500kv直流電子式電流互感器的研制

500kv直流電子式電流互感器的研制

直流傳感器是連接高壓直流輸電的重要裝置。要保證直流設(shè)備的安全，必須通過(guò)直流設(shè)備提供可靠、可靠的電流信息。需要直流設(shè)備的隔離可靠性、高復(fù)性、動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)。傳統(tǒng)的基于零磁通原理的直流電流互感器雖然在直流系統(tǒng)中有多年應(yīng)用,但還是存在很多缺陷:(1)基于零磁通原理的直流電流互感器的制造難度、工藝、成本、體積及質(zhì)量隨著電壓等級(jí)的提高會(huì)成倍增加,且絕緣特性不好,耐受雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的能力差;(2)鐵芯磁化曲線的非線性導(dǎo)致直流電流互感器的動(dòng)態(tài)范圍小,一次電流較小時(shí)互感器的誤差偏大;(3)零磁通直流電流互感器頻率范圍窄、階躍響應(yīng)慢;(4)零磁通直流電流互感器的誤差與負(fù)載有關(guān),負(fù)載變化可能會(huì)導(dǎo)致互感器的誤差超差。傳統(tǒng)的零磁通直流電流互感器不能適應(yīng)高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展,基于分流器傳感、信號(hào)就地采集及光纖傳輸技術(shù)的直流電子式電流互感器很早就引起了人們的關(guān)注。近十年來(lái)國(guó)內(nèi)新建的高壓直流輸電工程中使用的直流電流測(cè)量設(shè)備均為ABB或Siemens公司生產(chǎn)的直流電子式電流互感器,我國(guó)沒(méi)有相應(yīng)的自主產(chǎn)品,進(jìn)口產(chǎn)品不僅價(jià)格高,而且售后服務(wù)不能滿足實(shí)際運(yùn)行的需求,因直流電子式電流互感器故障引起的系統(tǒng)停運(yùn)問(wèn)題時(shí)有發(fā)生,在一定程度上影響了國(guó)內(nèi)高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文中研制了一種具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)首套500kV直流電子式電流互感器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流和諧波電流的同時(shí)測(cè)量。研制的直流電子式電流互感器在國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成型式試驗(yàn),通過(guò)了產(chǎn)品鑒定,并已有數(shù)十套產(chǎn)品在葛南及天廣直流改造工程中使用,產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定可靠。1原則和結(jié)構(gòu)1.1遠(yuǎn)端模塊工作原理直流電子式電流互感器的基本工作原理如圖1所示。分流器將被測(cè)一次直流電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),空芯線圈將一次直流電流攜帶的諧波電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),遠(yuǎn)端模塊就地采集分流器或空芯線圈的輸出信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纖輸出至低壓合并單元,合并單元接收遠(yuǎn)端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的數(shù)據(jù)發(fā)送給直流控制保護(hù)裝置。高壓測(cè)量頭內(nèi)遠(yuǎn)端模塊的工作電源由低壓合并單元內(nèi)的激光器提供,激光器發(fā)送的激光通過(guò)光纖送至遠(yuǎn)端模塊,遠(yuǎn)端模塊內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器將激光能量轉(zhuǎn)換為電能給遠(yuǎn)端模塊提供工作電源。光纖絕緣子為內(nèi)嵌光纖的復(fù)合絕緣子,保證高壓絕緣并保護(hù)光纖不受損傷。1.2分流器的設(shè)計(jì)分流器用于傳感直流電流,是保證直流電子式電流互感器測(cè)量精度的關(guān)鍵部件,要求其具有較好的散熱性能及溫度穩(wěn)定性。分流器設(shè)計(jì)為基于錳銅合金的鼠籠式結(jié)構(gòu),分流器的額定二次輸出為75mV,額定一次電流下分流器錳銅管的通流密度小于1A/mm2,這樣可大大降低分流器的發(fā)熱,分流器的材料選用溫度系數(shù)較小的錳銅合金,保證分流器具有較好的溫度穩(wěn)定性。實(shí)測(cè)表明,分流器的溫升小于50K,在0~100℃溫度范圍分流器阻值變化小于±0.2%。1.3rogowski基本原理直流電子式電流互感器采用Rogowski線圈傳感諧波電流,要求其對(duì)1~50次諧波的電流測(cè)量誤差小于2.5%。Rogowski線圈是一個(gè)纏繞于非磁性骨架上的空心螺線管,如圖2所示。Rogowski線圈無(wú)鐵芯,不會(huì)飽和,具有很好的線性度及頻率特性,適合于諧波電流的測(cè)量。Rogowski線圈的輸出信號(hào)e(t)與被測(cè)電流i有如下關(guān)系:公式(1)中μ0為真空磁導(dǎo)率,n為線圈匝數(shù)密度,S為線圈截面積,f為諧波電流的頻率,根據(jù)不同頻率下Rogowski線圈的輸出信號(hào)便可求出各次諧波電流的大小。Rogowski線圈無(wú)鐵芯,其性能易受溫度及外磁場(chǎng)等干擾因素的影響。采取恰當(dāng)?shù)睦@制技術(shù)(等安匝及回繞線技術(shù))可大大減小干擾的影響。1.4采樣遠(yuǎn)端化采樣遠(yuǎn)端模塊接收并處理分流器或Rogowski線圈的輸出信號(hào),遠(yuǎn)端模塊的輸出為串行數(shù)字光信號(hào)。遠(yuǎn)端模塊的工作電源由位于控制室的合并單元內(nèi)的激光器提供。