直流输电换流站中的电流互感器配置研究

刘顺新 潘良胜 文振华

(郑州航空工业管理学院机电工程学院1,河南 郑州 450015;许继集团有限公司2,河南 许昌 461000)

直流输电换流站中的电流互感器配置研究

刘顺新1潘良胜2文振华1

(郑州航空工业管理学院机电工程学院1,河南 郑州 450015;许继集团有限公司2,河南 许昌 461000)

对高压直流输电(HVDC)中的电流测量进行了研究。通过对相关的测量方法和测量装置的分析,实现了对高压直流输电换流站中的电流互感器的配置设计;并结合锦苏工程的建设,对该工程用到的测量装置进行了分析。工程建设证明了该配置设计的可行性和合理性,对今后特高压直流输电工程中电流测量设备的配置方案具有很好的理论指导意义和良好的工程使用价值。

特高压 直流输电 电流测量设备 电流互感器 配置方案

0 引言

20世纪50年代,高压直流输电技术在电力系统中首次被提出,在经过半个世纪的研究积累,电力电子技术的新技术不断涌现,直流输电技术在超大容量、超远距离输电技术方面显现出明显优势。而电流互感器是在特高压直流输电系统中必不可少的关键测量装置。直流电流测量装置承担着直流系统的电能计量、电力监控,同时为电力系统继电保护提供信号,对于换流站和整个输电系统安全稳定的运行起着至关重要的作用。与交流互感器相比,换流站的直流电流测量装置技术更为复杂[1]。

随着近代光电子、光纤通信技术的发展,采用光电测量技术可以解决高压绝缘和抗外界电磁干扰两大问题[2]。本文以锦屏-苏南±800 kV特高压直流输电工程为依托,对各类电流测量装置,尤其是直流电流测量装置的测量原理以及技术特点进行了深入研究。结合苏州换流站各处的电流特点,给出了苏州换流站电流测量装置的配置方案,并着重分析了纯光纤电流互感器在苏州换流站的首次应用。本文研究内容对推动提高特高压输电工程自主化建设具有重要意义。

1 高压直流电流测量方法

在高压直流输电工程中,直流电流测量方法按原理可分为两大类:一是欧姆定律法;二是电磁感应法。

欧姆定律法是根据被测电流流过已知电阻会产生压降并通过计算来算出电流的大小,现场测量一般使用分流器[3]。通过将分流器串联在被测电流回路中,用一个电压表来测量分流器上的压降,通过电压表的读数,根据欧姆定律计算出被测电流值的大小。

运用电磁感应法测量直流电流主要通过直流电流互感器。其是利用铁心线圈中铁心受直流和交流电流共同磁化时的非线性和非对称性,通过整流电路,将通过线圈的直流大电流按匝数反比变换成直流小电流[4]。该类型直流电流互感器与分流器相比具有运行可靠、性能稳定、不易出故障、负载承受力较强等优点。

2 直流电流测量设备

直流电流测量设备用于测量高压直流电流,在换流站中,直流电流互感器一般安装于直流线路出线端、阀厅内不同电压母线上、中性线及接地极引线处。直流电流互感器输出信号用于直流系统的控制保护系统。除了要求互感器本体有足够的绝缘强度外,还需要抗电磁干扰性能强、测量精度高和响应时间快等[5]。特高压直流测量装置的类型有电子式电流互感器和电磁式电流互感器。电子式电流互感器可分为无源电子式电流互感器和有源电子式电流互感器。无源电子式电流互感器即光学式电流互感器,通常采用法拉第磁光效应原理。有源电子式电流互感器即光电式电流互感器,是一种基于分流电阻原理、利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介的电流互感器。

2.1 零磁通电流互感器

零磁通直流电流互感器主要由饱和电抗器、辅助交流电源、整流回路和负载电阻等元件组成,它分为串联型和并联型两种类型。直流电流互感器实质上是利用安匝相等原理工作的饱和电抗器。由于电抗器磁芯材料的矩形系数很高,矫磁力较小,当主回路直流电流变化时,将在负载电阻上得到与一次电流成比例的二次直流信号。

2.2 光电式电流互感器

光电式电流互感器的主要组成部分为一次测量回路、光电模块、信号传输光纤以及光接口模块。光电式电流互感器通过测量回路得到电流信号所对应的电压信号,然后光电模块将模拟量转换为数字量,并通过光纤将数字信号发送给低电位侧的接收单元。光电互感器原理图如图1所示。

