劉 罡，王江波，房 琛，武 珺

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3.大連電力建筑工程公司，遼寧 大連 116021）

換流站用OCT基本原理分析和現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法的研究

劉 罡1，王江波2，房 琛3，武 珺1

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3.大連電力建筑工程公司，遼寧 大連 116021）

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，尤其是直流輸電工程日益增多，有源光電式直流電流互感器（OCT）在國(guó)內(nèi)換流站有了廣泛應(yīng)用。對(duì)OCT的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況給出異地同步測(cè)量法，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

直流互感器；OCT；換流站；異地同步測(cè)量法；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，超高壓和特高壓直流輸電工程日益增多，直流互感器作為關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵設(shè)備已顯得越來(lái)越重要。目前在我國(guó)常用的直流大電流互感器主要有分流器式、飽和電抗器式、霍爾變換器式、直流比較儀式以及磁光效應(yīng)式直流互感器等［1］，其中飽和電抗器式直流互感器雖具有安全穩(wěn)定、二次帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量準(zhǔn)確度較差，需要交流或直流輔助電源，在高壓直流輸電條件下將大大增加其絕緣要求，在高壓計(jì)量和保護(hù)用互感器中應(yīng)用前景不高；基于霍爾變換器式直流互感器目前在冶金行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用，但由于霍爾元件受溫度影響較大，同時(shí)互感器準(zhǔn)確度較差，同樣無(wú)法在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；采用磁光效應(yīng)法的直流互感器技術(shù)門(mén)檻高，造價(jià)昂貴，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有條件下無(wú)法推廣使用；目前，只有基于分流器和直流比較儀式（零磁通）直流互感器在國(guó)內(nèi)換流站中具有廣泛應(yīng)用。本文將主要介紹分流器式直流互感器，該類(lèi)互感器將分流器作為傳感元件，采用光纖作為傳輸介質(zhì)，因此又稱(chēng)為有源光電式直流電流互感器（簡(jiǎn)稱(chēng)OCT）［2］。

1 OCT基本原理和結(jié)構(gòu)

有源光電式直流電流互感器在換流站的應(yīng)用非常廣泛，如直流場(chǎng)極線(xiàn)、閥廳極線(xiàn)等，其額定一次電流可以從幾千安培到幾十安培不等［3］。被測(cè)電流可以是直流電流，也可以為諧波電流，當(dāng)用作直流測(cè)量時(shí)，一般采用分流器作為傳感器。用于直流測(cè)量的OCT原理示意圖如圖1所示，其主要由采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。采集系統(tǒng)主要由分流器、濾波電路、放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路以及電—光轉(zhuǎn)換電路組成，傳輸系統(tǒng)主要為光纖，控制系統(tǒng)主要由合并單元組成［4］。

圖1 OCT基本原理圖

1.1 分流器

常見(jiàn)的分流器是一種四端電阻，中間的多個(gè)圓棒為分流器的錳銅電阻，這是分流器電阻的核心。這種幾何對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)巧妙地消除了引線(xiàn)電阻的影響，減小了計(jì)量誤差。分流器輸出電壓與分流器阻值的比值即為被測(cè)電流，被測(cè)電流的誤差主要受以下3方面影響［5］

a.錳銅阻值的漂移。分流器的主要傳感元件為錳銅電阻，而錳銅電阻本身因受錳銅合金成分不均勻、外界的內(nèi)應(yīng)力和錳銅合金表面氧化作用等因素的影響，阻值往往不穩(wěn)定。而其穩(wěn)定性直接影響分流器的準(zhǔn)確度。為提高其準(zhǔn)確度，通常會(huì)對(duì)加工完成的分流器進(jìn)行老化處理。

b.溫度系數(shù)的影響。由于存在二次電阻溫度系數(shù)，其理論電阻值RT由式（1）確定：

式中：RM為20℃時(shí)分流器的電阻值；T為電阻的溫度；α和β分別為一次和二次電阻溫度系數(shù)。由式（1）可知，錳銅電阻理論電阻值溫度曲線(xiàn)為一開(kāi)口向上的拋物線(xiàn)，因誤差和電阻值成反比，故若只考慮溫度影響可得錳銅電阻理論溫度—誤差曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 錳銅電阻溫度—誤差曲線(xiàn)

c.電流分布不均勻造成的影響。

實(shí)際安裝中，由于分流器結(jié)構(gòu)的不完全對(duì)稱(chēng)及材料的差異，將導(dǎo)致電流分布不均勻，而且這種不均勻會(huì)隨著時(shí)間推移進(jìn)一步發(fā)生變化，這使得分流器電位端子輸出電壓發(fā)生變化，即分流器的誤差發(fā)生變化。

