±500 kV直流电子式电流互感器及其应用研究

张志杨

（中国南方电网有限责任公司 超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545000）

0 引 言

在对直流电子式电流互感器进行应用研究的过程中，技术人员一定要全面掌握其应用原理、基本结构以及主要技术参数等，这样才可以使其在实际的高压直流输电工程中得以良好应用，充分发挥出其直流控制保护方面的应用优势。为高压直流输配电系统的安全稳定运行提供足具科学性的技术与设备支撑。

1 ±500 kV直流电子式电流互感器

本次所研究的是国产的±500 kV直流电子式电流互感器，主要组成结构包括分流器、Rogowski空心线圈、远端模块、合并单元、高压测量头、直流控制系统以及光纤绝缘子等。具体应用中，分流器可对被测的一次直流电流进行转换，使其变为电压信号，而空心线圈则可让电流中所携带的谐波电流实现到电压信号的转换。借助于远端模块，可对来自于分流器或者是空心线圈中的电压信号进行就地采集，然后再将电压信号转变成数字信号，并借助于光纤将其传输给合并单元[1]。在接收到相应的信号之后，合并单元会将其转换成与标准规约相符的数据，再将其发送到直流控制保护装置中。在高压测量头中，其远端模块主要通过低压合并单元中的激光器来供电，激光发送器中的激光主要以光纤的形式来给远端模块传递信号，借助于远端模块中的光电转换器，可以实现激光能量到电能的转换，以此来为远端模块供电[2]。其中，光纤绝缘子属于光纤内嵌复合形式，通过该绝缘子的应用，不仅可实现高压绝缘的良好保障，同时也可以防止光纤受到损伤[3]。图1为±500 KV直流电子式电流互感器的主要原理示意图。

图1 ±500 kV直流电子式电流互感器的主要原理示意

1.1 分流器

在±500 kV直流电子式电流互感器中，分流器是最为关键的一个组成部分，其主要功能是确保互感器精度，因此需要具备非常好的温度稳定性以及散热性能。分流器的主要设计基础是锰铜合金形式的鼠笼式结构，其二次输出额定值是75 mV[4]。在一次电流额定值条件下，其锰铜管所具有的通流速度应控制在1 A/mm2以下，这样才可以实现其发热量的显著降低。同时，锰铜合金的温度系数应足够小，这样才可以确保其温度稳定性。图2为±500 kV直流电子式电流互感器中分流器测量的原理示意。

图2 分流器测量原理示意

1.2 Rogowski空心线圈

在±500 kV直流电子式电流互感器中，Rogowski空心线圈的主要功能是谐波电流传感。具体设计中，对于1～50次的谐波电流，其测量精度应控制在2.5%以内。Rogowski空心线圈属于一个空心形式的螺线管，应用时需将其缠绕在非磁性骨架上[5]。因为该线圈没有铁芯，不会出现饱和现象，且频率特征和线性都很好，所以在谐波电流测量中十分适用。具体应用中，其信号输出值e(t)和被测电流i之间的关系为：

式中，μ0为空心线圈在真空条件下的磁导率；n为线圈中的匝数密度值；S为线圈自身的截面积；f所代表的是谐波电流所具有的频率。具体计算中，按照线圈在不同频率条件下输出的信号值，便可对其各次谐波电流进行求解。

因为Rogowski空心线圈中没有铁芯，所以外磁场和温度等各种干扰因素都很容易对其性能产生不良影响。为有效降低各种干扰影响，技术人员可根据实际情况，对回绕线技术和等安匝技术加以合理应用[6]。

1.3 远端模块

远端模块的主要功能是对来自于分流器或者是空心线圈中的输出信号进行接收和处理，其输出信号是串行数字形式的光信号。具体工作中，对于来自于分离器中的光信号，该模块主要进行了两个独立采样模拟回路设置，以此来实现双重采样操作，并对两路采样值实时进行比较和校验；同时，实时采样回路中的硬件也具备良好的自检功能，可有效防止采样异常所导致的保护误动情况[7]。图3为远端模块原理示意图。

