高压直流电流互感器运行现状及现场校准技术研究

张鼎衢，潘 峰，林国营，肖 勇

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080)



高压直流电流互感器运行现状及现场校准技术研究

张鼎衢，潘 峰，林国营，肖 勇

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080)

±500 kV和±800 kV高压直流输电工程已在我国顺利实施，±1 000 kV特高压直流输电系统已处于研究试运行阶段。由于缺乏理论研究和试验设备的支撑，尚不具备额定条件下直流互感器现场校准的条件。报告了高压直流输电工程中高压直流电流互感器的运行及其校准技术现状，研究了直流电流互感器的现场校准方法并提出了现场校准中的关键问题，为高压直流电流互感器现场校准技术提供有益参考。

高压直流输电；直流电流互感器；现场校准；校准方法

Foundation items：The Program of "One Thousand Talented People" of State Grid Corporation of China(PD71-12-017)；Basic Forward-Looking Technology Projects of State Grid Corporation of China (PD71-14-001)

直流输电是解决超高压、大容量、低损耗远距离输电以及互联电网的重要手段。目前，我国高压直流系统的电压等级已从±500 kV向±800 kV推进，±1 000 kV系统正在完善中，随着高压直流输电的快速发展，高压直流互感器得到广泛应用。随之而来，也暴露出直流互感器在实际运行中的问题，例如，南方电网公司贵广二回直流输电工程贵州兴仁换流站，直流极试运行期间多次出现交流场隔离刀闸误操作引起直流差动保护误动作。研究表明直流电流互感器在运行现场的高频干扰信号下阻抗发生变化，从而导致直流侧保护误动作。这些问题可以通过直流电流互感器的现场校准提早发现并解决。然而，由于理论研究和试验设备的匮乏，直流电流互感器现场测试一般只在低电流下对互感器变比进行粗略考察，尚不具备额定条件下现场校准的条件。

随着高压及特高压直流输电系统的推广应用，对高压直流电流互感器现场校准系统需求将越来越大，功能要求也将越来越全[1-3]。额定条件下直流电流互感器现场校准技术尚为空白，同时新技术的发展提出了新问题及新挑战，加之应用的实际需要，开展高压直流电流互感器现场校准方法研究、建立现场校准系统迫在眉睫。

1 高压直流电流互感器运行现状

目前，国内外已投运的高压直流电流互感器从原理上可分为3类[4]。

1.1 零磁通式直流电流互感器

零磁通式直流电流互感以磁势自平衡为基本原理，通过电子反馈构成闭环系统。如图1所示。图1中，T1、T2、T3为一次回路磁芯，N1、N2、N3为一次回路补偿绕组，N4、N5为磁芯外并联的补偿绕组。当被测直流电流I1≠0 时，峰值检波器输出的校正电压U控制补偿电流I2，使得原、次边线圈的磁势平衡，即I1*1= I2*(N4+N5)。通过测出负载电阻上的直流电压就可得出一次直流电流。

图1 零磁通式直流电流互感器框图

目前，西门子公司的零磁通式直流电流互感器已经应用于国内的直流输电工程中，例如云南至广东± 800kV 直流输电工程，如图2所示。

图2 ±800 kV零磁通式电流互感器

中国电力科学研究院于2010年研制了50 kV零磁通式直流电流互感器样机，如图3所示。在额定电流(3 000 A)及持续热电流工作条件下各点测量误差均小于0.2%，在18kA下测量误差小于0.3%，同时，样机具有良好的暂态性能且通过了电磁兼容试验[5]。

图3 零磁通直流电流互感器

零磁通式直流电流互感器具有宽测量范围内高准确度的优点，同时具有很好的稳定性和动态性能，但其绝缘结构复杂、绝缘成本较高。因此，零磁通式直流电流互感器多用于测量电压等级较低的换流站中性线上的直流电流，其输出形式多为模拟电流或电压[6]。

1.2 有源式直流电流互感器

有源式直流电流互感器由高压测量部分、光纤及光纤绝缘子、低压端合并单元等部分组成。高压测量部分包含分流器、空心线圈和远端模块(高压侧采集及转换电路)，因高压部分需电源供电，故被称为有源式，基本原理结构如图4所示。分流器用于一次直流电流测量，空心线圈用于一次谐波测量，空心线圈和分流器输出的电压信号经过远端模块转换为数字信号，数字信号经过光纤传输至合并单元并转换为标准规约数据发送至直流控制保护装置及其他测量设备。合并单元内的激光器配合光电转换器为远端模块供电。内嵌光纤的复合绝缘子具有高压绝缘和避免光纤损伤的作用。

