站采用的直流互感器大部分均為進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化水平偏低[8]，在實(shí)際運(yùn)行中，部分換流站的直流互感器多次出現(xiàn)故障，有些故障直接導(dǎo)致了直流系統(tǒng)的單極閉鎖。然而目前換流站用直流互感器一般只進(jìn)行過出廠校準(zhǔn)試驗(yàn)，由于缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)手段和試驗(yàn)設(shè)備，且無相關(guān)直流互感器標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)監(jiān)督規(guī)程可依，直流互感器在國(guó)內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)和例行校準(zhǔn)的條件十分匱乏。

圖1 換流站直流部分接線圖

1 直流換流站中直流電流互感器概況

目前已投運(yùn)換流站使用的直流電流互感器按原理分為光電流互感器(OTA)與零磁通直流電流互感器(零磁通TA)，它們的特點(diǎn)不同，TA易于解決絕緣的問題，零磁通TA的準(zhǔn)確度比較高，因而將它們應(yīng)用于換流站不同位置。OTA主要用于直流閥廳內(nèi)極線、直流場(chǎng)極線以及直流濾波器高壓側(cè)回路的電流測(cè)量。零磁通式直流電流互感器用于閥廳內(nèi)直流中性線、直流場(chǎng)中性線以及直流場(chǎng)NBGS開關(guān)的電流測(cè)量[9]。圖1是某換流站直流部分的接線圖，可以看到，直流電流互感器在換流站中應(yīng)用十分廣泛。

2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)設(shè)備

用于超高壓直流換流站直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的裝置分為兩類：一類是現(xiàn)場(chǎng)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，主要是直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置——直流電流比較儀；另一類就是校準(zhǔn)用輔助設(shè)備，包括現(xiàn)場(chǎng)用高穩(wěn)定度直流電流源[10]和無線同步數(shù)據(jù)采集裝置。

2.1 直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)

校準(zhǔn)0.2級(jí)的直流電流互感器要求標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度至少應(yīng)達(dá)到0.05級(jí)。磁調(diào)制式直流比較儀[11]是20世紀(jì)60年代加拿大科斯托爾斯(Kusters)首先研制成功的，其準(zhǔn)確度高達(dá)1×10-6以上，現(xiàn)在世界各國(guó)已經(jīng)采用這種直流電流比較儀作為直流電流比較標(biāo)準(zhǔn)[12]。為開展國(guó)內(nèi)超高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，特試制了5 kA直流電流比較儀作為校準(zhǔn)試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)器[13]，該電流比較儀的電流比例準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到2×10-6。在實(shí)際校準(zhǔn)試驗(yàn)中，該直流電流比較儀要外接負(fù)荷電阻，使得比較儀可以輸出電壓。校準(zhǔn)試驗(yàn)中采用的負(fù)荷電阻為0.01級(jí)高精度電阻，因此直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置的整體準(zhǔn)確度優(yōu)于0.02%。

2.2 高穩(wěn)定度直流電流源

隨著國(guó)內(nèi)超高壓直流輸電工程的陸續(xù)投運(yùn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)電流互感器校準(zhǔn)的直流電流源要求越來越高。不僅需要該類電源的輸出電流能夠在零到額定范圍內(nèi)連續(xù)并且可調(diào)，而且還要保證其輸出電流的高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度，同時(shí)為了滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)際需求，還盡量要求此類電源體積小、重量輕、可靠性高。

為提高電流源的輸出電流的精度，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)用所設(shè)計(jì)制造的5 kA高穩(wěn)定度直流電流源使用直流電流比較儀作為采樣環(huán)節(jié)，并增加PI控制環(huán)節(jié)，減小給定電流與輸出電流的誤差。三相交流電經(jīng)過三相不控整流、DC/AC高頻逆變器、高頻變壓器輸出再經(jīng)過全波不控整流、濾波最終得到所需直流電流，原理如圖2所示。

圖2 高穩(wěn)定直流電流源電路框圖

圖3 GPS無線同步數(shù)據(jù)采集裝置原理圖

2.3 同步數(shù)據(jù)采集裝置

在直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)的輸出與被校準(zhǔn)互感器的輸出分別位于直流場(chǎng)與控制室，當(dāng)被校準(zhǔn)互感器的二次輸出為模擬信號(hào)時(shí)，為了能夠同步測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)輸出和被校準(zhǔn)互感器的輸出，需要使用GPS無線同步觸發(fā)測(cè)量技術(shù)。

