劉順新 潘良勝 文振華

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機電工程學(xué)院1,河南 鄭州 450015;許繼集團有限公司2,河南 許昌 461000)

直流輸電換流站中的電流互感器配置研究

劉順新1潘良勝2文振華1

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機電工程學(xué)院1,河南 鄭州 450015;許繼集團有限公司2,河南 許昌 461000)

對高壓直流輸電(HVDC)中的電流測量進行了研究。通過對相關(guān)的測量方法和測量裝置的分析,實現(xiàn)了對高壓直流輸電換流站中的電流互感器的配置設(shè)計;并結(jié)合錦蘇工程的建設(shè),對該工程用到的測量裝置進行了分析。工程建設(shè)證明了該配置設(shè)計的可行性和合理性,對今后特高壓直流輸電工程中電流測量設(shè)備的配置方案具有很好的理論指導(dǎo)意義和良好的工程使用價值。

特高壓 直流輸電 電流測量設(shè)備 電流互感器 配置方案

0 引言

20世紀50年代,高壓直流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中首次被提出,在經(jīng)過半個世紀的研究積累,電力電子技術(shù)的新技術(shù)不斷涌現(xiàn),直流輸電技術(shù)在超大容量、超遠距離輸電技術(shù)方面顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。而電流互感器是在特高壓直流輸電系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵測量裝置。直流電流測量裝置承擔(dān)著直流系統(tǒng)的電能計量、電力監(jiān)控,同時為電力系統(tǒng)繼電保護提供信號,對于換流站和整個輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行起著至關(guān)重要的作用。與交流互感器相比,換流站的直流電流測量裝置技術(shù)更為復(fù)雜[1]。

隨著近代光電子、光纖通信技術(shù)的發(fā)展,采用光電測量技術(shù)可以解決高壓絕緣和抗外界電磁干擾兩大問題[2]。本文以錦屏-蘇南±800 kV特高壓直流輸電工程為依托,對各類電流測量裝置,尤其是直流電流測量裝置的測量原理以及技術(shù)特點進行了深入研究。結(jié)合蘇州換流站各處的電流特點,給出了蘇州換流站電流測量裝置的配置方案,并著重分析了純光纖電流互感器在蘇州換流站的首次應(yīng)用。本文研究內(nèi)容對推動提高特高壓輸電工程自主化建設(shè)具有重要意義。

1 高壓直流電流測量方法

在高壓直流輸電工程中,直流電流測量方法按原理可分為兩大類:一是歐姆定律法;二是電磁感應(yīng)法。

歐姆定律法是根據(jù)被測電流流過已知電阻會產(chǎn)生壓降并通過計算來算出電流的大小,現(xiàn)場測量一般使用分流器[3]。通過將分流器串聯(lián)在被測電流回路中,用一個電壓表來測量分流器上的壓降,通過電壓表的讀數(shù),根據(jù)歐姆定律計算出被測電流值的大小。

運用電磁感應(yīng)法測量直流電流主要通過直流電流互感器。其是利用鐵心線圈中鐵心受直流和交流電流共同磁化時的非線性和非對稱性,通過整流電路,將通過線圈的直流大電流按匝數(shù)反比變換成直流小電流[4]。該類型直流電流互感器與分流器相比具有運行可靠、性能穩(wěn)定、不易出故障、負載承受力較強等優(yōu)點。

2 直流電流測量設(shè)備

直流電流測量設(shè)備用于測量高壓直流電流,在換流站中,直流電流互感器一般安裝于直流線路出線端、閥廳內(nèi)不同電壓母線上、中性線及接地極引線處。直流電流互感器輸出信號用于直流系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)。除了要求互感器本體有足夠的絕緣強度外,還需要抗電磁干擾性能強、測量精度高和響應(yīng)時間快等[5]。特高壓直流測量裝置的類型有電子式電流互感器和電磁式電流互感器。電子式電流互感器可分為無源電子式電流互感器和有源電子式電流互感器。無源電子式電流互感器即光學(xué)式電流互感器,通常采用法拉第磁光效應(yīng)原理。有源電子式電流互感器即光電式電流互感器,是一種基于分流電阻原理、利用有源器件調(diào)制技術(shù)、以光纖為信號傳輸媒介的電流互感器。