图4 有源式直流电流互感器系统结构图

目前，进口的有源式直流电流互感器在我国的直流输电工程中得到了较为广泛的应用，如天广直流输电工程安装了西门子公司的有源式直流电流互感器，如图5所示。其频带范围为0～5 kHz，测量准确度优于0.75%；三常直流输电工程安装了ABB公司的有源式直流电流传感器，如图6所示。其阶跃响应最大上升时间为400 μs，超调小于20%，10%～134%额定电流(3 000 A)范围内的准确度为0.5%。

图5 西门子有源式直流直流互感器

图6 ABB有源式直流直流互感器高压部分

2004年，国内首台±120 kV有源式直流电流互感器在灵宝背靠背直流示范站挂网运行，如图7所示。该台互感器由华中科技大学和西安高压电器研究所联合研制，直流测量准确度等级为0.2级。2010年，南瑞继保有限公司研制的±500 kV有源式直流电子式电流互感器样机，其测量范围为(10%～600%)Ipr，(10%～120%)Ipr的测量准确度为0.2%，阶跃响应时间小于125 μs，均达到国际先进水平。同年4月，成品在天广直流改造和葛南直流改造工程中投入运行，5年多来运行稳定可靠。

图7 有源式直流电流互感器灵宝示范站挂网

有源式直流电流互感器是目前实际应用最多的一类直流电流互感器，其具有信号光纤传输不受电磁干扰、高低电位信号完全隔离、绝缘性价比高、传感器可靠性高且无饱和、体积小、重量轻、数字光信号输出等优点。其不足之处在于供能激光器寿命短，激光供能板卡故障率高。

1.3 反射式全光纤式直流电流互感器

反射式全光纤直流电流互感器是基于法拉第效应、萨格纳克干涉原理和安培环路定理的一种无源式电流传感器，其原理如图8所示[4]。光源经耦合器由偏振器形成X、Y轴上相互垂直的线偏振光，并以45°角注入保偏光纤传输，再经λ/4波片后转变为左旋、右旋的圆偏振光。圆偏振光经传感光纤后在光纤末端反射镜的作用下互换模式(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)并再次经传感光纤返回。在被测电流磁场的作用下，两束圆偏振光经过两次Faraday效应，相位发生变化(φ=4NVI)，再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在光纤偏振器处发生干涉。最后，携带相位信息的光由耦合器耦合进探测器。由于两束光的相位变化与被测电流的对应关系，根据非互易相位差即可得到被测电流，其表达式为：

Id=0.5KlossI0(1+cos(φb+φ))

(1)

式中N——传感纤的匝数；V——Verdet常数；I——导线中的电流)；φb——调制相位；Kloss——光路损耗；I0——光源输出光强。

图8 反射式全光纤电流传感器原理图

基于反射式全光纤电流互感器结构如图9所示，由光纤圈构成的传感头置于光纤绝缘子的顶部，数匝光纤圈环绕着被测电流母线。光纤圈由保偏光纤连接至绝缘子底部的光路系统及信号解调系统。该原理的电流互感器一次与二次之间无任何电气连接，安全性极高[7]。

图9 全光纤电流互感器结构图

目前，我国±800 kV同里(苏州)换流站和±800 kV浙西换流站均安装了ALSTOM公司生产的NXCT-F3型全光纤电流互感器。

反射式全光纤直流电流互感器采用全光纤传感和传输，结构简单，无需一次转换器及电源，高低压绝缘性能优良；由于输入和输出光路共用一根光纤，抗干扰能力高，同时还具有传感响应快、数字信号输出的优点。但由于传全光学器件暴露于户外，存在随机漂移及信号衰减等稳定性问题，同时，传感光纤需从国外进口，价格昂贵。因此，目前反射式全光纤直流电流互感器尚未大量投入使用。

2 高压直流电流互感器现场校准现状

我国从上世纪八十年代就已开始了高压直流互感器标准体系和现场校准技术的研究。

1986年起华中科技大学就开始研制直流大电流现场计量装置：直流电流比较仪。经过多年对直流电流比较仪原理、磁屏蔽以及自校准系统的深入研究，建立了直流大电流计量标准体系。2004年起中国计量院着手研究建立高准确度的国家直流大电流计量标准，并寻求方法解决直流大电流现场在线校准难题。经过10年探索提出了DDC分布式母线优化设计、现场反向偏心安装法、DDC串并联自校准等方法，解决了直流大电流计量溯源国内外长期存在的“准”、“大”、“现场”三大难题，促进了直流大电流计量的进步。

2004年华中科技大学和西安高压电器研究所联合研制了国内首台有源式直流电流互感器(DCOCT)，并提出了现场校准方法，校准原理如图10所示。为避免信号波动的影响，标准互感器与被测DCOCT 采用同步采样、A/ D 转换的方式；采集结果经数字输出口输出至标准校准仪进行差值运算。当时由于现场校准条件所限，实际采用ABB公司准确度为0.2级的零磁通直流电流互感器，作为参考标准进行了比对试验[8]。

