±500 kV换流站直流电流互感器现场校准装置与技术

(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

超特高压直流输电技术的发展起源于20世纪60年代。瑞典查尔穆斯理工(Chalmers)大学于20世纪60年代中期开始着手研究超、特高压(±750 kV)输电线路等工作。此后，欧洲的前苏联、南美洲的巴西等国也投入到超特高压输电工程的研究和工程实践工作中来[1]。IEEE(美国电气与电子工程师协会)和CIGRE (国际大电网会议)均在20世纪80年代中后期指出[2]：根据已有技术和运行经验, ±500 kV、±800 kV均是合适的直流输电电压等级[3]。中国历时数年对高压直流输电的电压等级多方研究论证并进行不断技术攻关，同时考虑到对直流输电技术的研发水平和直流设备的研究及生产能力，坚定了必须明确一个特高压直流输电等级作为方向，并最终锁定±800 kV为中国特高压直流输电的标称电压[4]。

直流互感器是直流输电系统的重要一次设备[5]，为系统的控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到直流输电系统的安全稳定运行[6]。为了开展直流换流站电流传感器的现场校准，需研究现场校准用电流源的技术要求、适用于现场校准用的标准装置类型和结构、测量线路和误差处理方法及大电流计量标准装置的校准技术[7]。目前已投运的换流站采用的直流互感器大部分均为进口，国产化水平偏低[8]，在实际运行中，部分换流站的直流互感器多次出现故障，有些故障直接导致了直流系统的单极闭锁。然而目前换流站用直流互感器一般只进行过出厂校准试验，由于缺乏相应的试验手段和试验设备，且无相关直流互感器标准和技术监督规程可依，直流互感器在国内进行现场校准试验和例行校准的条件十分匮乏。

图1 换流站直流部分接线图

1 直流换流站中直流电流互感器概况

目前已投运换流站使用的直流电流互感器按原理分为光电流互感器(OTA)与零磁通直流电流互感器(零磁通TA)，它们的特点不同，TA易于解决绝缘的问题，零磁通TA的准确度比较高，因而将它们应用于换流站不同位置。OTA主要用于直流阀厅内极线、直流场极线以及直流滤波器高压侧回路的电流测量。零磁通式直流电流互感器用于阀厅内直流中性线、直流场中性线以及直流场NBGS开关的电流测量[9]。图1是某换流站直流部分的接线图，可以看到，直流电流互感器在换流站中应用十分广泛。

2 现场校准设备

用于超高压直流换流站直流电流互感器现场校准的装置分为两类：一类是现场用标准设备，主要是直流电流比例标准装置——直流电流比较仪；另一类就是校准用辅助设备，包括现场用高稳定度直流电流源[10]和无线同步数据采集装置。

2.1 直流电流比例标准

校准0.2级的直流电流互感器要求标准器的准确度至少应达到0.05级。磁调制式直流比较仪[11]是20世纪60年代加拿大科斯托尔斯(Kusters)首先研制成功的，其准确度高达1×10-6以上，现在世界各国已经采用这种直流电流比较仪作为直流电流比较标准[12]。为开展国内超高压直流电流互感器现场校准试验，特试制了5 kA直流电流比较仪作为校准试验中的标准器[13]，该电流比较仪的电流比例准确度等级达到2×10-6。在实际校准试验中，该直流电流比较仪要外接负荷电阻，使得比较仪可以输出电压。校准试验中采用的负荷电阻为0.01级高精度电阻，因此直流电流比例标准装置的整体准确度优于0.02%。

2.2 高稳定度直流电流源

随着国内超高压直流输电工程的陆续投运，适用于现场电流互感器校准的直流电流源要求越来越高。不仅需要该类电源的输出电流能够在零到额定范围内连续并且可调，而且还要保证其输出电流的高稳定度和高准确度，同时为了满足现场测试的实际需求，还尽量要求此类电源体积小、重量轻、可靠性高。