2.1 零磁通電流互感器

零磁通直流電流互感器主要由飽和電抗器、輔助交流電源、整流回路和負載電阻等元件組成,它分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種類型。直流電流互感器實質(zhì)上是利用安匝相等原理工作的飽和電抗器。由于電抗器磁芯材料的矩形系數(shù)很高,矯磁力較小,當主回路直流電流變化時,將在負載電阻上得到與一次電流成比例的二次直流信號。

2.2 光電式電流互感器

光電式電流互感器的主要組成部分為一次測量回路、光電模塊、信號傳輸光纖以及光接口模塊。光電式電流互感器通過測量回路得到電流信號所對應(yīng)的電壓信號,然后光電模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并通過光纖將數(shù)字信號發(fā)送給低電位側(cè)的接收單元。光電互感器原理圖如圖1所示。

圖1 光電互感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of photoelectric CT

通常,根據(jù)控制保護系統(tǒng)的要求,測量設(shè)備要有一定的冗余配置。依據(jù)要求,光電式測量設(shè)備的遠端模塊和光電接口模塊都會有兩套。由于不同測量位置的電流特點差別很大,因此,當光電式傳感器測量不同的電流時其高壓測量回路也不相同。通常采用以下形式:分流電阻器;電流互感器和分流電阻器;分流電阻器和Rogowski線圈;Rogowski線圈。如圖1所示,光電式電流互感器分流器與載流導(dǎo)體串接。電流通過時分流器上產(chǎn)生了相應(yīng)的電壓降,光電模塊將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行電光轉(zhuǎn)換,然后通過光纖將信號發(fā)送到互感器的低壓側(cè)光電接口單元,通過光電轉(zhuǎn)換后將信號發(fā)送到控制保護系統(tǒng)。能量光纖為高壓側(cè)元件供能。

2.3 光學(xué)式電流互感器

光學(xué)式電流互感器又稱為全光纖直流電流互感器,其根據(jù)法拉弟磁光效應(yīng)原理來測量電流。全光纖電流互感器全回路均為光纖,在絕緣性能、抗電磁干擾、可靠性等方面具有很大優(yōu)勢,而且不含有交流線圈,不存在開路危險。全光纖電流互感器的測量基于以下三個原理:法拉第磁光效應(yīng)、Sagnac干涉測量法、安培定理(磁場和電流的關(guān)系)。

法拉第磁光效應(yīng)的基本特征可以通過圖2說明。當一束普通光通過一個光偏振器后,原來的光變成一束沿固定偏振方向振動的光波(圖中的偏振光為垂直方向)。當這束偏振光進入光纖時,如果沒有外界磁場存在,它會保持其進入光纖式的偏振方向;如果光纖處于磁場中,具有法拉第磁光效應(yīng)的光纖就會使偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),其偏轉(zhuǎn)角度和外界磁場的強度有關(guān)[7]。如果在光纖的出口處放置一個光檢偏器,我們就能夠測量其偏轉(zhuǎn)角度,從而推算出磁場的強度。但因為光學(xué)元件的震動、溫度造成光纖特征的變化以及測量偏振角本身的誤差,使得直接測量偏振轉(zhuǎn)角的方法很難達到很高的精度。

圖2 法拉第磁光效應(yīng)Fig.2 Faraday magneto-optical effect

同光程原理和Sagnac干涉測量法。同光程原理是指光從一點出發(fā),通過一系列光學(xué)儀器傳播到空間里的其他一點會聚,其每條光線的光程都是相同的[8]。光程并非簡單地等同于路程,它是以路程除以該處折射率,然后分段相加。每條光線的光程相同。采用雙光束同光程Sagnac干涉法對法拉第磁光效應(yīng)中的磁場進行測量。光纖傳感器部分主要有保偏光纖、1/4波片、感應(yīng)光纖和反射鏡組成。一束沿著X軸偏振的光通過1/4波片后就變成了沿Y軸偏振的光。同樣,一束沿Y軸偏振的光通過1/4波片后就變成了逆指針旋轉(zhuǎn)的左旋光。左旋光遇到鏡子后被反射成右旋光,再通過1/4波片后變成了沿X軸偏振的光。在沒有外加磁場的情況下,X軸偏振的光將和Y軸偏振的光經(jīng)過同樣的路徑同時返回起點,兩束光沒有任何相差。在任何時刻,溫度和震動等外界因素對兩束光的影響都是一樣的,不會產(chǎn)生任何相差。而當有如圖2所示的磁場存在時,右旋光順磁場或左旋光逆磁場都會被加速,而右旋光逆磁場或者左旋光順磁場都會被減速。這使得X軸偏振的光越來越快,而Y軸偏振的光越來越慢。通過測量兩束光的相差,可以精確計算出磁場的強度,而又能避免直接測量偏轉(zhuǎn)角帶來的誤差。

