电子式零磁通型直流电流互感器测量方法优化及故障检测

康文，方海霞，张宏

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

高压电子式零磁通型直流电流互感器的精度要求较高，一旦出现测量异常，将导致直流输电系统保护动作，紧急停运闭锁，造成电网事故〔1-2〕。因此，对该装置及其备品的离线精度校验方法研究优化工作具有重要意义。

结合鹅城换流站实际情况，通过研究常规校验方法，提出一种高压电子式零磁通型直流电流互感器电子模块和一次设备进行离线测试的基本方法。基于此方法进行故障检测和维护，可提高运行设备可靠性。

1 高压电子式零磁通型直流电流互感器简介

1.1 鹅城换流站使用情况介绍

鹅城换流站共有8个基于零磁通原理的直流电流互感器 (以下简称DCTA)，用于测量直流场及阀厅直流电流，每个DCTA含有2个一次线圈，分别用于A，B冗余系统。每个一次线圈对应1台EMVI711EZ型号的电子模块，用于直流电流的测量工作。该模块有50 A和3 000 A 2种，前者2台，后者14台，总计16台。

1.2 原理介绍

DCTA是将一次直流电流转换成小电压，提供给测量装置，进行转换后，输入控制保护系统，进行系统电流计算和控制保护〔3〕。其测量原理图如图1所示。

图1 电子式零磁通型直流电流互感器测量原理图

零磁通直流电流互感器由磁积分器和磁调制器组成，铁芯 T1，T2，T3分别对应辅助绕组 N1，N2，N3。匝数相同的补偿绕组N4和校准绕组N5并联，围绕3个铁芯，N5在校准补偿绕组N4时，与N4解开并联，正常运行时N4和N5并联使用。

由测量原理图可发现，磁积分器由N3，N4，N5、功放和负载电阻构成。绕组N1，N2、峰值检测器和振荡器组成磁调制器。

磁积分器工作原理:利用功放消除N3绕组上产生的感应电动势，使原边绕组产生的磁势和副边绕组N4产生的磁势完全平衡。即原边和副边安匝平衡:IdW1=I2W2，W2包含 N4和N5绕组 (对于额定电流3 000 A的型号，N4=N5=5 520，对于额定电流50 A的型号，N4=N5=920)，W1为一次通流回路 (原边绕组为1匝)。

磁调制器工作原理:振荡器激励T1和T2，使之进入饱和状态。当T1和T2铁芯饱和时，电流陡增。N1绕组的电流激增被风机检测器感应到，N2用来平衡N1产生的磁通量。如果铁芯内是纯直流磁通量，峰值探测器会感应到正、负峰值并向功放提供校正信号。

当被测直流电流Id≠0时，峰值检测器输出校正电压Ur，Ur控制磁积分器的功放，使功放输出副边补偿电流I2，从而使铁芯中安匝数完全平衡，即Id=I2W2，W2包含N4和N5绕组。当Id越大时，功放产生的补偿电流越大，反之则越小。

实际上，由于功放有限的增益和磁通量漂移，原边和副边磁势不能保持平衡。为了恢复安匝数平衡，需要形成一个具有负反馈的系统，此时，磁积分器实现了该目的。磁通的一切变化都会在绕组N3上产生感应电压，感应电压在积分器反相输入端驱动，从而改变功放输出的补偿电流I2，使得原边和副边绕组产生的磁势完全平衡。〔4〕

最后，通过测量补偿电流I2在负载电阻上形成直流电压信号，可以得到一次电流信号，实现测量直流电流目的。

1.3 鹅城换流站设备计算实例

以阀厅3 000 A零磁通直流TA为例进行计算说明其原理。根据附件设备铭牌参数，得到绕组匝数:

P1P2(W1)=1;N1=1 500;N2=1 500;N3=1 500;N4=5 520;N5=5 520;电流额定值Id=3 000 A;负载电阻R=1 kΩ;额定输出二次电压±1.666 7 V;补偿额定电流I2=±0.543 48 A

在安匝平衡状态下，原边安匝数为:

副边安匝数为:

在排除测量误差下，原边和副边实现了安匝平衡，该电流经过1 kΩ负载电阻和分压电阻后，输入输出放大器，最后额定输出小电压值为1.666 7 V，送入电子测量板卡PS862E，在软件中换算成一次电流值3 000 A，用于直流输电系统控制和保护。

2 原有备品校验方法及其优化

2.1 原有备品校验

对原有备品精度校验需在停电检修中进行，首先需要解开正在运行的正常DCTA互感器线圈，接入备品电子模块，利用运行设备电源和一次互感器线圈进行相关校验工作，无法在不停电时单独对备品电子模块进行校验。

