（最终）直流LELB-258电子式电流互感器研究及工程应用.doc

LELB-258直流电子式电流互感器的研究及工程应用白世军，曾林翠，杨雯，王天祥（西安西电高压开关有限责任公司 西安 710018）摘 要：本文首先介绍了LELB-258kV直流电子式电流互感器（用于500kV直流输电系统直流滤波器支路上作电容器不平衡电流测量用）的结构及工作原理、使用条件和主要技术参数。在此基础上介绍了LELB-258kV直流电子式电流互感器在500kV华中（德阳）西北（宝鸡）直流联网工程中的应用，详细分析了其和继电保护装置对接的数据波形。本产品的成功应用为800 kV直流变电站换流站直流滤波支路上不平衡电流测量设备的研发提供了丰富经验。关键词：500kV变电站; 不平衡电流; 合并单元; TDM协议The study and engineering application of LELB-258 DC electronic current transformerBAI Shi-Jun, ZENG Lin-Cui, YANG Wen, WANG Tian-xiang (XIAN XD HIGH VOLTAGE APPARATUS CO.,LTD., XIAN, 710018, P.R.China)Abstract: This article describes the structure, operating principle, service condition and the main technical data of type LELB-258kV DC electronic type current transformer. Then we review its application in the 500kV Deyang-Baoji DC project. And also analyze the butted data waveform between LELB-258kV DC electronic type current transformer and relay protection device of Nanrui. The succeed of this product can provide rich experience to the research of unbalanced current measuring equipment on DC filtering branch of convertor station in 800 kV DC substation.Key words: 500kV substation; unbalanced current;merging unit; TDM protocol1 引言直流输电应用于电力系统已有半个世纪。和交流输电相比，高压直流输电输送容量大，距离远，传输损耗低，节约占地走廊。目前世界上已投入运行的直流输电工程有70多个。在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统非同步联网工程中，直流输电得到广泛应用。我国目前已建成的直流工程有12项，输电容量为1816万千瓦。在建直流输电工程8项，输电容量3235万千瓦，总投资近900亿元1。国网公司规划到2020年，将建成直流输电工程38项，输电容量1.91亿千瓦。已建项目，通过技术引进和消化吸收，直流工程的国产化率逐渐由30%提高到70%或以上。在建7个项目国产化率均已达到70%左右。目前换流阀、控制保护系统、平波电抗器已基本实现国内供货，换流变国产化率达到60%-80%。但是在直流输电系统直流滤波支路上做电容器不平衡电流测量用的电子式电流互感器（ECT）ABB一直处于垄断地位。本文下面将简要介绍西开有限的新型LELB-258直流电子式电流互感器2的设计原理，所遵循的规约。详细的分析了LELB-258 ECT 电流误差和相位误差限制试验及其用于500kV德阳-宝鸡直流输电系统直流滤波器支路上电容器不平衡电流测量的典型工程应用。2 LELB-258kV直流电子式互感器(ECT)德阳-宝鸡直流滤波器保护采用4取2方式，即每套保护均采用保护+启动的方式，故保护就需4个电流输入，每台光CT需要四个独立的信号通道（四个测量保护LPCT，四个采集器和四个合并单元）。