王 凱，王 耀，王 光，張琦雪，陳 俊，何海波

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

光學(xué)電流互感器應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)的研究及實踐

王 凱，王 耀，王 光，張琦雪，陳 俊，何海波

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

本文針對基于電磁式TA的發(fā)電機(jī)保護(hù)存在的TA飽和易致誤動、水電機(jī)組中性點側(cè)分支TA過熱損壞絕緣、定子匝間保護(hù)薄弱等問題，探討了光學(xué)TA應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)所帶來的性能改善，給出了現(xiàn)場應(yīng)用案例的典型數(shù)據(jù)分析，并展望了光學(xué)TA在發(fā)電廠的應(yīng)用前景。

光學(xué)TA；定子繞組匝間保護(hù)；裂相橫差保護(hù)；TA飽和；失靈保護(hù)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，發(fā)電機(jī)組容量越來越大，電壓等級不斷提高，基于電磁式電流互感器（TA）的發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)技術(shù)越來越成熟，但是也逐漸暴露出其自身難以克服的缺點，例如區(qū)外故障時TA飽和導(dǎo)致差動保護(hù)誤動、水電機(jī)組中性點側(cè)TA局部過熱引起繞組匝間絕緣老化導(dǎo)致保護(hù)誤動、TA二次回路斷線過電壓損壞設(shè)備等。20世紀(jì)60年代以來，針對電子式互感器的研究越來越廣泛，其中光學(xué)TA因其動態(tài)性能優(yōu)良、抗干擾能力強、安全性好等優(yōu)點成為研究熱點，并在數(shù)字化變電站、高壓直流輸電工程和地下電纜線纜故障判據(jù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗[1，2，3]。隨著光學(xué)TA制造、運維技術(shù)的日漸成熟，在發(fā)電廠、工礦企業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用必將成為趨勢。

本文從基于電磁式TA的發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)存在的問題出發(fā)，嘗試分析采用光學(xué)TA所能夠獲得的改進(jìn)效果，為光學(xué)TA在電廠的推廣應(yīng)用提供一些參考和指導(dǎo)。

1 光學(xué)電流互感器基本原理

光學(xué)電流互感器（Optical Current Transducer，OCT）基于Faraday磁光效應(yīng)原理，其傳感原理如圖1所示。線偏振光通過位于磁場中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向?qū)a(chǎn)生正比于磁感應(yīng)強度平行分量的旋轉(zhuǎn)，這個旋轉(zhuǎn)角度叫Faraday旋光角，由于磁場強度與產(chǎn)生磁場的電流成正比，因此旋光角與產(chǎn)生磁場的電流也成正比，通過檢測旋光角即可測量產(chǎn)生磁場的電流[4，5，6]。

當(dāng)傳感光纖或磁光玻璃圍繞一次通流導(dǎo)體閉合成環(huán)時。旋光角?可用下式表示：

圖1 光學(xué)TA原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical TA

式中：V——光學(xué)介質(zhì)的Verdet常數(shù)，表示單位磁場產(chǎn)生的旋光角；

H——磁場強度；

l——光在介質(zhì)中傳播的距離；

NL——圍繞通流導(dǎo)體閉合光路的圈數(shù)；

I——產(chǎn)生磁場的電流。

2 光學(xué)TA應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)的分析

由于電磁式TA采用電磁感應(yīng)原理，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、飽和等固有特點，給基于電磁式TA的發(fā)電機(jī)保護(hù)帶來了一些其自身難以完全克服的問題，本章分析采用光學(xué)TA徹底解決這些問題的可能性。

2.1 TA飽和

電磁式TA的鐵芯磁化特性是非線性的，剩磁或非周期電流分量可能導(dǎo)致鐵芯磁通密度飽和，引起二次側(cè)電流嚴(yán)重畸變。國內(nèi)外研究人員提出了各種TA飽和識別方法來防止差動保護(hù)誤動或拒動，但并不能完全解決問題，且不管采用何種判據(jù)，無一例外均增加了保護(hù)邏輯復(fù)雜性，在內(nèi)部短路故障時延長了差動保護(hù)的動作時間。

