换流站用OCT基本原理分析和现场校验方法的研究

刘 罡，王江波，房 琛，武 珺

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.中科华核电技术研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3.大连电力建筑工程公司，辽宁 大连 116021）

换流站用OCT基本原理分析和现场校验方法的研究

刘 罡1，王江波2，房 琛3，武 珺1

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.中科华核电技术研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3.大连电力建筑工程公司，辽宁 大连 116021）

近年来，随着我国电力系统的飞速发展，尤其是直流输电工程日益增多，有源光电式直流电流互感器（OCT）在国内换流站有了广泛应用。对OCT的原理和结构进行了介绍，并对其现场校验方法进行研究，结合现场实际情况给出异地同步测量法，最后通过现场试验进行验证。

直流互感器；OCT；换流站；异地同步测量法；现场试验

随着我国电力系统的飞速发展，超高压和特高压直流输电工程日益增多，直流互感器作为关系到直流输电系统安全、稳定、可靠的关键设备已显得越来越重要。目前在我国常用的直流大电流互感器主要有分流器式、饱和电抗器式、霍尔变换器式、直流比较仪式以及磁光效应式直流互感器等［1］，其中饱和电抗器式直流互感器虽具有安全稳定、二次带载能力强等优点，但其测量准确度较差，需要交流或直流辅助电源，在高压直流输电条件下将大大增加其绝缘要求，在高压计量和保护用互感器中应用前景不高；基于霍尔变换器式直流互感器目前在冶金行业已得到广泛的应用，但由于霍尔元件受温度影响较大，同时互感器准确度较差，同样无法在电力系统中广泛应用；采用磁光效应法的直流互感器技术门槛高，造价昂贵，在国内现有条件下无法推广使用；目前，只有基于分流器和直流比较仪式（零磁通）直流互感器在国内换流站中具有广泛应用。本文将主要介绍分流器式直流互感器，该类互感器将分流器作为传感元件，采用光纤作为传输介质，因此又称为有源光电式直流电流互感器（简称OCT）［2］。

1 OCT基本原理和结构

有源光电式直流电流互感器在换流站的应用非常广泛，如直流场极线、阀厅极线等，其额定一次电流可以从几千安培到几十安培不等［3］。被测电流可以是直流电流，也可以为谐波电流，当用作直流测量时，一般采用分流器作为传感器。用于直流测量的OCT原理示意图如图1所示，其主要由采集系统、传输系统和控制系统构成。采集系统主要由分流器、滤波电路、放大电路、A／D转换电路以及电—光转换电路组成，传输系统主要为光纤，控制系统主要由合并单元组成［4］。

图1 OCT基本原理图

1.1 分流器

常见的分流器是一种四端电阻，中间的多个圆棒为分流器的锰铜电阻，这是分流器电阻的核心。这种几何对称结构巧妙地消除了引线电阻的影响，减小了计量误差。分流器输出电压与分流器阻值的比值即为被测电流，被测电流的误差主要受以下3方面影响［5］

a.锰铜阻值的漂移。分流器的主要传感元件为锰铜电阻，而锰铜电阻本身因受锰铜合金成分不均匀、外界的内应力和锰铜合金表面氧化作用等因素的影响，阻值往往不稳定。而其稳定性直接影响分流器的准确度。为提高其准确度，通常会对加工完成的分流器进行老化处理。

b.温度系数的影响。由于存在二次电阻温度系数，其理论电阻值RT由式（1）确定：

式中：RM为20℃时分流器的电阻值；T为电阻的温度；α和β分别为一次和二次电阻温度系数。由式（1）可知，锰铜电阻理论电阻值温度曲线为一开口向上的抛物线，因误差和电阻值成反比，故若只考虑温度影响可得锰铜电阻理论温度—误差曲线如图2所示。