該裝置由主(從)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、GPS同步時(shí)鐘裝置、高精度數(shù)字萬用表等幾個(gè)部分組成，其中主機(jī)通過Labview平臺(tái)(虛擬儀器技術(shù))與GPS裝置、高精度數(shù)字萬用表進(jìn)行接口。利用該裝置進(jìn)行直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，主機(jī)置于直流場(chǎng)，從機(jī)位于控制室，兩者通過無線通訊技術(shù)連接。

3 直流電流互感器校準(zhǔn)方法(異地同步測(cè)量法)

3.1 測(cè)量原理

當(dāng)被校準(zhǔn)直流電流互感器的輸出與標(biāo)準(zhǔn)器的輸出由于場(chǎng)地的限制相距較遠(yuǎn)時(shí)，建議采用本方法。如圖4所示，1為標(biāo)準(zhǔn)直流電流比較儀；2為被校準(zhǔn)直流電流互感器；3為標(biāo)準(zhǔn)電阻(直流電流比較儀負(fù)荷)；Up為直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)輸出的電壓，信號(hào)取自于直流場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)器側(cè)；Us為被校準(zhǔn)直流電流互感器的二次輸出電壓，信號(hào)取自于控制室。同步測(cè)量?jī)傻氐男盘?hào)并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的一次電流，經(jīng)比較即可得到被校準(zhǔn)直流電流互感器的誤差。這種方法稱之為異地同步測(cè)量法。

圖4 異地同步測(cè)量法校準(zhǔn)直流電流互感器原理圖

電流比值誤差表達(dá)式按式(1)計(jì)算為

(1)

3.2 試驗(yàn)方法

1)當(dāng)被校準(zhǔn)直流電流互感器二次沒有模擬輸出接口時(shí)，只能通過人工方式同步直流場(chǎng)數(shù)字式萬用表和控制室終端顯示的讀數(shù)，此時(shí)對(duì)直流電流源輸出電流的穩(wěn)定度要求很高。為降低讀數(shù)延遲造成的誤差，需采取多次重復(fù)測(cè)量取平均值的方法；

2)當(dāng)被校準(zhǔn)直流電流互感器二次具有模擬輸出接口時(shí)，采用GPS無線同步數(shù)據(jù)采集裝置(見圖3)同步測(cè)量?jī)傻匦盘?hào)，此時(shí)由于同步精度很高，對(duì)電流源輸出電流的穩(wěn)定度要求可以降低。

4 直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

使用異地同步測(cè)量法和上述試驗(yàn)設(shè)備對(duì)±500 kV德陽換流站內(nèi)極線上的OTA進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，注入電流主回路長(zhǎng)度約為50 m，主回路連接導(dǎo)線采用3根額定1 000 A大電流導(dǎo)線并聯(lián)。測(cè)量點(diǎn)為額定電流的0、10%、20%、50%、80%、100%。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 ±500 kV 德陽換流站極線OTA測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 ±500 kV 德陽換流站極線OTA試驗(yàn)場(chǎng)景

分析此次校準(zhǔn)試驗(yàn)，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)德陽極I光電流互感器(OTA)在10%額定電流點(diǎn)出現(xiàn)超差，且兩通道輸出數(shù)據(jù)差距較大，考慮到分流器本身的線性度優(yōu)良，應(yīng)當(dāng)是信號(hào)處理與傳輸環(huán)節(jié)引入的誤差，需要通過現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整；

(2)不同光電流互感器(OTA)的誤差-電流曲線則有一定的分散性，這體現(xiàn)了光電流互感器誤差影響環(huán)節(jié)較多的特點(diǎn)，如分流器環(huán)節(jié)、多級(jí)放大環(huán)節(jié)、各級(jí)零點(diǎn)偏置、AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)等等；

(3)OTA的工作環(huán)境溫度范圍為-40 ℃～+50 ℃，如果要在全溫度范圍內(nèi)誤差均滿足0.5級(jí)要求，則OTA的誤差溫度系數(shù)應(yīng)在40×10-6以下。

5 結(jié) 論

(1)測(cè)定直流電流互感器誤差時(shí)，電流上升和下降的誤差變差較小，這表明換流站中直流電流互感器的誤差性質(zhì)較為穩(wěn)定，同時(shí)也在一個(gè)方面證明所采用的誤差校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)設(shè)備的可信度。

(2)通過開展直流互感器投運(yùn)前的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)可以提早發(fā)現(xiàn)直流互感器的故障或隱患，對(duì)于保障中國(guó)直流輸電工程安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。

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