该方法存在以下问题。首先，一旦误动正常运行端子，将会导致保护端子烧毁。其次，若恢复不可靠，可能造成运行设备TA二次开路，损坏设备。最后，在大修工期要求较高的情况下，涉及到断复引等工作，危险系数较高。

2.2 校验方法优化

通过1台直流稳压电源、1台高精度电流源、1台高精度数字电流表和电压表，按照图2将电子模块、一次互感器、保护专用端子进行连接，实现离线电子模块和一次互感器设备的精度校验。

图2 带线圈测试试验接线图

3 精度校验方法

3.1 备品DCTA离线测试方法

3.1.1 空载测试

接入110 V直流稳压电源，不接入直流TV二次绕组，进行空载测试，验证电子模块基本功能。在面板端子排测量1(+)和2(-)端子间直流电压，为93～122 V;检查电子测量单元2块直流电压转换器上绿色指示灯亮;在电子模块测试孔上测量直流电压转换器输出电压。测量要求见表1。测试通过后，进行后续的带线圈测试。

3.1.2 带线圈测试

通过保护端子将稳压电源、电子模块、零磁通互感器线圈连接，进行带线圈测试工作。

1)用示波器观察电子测量单元测试孔M7对M4波形，标准波形如图3所示。

图3 电子模块标准波形

2)若波形出现畸变或电压峰值出现偏差，调节电子模块“amplitude adj”，使波形峰值达到2 V。在测试过程中，要求波形周期固定18 ms左右(见图4)，电位器的调整仅改变波形峰值，不影响周期。

图4 电子模块实测波形

3)在电子测量单元测试孔上测量M8对M4的直流电压，小于1 mV。

4)解开绕组 N5与 N4的并联回路，断开X13—X23和 X12—X22连接片，将 N5与 N4绕组隔离。通过专用仪器测精度:“22(-)”“23(+)”接到高精度电流源;“14(+)”“15(-)”接到电压表;在N5绕组上注入测试电流Itest，测量电子模块输出电压Vout，标准输出电压与测试电流必须满足下列公式:

通过实测值Vout实测与Vout标准对比，即可得出其测试精度:

DCTA 精度 = (Vout实测-Vout标准)/Vout标准

3.2 运行DCTA测试工作及故障检测

3.2.1 故障检测

对于在运行的DCTA，不必进行空载测试工作，而是直接进行带线圈测试工作。用示波器观察电子模块测试孔M7对M4波形，检查峰值脉冲频率为18.12 ms，但是幅值偏小，为1.600 V。如图5所示。

此设备在2012年出现过一次测量异常，基本判定其运行状态出现偏差。根据要求，调节增益到2.00 V。

3.2.2 精度校验

解开绕组N5与N4的并联回路，拆下短接片，将N5与N4绕组隔离，在N5绕组〔22(-)”“23(+)〕上注入测试电流Itest，测量电子测量单元的输出电压Vout，输出电压与测试电流必须满足下列公式:

在现场一次侧注入1 500 A电流，在控制保护系统软件读取实时测量值为1 500～1510 A之间变化。同样方法，依次注入不同电流值，计算出其具体精度，应符合技术文件要求。

3.2.3 DCTA精度校验注意事项

1)注意区分每台电子模块的型号 (区别50 A和3 000 A);

2)在短接TV端子或划开TV连接片时，一定要做好记录，及时恢复，严防TV线圈二次开路;

3)在接入110 V直流电源时，不要带电接入，防止人员触电;

4)最好使用空开分合装置电源，不建议使用划片，至少要使用空开旁边的压入式凤凰端子。

4 结论

本测试方法通过在鹅城换流站备品试验、同时在年度检修期间对在运行设备进行了故障检测和精度校验，证明较原有备品精度校验方法更安全、快捷、可靠，可用于国内换流站各批次电子式零磁通型直流电流互感器备品精度校验。

同时通过对在运16台电子式零磁通直流电流互感器在线检测，发现了1例性能差异，及时进行了调整，能满足高压零磁通型直流电流互感器的精度校验和维护工作。

〔1〕梁旭明，吴巾克，冀肖彤.国家电网公司直流输电工程控制保护系统运行情况分析〔J〕.电网技术，2005，29(23):7-11.

〔2〕罗德彬，汪峰，徐叶玲.国家电网公司直流输电系统典型故障分析〔J〕.电网技术，2006，30(1):35-39.

〔3〕国家能源局.DL/T 353—2010高压直流测量装置检修导则〔S〕.北京:中国电力出版社，2011.

〔4〕申莉，聂珣，郑华，等.直流TA电子测量单元校验方法探讨〔J〕.电测与仪表，2008，45(513):18-22.