2.1 LELB-258kV ECT一次测量保护线圈的设计LELB-258kV直流电子式互感器根据工程需要设备最高电压；258kVdc、 额定一次电流：2A、 额定频率：600Hz、准确级： 测量级 1; 保护级 5P15。额定短时热电流（方均根值）: 1s, 0.35kA，额定动稳定电流（峰值）：34kA。其设计原理如下：图1 LELB-258kV直流电子式互感器结构框图1)、采用低功率线圈（LPCT）来实现额定电流的采集，其特点是：结构简单，性能稳定可靠，且能耐受很大的动稳定电流。2)、产品采用光纤绝缘子使得高低压完全电气隔离，采用光纤传输简化了绝缘结构、 提高了抗干扰的能力，具有优良的绝缘性能和优越的性价比。3)、本产品采用采集器和合并单元实现了对额定电流的采集，将模拟量转化成数字量，使得产品测量更精确、更稳定、更合理、更人性化、更利于数字化的实现。采集器提供两路模拟量输入，分别是测量电流和保护电流。LPCT低功耗线圈提供测量和保护电流信号（一般用Rogowski线圈提供保护信号），合并器的输入只有一路采样数据，就是从测量电流通道输入额定为10mA的电流。采集器在内部已经将测量电流、保护电流两通道进行了并联。测量电流的额定值为10mA，允许2倍过载；保护电流通道允许30倍过载。采集器通过2根光纤把A/D转换后的数据传输出去。数据传输光纤为ST接口。2根光纤分别是时钟和数据线，分别与合并器的各采集器接口的时钟数据相连接，其设计实现过程如图1所示。合并器与数字保护的接口全部是光纤接口，合并器与数字保护之间的通信采用TDM的格式，有时钟信号CLK、帧同步信号FS以及数据传输信号DATA。2.2 TDM协议介绍TDM总线信号组成如图2所示，由3部分组成：帧同步信号（Frame sync）、时钟(Clock)和数据(Data)。Frame sync 帧同步信号为TDM数据的传输时钟长度，为若干个时钟周期；Clock时钟为板卡的时钟频率，为所有信号的基准；Data数据为0或1的二进制数值，32bit构成1个Channel (数据槽)，每个帧包含不超过31个数据槽加1个校验和数据槽；图2 TDM信号组成由于TDM信号由3部分组成，所以每个TDM信号需要6根电缆或者3个光纤才能满足要求，并且要求长度基本相同。2.3 合并器的板卡模块图3 合并器的板卡结构合并单元主要用于接收采集单元的数字信号（FPGA实现3），对这些信号合并、处理后按照TDM格式输出（嵌入式微处理器完成45）。合并器由10大模块组成，主要板件功能描述如下：1)、激光电源插件实现将电能转变为光能，然后通过光纤传送给远端采集装置。每台合并器可以选择配置1-3个激光电源插件。2)、CPU插件是装置的核心部分，实现保护算法和控制逻辑，用C语言编制的保护程序、控制程序，使整个结构有很强的稳定性、可移植性和可维护性。CPU插件上带有光纤通信接口、RS485通信接口、两个以太网接口、脉冲输入等。3)、光纤接口插件的主要功能是接收同步信号6，采用FPGA控制各采集器的采样，读取采样数据，同时进行滤波、积分等运算，最后把采样数据放入采样缓冲区，通知主CPU读取采样结果。每个光纤接口插件可以接收4路采集器数据，采集四组数据。4)、信号板是继电器信号输出板，提供两路装置告警及两路装置故障信号输出。告警继电器：当同步丢失后告警继电器动作，同步后告警继电器返回；故障继电器：当采集器传输错误时，故障继电器动作；当传输正确后，并且复归后故障继电器返回。当告警电器或故障继电器动作时，告警灯亮；否者告警灯灭。告警灯为显示面板上左边第二个灯。5)、装置电源从1008端子（直流电源220V/110V端）、1010端子（直流电源220V/110V端）经抗干扰盒、背板电源开关至内部DC/DC转换器，输出5V、12V、24V（继电器电源）给保护装置其它插件供电；另外经1003、1004端子输出一组24V光耦电源，作为CPU插件脉冲开入量的外部电源，其中1003为光耦24V，1004为光耦24V。3 LELB-258kV ECT绝缘试验、电流误差和相位误差限值试验1主绝缘干试直流耐压试验试验方法对试品施加正极性直流电压387kV，持续时间为60min，不得发生击穿或闪络现象。