图10 高压直流电流互感器校验原理

2010年中国电力科学研究院(武汉)研制了一套直流电流互感器现场校准系统，包括直流电流比例标准、便携式5000 A高稳定度直流电流源、GPS无线同步数据采集系统[8]。采用该系统对±800 kV复龙换流站的光电流互感器在额定电流(4 000 A)下进行了现场校准试验。在现场校准试验中，由于被校准直流电流互感器的一、二次部分相距较远，因而采用异地同步测量法。如图11所示。标准输出电压UP位于直流场；被试输出电压US位于控制室。通过同步测量两地的信号，可得到被校准直流电流互感器的误差。

图11 直流电流互感器现场校准试验原理图

针对直流电流互感器二次输出形式的不同，同步采用对讲机方式或GPS方式：(1)当被试直流电流互感器二次输出不含模拟量时，采用对讲机同步现场和控制室两地的数字万用表和终端的数字输出，为降低读数延迟造成的误差，需要高稳定度的直流电流源，并采取多次测量求平均值的方法；(2)当被试二次输出含有模拟量时，采用GPS无线同步数据采集装置同步两地数字万用表的数字输出，此种方法的同步精度高，可降低对电流源稳定度要求。

除此之外，西安高压研究所研制了实验室校准装置。许继、南瑞继保、南瑞航天等公司研制了直流电流互感器校验装置用于各自设备的出厂校验。

在国际方面，直流输电系统电量信号的精密测量并借此优化直流输电的参数设计和运行控制，是高压直流输电领域的前沿课题。

可见，直流互感器现场校准缺乏现场校准方法的严密论证，缺少现场校准配套的专业设备，更没有相关标准及规程，诸多问题有待研究完善。

3 高压直流电流互感器的现场校准方法

目前高压直流输电系统所用直流电流互感器多为0.2级或0.5级，一次电流绝大部分在5 kA以内。电磁式直流电流互感器一般采用模拟电压输出形式；包括有源式和无源式在内的电子式电流互感器一般采用数字形式输出，数字输出有光数字和电数字输出之分。

对于模拟量输出的直流电流互感器，可用差值法进行校准，如图12所示。

图12 差值法校准直流电流互感器原理框图

校准误差表达式为：

(2)

式中UP——标准输出电压；ΔU——测差单元输出电压。

差值法可大大减小电流源输出纹波对校准准确度的影响，因此对直流电流源的稳定度要求不高。当标准与被校互感器的变比不相同时，需调整求差单元中的标准电阻箱，使得二者额定变比相等，标准电阻箱引入的负载误差应小于被校直流电流互感器允许误差的1/10。该方法要求直流电子式互感器校验仪至少有2个模拟量输入端口，标准A/D转换器可采用低准确度、高分辨力转换器来测量差值电压。

对于具有模拟量二次电压输出的直流电流互感器，也可采用直接测量法，如图13所示。

图13 模拟量直接校准法原理

校准误差表达式为：

(3)

式中Krp——直流电流比较仪的变比；Kra——被校直流电流互感器的变比；UP——电流比较仪二次侧输出电压；US——被校直流电流互感器的二次侧输出电压。

模拟量直接校准法同样要求直流电子式互感器校验仪具有至少2个模拟量输入端口并且需要两个相同的高精度A/D转换器对两个电压值进行采集。校准过程中需要利用校验内置同步装置对上述两个模拟输出量进行同步采样。

对于具有数字量输出的直流电流互感器，其输出是对应瞬时电流值的数字序列，只能采用直接测量法。数字量直接校准法原理如图14所示。

图14 数字量直接校准法原理框图

校准误差表达式为校准误差表达式为：

(4)

式中UP——电流比较仪二次侧输出电压；IS——被校直流电流互感器的测量值输出。

数字量直接校准法要求直流电子式互感器校验仪至少具备1个模拟量输入端口和一个数字量输入端口。标准的模拟输出量需要使用高精度的A/D转换器进行采集。校准时利用校验仪内置时钟对标准的输出量采集和被试进行同步[9]。

4 高压直流互感器现场校准关键问题研究

4.1 高压直流电流标准器及准确度影响研究

现场直流电流标准器拟采用基于磁调制器原理的直流电流比较仪。其工作原理如图15所示。环形铁芯T1和T2以及相应的励磁绕组W3和W4构成双铁芯差动式结构的磁调制器，励磁绕组W3和W4反向串联相接。振荡器作为信号发生器用来产生正弦波，经过变压器变换出合适幅值的交流电压信号，作为双铁芯差动式结构磁调制器的励磁电源。I1为被测一次直流大电流，W1为其母线匝数(一般为1 匝)。I2为二次反馈直流电流，W2为反馈绕组匝数，通常W2>W1。环形铁芯T3 是防磁铁芯用，抵御外来干扰磁场，确保双铁芯差动式结构磁调制器检测微弱信号的可靠性。应特别注意W1和W2的绕向，使I2与I1所产生的磁势方向相反。

