500kv直流电子式电流互感器的研制

500kv直流电子式电流互感器的研制

直流传感器是连接高压直流输电的重要装置。要保证直流设备的安全，必须通过直流设备提供可靠、可靠的电流信息。需要直流设备的隔离可靠性、高复性、动态范围和快速响应。传统的基于零磁通原理的直流电流互感器虽然在直流系统中有多年应用,但还是存在很多缺陷:(1)基于零磁通原理的直流电流互感器的制造难度、工艺、成本、体积及质量随着电压等级的提高会成倍增加,且绝缘特性不好,耐受雷电冲击电压和操作冲击电压的能力差;(2)铁芯磁化曲线的非线性导致直流电流互感器的动态范围小,一次电流较小时互感器的误差偏大;(3)零磁通直流电流互感器频率范围窄、阶跃响应慢;(4)零磁通直流电流互感器的误差与负载有关,负载变化可能会导致互感器的误差超差。传统的零磁通直流电流互感器不能适应高压直流输电系统的发展,基于分流器传感、信号就地采集及光纤传输技术的直流电子式电流互感器很早就引起了人们的关注。近十年来国内新建的高压直流输电工程中使用的直流电流测量设备均为ABB或Siemens公司生产的直流电子式电流互感器,我国没有相应的自主产品,进口产品不仅价格高,而且售后服务不能满足实际运行的需求,因直流电子式电流互感器故障引起的系统停运问题时有发生,在一定程度上影响了国内高压直流输电系统的安全稳定运行。本文中研制了一种具有完全自主知识产权的国产首套500kV直流电子式电流互感器,可实现对直流电流和谐波电流的同时测量。研制的直流电子式电流互感器在国家高压电器质量监督检验中心完成型式试验,通过了产品鉴定,并已有数十套产品在葛南及天广直流改造工程中使用,产品运行稳定可靠。1原则和结构1.1远端模块工作原理直流电子式电流互感器的基本工作原理如图1所示。分流器将被测一次直流电流转换为电压信号,空芯线圈将一次直流电流携带的谐波电流转换为电压信号,远端模块就地采集分流器或空芯线圈的输出信号并将其转换为数字信号通过光纤输出至低压合并单元,合并单元接收远端模块下发的数据并将其转换为符合标准规约的数据发送给直流控制保护装置。高压测量头内远端模块的工作电源由低压合并单元内的激光器提供,激光器发送的激光通过光纤送至远端模块,远端模块内的光电转换器将激光能量转换为电能给远端模块提供工作电源。光纤绝缘子为内嵌光纤的复合绝缘子,保证高压绝缘并保护光纤不受损伤。1.2分流器的设计分流器用于传感直流电流,是保证直流电子式电流互感器测量精度的关键部件,要求其具有较好的散热性能及温度稳定性。分流器设计为基于锰铜合金的鼠笼式结构,分流器的额定二次输出为75mV,额定一次电流下分流器锰铜管的通流密度小于1A/mm2,这样可大大降低分流器的发热,分流器的材料选用温度系数较小的锰铜合金,保证分流器具有较好的温度稳定性。实测表明,分流器的温升小于50K,在0~100℃温度范围分流器阻值变化小于±0.2%。1.3rogowski基本原理直流电子式电流互感器采用Rogowski线圈传感谐波电流,要求其对1~50次谐波的电流测量误差小于2.5%。Rogowski线圈是一个缠绕于非磁性骨架上的空心螺线管,如图2所示。Rogowski线圈无铁芯,不会饱和,具有很好的线性度及频率特性,适合于谐波电流的测量。Rogowski线圈的输出信号e(t)与被测电流i有如下关系:公式(1)中μ0为真空磁导率,n为线圈匝数密度,S为线圈截面积,f为谐波电流的频率,根据不同频率下Rogowski线圈的输出信号便可求出各次谐波电流的大小。Rogowski线圈无铁芯,其性能易受温度及外磁场等干扰因素的影响。采取恰当的绕制技术(等安匝及回绕线技术)可大大减小干扰的影响。1.4采样远端化采样远端模块接收并处理分流器或Rogowski线圈的输出信号,远端模块的输出为串行数字光信号。远端模块的工作电源由位于控制室的合并单元内的激光器提供。对于分流器的输出信号,远端模块设计了两路独立模拟采样回路,完成双重化采样,实时比较、校验两路采样值,实现采样回路硬件自检,避免采样异常引起保护误动。远端模块采用低功耗设计技术及激光供能反馈控制技术来提高激光供能效率,降低激光器的驱动电流,从而提高激光供能的可靠性及寿命。远端模块的电子器件均选用低工作电压及超低功耗器件,远端模块的实际功耗小于30mW。远端模块的功耗参数通过数据光纤实时下传,并据此调节激光器的驱动电流,实现激光供能反馈控制。远端模块的设计充分考虑了其户外工作的恶劣环境,远端模块能在较宽的温度范围(如-40~70℃)及较强的电磁干扰环境下正常工作。直流电子式电流互感器可根据工程需求配置多个完全相同的远端模块,保证直流电子式电流互感器具有较高的可靠性。远端模块原理框图如图3所示。1.5输出供直流控制保护设备合并单元置于控制室,合并单元一方面为远端模块提供供能激光,另一方面接收并处理远端模块下发的数据,并将测量数据按规定的协议(TDM或IEC60044-8)输出供直流控制保护设备使用。合并单元设计了多种硬件和软件措施,当远端模块或合并单元发生故障时,能及时被发现,并按预定的方案对采样数据进行正确处理,使得直流控制保护装置始终获得正确数据。1.6wski线圈防护装置500kV直流电子式电流互感器设计为悬挂式结构,如图4所示。分流器串接于两根一次管母之间,Rogowski线圈套在一次管母上,防护罩用于防止分流器及Rogowski线圈受雨水及异物损伤,防护罩为非密封结构,对分流器的发热有较好的散热效果,防护罩两端设计有均压环,远端模块布置于独立的密封箱体内,光纤绝缘子悬挂于测量头下端,光纤绝缘子两端均设计有均压环。图5及图6分别是500kV直流电子式电流互感器的等电位分布及电场强度分布图,750kV直流电压下P1点场强为270V/mm,P2点场强为345V/mm,空气击穿场强为2~3kV/mm,设备最大场强远小于空气的击穿场强,实际运行时不会产生可见电晕,产品结构设计合理。2主要技术指标研制的500kV直流电子式电流互感器在国家高压电器质量监督检验中心完成了型式试验,试验项目包括:温升试验、直流测量准确度试验、谐波电流测量准确度试验、直流耐压及局部放电试验、雷电冲击试验、操作冲击试验、直流极性反转及局部放电试验、无线电干扰电压试验等,各项技术指标均达到了设计要求,产品型号为PCS-9250-EACD-500的主要技术参数如表1所示。3先进水平国际领先水平研制的直流电子式电流互感器通过了由江苏省经济和信息化委员会组织的鉴定,产品各项技术指标达到国际先进水平,其中测量精度、阶跃响应及系统可靠性设计等方面处于国际领先水平。2010年4月,16套500kV直流电子式电流互感器在天广直流改造和葛南直流改造工程中投入运行,3年多来运行稳定可靠,较好地解决了进口产品运行中存在的因高温、元器件故障及光纤接口异常等原因引起的运行不稳定问题。4特高压直流电子式电流传感关键技术本文中研制的国产首套500kV直流电子式电流互感器绝缘结