1.2 濾波電路

濾波電路的作用是盡可能減小直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。在OCT采集系統(tǒng)中，有用的信號(hào)頻率范圍在0～2 500 Hz之間，因此它是一個(gè)低通濾波電路，并且保證截止頻率至少要大于5 000 Hz。

1.3 放大電路

OCT的分流器額定輸出信號(hào)一般在幾百mV數(shù)量級(jí)，電磁兼容性較差。為充分利用AD轉(zhuǎn)換芯片的量程，提高數(shù)量采集電路的準(zhǔn)確度，一般都需要合適的放大電路。該放大電路的基本要求為低噪聲、低失調(diào)和低溫漂。

1.4 A／D轉(zhuǎn)換電路

A／D轉(zhuǎn)換電路的采樣脈沖或同步脈沖均由低壓側(cè)提供。通常采樣脈沖和激光供能共同采用一根光纖。每隔一個(gè)采樣周期或同步周期，短暫地停止激光器供電。高壓側(cè)電路提取該脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成采樣脈沖用于控制A／D轉(zhuǎn)換器。

1.5 電—光轉(zhuǎn)換電路

具體分為電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊。高壓側(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)電光轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)；相應(yīng)地在低壓側(cè)有一光電轉(zhuǎn)換模塊，將光纖傳入的光信號(hào)恢復(fù)為數(shù)字的電信號(hào)，以供控制模塊進(jìn)行處理。

1.6 控制電路

控制電路主要由合并單元組成。合并單元主要有兩個(gè)作用：一是提供激光供能。直流輸電系統(tǒng)的高壓側(cè)一次電流為直流，因此無(wú)法采用母線(xiàn)感應(yīng)供電方式，只能采用激光供能。低壓側(cè)的激光器將供能激光通過(guò)光纖傳輸至高壓側(cè)，通過(guò)直流—直流變換電路將激光能量轉(zhuǎn)換為合適的供電電源；另一作用為進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。高壓側(cè)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)光纖和其它電路傳輸至合并單元，根據(jù)IEC60044-8或TDM協(xié)議輸出供二次設(shè)備使用。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)可以看出OCT主要優(yōu)點(diǎn)為絕緣上的優(yōu)勢(shì)，采用光纖絕緣子作為主絕緣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠。其缺點(diǎn)為電氣元件較為復(fù)雜，電磁兼容性較差，在換流站中工作環(huán)境較為惡劣，故障率較高。其主要故障點(diǎn)為電子電路和激光器等部分。因此，OCT的低壓側(cè)一般采用冗余配置，1套OCT一般至少裝有2套電子電路模塊，各電子電路模塊均處于熱備用狀態(tài)。另外，直流測(cè)量用OCT采用的分流器受環(huán)境溫度影響較大，在炎熱和寒冷的天氣條件下會(huì)影響OCT的準(zhǔn)確度和可靠性。

2 校驗(yàn)方法和主要裝置［6］

2.1 校驗(yàn)方法

對(duì)于普通交流互感器，依據(jù)JJG1021—2007《電力互感器》檢定規(guī)程［7］通常采用比較法對(duì)電力互感器進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)；而對(duì)于換流站用OCT，由于被試品與標(biāo)準(zhǔn)裝置通常距離較遠(yuǎn)，只能采用異地同步測(cè)量法。異地同步測(cè)量法的原理圖如圖3所示。

圖3 異地同步測(cè)量法校準(zhǔn)OCT原理圖

電流比值誤差表達(dá)式按式（2）計(jì)算：

當(dāng)被校準(zhǔn)直流互感器只有數(shù)字輸出，US可在終端顯示上人工讀取，標(biāo)準(zhǔn)器輸出數(shù)據(jù)與被校準(zhǔn)直流電流互感器輸出數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)講機(jī)進(jìn)行同步。當(dāng)被校準(zhǔn)直流互感器具備模擬輸出時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器的輸出與被校準(zhǔn)互感器的輸出通過(guò)GPS設(shè)備同步讀取。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置［8］

由于互感器的標(biāo)準(zhǔn)裝置需要具有良好的穩(wěn)定性并且要比被試OCT準(zhǔn)確度高出兩個(gè)等級(jí)，故通常采用直流電流比較儀。它是一個(gè)基于磁調(diào)制原理工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)下的閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流電流比較儀誤差主要由系統(tǒng)靜差、磁性誤差以及零位誤差組成。實(shí)際對(duì)直流比較儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，可以通過(guò)補(bǔ)償調(diào)零手段去除零位誤差，所以校準(zhǔn)的主要任務(wù)是客觀(guān)地反映比較儀的系統(tǒng)靜差和磁性誤差。