图1 光电互感器原理图Fig.1 Schematic diagram of photoelectric CT

通常,根据控制保护系统的要求,测量设备要有一定的冗余配置。依据要求,光电式测量设备的远端模块和光电接口模块都会有两套。由于不同测量位置的电流特点差别很大,因此,当光电式传感器测量不同的电流时其高压测量回路也不相同。通常采用以下形式:分流电阻器;电流互感器和分流电阻器;分流电阻器和Rogowski线圈;Rogowski线圈。如图1所示,光电式电流互感器分流器与载流导体串接。电流通过时分流器上产生了相应的电压降,光电模块将接收到的电压信号转换为数字信号并进行电光转换,然后通过光纤将信号发送到互感器的低压侧光电接口单元,通过光电转换后将信号发送到控制保护系统。能量光纤为高压侧元件供能。

2.3 光学式电流互感器

光学式电流互感器又称为全光纤直流电流互感器,其根据法拉弟磁光效应原理来测量电流。全光纤电流互感器全回路均为光纤,在绝缘性能、抗电磁干扰、可靠性等方面具有很大优势,而且不含有交流线圈,不存在开路危险。全光纤电流互感器的测量基于以下三个原理:法拉第磁光效应、Sagnac干涉测量法、安培定理(磁场和电流的关系)。

法拉第磁光效应的基本特征可以通过图2说明。当一束普通光通过一个光偏振器后,原来的光变成一束沿固定偏振方向振动的光波(图中的偏振光为垂直方向)。当这束偏振光进入光纤时,如果没有外界磁场存在,它会保持其进入光纤式的偏振方向;如果光纤处于磁场中,具有法拉第磁光效应的光纤就会使偏振光的偏振方向发生偏转,其偏转角度和外界磁场的强度有关[7]。如果在光纤的出口处放置一个光检偏器,我们就能够测量其偏转角度,从而推算出磁场的强度。但因为光学元件的震动、温度造成光纤特征的变化以及测量偏振角本身的误差,使得直接测量偏振转角的方法很难达到很高的精度。

图2 法拉第磁光效应Fig.2 Faraday magneto-optical effect

同光程原理和Sagnac干涉测量法。同光程原理是指光从一点出发,通过一系列光学仪器传播到空间里的其他一点会聚,其每条光线的光程都是相同的[8]。光程并非简单地等同于路程,它是以路程除以该处折射率,然后分段相加。每条光线的光程相同。采用双光束同光程Sagnac干涉法对法拉第磁光效应中的磁场进行测量。光纤传感器部分主要有保偏光纤、1/4波片、感应光纤和反射镜组成。一束沿着X轴偏振的光通过1/4波片后就变成了沿Y轴偏振的光。同样,一束沿Y轴偏振的光通过1/4波片后就变成了逆指针旋转的左旋光。左旋光遇到镜子后被反射成右旋光,再通过1/4波片后变成了沿X轴偏振的光。在没有外加磁场的情况下,X轴偏振的光将和Y轴偏振的光经过同样的路径同时返回起点,两束光没有任何相差。在任何时刻,温度和震动等外界因素对两束光的影响都是一样的,不会产生任何相差。而当有如图2所示的磁场存在时,右旋光顺磁场或左旋光逆磁场都会被加速,而右旋光逆磁场或者左旋光顺磁场都会被减速。这使得X轴偏振的光越来越快,而Y轴偏振的光越来越慢。通过测量两束光的相差,可以精确计算出磁场的强度,而又能避免直接测量偏转角带来的误差。

3 工程实例

直流输电系统安全稳定的运行很大程度上取决于换流站上所配置的直流控制保护系统和监视系统,而直流控制保护系统及监视系统又取决于换流站的测量系统在系统稳态和暂态条件下测量的准确度和可靠性。需结合换流站各保护区域的需求,配置相应类型的交流和直流测量装置,才能形成完善的测量系统[9]。本文详细分析了锦苏工程苏州换流站直流系统各区域的保护功能,针对各处对测量设备的技术要求,详细分析了苏州换流站电流测量系统的配置方案。

3.1 苏州换流站主接线

锦屏-苏南±800 kV特高压直流输电工程是双极直流输电系统,额定容量7 200 MW,额定电压±800 kV,最高运行电压±816 kV,额定电流4 500 A,于2012年底双极投产。