3 工程實例

直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行很大程度上取決于換流站上所配置的直流控制保護系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng),而直流控制保護系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)又取決于換流站的測量系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)條件下測量的準確度和可靠性。需結(jié)合換流站各保護區(qū)域的需求,配置相應(yīng)類型的交流和直流測量裝置,才能形成完善的測量系統(tǒng)[9]。本文詳細分析了錦蘇工程蘇州換流站直流系統(tǒng)各區(qū)域的保護功能,針對各處對測量設(shè)備的技術(shù)要求,詳細分析了蘇州換流站電流測量系統(tǒng)的配置方案。

3.1 蘇州換流站主接線

錦屏-蘇南±800 kV特高壓直流輸電工程是雙極直流輸電系統(tǒng),額定容量7 200 MW,額定電壓±800 kV,最高運行電壓±816 kV,額定電流4 500 A,于2012年底雙極投產(chǎn)。

蘇州換流站為受端系統(tǒng),負責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。800 kV的蘇州換流站每極由2個12脈動閥組串聯(lián)接線(400 kV+400 kV)。換流變壓器的容量為(24+4)× 340 MA。換流變?nèi)菪詿o功補償容量為4 300 MVar,分四大組,每小組容量按不大于270 MVar配置。500 kV交流開關(guān)場采用一個半斷路器連線,按7個完整串建設(shè),換流站500 kV交流回線6回,其中至蘇州西變2回、至500 kV吳江變3回、500 kV車坊變1回。蘇州換流站每極高、低端12脈動換流閥兩端設(shè)計電壓相同,12脈動換流閥兩端連接直流開關(guān)設(shè)備,通過直流開關(guān)設(shè)備的操作可以投入或退出該12脈動斷路器,實現(xiàn)運行方式的轉(zhuǎn)換和運行故障的隔離清除。

蘇州換流站劃分為交流開關(guān)場區(qū)域、交流濾波器場、變壓器和閥廳區(qū)域、直流開關(guān)場區(qū)域4個主要區(qū)域[10]。蘇州換流站的交流開關(guān)場區(qū)域采用的設(shè)備為氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated substation, GIS)。由于交流開關(guān)區(qū)域的互感器封裝在組合電器中,本文不對交流開關(guān)場區(qū)域的互感器進行分析配置。

3.2 脈動換流器保護區(qū)電流互感器配置

蘇州換流站的12脈動換流器保護區(qū)的保護功能和電流互感器配置如圖3所示。該保護區(qū)域所配置的電流互感器分別位于:閥廳內(nèi)中性母線、閥廳內(nèi)400 kV母線、閥廳內(nèi)800 kV極線、戶外直流場的中性線。

其中配置于閥廳內(nèi)中性母線、閥廳內(nèi)400 kV母線、閥廳內(nèi)800 kV極線的互感器為NXCT純光纖電流互感器。

圖3 脈動換流器保護區(qū)電流互感器配置圖Fig.3 CT configuration for pulsating converter protection zone

3.3 極保護區(qū)電流互感器配置

極保護區(qū)電流互感器配置具體情況如圖4所示。配置情況如下:①在閥廳內(nèi)中性母線、閥廳內(nèi)400 kV母線、閥廳內(nèi)800 kV極線、戶外直流濾波器高壓進行回路處配置純光纖電流互感器;②在戶外直流場中性線配置零磁通電流互感器;③在直流濾波場避雷器、中性線電容器和避雷器處配置電磁式電流互感器。