2.3 電源裝置［9］

由于校準(zhǔn)方法采用異地同步測(cè)量法，這對(duì)直流電流源的穩(wěn)定性提出了較高要求。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為穩(wěn)定度為0.05%／min的現(xiàn)場(chǎng)有高穩(wěn)定度直流電流源可以應(yīng)用在OCT現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)中，該電流源電路框圖如圖4所示。三相交流電經(jīng)過(guò)三相不控整流、DC／AC高頻逆變、高頻變壓器輸出再經(jīng)過(guò)全波不控整流、濾波最終得到所需直流電流源。

圖4 直流電流源電路框圖

為提高電源穩(wěn)定度，將電流比較儀作為采樣環(huán)節(jié)，并增加PI控制環(huán)節(jié)，該反饋控制原理如圖5所示。該反饋控制包括兩個(gè)控制環(huán)路，外環(huán)為慢速電流補(bǔ)償反饋環(huán)，內(nèi)環(huán)為快速電流反饋環(huán)。外環(huán)將輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)PI控制器與給定電流進(jìn)行對(duì)比，得到補(bǔ)償電流信號(hào)，補(bǔ)償電流信號(hào)在經(jīng)內(nèi)環(huán)反饋，經(jīng)PWM調(diào)制器產(chǎn)生PWM波，控制逆變器的輸出。

圖5 反饋控制原理圖

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

用異地同步測(cè)量法對(duì)遼寧某±500 kV換流站內(nèi)極Ⅰ和極Ⅱ某OCT進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該OCT額定電流為2 000 A，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示［10］。

表1 OCT現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)誤差%

從表1可知在額定電流20%以上時(shí)，極Ⅰ和極ⅡOCT誤差均優(yōu)于0.25%，滿(mǎn)足GB／T26216.1—2010《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測(cè)量裝置》要求。

3 結(jié)論

本文對(duì)換流站用OCT基本原理進(jìn)行了分析，給出現(xiàn)場(chǎng)常用校驗(yàn)方法，并在遼寧某換流站進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到以下結(jié)論［11］。

a.有源光電式直流電流互感器在高壓絕緣和計(jì)量準(zhǔn)確性等方面同其它直流互感器相比有較大的優(yōu)勢(shì)，適合在換流站中使用。

b.異地同步測(cè)量法有效解決換流站內(nèi)被試品與標(biāo)準(zhǔn)裝置距離較遠(yuǎn)這一缺點(diǎn)，可作為換流站中直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的常用方法。

［1］ 李 前，李 鶴，周一飛，等.±800 kV直流輸電系統(tǒng)換流站直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（12）：3 053-3 058.

［2］ JJG1069—2011，直流分流器檢定規(guī)程［S］.

［3］ 胡 燦.超／特高壓直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)技術(shù)及裝置［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2013.

［4］ 羅承沐，張貴新.電子式互感器與數(shù)字化變電站［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［5］ 楊世皓.高壓直流光電電流互感器工作原理及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)［J］.上海電力，2010，27（6）：402-405.

［6］ 李 巖，張陳嘯，鄭立亮.±500 kV電子式直流電流互感器設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)［J］.水電能源科學(xué)，2012，30（5）：402-405.［7］ JJG1021—2007，電力互感器檢定規(guī)程［S］.

［8］ 李 愷，羅志坤，歐朝龍，等.基于電流比較儀測(cè)試直流互感器誤差的方法［J］.湖南電力，2010，30（10）：41-44.

［9］ 劉 罡，曾輝明，程 力，等.590系列互感器校驗(yàn)儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢定的局限性［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（5）：52-55.

［10］ 郝建成，宋 丹，葉 峰.變壓器和組合電器特殊連接方式下的試驗(yàn)方法［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（3）：15 -18.

［11］ 陳玥名，崔廣泉，劉長(zhǎng)江.電力電流互感器實(shí)驗(yàn)方法的研究［J］.東北電力技術(shù)，2009，30（9）：15-17.

Research on Fundamental Principle and On?sit Method of Calibration for OCT in Converter Station

LIU Gang1，WANG Jiang?bo2，F(xiàn)ANG Chen3，WU Jun1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning110006，China；2.China Nuclear Power Technology Research Institute Beijing Division Co.，Ltd.，Beijing 100086，China；3.Dalian Electric Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning116021，China）

In recent years，with the rapid development of electric power system in China，especially an increasing number of DC transmission project，OCT is widely used in convert station.The principle and structure of OCT is introduced，and also research on on?sit method of calibration is made，according to field situation the Multi?area Synchronous Measuring Method is given，which is veri?fied by field test at last.

DC transformer；OCT；Converter station；Multi?area Synchronous Measuring Method；Field test

TM452＋.92

A

1004-7913（2015）03-0019-03

劉 罡（1985—），男，碩士，工程師，從事測(cè)量用互感器及電力互感器的試驗(yàn)與科研工作。

2014-12-10）