为提高电流源的输出电流的精度，现场校准试验用所设计制造的5 kA高稳定度直流电流源使用直流电流比较仪作为采样环节，并增加PI控制环节，减小给定电流与输出电流的误差。三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变器、高频变压器输出再经过全波不控整流、滤波最终得到所需直流电流，原理如图2所示。

图2 高稳定直流电流源电路框图

图3 GPS无线同步数据采集装置原理图

2.3 同步数据采集装置

在直流互感器现场校准试验中，标准的输出与被校准互感器的输出分别位于直流场与控制室，当被校准互感器的二次输出为模拟信号时，为了能够同步测量标准输出和被校准互感器的输出，需要使用GPS无线同步触发测量技术。

该装置由主(从)机测试系统、GPS同步时钟装置、高精度数字万用表等几个部分组成，其中主机通过Labview平台(虚拟仪器技术)与GPS装置、高精度数字万用表进行接口。利用该装置进行直流互感器现场校准时，主机置于直流场，从机位于控制室，两者通过无线通讯技术连接。

3 直流电流互感器校准方法(异地同步测量法)

3.1 测量原理

当被校准直流电流互感器的输出与标准器的输出由于场地的限制相距较远时，建议采用本方法。如图4所示，1为标准直流电流比较仪；2为被校准直流电流互感器；3为标准电阻(直流电流比较仪负荷)；Up为直流电流比例标准输出的电压，信号取自于直流场标准器侧；Us为被校准直流电流互感器的二次输出电压，信号取自于控制室。同步测量两地的信号并转换为对应的一次电流，经比较即可得到被校准直流电流互感器的误差。这种方法称之为异地同步测量法。

图4 异地同步测量法校准直流电流互感器原理图

电流比值误差表达式按式(1)计算为

(1)

3.2 试验方法

1)当被校准直流电流互感器二次没有模拟输出接口时，只能通过人工方式同步直流场数字式万用表和控制室终端显示的读数，此时对直流电流源输出电流的稳定度要求很高。为降低读数延迟造成的误差，需采取多次重复测量取平均值的方法；

2)当被校准直流电流互感器二次具有模拟输出接口时，采用GPS无线同步数据采集装置(见图3)同步测量两地信号，此时由于同步精度很高，对电流源输出电流的稳定度要求可以降低。

4 直流电流互感器现场校准

使用异地同步测量法和上述试验设备对±500 kV德阳换流站内极线上的OTA进行了现场校准试验，注入电流主回路长度约为50 m，主回路连接导线采用3根额定1 000 A大电流导线并联。测量点为额定电流的0、10%、20%、50%、80%、100%。测试结果见表2。

表2 ±500 kV 德阳换流站极线OTA测试数据

图5 ±500 kV 德阳换流站极线OTA试验场景

分析此次校准试验，可以得到如下几点结论。

(1)德阳极I光电流互感器(OTA)在10%额定电流点出现超差，且两通道输出数据差距较大，考虑到分流器本身的线性度优良，应当是信号处理与传输环节引入的误差，需要通过现场校准进行调整；

(2)不同光电流互感器(OTA)的误差-电流曲线则有一定的分散性，这体现了光电流互感器误差影响环节较多的特点，如分流器环节、多级放大环节、各级零点偏置、AD转换环节等等；

(3)OTA的工作环境温度范围为-40 ℃～+50 ℃，如果要在全温度范围内误差均满足0.5级要求，则OTA的误差温度系数应在40×10-6以下。

5 结 论

(1)测定直流电流互感器误差时，电流上升和下降的误差变差较小，这表明换流站中直流电流互感器的误差性质较为稳定，同时也在一个方面证明所采用的误差校准方法和校准设备的可信度。

(2)通过开展直流互感器投运前的现场校准试验可以提早发现直流互感器的故障或隐患，对于保障中国直流输电工程安全、优质和经济运行具有重要的意义。

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