光学电流互感器应用于发电机保护的研究及实践

王 凯，王 耀，王 光，张琦雪，陈 俊，何海波

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

光学电流互感器应用于发电机保护的研究及实践

王 凯，王 耀，王 光，张琦雪，陈 俊，何海波

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

本文针对基于电磁式TA的发电机保护存在的TA饱和易致误动、水电机组中性点侧分支TA过热损坏绝缘、定子匝间保护薄弱等问题，探讨了光学TA应用于发电机保护所带来的性能改善，给出了现场应用案例的典型数据分析，并展望了光学TA在发电厂的应用前景。

光学TA；定子绕组匝间保护；裂相横差保护；TA饱和；失灵保护

0 引言

随着电力系统的快速发展，发电机组容量越来越大，电压等级不断提高，基于电磁式电流互感器（TA）的发电机组继电保护技术越来越成熟，但是也逐渐暴露出其自身难以克服的缺点，例如区外故障时TA饱和导致差动保护误动、水电机组中性点侧TA局部过热引起绕组匝间绝缘老化导致保护误动、TA二次回路断线过电压损坏设备等。20世纪60年代以来，针对电子式互感器的研究越来越广泛，其中光学TA因其动态性能优良、抗干扰能力强、安全性好等优点成为研究热点，并在数字化变电站、高压直流输电工程和地下电缆线缆故障判据等领域得到广泛应用，积累了丰富的应用经验[1，2，3]。随着光学TA制造、运维技术的日渐成熟，在发电厂、工矿企业等行业领域的应用必将成为趋势。

本文从基于电磁式TA的发电机组继电保护存在的问题出发，尝试分析采用光学TA所能够获得的改进效果，为光学TA在电厂的推广应用提供一些参考和指导。

1 光学电流互感器基本原理

光学电流互感器（Optical Current Transducer，OCT）基于Faraday磁光效应原理，其传感原理如图1所示。线偏振光通过位于磁场中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向将产生正比于磁感应强度平行分量的旋转，这个旋转角度叫Faraday旋光角，由于磁场强度与产生磁场的电流成正比，因此旋光角与产生磁场的电流也成正比，通过检测旋光角即可测量产生磁场的电流[4，5，6]。

当传感光纤或磁光玻璃围绕一次通流导体闭合成环时。旋光角ϕ可用下式表示：

图1 光学TA原理示意图Fig.1 Schematic diagram of optical TA

式中：V——光学介质的Verdet常数，表示单位磁场产生的旋光角；

H——磁场强度；

l——光在介质中传播的距离；

NL——围绕通流导体闭合光路的圈数；

I——产生磁场的电流。

2 光学TA应用于发电机保护的分析

由于电磁式TA采用电磁感应原理，具有结构复杂、体积庞大、饱和等固有特点，给基于电磁式TA的发电机保护带来了一些其自身难以完全克服的问题，本章分析采用光学TA彻底解决这些问题的可能性。

2.1 TA饱和

电磁式TA的铁芯磁化特性是非线性的，剩磁或非周期电流分量可能导致铁芯磁通密度饱和，引起二次侧电流严重畸变。国内外研究人员提出了各种TA饱和识别方法来防止差动保护误动或拒动，但并不能完全解决问题，且不管采用何种判据，无一例外均增加了保护逻辑复杂性，在内部短路故障时延长了差动保护的动作时间。

另外，安装有多台机组的发电厂，在一台主变压器空充时，除合闸主变压器会产生励磁涌流外，在与之并列的主变压器中也会出现涌流现象，即和应涌流[7]。如果相邻主变压器带发电机运行，对于发电机差动保护而言，和应涌流是穿越性电流，理论上不会导致发电机差动保护误动。但是，和应涌流中含有非周期电流分量，且持续时间较励磁涌流要长很多，可能引起发电机差动保护两侧电磁式TA的暂态饱和，从而产生差流，进而导致发电机差动保护的误动作。图2为某水电站2号主变压器空充时，1号发电机两侧电磁式TA二次电流和差动电流。

截至目前，行业内对和应涌流的产生机理、电气特征和保护对策进行了大量研究，但尚未有公认成熟、可靠的解决办法[8，9]。光学TA基于Faraday磁光效应原理，无磁饱和现象，具有优良的暂态传变特性。某型光学TA依据《GB/T 20840.8—2007 互感器 第8部分：电子式电流互感器》 “8.10.2 暂态特性试验方法”进行的暂态特性试验结果如表1所示。

图2 和应涌流时发电机A相电流和A相差动电流Fig.2 Sympathetic inrush current and differential current of generator

表1 某型光学TA暂态特性试验（额定电流3kA）Tab.1 Transient characteristic test of a optical TA（rated current 3kA）

表1所示试验为一个两次通电过程： C-0.1s-O为第一次通电操作，即“合-0.1s-分”，单次0.1s施加由46.8kA对称电流和约80kA衰减直流分量组成的混合电流，衰减时间常数为100ms；停量0.5s后，进行第二次通电操作，具体过程第一次通电相同。从试验结果看，光学TA具有优良的暂态特性，其性能远远优于规程所要求的10%的最大误差限值。