圖4 極保護區(qū)電流互感器配置圖Fig.4 CT configuration for polar protection zone

3.4 雙極保護區(qū)電流互感器配置

雙極保護區(qū)電流互感器配置如圖5所示。

圖5 雙極保護區(qū)電流互感器配置圖Fig.5 CT configuration for double-polar protection zone

雙極保護區(qū)電流互感器的配置情況如下:在戶外直流場中性線、中性線臨時接地開關(guān)處、接地極線路處內(nèi)置零磁通電流互感器;接地極線路避雷器處內(nèi)置電磁式電流互感器。

3.5 直流濾波器保護區(qū)互感器配置

直流濾波器保護區(qū)的功能配置和電流互感器配置具體情況如圖6所示。直流濾波器保護區(qū)電流互感器的配置情況如下:在直流濾波器進線光CT、直流濾波器不平衡光CT、濾波器內(nèi)回路上配置低壓電流互感器[11]。

圖6 直流濾波區(qū)互感器配置圖Fig.6 CT configuration for DC filtering zone

4 結(jié)束語

特高壓直流輸電具有超遠距離、超大容量、低損耗的送電能力,且調(diào)節(jié)靈活,更適合于大型水電、火電基地向遠方負荷中心送電,能夠提高資源的開發(fā)和利用率,符合我國國情和國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。根據(jù)錦蘇工程的建設(shè),對該工程所用到的各類直流電流測量裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點進行了深入研究,主要包括電磁式電流互感器、零磁通式電流互感器、光電式電流互感器、全光纖式電流互感器等。結(jié)合錦蘇直流輸電工程同里換流站的直流控制保護系統(tǒng)的特點,及其對測量裝置性能的要求,對各類直流測量裝置在換流站各區(qū)域的配置進行了深入的研究,并給出了不同電流測量裝置在各個區(qū)域的配置方案。

[1] 劉振亞.特高壓直流電氣設(shè)備[M].北京:中國電力出版社, 2009:42-45.

[2] 趙婉君,謝國恩,曾南超.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2005:290-301.

[3] Rahmatian F.Design and application of optical voltage and current sensors for relaying[C]∥2006 IEEE PES Power Systems Conference and Exposition,Atlanta,GA,USA.2006:532-537.

[4] 李巖,朱靜,周曉琴.HVDC換流站電流特性分析及測量裝置的選取[J].高電壓技術(shù),2009,35(5):1183-1187.

[5] 李學(xué)鵬,方靜,李巖.±800kV直流換流站直流側(cè)接線及設(shè)備配置方案探討[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(6):30-34.

[6] 謝明磊,丘東元,張波.分布式多路動態(tài)諧波監(jiān)測裝置的原理和實現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用,2008,27(12):81-84.

[7] 姜素霞,李春文,崔光照,等.高壓直流輸電系統(tǒng)中換流器的非線性控制及仿真研究[J].電氣應(yīng)用,2008,27(5):72-75.

[8] 程炯,楊世貴,程航.光電流互感器在直流輸電中的應(yīng)用及故障分析[J].電力科學(xué)與工程,2008,24(10):60-67.

[9] 宋文勝,馮曉云,劉志敏.單相PWM整流器的特定諧波改善控制方法[J].電氣應(yīng)用,2008,27(12):45-48.

[10] 楊勇.高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景[J].電力自動化設(shè)備,2001,21(9):58-60.

[11] 李戰(zhàn)鷹,任震.基于三脈波模型的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波分析及濾波方案設(shè)計[J].繼電器,2004,32(23):15-17.

Research on the Configuration of Current Transformers in HVDC Converter Station

The current measurement in HVDC has been researched.Through analyzing relevant measurement methods and measurement devices,the configuration of current transformers(CT)in HVDC converter station is designed,and combining with the construction of Jinsu engineering project,the measurement devices used in this project are analyzed.This construction shows that the design of configuration is feasible and reasonable;it possesses good guidance for configuring current measurement equipment in UHVDC transmission projects in the future,and engineering applicable values.

Ultra-high voltage Direct current transmission Current measuring equipment Current transformer Configuration scheme

TM452

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號:51105344);

航空科學(xué)基金資助項目(編號:2012ZB55003);

河南省科技攻關(guān)基金資助項目(編號:122102210431);

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點研究基金資助項目(編號:14A590001)。

修改稿收到日期:2014-04-30。

劉順新(1978-),男,2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)電機與電器專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要研究方向為電氣設(shè)備的設(shè)計和故障診斷。