光学电流互感器及其应用评述

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50347023),Special Scientific Research Project s Foundation for University Doctor Subject (20030079007).

光学电流互感器及其应用评述

张　健1,及洪泉2,远振海3,李岩松2,郭志忠1

(1.哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨150001;2.华北电力大学电气工程学院,北京102206;

3.北京中唐电工程物资有限公司,北京100045)

摘　要:光学电流互感器(OCT )以其优良性能而非常适于电力系统尤其是高电压等级的系统以提高设备安全性降低成本。为进一步促进OCT 在系统中应用,利于建设数字电力系统,评述了在电力系统继电保护、数字化变电站、动态观测、故障录波、故障定位、谐波测量等方面的应用情况。国内自主研制的基于Faraday 磁光效应原理的OCT 具有良好的动态响应能力和绝缘性能,能精确地测量非周期分量及各种交流谐波分量,且无饱和现象,并利用自适应光学传感原理和螺线管聚磁光路结构,解决了阻碍OCT 实用化的测量温漂和不能长期稳定运行的问题,稳态测量准确度可高于012级。安装于河北省保定市某变电站110kV 线路上的OCT 已连续运行了25个月,运行结果表明,自适应光学电流互感器(AOCT )具有长期运行稳定性,能满足现代电力系统发展的要求。

关键词:光学电流互感器;Faraday 磁光效应;继电保护;数字化变电站;电力系统;自适应光学电流互感器中图分类号:TM452文献标志码:A 文章编号:100326520(2007)0520032205

Optical Current T ransducer and Its Application

ZHAN G Jian 1,J I Hong 2quan 2,YUAN Zhen 2hai 3,L I Yan 2song 2,GUO Zhi 2zhong 1

(1.Depart ment of Elect rical Engineering ,Harbin Instit ute of Technology ,Harbin 150001,China ;2.School of Elect rical Engineering ,Nort h China Elect ric Power U niversity ,Beijing 102206,China ;

3.Beijing Zhongtangdian Engineering Logistics Co.,Ltd ,Beijing 100045,China )

Abstract :This paper reviews the application of Optical Current Transducer (OCT )in relay protection ,digital sub 2station ,dynamic observability ,fault recorder ,fault location ,and harmonic measurement.The OCT is gaining in 2terest because of its obvious advantages over conventional current transducers such as it has no saturation phenome 2non ,has good dynamic response ability and insulating property ,it also can measure the non 2periodic component and the various alternating current harmonic components accurately.OCT following Faraday magneto 2optic effect has been totally researched and developed only by domestic scholars and manufactures.Aiming at two severe problems OCT faced ,temperature excursion and no operating stability that baffles its utility in power system ,the Adaptive Optical Transducing Principle and the Solenoid Collecting Magnetic Field Optical Path are presented.According to IEC66004428,the performance of Adapative Optical Current Transducer (AOCT )is examined roundly by applying the standard testing system.The results indicate that in the steady state the measurement precision of the AOCT is improved by class 0.2and in the transient state the maximal peak instantaneous alternating current component error of the AOCT reaches class1.The technology 2identifying meeting organized by the Chinese electronic engineering as 2sociation has considered that this subject has obtained the world 2class success in the pivotal technology of optical cur 2rent transformer following Faraday magneto 2optic effect.AOCT was installed in a 110kV substation in Baoding city of Hebei province and has been working continuously twenty five months.The operating results have shown that the AOCT designed is operated stably ,so that it can completely meet the demands of the development of modern power system.

K ey w ords :optical current transducer (OCT );faraday magneto 2optic effect theory ;relay protection ;digital substa 2tion ;power system ;adapative optical current transducer (AOCT )

0　引　言

测量方法准确化、测量传输光纤化、测量输出电

子化是电子式互感器的3个主要发展趋势[1]。“准确测量任何时刻的电流瞬时值”是电流互感

器(TA )的理想测量品质。广泛使用的铁磁线圈TA 尽管稳态测量准确度能满足012级的要求,但短路故障时存在磁路饱和现象,动态测量能力差,是保护装置误动和拒动的主要原因。基于Faraday 电磁感应原理的Rogowski 线圈TA 不存在磁路饱和现象,但由其基本原理决定了它不能测量稳恒直流,

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23・第33卷第5期2007年　　5月

高　电　压　技　术

High Voltage Engineering

Vol.33No.5

May 　2007

电压等级越高,铁磁线圈TA的绝缘结构越复杂、绝缘费用越高。光纤具有天然优良的绝缘性能,测量的光纤传输方式是简化绝缘结构、大幅度降低成本的有效途径,是电子式互感器的必然趋势。对于基于电磁感应原理的电子式TA,需要采用电光转换的手段,对于OC T,则顺理成章地需要采用测量的光纤传输方式[14217]。文[18]统计表明,从1995年至2001年底,全国正在运行的500kV TA共有24台,从2000年至2001年底发生7起500kV TV事故,年故障率达到117%,问题几乎全部集中在绝缘上,具体数据见表1。因OC T采用光纤传输数据,从结构上保证了电绝缘性能,故OC T的故障率远远低于铁磁线圈TA。