另外，安裝有多臺機(jī)組的發(fā)電廠，在一臺主變壓器空充時，除合閘主變壓器會產(chǎn)生勵磁涌流外，在與之并列的主變壓器中也會出現(xiàn)涌流現(xiàn)象，即和應(yīng)涌流[7]。如果相鄰主變壓器帶發(fā)電機(jī)運行，對于發(fā)電機(jī)差動保護(hù)而言，和應(yīng)涌流是穿越性電流，理論上不會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)差動保護(hù)誤動。但是，和應(yīng)涌流中含有非周期電流分量，且持續(xù)時間較勵磁涌流要長很多，可能引起發(fā)電機(jī)差動保護(hù)兩側(cè)電磁式TA的暫態(tài)飽和，從而產(chǎn)生差流，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)差動保護(hù)的誤動作。圖2為某水電站2號主變壓器空充時，1號發(fā)電機(jī)兩側(cè)電磁式TA二次電流和差動電流。

截至目前，行業(yè)內(nèi)對和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理、電氣特征和保護(hù)對策進(jìn)行了大量研究，但尚未有公認(rèn)成熟、可靠的解決辦法[8，9]。光學(xué)TA基于Faraday磁光效應(yīng)原理，無磁飽和現(xiàn)象，具有優(yōu)良的暫態(tài)傳變特性。某型光學(xué)TA依據(jù)《GB/T 20840.8—2007 互感器 第8部分：電子式電流互感器》 “8.10.2 暫態(tài)特性試驗方法”進(jìn)行的暫態(tài)特性試驗結(jié)果如表1所示。

圖2 和應(yīng)涌流時發(fā)電機(jī)A相電流和A相差動電流Fig.2 Sympathetic inrush current and differential current of generator

表1 某型光學(xué)TA暫態(tài)特性試驗（額定電流3kA）Tab.1 Transient characteristic test of a optical TA（rated current 3kA）

表1所示試驗為一個兩次通電過程： C-0.1s-O為第一次通電操作，即“合-0.1s-分”，單次0.1s施加由46.8kA對稱電流和約80kA衰減直流分量組成的混合電流，衰減時間常數(shù)為100ms；停量0.5s后，進(jìn)行第二次通電操作，具體過程第一次通電相同。從試驗結(jié)果看，光學(xué)TA具有優(yōu)良的暫態(tài)特性，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)程所要求的10%的最大誤差限值。

采用光學(xué)TA實現(xiàn)發(fā)電機(jī)差動保護(hù)，無TA飽和問題，提高了差動保護(hù)可靠性。同時，保護(hù)邏輯取消TA飽和判據(jù)后，也提高了內(nèi)部故障時差動保護(hù)的動作速度。

2.2 水電機(jī)組中性點側(cè)分支TA過熱

一些大型水輪發(fā)電機(jī)組，在汛期蓄水位較高條件下長期滿負(fù)荷運行，中性點側(cè)分支TA可能由于電磁屏蔽設(shè)計不合理、通風(fēng)系統(tǒng)異常等原因?qū)е逻\行溫度過高，繞組絕緣易老化破壞，TA繞組發(fā)生匝間短路。輕微匝間短路將引起差動不平衡電流增大，嚴(yán)重時甚至引起差流報警或差動保護(hù)誤動作。

近年來，國內(nèi)多個大型水電站的多臺600MW機(jī)組連續(xù)發(fā)生因機(jī)組中性點TA過熱損壞繞組絕緣而導(dǎo)致差動保護(hù)報警或跳閘的事故。表2為某水電站2009～2010年此類事故統(tǒng)計結(jié)果。表3為事故后，電廠技術(shù)人員在線實測某機(jī)組中性點側(cè)B相TA的表面溫度。表3中給出溫度值為TA表面溫度，其內(nèi)部繞組溫度估計高出10℃以上。

表2 某電廠中性點TA損壞事故統(tǒng)計Tab.2 Statistics Table of neutral point TA fault

表3 機(jī)組中性點B相TA表面溫度Tab.3 Surface temperature of neutral point TA

光學(xué)TA一次傳感器部分為傳感光纖，無鐵芯，不存在磁場疊加感應(yīng)引起的局部飽和發(fā)熱問題。一次傳感光纜無導(dǎo)電部件，不發(fā)熱，有良好的耐熱性能。另外，光學(xué)TA測量精度受溫度變化影響較小，完全滿足繼電保護(hù)要求。某光學(xué)TA試件的溫度循環(huán)準(zhǔn)確度測試的部分測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 溫度循環(huán)準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)（施加額定電流）Tab.4 Accuracy test of temperature cycling（rated current）