對(duì)于分流器的輸出信號(hào),遠(yuǎn)端模塊設(shè)計(jì)了兩路獨(dú)立模擬采樣回路,完成雙重化采樣,實(shí)時(shí)比較、校驗(yàn)兩路采樣值,實(shí)現(xiàn)采樣回路硬件自檢,避免采樣異常引起保護(hù)誤動(dòng)。遠(yuǎn)端模塊采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)及激光供能反饋控制技術(shù)來(lái)提高激光供能效率,降低激光器的驅(qū)動(dòng)電流,從而提高激光供能的可靠性及壽命。遠(yuǎn)端模塊的電子器件均選用低工作電壓及超低功耗器件,遠(yuǎn)端模塊的實(shí)際功耗小于30mW。遠(yuǎn)端模塊的功耗參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)光纖實(shí)時(shí)下傳,并據(jù)此調(diào)節(jié)激光器的驅(qū)動(dòng)電流,實(shí)現(xiàn)激光供能反饋控制。遠(yuǎn)端模塊的設(shè)計(jì)充分考慮了其戶外工作的惡劣環(huán)境,遠(yuǎn)端模塊能在較寬的溫度范圍(如-40~70℃)及較強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境下正常工作。直流電子式電流互感器可根據(jù)工程需求配置多個(gè)完全相同的遠(yuǎn)端模塊,保證直流電子式電流互感器具有較高的可靠性。遠(yuǎn)端模塊原理框圖如圖3所示。1.5輸出供直流控制保護(hù)設(shè)備合并單元置于控制室,合并單元一方面為遠(yuǎn)端模塊提供供能激光,另一方面接收并處理遠(yuǎn)端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù),并將測(cè)量數(shù)據(jù)按規(guī)定的協(xié)議(TDM或IEC60044-8)輸出供直流控制保護(hù)設(shè)備使用。合并單元設(shè)計(jì)了多種硬件和軟件措施,當(dāng)遠(yuǎn)端模塊或合并單元發(fā)生故障時(shí),能及時(shí)被發(fā)現(xiàn),并按預(yù)定的方案對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行正確處理,使得直流控制保護(hù)裝置始終獲得正確數(shù)據(jù)。1.6wski線圈防護(hù)裝置500kV直流電子式電流互感器設(shè)計(jì)為懸掛式結(jié)構(gòu),如圖4所示。分流器串接于兩根一次管母之間,Rogowski線圈套在一次管母上,防護(hù)罩用于防止分流器及Rogowski線圈受雨水及異物損傷,防護(hù)罩為非密封結(jié)構(gòu),對(duì)分流器的發(fā)熱有較好的散熱效果,防護(hù)罩兩端設(shè)計(jì)有均壓環(huán),遠(yuǎn)端模塊布置于獨(dú)立的密封箱體內(nèi),光纖絕緣子懸掛于測(cè)量頭下端,光纖絕緣子兩端均設(shè)計(jì)有均壓環(huán)。圖5及圖6分別是500kV直流電子式電流互感器的等電位分布及電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖,750kV直流電壓下P1點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為270V/mm,P2點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為345V/mm,空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為2~3kV/mm,設(shè)備最大場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng),實(shí)際運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)電暈,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。2主要技術(shù)指標(biāo)研制的500kV直流電子式電流互感器在國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成了型式試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目包括:溫升試驗(yàn)、直流測(cè)量準(zhǔn)確度試驗(yàn)、諧波電流測(cè)量準(zhǔn)確度試驗(yàn)、直流耐壓及局部放電試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)、操作沖擊試驗(yàn)、直流極性反轉(zhuǎn)及局部放電試驗(yàn)、無(wú)線電干擾電壓試驗(yàn)等,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,產(chǎn)品型號(hào)為PCS-9250-EACD-500的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。3先進(jìn)水平國(guó)際領(lǐng)先水平研制的直流電子式電流互感器通過(guò)了由江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)組織的鑒定,產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,其中測(cè)量精度、階躍響應(yīng)及系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2010年4月,16套500kV直流電子式電流互感器在天廣直流改造和葛南直流改造工程中投入運(yùn)行,3年多來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,較好地解決了進(jìn)口產(chǎn)品運(yùn)行中存在的因高溫、元器件故障及光纖接口異常等原因引起的運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題。4特高壓直流電子式電流傳感關(guān)鍵技術(shù)本文中研制的國(guó)產(chǎn)首套500kV直流電子式電流互感器絕緣結(jié)