图3 远端模块原理示意

具体应用中，该模块可借助于激光供能反馈控制以及低功耗设计技术使激光供能具有更高的效率，以此来实现激光器中驱动电流值的合理降低，让激光供能寿命及其可靠性得以进一步提升。在该模块中，所有的电子器件都具有非常低的工作电压和功耗，整个模块的实际功耗可控制在30 mW以内。借助于数字光纤，可将该模块中的功耗参数实时下传，并以此为依据来进行激光器中驱动电流的合理调节，这样便可实现激光供能反馈的有效控制。在±500 kV直流电子式电流互感器的具体应用中，相关单位与技术人员可根据实际需求来进行若干个相同远端模块的配置。

1.4 合并单元

在±500 kV直流电子式电流互感器的应用过程中，其合并单元应设置在控制室内，主要功能包括以下几点。第一是将供能激光提供给远端模块，第二是接收和处理来自于远端模块中的下发数据，第三是按照规定的IEC 60044-8协议或者是TDM协议将相应的测量数据输出到直流控制保护设备中，以便设备的合理使用[8]。在合并单元中有很多的硬件措施以及软件措施，如果合并单元自身或者是远端模块出现了故障，借助于这些硬件措施和软件措施便能够及时发现相应的故障，并按照预定的方案来正确进行采样数据的处理。通过这样的方式，便可有效确保直流保护装置获得数据的正确性。

2 主要试验参数及应用效果分析

2.1 主要试验参数

为实现国产±500 kV直流电子式电流互感器应用效果的良好保障，本次特对其进行了应用试验。具体实验中，选择的是PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流电子式电流互感器，通过一次电压额定值、设备电压最高值、直流电压耐受值、雷电击穿电压耐受值、操作冲击电压耐受值、局部放电、爬电比距、一次电流额定值、温升限值、测量精度、直流电流测量范围、阶跃响应、采样率以及谐波电流测量精度等的试验分析发现，该互感器中的各项技术参数都达到了规定标准[9]。本次±500 kV直流电子式电流互感器的主要试验参数情况为：①设备电压最高值是515 kV；②一次电压额定值是500 kV；③雷电击穿电压耐受值是±1 425 kV；④直流电压耐受值是±750 kV；⑤操作冲击电压耐受值是 ±1 300 kV；⑥爬电比距是50 mm/kV；⑦温升限值是60 K；⑧一次电流额定值有5个档，第一档是1 000 A，第二档是 2 000 A，第三档是 3 000 A，第四档是 4 000 A，第五档是 5 000 A；⑨测量精度是 ±0.2%；⑩阶跃响应在125 μs以内；⑪直流电流测量范围在10%～600%； ⑫2～50次谐波范围内的谐波电流测量精度可控制在±2.5以内；⑬采样率为10 kHz。

2.2 应用效果

在通过试验测试并明确其各项技术参数均符合规定标准的情况下，在某市高压输电线路的直流改造中，便将16台PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流电子式电流互感器应用其中。截至目前，这些设备已经应用了3年时间，运行情况十分稳定可靠，并没有出现光纤接口异常、元件故障或者是高温等问题。由此可见，此类直流电子式电流互感器具有非常好的应用效果[10]。

3 结 论

±500 kV直流电子式电流互感器在高压输电线路中具有良好的安全保护与控制作用。为实现该互感器的良好应用，相关单位与技术人员需要对其主要的工作原理、组成部分以及功能进行全面了解，并通过相应的试验来获取其运行参数。在确保运行参数符合标准的情况下，便可将其应用到高压输电项目中，以此来实现高压输电安全的良好保障。经本次研究发现，国产PCS-9250-EACD-500型±500 kV直流电子式电流互感器具有非常好的应用性能，将该电流互感器合理应用到高压输电项目中可有效确保测量精度，为其安全稳定运行提供有效的技术支撑，这对于当今社会供电质量、供电安全需求的全面满足以及电力行业的良好发展都具有十分积极的促进作用。