2.3 定子繞組匝間短路保護(hù)配置薄弱

目前，應(yīng)對定子繞組匝間短路的保護(hù)功能主要有：不完全縱差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)、單元件橫差保護(hù)、和縱向零序電壓匝間保護(hù)。一些機(jī)組，特別是大型汽輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組，中性點側(cè)空間有限，不能安裝分支TA和橫差TA，不完全縱差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)均無法實現(xiàn)。最常見配置是縱向零序電壓匝間保護(hù)，但是該保護(hù)不反應(yīng)分支開焊故障，在短路匝數(shù)較少或經(jīng)過渡電阻短路時，保護(hù)靈敏度較低。另外，匝間專用TV只配置一組，雙套保護(hù)共用其開口三角繞組，當(dāng)該TV本體或回路異常時，雙套保護(hù)均退出運行[10]。

綜上所述，問題癥結(jié)在于機(jī)組中性點空間狹小，無法實現(xiàn)中性點側(cè)分支電流測量。光學(xué)TA將一次傳感器制成光纜，能夠纏繞在任意形狀一次導(dǎo)體上，可在狹小空間安裝，正好可以解決分支電流測量問題，進(jìn)而實現(xiàn)裂相橫差保護(hù)。結(jié)合機(jī)端電流的測量，可進(jìn)一步構(gòu)成不完全縱差保護(hù)。

以某300MW抽水蓄能機(jī)組為例，該機(jī)組中性點為兩個分支，原有內(nèi)部故障主保護(hù)由完全縱差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)構(gòu)成。若增加配置圖3所示的基于光學(xué)TA的裂相橫差保護(hù)后，其內(nèi)部故障主保護(hù)由完全縱差保護(hù)、單元件橫差保護(hù)和裂相橫差保護(hù)構(gòu)成。根據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障定量分析結(jié)果，新方案能夠完全消除內(nèi)部故障死區(qū)，兩種方案的性能對比如表5所示。

圖3 基于光學(xué)TA的裂相橫差保護(hù)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of phase transverse differential protection system based on optical TA

表5 某抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動機(jī)主保護(hù)方案性能對比Tab.5 Performance comparison of main protection scheme for a pumped-storage generator

由表5可以看出，原方案存在較大的匝間短路故障保護(hù)死區(qū)，不能動作匝間短路故障數(shù)有100種（占內(nèi)部故障總數(shù)的3.27%）。針對各種類型短路故障，僅對78.42%的內(nèi)部故障（2398種）有兩種及以上原理不同的主保護(hù)靈敏動作。相比較之下，新方案的保護(hù)性能優(yōu)良，可應(yīng)對所有匝間短路故障，且對96.67%的內(nèi)部故障（2956種）有兩種及以上原理不同的主保護(hù)靈敏動作。

2.4 TA二次回路斷線及其他

光學(xué)TA應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)，除了能夠在上述方面提高保護(hù)性能外，在以下方面也具有優(yōu)勢：

（1）光學(xué)TA可識別三相光纖鏈路同時斷線故障?，F(xiàn)有的發(fā)電機(jī)保護(hù)雖然均有TA斷線判別功能，但不能反應(yīng)三相斷線，且TA二次回路斷線會產(chǎn)生高電壓，可能燒壞設(shè)備、危及人員安全；光學(xué)TA采用全光纖式傳感回路，采樣數(shù)據(jù)也采用光纖上送，可實現(xiàn)完善的回路自檢功能，任一點斷線均可及時識別，且不會對人員和設(shè)備構(gòu)成危險。

（2）光學(xué)TA無拖尾電流，不會對失靈保護(hù)性能產(chǎn)生不利影響。大型機(jī)組多采用TPY級TA，以提高差動保護(hù)性能。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，保護(hù)動作跳開斷路器后，TPY級TA副邊繞組仍存在衰減的非周期等電流分量，該拖尾電流僅存在于斷路器斷開故障電氣設(shè)備后的很短時間內(nèi)，會對失靈保護(hù)產(chǎn)生影響。對于光學(xué)TA來說，當(dāng)一次電流為零后，其感應(yīng)磁場消失，光學(xué)TA中的偏振光方向不變，不會影響失靈保護(hù)性能。

（3）光學(xué)TA能夠完整保留電流中的直流和較高次諧波成分，有利于新的基于非工頻分量保護(hù)原理的研究和實現(xiàn)[11，12]。

3 光學(xué)TA在發(fā)電機(jī)保護(hù)上的應(yīng)用

光學(xué)TA在電廠的應(yīng)用剛剛起步，僅有少量產(chǎn)品在現(xiàn)場運行，仍處于經(jīng)驗積累階段。光學(xué)TA在某水電機(jī)組的實際應(yīng)用也表明，相比于電磁式TA，光學(xué)TA在暫態(tài)過程中測量性能更優(yōu)。該機(jī)組容量為600MW，發(fā)電機(jī)額定電壓為20kV，一次額定電流為19245A，換算至TA二次為0.64A（TA變比30000/1A）。在一次試驗過程中，發(fā)電機(jī)額定空載時空充主變壓器，產(chǎn)生勵磁涌流，基于電磁式TA和光學(xué)TA的機(jī)組保護(hù)均記錄了暫態(tài)數(shù)據(jù)。圖4為電磁式TA和光學(xué)TA的機(jī)端三相二次電流測量結(jié)果比較。