图15 基于磁调制器原理的直流比较仪原理图

整个测量系统是一个自动平衡系统，只要保证系统稳定运行，就能满足此磁势平衡条件。当测量系统工作时，通入一次被测大电流I1，会对应产生二次反馈直流电流I2。如果一次磁势大于二次磁势(W1I1>W2 I2)，磁调制器信号中将出现“正向”的二次谐波信号，二次反馈直流电流I2变大，直至W1I1=W2 I2，此时，磁调制器无输出信号，系统处于平衡状态。同理，如果一次磁势小于二次磁势(W1I1

理想情况下，比较仪检测绕组的电流为零时，一次、二次绕组产生的磁场完全抵消，铁芯内各处磁场均应为零。然而，由于存在干扰磁场，检测电流为零时，铁芯内各点的磁场并不为零，将影响测量准确度误差。干扰磁场主要有以下来源：

(1)由于绕组绕制过程中难以实现理想均匀和密绕，各绕组中会产生的泄露磁场；

(2)由于铁芯的材料特性难以达到理想均匀，导致铁芯各处磁化曲线不一致，也会产生泄漏磁场；

(3)由于外界通流导体的存在，会产生杂散磁场。

泄漏磁场和杂散磁场均会导致铁芯内磁场不均匀。 为消除干扰磁场，可采取如下措施：

(1)尽可能保证各绕组均匀绕制，若一次绕组为单匝大电流母线，可使其从铁芯窗口中心垂直穿过；若一次绕组为等安匝母线，可使其均匀对称地绕制于铁芯窗口上；

(2)加装磁屏蔽和金属屏蔽于检测绕组外和二次绕组内，可以切断泄漏磁场和杂散磁场的回路，避免其进入铁芯；加装平衡绕组于铁芯外和检测绕组内，可消除铁芯材料不均匀带来的泄漏磁场[10-12]。

(3)现场外界通流导体尽可能远离比较仪。对现场无法远离的通流导体应评估其影响。

4.2 直流电源对现场校准的影响

直流电流源对校准的影响最主要体现在谐波对直流电流比较仪的影响。实际中，由于直流大电流由交流整流而来，不可避免的含有与脉动波相关的谐波电流。当电流比较仪一次绕组含有交流谐波电流时，虽然检测绕组的谐波感应信号由于同名端对接而抵消，但一次绕组中的交流谐波电流会同时在二次绕组感应出谐波电流。此时直流电流比较仪的等效模型类似于交流电流互感器，其一次电流谐波对电流比较仪的影响，可根据等效模型折算到二次侧进行计算。

直流电流源的稳定性对校准的影响还体现在标准器与被校互感器响应时间的不一致上。

4.3 现场校准不确定因素的影响

直流电流互感器现场校准还存在以下的不确定因素：

(1)温度、湿度及变化等环境因素对校准系统标准通道的影响；

(2)校准系统标准通道受现场电磁干扰的影响；

(3)被校互感器响应时间的不确定性；

(4)信号传输过程中误码和丢帧的影响，等等。

5 结语

高压直流电流互感器应用越来越广，需求量越来越大，直流电流互感器的运行准确度和稳定性可影响整个系统的安全稳定运行。对直流电流互感器进行现场校准可及时发现现场实际运行环境下存在的问题，提高高压直流电流互感器运行的准确度和稳定性。本文根据国内外直流电流互感器的实际情况，提出了现场校准的方法和校准中应注意的关键问题。

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(本文编辑：严 加)

Operational Status and On-Site Calibration Technology for HVDC Transformer

ZHANG Ding-qu1, PAN Feng1, LIN Guo-ying1, XIAO Yong1

(Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

±500kV and ±800kV HVDC project have been successfully implemented in our country , and ±1000kV HVDC transmission system has been studied in the experimental stage. However, due to lack of theoretical research and test equipment, on-site calibration of HVDC current transformer can not as yet be performed at rated conditions. First of all, this paper overviews the status of operational and calibration technology, then analyzes the HVDC current transformer on-site calibration method and proposes the key issues. This research will provide a useful reference for HVDC current transformer on-site calibration.

HVDC transmission; DC transformer; on-site calibration; calibration method

10.11973/dlyny201506010

国家电网公司“千人计划”专项支持项目(PD71-12-017)；国家电网公司基础性前瞻性科技项目(PD71-14-001)

张鼎衢(1987)，男，硕士，工程师，从事电能计量新技术研究。

TM933

A

2095-1256(2015)06-0787-07

2015-09-22