图2 锰铜电阻温度—误差曲线

c.电流分布不均匀造成的影响。

实际安装中，由于分流器结构的不完全对称及材料的差异，将导致电流分布不均匀，而且这种不均匀会随着时间推移进一步发生变化，这使得分流器电位端子输出电压发生变化，即分流器的误差发生变化。

1.2 滤波电路

滤波电路的作用是尽可能减小直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。在OCT采集系统中，有用的信号频率范围在0～2 500 Hz之间，因此它是一个低通滤波电路，并且保证截止频率至少要大于5 000 Hz。

1.3 放大电路

OCT的分流器额定输出信号一般在几百mV数量级，电磁兼容性较差。为充分利用AD转换芯片的量程，提高数量采集电路的准确度，一般都需要合适的放大电路。该放大电路的基本要求为低噪声、低失调和低温漂。

1.4 A／D转换电路

A／D转换电路的采样脉冲或同步脉冲均由低压侧提供。通常采样脉冲和激光供能共同采用一根光纤。每隔一个采样周期或同步周期，短暂地停止激光器供电。高压侧电路提取该脉冲信号，并将其转换成采样脉冲用于控制A／D转换器。

1.5 电—光转换电路

具体分为电光转换模块和光电转换模块。高压侧的信号经过数据采集后，通过电光转换模块，将数字的电信号转换成光信号，通过光纤传输到低压侧；相应地在低压侧有一光电转换模块，将光纤传入的光信号恢复为数字的电信号，以供控制模块进行处理。

1.6 控制电路

控制电路主要由合并单元组成。合并单元主要有两个作用：一是提供激光供能。直流输电系统的高压侧一次电流为直流，因此无法采用母线感应供电方式，只能采用激光供能。低压侧的激光器将供能激光通过光纤传输至高压侧，通过直流—直流变换电路将激光能量转换为合适的供电电源；另一作用为进行数据处理。高压侧传输过来的数据信号经光纤和其它电路传输至合并单元，根据IEC60044-8或TDM协议输出供二次设备使用。

通过上述结构可以看出OCT主要优点为绝缘上的优势，采用光纤绝缘子作为主绝缘，结构简单，安全可靠。其缺点为电气元件较为复杂，电磁兼容性较差，在换流站中工作环境较为恶劣，故障率较高。其主要故障点为电子电路和激光器等部分。因此，OCT的低压侧一般采用冗余配置，1套OCT一般至少装有2套电子电路模块，各电子电路模块均处于热备用状态。另外，直流测量用OCT采用的分流器受环境温度影响较大，在炎热和寒冷的天气条件下会影响OCT的准确度和可靠性。

2 校验方法和主要装置［6］

2.1 校验方法

对于普通交流互感器，依据JJG1021—2007《电力互感器》检定规程［7］通常采用比较法对电力互感器进行检定或校准；而对于换流站用OCT，由于被试品与标准装置通常距离较远，只能采用异地同步测量法。异地同步测量法的原理图如图3所示。

图3 异地同步测量法校准OCT原理图

电流比值误差表达式按式（2）计算：

当被校准直流互感器只有数字输出，US可在终端显示上人工读取，标准器输出数据与被校准直流电流互感器输出数据通过对讲机进行同步。当被校准直流互感器具备模拟输出时，标准器的输出与被校准互感器的输出通过GPS设备同步读取。

2.2 标准装置［8］

由于互感器的标准装置需要具有良好的稳定性并且要比被试OCT准确度高出两个等级，故通常采用直流电流比较仪。它是一个基于磁调制原理工作在深度负反馈状态下的闭环控制系统。直流电流比较仪误差主要由系统静差、磁性误差以及零位误差组成。实际对直流比较仪进行校准时，可以通过补偿调零手段去除零位误差，所以校准的主要任务是客观地反映比较仪的系统静差和磁性误差。

2.3 电源装置［9］

由于校准方法采用异地同步测量法，这对直流电流源的稳定性提出了较高要求。通过试验验证，认为稳定度为0.05%／min的现场有高稳定度直流电流源可以应用在OCT现场校验中，该电流源电路框图如图4所示。三相交流电经过三相不控整流、DC／AC高频逆变、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源。