苏州换流站为受端系统,负责将直流电转换为交流电。800 kV的苏州换流站每极由2个12脉动阀组串联接线(400 kV+400 kV)。换流变压器的容量为(24+4)× 340 MA。换流变容性无功补偿容量为4 300 MVar,分四大组,每小组容量按不大于270 MVar配置。500 kV交流开关场采用一个半断路器连线,按7个完整串建设,换流站500 kV交流回线6回,其中至苏州西变2回、至500 kV吴江变3回、500 kV车坊变1回。苏州换流站每极高、低端12脉动换流阀两端设计电压相同,12脉动换流阀两端连接直流开关设备,通过直流开关设备的操作可以投入或退出该12脉动断路器,实现运行方式的转换和运行故障的隔离清除。

苏州换流站划分为交流开关场区域、交流滤波器场、变压器和阀厅区域、直流开关场区域4个主要区域[10]。苏州换流站的交流开关场区域采用的设备为气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated substation, GIS)。由于交流开关区域的互感器封装在组合电器中,本文不对交流开关场区域的互感器进行分析配置。

3.2 脉动换流器保护区电流互感器配置

苏州换流站的12脉动换流器保护区的保护功能和电流互感器配置如图3所示。该保护区域所配置的电流互感器分别位于:阀厅内中性母线、阀厅内400 kV母线、阀厅内800 kV极线、户外直流场的中性线。

其中配置于阀厅内中性母线、阀厅内400 kV母线、阀厅内800 kV极线的互感器为NXCT纯光纤电流互感器。

图3 脉动换流器保护区电流互感器配置图Fig.3 CT configuration for pulsating converter protection zone

3.3 极保护区电流互感器配置

极保护区电流互感器配置具体情况如图4所示。配置情况如下:①在阀厅内中性母线、阀厅内400 kV母线、阀厅内800 kV极线、户外直流滤波器高压进行回路处配置纯光纤电流互感器;②在户外直流场中性线配置零磁通电流互感器;③在直流滤波场避雷器、中性线电容器和避雷器处配置电磁式电流互感器。

图4 极保护区电流互感器配置图Fig.4 CT configuration for polar protection zone

3.4 双极保护区电流互感器配置

双极保护区电流互感器配置如图5所示。

图5 双极保护区电流互感器配置图Fig.5 CT configuration for double-polar protection zone

双极保护区电流互感器的配置情况如下:在户外直流场中性线、中性线临时接地开关处、接地极线路处内置零磁通电流互感器;接地极线路避雷器处内置电磁式电流互感器。

3.5 直流滤波器保护区互感器配置

直流滤波器保护区的功能配置和电流互感器配置具体情况如图6所示。直流滤波器保护区电流互感器的配置情况如下:在直流滤波器进线光CT、直流滤波器不平衡光CT、滤波器内回路上配置低压电流互感器[11]。

图6 直流滤波区互感器配置图Fig.6 CT configuration for DC filtering zone

4 结束语

特高压直流输电具有超远距离、超大容量、低损耗的送电能力,且调节灵活,更适合于大型水电、火电基地向远方负荷中心送电,能够提高资源的开发和利用率,符合我国国情和国家能源发展战略。根据锦苏工程的建设,对该工程所用到的各类直流电流测量装置的工作原理、结构和应用特点进行了深入研究,主要包括电磁式电流互感器、零磁通式电流互感器、光电式电流互感器、全光纤式电流互感器等。结合锦苏直流输电工程同里换流站的直流控制保护系统的特点,及其对测量装置性能的要求,对各类直流测量装置在换流站各区域的配置进行了深入的研究,并给出了不同电流测量装置在各个区域的配置方案。

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Research on the Configuration of Current Transformers in HVDC Converter Station

The current measurement in HVDC has been researched.Through analyzing relevant measurement methods and measurement devices,the configuration of current transformers(CT)in HVDC converter station is designed,and combining with the construction of Jinsu engineering project,the measurement devices used in this project are analyzed.This construction shows that the design of configuration is feasible and reasonable;it possesses good guidance for configuring current measurement equipment in UHVDC transmission projects in the future,and engineering applicable values.

Ultra-high voltage Direct current transmission Current measuring equipment Current transformer Configuration scheme

TM452

A

国家自然科学基金资助项目(编号:51105344);

航空科学基金资助项目(编号:2012ZB55003);

河南省科技攻关基金资助项目(编号:122102210431);

河南省教育厅科学技术重点研究基金资助项目(编号:14A590001)。

修改稿收到日期:2014-04-30。

刘顺新(1978-),男,2006年毕业于大连理工大学电机与电器专业,获硕士学位,讲师;主要研究方向为电气设备的设计和故障诊断。