试验情况施加电压：DC 387 kV， 60min温度 t=20 相对湿度：W=50%2局部放电试验试验方法在耐压最后10min内对试品进行局部放电测量，测得大于1000pC的脉冲数不得大于10个。试验情况施加电压：DC387kV 局放水平：5PC3准确性试验50Hz准确级额定电流（%）误差5201001201/5P15比差（%）-0.17-0.06+0.12+0.20角差 ()+41+35+20+19比差（%）-0.43-0.37-0.21-0.18角差 ()+58+30+25+16比差（%）-0.26-0.13+0.13+0.25角差 ()+47+35+28+15比差（%）-0.35-0.17+0.10+0.15角差 ()+46+29+20+174频率响应试验600Hz1/5P15通道误差测量比差 (%)+0.25角差9保护比差 (%)+0.29角差9测量比差 (%)+0.26角差10保护比差 (%)-0.21角差9测量比差 (%)+0.35角差8保护比差 (%)-0.21角差9测量比差 (%)-0.36角差9保护比差 (%)+0.39角差105低功耗线圈的额定输出试验1/5P15额定变比 测量值2/0.012/0.00992/0.00992/0.00982/0.0099对试品进行了上表中的5项试验，主绝缘干试直流耐压试验和局部放电试验均满足标准要求，在施加直流387kV的规定时间内没有发生击穿闪络现象和脉冲数未大于10个。准确性试验（50Hz）的试验数据中可以看出，在比差（%）上LELB-258kV ECT已经达到了0.1级，在角差 ()上已经达到了0.5级，完全满足本工程要求测量1级的工程要求，频率响应试验（600Hz）也完全满足在额定电流，额定频率下幅值偏差小于3%，相位差小于1ms测量1级，保护5P15的标准要求。低功耗线圈的额定输出试验结果也满足工程实际要求。4 LELB-258kV ECT德阳-宝鸡工程注流试验数据波形2010年3月4日在宝鸡凤翔500kV直流站极II控制室进行了现场注流试验，LELB-258kV ECT的合并器系数设为400，继保的保护设备系数设为28，测试了150Hz三次谐波0.1A（5%）、0.4A（20%）、2A（100%）以及基波1A（50Hz，50%），波形与幅值均正常，详细波形如下：三次谐波0.5A-合并器系数1（合并器自身输出）三次谐波0.1A-合并器系数400，保护系数28（保护输出）三次谐波0.4A-合并器系数400，保护系数28（保护输出）三次谐波2A-合并器系数400，保护系数28（保护输出）基波1A-合并器系数400，保护系数28（保护输出）当注流电流为三次谐波2.4A时，的保护录波波形出现了削顶（其实在一次电流大于2.0A的时候保护设备已经动作），削顶处一次值为2.91，数字量为1164，有效值为2.242，波形如下：三次谐波2.4A-合并器系数400，保护系数28（保护输出）LELB-258kV ECT的合并器录波波形正常，显示峰值的一次值为3.395，数字量为1358，有效值为2.4，波形如下：三次谐波2.4A-合并器系数400，保护系数28为了验证发生此问题的原因，LELB-258kV ECT的合并器系数设为200，保护系数设为56，结果与之前相同；而将合并器系数维持200不变，保护系数设为28，发现保护录波波形不再畸变削顶，此时波形有效值为1.2。由此得知，保护无法表示超过2.91的一次电流值。将额定2A时LELB-258kV ECT的合并器输出设置为400.0（放大系数为200），此时继保的系数设置为56.276，就可以正确收到数据。设置为2A对应400.0后，允许的过载倍数为32767/400/1.414 = 57，远远超过了本次系统所要求的15倍过载，即只有当数据到达57倍额定值时才会出现削顶现象。考虑到采集器自身的过载倍数，整套电子互感器能至少30倍过载时数据正常输出，不出现削顶。5 结论从LELB-258kV直流电子式电流互感器的设计原理、现场调试运行及其注流试验波形来看，其各项指标满足工程参数要求，运行稳定可靠。依托500 kV德阳-宝鸡直流输变电工程,开展华中电网直流变电站的试点工作,是一个良好的开端,西开有限LELB-258kV电子式电流互感器用于直流输电系统直流滤波器支路上电容器不平衡电流测量的成功应用为800 kV直流变电站换流站的建设推广积累丰富的经验,打破了AB