图4 直流电流源电路框图

为提高电源稳定度，将电流比较仪作为采样环节，并增加PI控制环节，该反馈控制原理如图5所示。该反馈控制包括两个控制环路，外环为慢速电流补偿反馈环，内环为快速电流反馈环。外环将输出信号进行采样，经PI控制器与给定电流进行对比，得到补偿电流信号，补偿电流信号在经内环反馈，经PWM调制器产生PWM波，控制逆变器的输出。

图5 反馈控制原理图

2.4 现场试验

用异地同步测量法对辽宁某±500 kV换流站内极Ⅰ和极Ⅱ某OCT进行现场试验，该OCT额定电流为2 000 A，试验结果如表1所示［10］。

表1 OCT现场试验误差%

从表1可知在额定电流20%以上时，极Ⅰ和极ⅡOCT误差均优于0.25%，满足GB／T26216.1—2010《高压直流输电系统直流电流测量装置》要求。

3 结论

本文对换流站用OCT基本原理进行了分析，给出现场常用校验方法，并在辽宁某换流站进行验证试验，得到以下结论［11］。

a.有源光电式直流电流互感器在高压绝缘和计量准确性等方面同其它直流互感器相比有较大的优势，适合在换流站中使用。

b.异地同步测量法有效解决换流站内被试品与标准装置距离较远这一缺点，可作为换流站中直流互感器现场校验的常用方法。

［1］ 李 前，李 鹤，周一飞，等.±800 kV直流输电系统换流站直流电流互感器现场校准技术［J］.高电压技术，2011，37（12）：3 053-3 058.

［2］ JJG1069—2011，直流分流器检定规程［S］.

［3］ 胡 灿.超／特高压直流互感器现场校验技术及装置［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［4］ 罗承沐，张贵新.电子式互感器与数字化变电站［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［5］ 杨世皓.高压直流光电电流互感器工作原理及现场检验［J］.上海电力，2010，27（6）：402-405.

［6］ 李 岩，张陈啸，郑立亮.±500 kV电子式直流电流互感器设计及检验［J］.水电能源科学，2012，30（5）：402-405.［7］ JJG1021—2007，电力互感器检定规程［S］.

［8］ 李 恺，罗志坤，欧朝龙，等.基于电流比较仪测试直流互感器误差的方法［J］.湖南电力，2010，30（10）：41-44.

［9］ 刘 罡，曾辉明，程 力，等.590系列互感器校验仪对现场检定的局限性［J］.东北电力技术，2014，35（5）：52-55.

［10］ 郝建成，宋 丹，叶 峰.变压器和组合电器特殊连接方式下的试验方法［J］.东北电力技术，2012，33（3）：15 -18.

［11］ 陈玥名，崔广泉，刘长江.电力电流互感器实验方法的研究［J］.东北电力技术，2009，30（9）：15-17.

Research on Fundamental Principle and On⁃sit Method of Calibration for OCT in Converter Station

LIU Gang1，WANG Jiang⁃bo2，FANG Chen3，WU Jun1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning110006，China；2.China Nuclear Power Technology Research Institute Beijing Division Co.，Ltd.，Beijing 100086，China；3.Dalian Electric Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning116021，China）

In recent years，with the rapid development of electric power system in China，especially an increasing number of DC transmission project，OCT is widely used in convert station.The principle and structure of OCT is introduced，and also research on on⁃sit method of calibration is made，according to field situation the Multi⁃area Synchronous Measuring Method is given，which is veri⁃fied by field test at last.

DC transformer；OCT；Converter station；Multi⁃area Synchronous Measuring Method；Field test

TM452＋.92

A

1004-7913（2015）03-0019-03

刘 罡（1985—），男，硕士，工程师，从事测量用互感器及电力互感器的试验与科研工作。

2014-12-10）