表1　2000～2001年电流互感器事故率

T ab.1　Possibility of trouble of Current transducer

in2000～2001%

分类

330kV

按台数按容量

500kV

按台数按容量

总　计

按台数按容量

事故率112401751133117211311159注:事故原因:①绝缘存在局部缺陷和工艺质量问题;

②安装、检修、运行问题。

文[19]统计表明,电压等级越高,OCT制造成本的优势越明显,其中,110kV铁磁线圈TA与OC T的造价比约为114:1,220kV约2:1,330kV 约215:1,500kV约4:1,据有关互感器生产厂家预算,1000kV约6:1。同时,利用光纤传输信号可显著减少线路损耗,提高现场的安全性,使得OCT非常适用于超高压和特高压电力系统。

现代电网的二次系统是实时信息化系统,要求互感器提供标准的信号输出,而不是具有负载能力的二次电流或二次电压输出。测量输出电子化是OC T的基本特征,是建设数字电力系统的基本需要[20224]。

1　OCT的基本原理和两个关键技术

基于Faraday磁光效应的OCT一直是光学电流传感技术的主流,它通过测量由被测电流i引起的磁场强度的线积分来间接测量i。根据Faraday 磁光效应,线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过介质(晶体或光学玻璃)时,其偏振面将发生偏转,偏转角θ为

θ=μV∫

L

H・d l,(1)其中,μ为Faraday磁光材料的磁导率;V为磁光材料的Verdet常数,它与介质的特性、光源波长、外界温度等有关;H为作用于磁光材料的磁场强度;L 为通过磁光材料的偏振光的光程长度,见图1。为求出上述积分而实现电流测量,可使线偏振光围绕i形成回路,根据安培环路定律可知:

θ=V N i,(2)其中,N为线偏振光围绕i的环路数[25]

。

图1　F arad ay磁光效应的原理图

Fig.1　Schem atic diagram of F arad ay m agneto2optic effect 针对阻碍OCT实用化的测量温漂和不能长期稳定运行的问题,由哈尔滨工业大学和华北电力大合组成的课题组提出了相应的解决方法———自适应光学传感原理和螺线管聚磁光路结构。以标准检测系统为平台,按照测试标准IEC6004428对自适应光学电流互感器(AOCT)进行的准确度检测结果表明,此AOCT稳态准确度达到了012级,非周期分量电流的最大峰值瞬时值误差<±1%。安装于河北省保定市某变电站110kV线路上的AOCT已连续运行了25个月,运行结果表明,AOCT具有长期运行稳定性[26],已基本具备实用化条件。

2　OCT在电力系统中的应用

2.1　在继电保护中的应用

OC T能满足继电保护要求,测量的动态范围大,频带宽,因而比铁磁线圈TA更能真实反映故障下暂态过程中的一次电流,这将有助于提高继电保护的快速性、灵敏性和可靠性[27229],它的应用必将对未来的保护产生重要影响。

1)有效提高差动保护性能

无论是电流纵差保护还是横差保护,其原理都是比较同一线路两端的电流或不同线路同侧的电流,当系统正常时电流和近似为0,当系统故障时电流和超过整定值,引起保护动作。这就要求测量电流的两个TA特性相近,否则,当差动保护区以外发

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　2007年5月高　电　压　技　术第33卷第5期生短路故障,短路电流很大,非周期分量影响严重时,励磁电流增大,由于磁饱和特性及磁化曲线差异,两个TA二次电流将产生较大的不平衡电流,有时将引起保护误动。OCT无磁饱和现象,因而具有良好的暂态特性,不平衡电流小,提高了差动保护的选择性、灵敏性。特别是常规的短线路差动保护,必须铺设与被保护线路一样长的辅助导引线。导引线的短路或断路将造成保护误动,因此为了监视导引线的完好,必须装设专用的信号装置。此外,若增大导引线阻抗,则会使隔离变压器的二次负载增大,导致传变误差增大。若提高导引线回路电压,则又使导引线分布电容电流、漏电流增大,且危及设备及人身安全。导引线一般与高压输电线平行铺设,在输电线短路时,短路电流可能在导引线回路中感应产生过电压,雷电也可能在导引线中产生感应过电压,这将损坏保护装置中的元器件。而用OC T作短线路差动保护将很好地克服这些问题:利用光纤直接将线路对侧电流信息传送到同一侧,进行两线路比较。它的优点是无辅助线路短路问题,若光纤断路则无光信号输出,很容易检测出来,且不存在感应过电压问题。光纤传输损耗小,不需信号中继装置,也可在较长的线路内实现保护,这对于地下电缆尤为重要[30233]。同时,OC T因无饱和特性而更适用于母差保护。

2)简化保护判据

因铁磁线圈TA饱和后不能准确测量电流,故为了提高保护的可靠性,不得不在保护算法中加入大量的附加判据,使传统的保护判据冗余而复杂。而OC T频率响应宽,无饱和现象,能准确测量非周期分量和各种交流谐波分量,从而为简化保护判据提供了可能。