從圖4中可以看出，勵磁涌流特征明顯，三相電流均偏向時間軸一側(cè)。初始幾個周波二者傳變結(jié)果較為吻合，而后電磁式TA傳變結(jié)果逐漸向坐標(biāo)軸偏移，光學(xué)TA測量結(jié)果則基本穩(wěn)居坐標(biāo)軸一側(cè)，且電流幅值更大。究其原因是，較長時間的正向或負(fù)向電流使得電磁式TA的偏磁越來越大并逐漸趨于飽和，影響了一次電流的正確傳變。另外，一次電流消失后，電磁式TA二次電流仍有非周期直流分量存在，而光學(xué)TA電流很快歸零，無拖尾電流產(chǎn)生。

圖4 電磁式TA和光學(xué)TA的機(jī)端電流測量結(jié)果Fig.4 Current measurement comparison of electromagnetic TA and optical TA

4 結(jié)束語

本文針對基于電磁式TA的發(fā)電機(jī)保護(hù)存在的問題，分析了光學(xué)TA在這些方面所具有的優(yōu)勢：

（1）光學(xué)TA無飽和、和應(yīng)涌流問題，可提高差動保護(hù)可靠性。

（2）光學(xué)TA無導(dǎo)電部件，不發(fā)熱，耐熱性能優(yōu)良，適用于大型水電機(jī)組中性點側(cè)等環(huán)境溫度高、電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場合。

（3）光學(xué)TA可安裝于發(fā)電機(jī)組中性點分支等狹小空間，完善定子匝間保護(hù)配置，提高內(nèi)部匝間短路故障靈敏度。

（4）光學(xué)TA其他優(yōu)點：可識別三相光纖鏈路同時斷線，因無拖尾電流而不會對失靈保護(hù)性能產(chǎn)生不利影響等。

目前來看，光學(xué)TA在電廠的推廣應(yīng)用仍然面臨著諸多障礙。例如，光學(xué)TA安裝和使用盡管簡單，但行業(yè)技術(shù)人員更熟悉傳統(tǒng)設(shè)備，配套的設(shè)計、運行規(guī)程需調(diào)整，配套標(biāo)準(zhǔn)需不斷完善；光學(xué)TA應(yīng)用涉及面廣，需要和配套的勵磁、故錄、調(diào)速等系統(tǒng)配合使用，增加了項目實施難度。盡管如此，隨著光學(xué)TA技術(shù)的日益成熟和配套標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程的不斷完善，基于光學(xué)TA的發(fā)電機(jī)保護(hù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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王 凱（1983—），男，工程師，主要研究方向：電氣主設(shè)備繼電保護(hù)。 E-mail：wangkai3@nrec.com

王 耀（1980—），男，工程師，主要研究方向：電子式互感器技術(shù)和應(yīng)用。E-mail：wangy@nrec.com

王 光（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：電氣主設(shè)備繼電保護(hù)。E-mail：wangg@nrec.com

張琦雪（1974—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：電氣主設(shè)備繼電保護(hù)。E-mail：zhangqx@nrec.com

陳 ?。?978—），男，高級工程師，主要研究方向：電氣主設(shè)備繼電保護(hù)。E-mail：chenj@nrec.com

何海波（1981—），男，本科，工程師，主要研究方向：繼電保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作。E-mail：hehb@nrec.com

Research and Application of Generator Protection Based on Optical Current Transformer

WANG Kai，WANG Yao，WANG Guang，ZHANG Qixue，CHEN Jun，HE Haibo
（Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China）

This paper described the problems of generator protection based on electromagnetic TA，Such as TA saturation，neutral point side branch TA overheating of hydropower generator，weak configuration of stator winding inter-turn fault protection，and so on.it analysis the improvement of generator protection based on optical TA，and compared the measurement performance of optical TA and electromagnetic TA installed in a hydropower station.Then，it pointed out the difficulties in mass application of optical TA in power plants.At last，it showed the wide prospect application.

optical current transducer; stator winding inter-turn fault protection; split-Phase transverse differential protection;TA saturation; breaker failure protection