3)促进保护新原理的研究

目前的保护算法多采用电流的工频分量,但需要经过滤波,这样不可避免地会产生延时。为了提高保护动作速度,采用故障后的暂态分量、瞬时值和电压、电流的行波信号来构成高速保护。铁磁线圈TA因频率范围较窄而不能完全再现一次电流波形,而OCT测量的频率范围宽(理论上测量频带可达几M Hz),能真实地反映一些高频信号,并可较准确地测量非周期分量,可为暂态量保护、瞬时值保护、行波保护[31]提供可靠的数据,从而促进它们的发展,还可设想构造基于非周期分量和高次谐波的保护新原理;因OCT采用光纤传输信号,故可设想构造完全基于光强的差动保护新原理,实现保护光学化,从而更加彻底地解决电磁干扰问题。可以相信OC T的使用一定会推动继电保护的发展。2.2　在数字化变电站中的应用

自从早期的远程终端单元(R TU)装置、高频继电保护装置等设备在变电站内开始应用,变电站就已注入了数字化的特征。随着电子技术的发展,通信技术和电子技术越来越多地应用于变电站内,数字化的职能装置也逐步增加,数字化技术已成为变电站技术的重要组成部分。

数字化变电站是指变电站内一次电气设备和二次电子装置均实现数字化通信,并具有全站统一的数据建模及数据通信平台,在此平台的基础上实现智能装置之间的互操作性[34]。IEC61850标准根据功能将变电站智能设备划分为3个层:过程层、间隔层和变电站层[35]。此标准中规定的过程层和间隔层在逻辑上是分离的。在目前的变电站中,由于技术上的并没有出现的过程层,过程层的功能由间隔层装置完成。随着电子式TA、TV的逐步实用化和智能开关技术的发展,在未来的数字化变电站中过程层功能从间隔层设备中分离已成为一种趋势。过程层的分离具有一系列优点:传统的二次电缆用光纤代替,从而节省投资;一次高压系统和二次系统从电气上完全隔离,增加了二次系统的抗电磁干扰性能和安全性;电子式互感器提供标准的数字接口信号,简化接口,实现数据共享。而随着OCT的研制成功和实用化发展,更有助于带动电子式TV的研究应用,进而加快数字化变电站的改造进程,最终实现数字电网的建设。

2.3　在电力系统动态观测中的应用

电力系统的监视与控制正在从时间断面逐步走向时间过程,电力系统的保护与控制正在从电网的点和局部逐步走向系统全局。为了阻止发生破坏性越来越大的电力系统灾难事故,人们正在构建电力系统安全防御体系。以相角测量单元(PMU)为基础的提供电网准确动态过程测量数据的广域测量系统(WAMS)[36]将成为电网保护控制的基础测量系统。电力系统发生故障时,由于非周期分量的存在,铁磁线圈TA迅速达到饱和,不能准确测量出故障点电流,不能准确反映电网动态过程,这将直接导致PMU测量失准,从而影响整个广域测量系统的可靠性。而具有良好动态响应能力的OC T的广泛应用将大大提高电网保护与控制的可靠性[37]。

2.4　在故障录波和故障定位中的应用

在电力系统故障、操作、雷电等扰动过程中,电压电流信号含有丰富的频率分量和大量的系统状态信息。若对这些信息进行提取分析,则可实现对系统结构、参数的快速辨识,实现电力系统的暂态高速控制和电网故障的准确定位[38]。所以TA用于故

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・May2007High　Voltage　Engineering Vol.33No.5　障分析时应具有精细地描绘故障信号波形的能力。铁磁线圈TA存在饱和问题,基于Rogowski线圈的电子式TA存在频带问题,而基于Faraday磁光效应的OC T的传感头具有良好的暂态特性和理论上无的宽频带,只要电子线路中滤波器参数选择合适,其二次输出信号就既能真实地反映一次电流的高次谐波,又能较好地再现非周期分量含量。故利用OC T将彻底解决故障录波的失真问题,促进故障录波的更新换代。现有的母线或线路故障定位系统常常受到铁磁线圈TA电磁饱和、二次线路长、电磁干扰严重等问题的影响而导致判断错误。采用OC T的新型故障定位系统则可克服以上缺点,提高定位的准确性。

3　结　论

电子式电流互感器是电网动态观测、提高继电保护可靠性和数字电力系统建设的基础装备,将在现代电力系统中发挥重要的基础测量作用。同时,电子式电流互感器带来了电力系统数字化的,其数字量输出加快了数字化变电站从试点到普及应用的速度,使实现电力系统保护、控制、测量、数据通信一体化成为可能。可以相信,随着OCT的推广应用,必将开启电力系统测量、保护、控制的新局面。

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4.

张　健

Ph.D.ZHAN G Jian

张　健　1980—,女,博士生,主要研究领域为

光学技术及其在电力系统中的应用

以及电力系统分析与控制。电话:

(010)62962288;E2mail:zhang_jian@

hit.edu.cn

收稿日期　2006206228　　　　编辑　李　东

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