采用光学TA实现发电机差动保护，无TA饱和问题，提高了差动保护可靠性。同时，保护逻辑取消TA饱和判据后，也提高了内部故障时差动保护的动作速度。

2.2 水电机组中性点侧分支TA过热

一些大型水轮发电机组，在汛期蓄水位较高条件下长期满负荷运行，中性点侧分支TA可能由于电磁屏蔽设计不合理、通风系统异常等原因导致运行温度过高，绕组绝缘易老化破坏，TA绕组发生匝间短路。轻微匝间短路将引起差动不平衡电流增大，严重时甚至引起差流报警或差动保护误动作。

近年来，国内多个大型水电站的多台600MW机组连续发生因机组中性点TA过热损坏绕组绝缘而导致差动保护报警或跳闸的事故。表2为某水电站2009～2010年此类事故统计结果。表3为事故后，电厂技术人员在线实测某机组中性点侧B相TA的表面温度。表3中给出温度值为TA表面温度，其内部绕组温度估计高出10℃以上。

表2 某电厂中性点TA损坏事故统计Tab.2 Statistics Table of neutral point TA fault

表3 机组中性点B相TA表面温度Tab.3 Surface temperature of neutral point TA

光学TA一次传感器部分为传感光纤，无铁芯，不存在磁场叠加感应引起的局部饱和发热问题。一次传感光缆无导电部件，不发热，有良好的耐热性能。另外，光学TA测量精度受温度变化影响较小，完全满足继电保护要求。某光学TA试件的温度循环准确度测试的部分测试数据如表4所示。

表4 温度循环准确度测试数据（施加额定电流）Tab.4 Accuracy test of temperature cycling（rated current）

2.3 定子绕组匝间短路保护配置薄弱

目前，应对定子绕组匝间短路的保护功能主要有：不完全纵差保护、裂相横差保护、单元件横差保护、和纵向零序电压匝间保护。一些机组，特别是大型汽轮发电机组、燃气轮发电机组和核电机组，中性点侧空间有限，不能安装分支TA和横差TA，不完全纵差保护、裂相横差保护和单元件横差保护均无法实现。最常见配置是纵向零序电压匝间保护，但是该保护不反应分支开焊故障，在短路匝数较少或经过渡电阻短路时，保护灵敏度较低。另外，匝间专用TV只配置一组，双套保护共用其开口三角绕组，当该TV本体或回路异常时，双套保护均退出运行[10]。

综上所述，问题症结在于机组中性点空间狭小，无法实现中性点侧分支电流测量。光学TA将一次传感器制成光缆，能够缠绕在任意形状一次导体上，可在狭小空间安装，正好可以解决分支电流测量问题，进而实现裂相横差保护。结合机端电流的测量，可进一步构成不完全纵差保护。

以某300MW抽水蓄能机组为例，该机组中性点为两个分支，原有内部故障主保护由完全纵差保护和单元件横差保护构成。若增加配置图3所示的基于光学TA的裂相横差保护后，其内部故障主保护由完全纵差保护、单元件横差保护和裂相横差保护构成。根据发电机内部故障定量分析结果，新方案能够完全消除内部故障死区，两种方案的性能对比如表5所示。

图3 基于光学TA的裂相横差保护系统示意图Fig.3 Schematic diagram of phase transverse differential protection system based on optical TA

表5 某抽水蓄能机组发电电动机主保护方案性能对比Tab.5 Performance comparison of main protection scheme for a pumped-storage generator

由表5可以看出，原方案存在较大的匝间短路故障保护死区，不能动作匝间短路故障数有100种（占内部故障总数的3.27%）。针对各种类型短路故障，仅对78.42%的内部故障（2398种）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作。相比较之下，新方案的保护性能优良，可应对所有匝间短路故障，且对96.67%的内部故障（2956种）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作。

2.4 TA二次回路断线及其他

光学TA应用于发电机保护，除了能够在上述方面提高保护性能外，在以下方面也具有优势：

（1）光学TA可识别三相光纤链路同时断线故障。现有的发电机保护虽然均有TA断线判别功能，但不能反应三相断线，且TA二次回路断线会产生高电压，可能烧坏设备、危及人员安全；光学TA采用全光纤式传感回路，采样数据也采用光纤上送，可实现完善的回路自检功能，任一点断线均可及时识别，且不会对人员和设备构成危险。

（2）光学TA无拖尾电流，不会对失灵保护性能产生不利影响。大型机组多采用TPY级TA，以提高差动保护性能。当电力系统发生故障，保护动作跳开断路器后，TPY级TA副边绕组仍存在衰减的非周期等电流分量，该拖尾电流仅存在于断路器断开故障电气设备后的很短时间内，会对失灵保护产生影响。对于光学TA来说，当一次电流为零后，其感应磁场消失，光学TA中的偏振光方向不变，不会影响失灵保护性能。

（3）光学TA能够完整保留电流中的直流和较高次谐波成分，有利于新的基于非工频分量保护原理的研究和实现[11，12]。

3 光学TA在发电机保护上的应用

光学TA在电厂的应用刚刚起步，仅有少量产品在现场运行，仍处于经验积累阶段。光学TA在某水电机组的实际应用也表明，相比于电磁式TA，光学TA在暂态过程中测量性能更优。该机组容量为600MW，发电机额定电压为20kV，一次额定电流为19245A，换算至TA二次为0.64A（TA变比30000/1A）。在一次试验过程中，发电机额定空载时空充主变压器，产生励磁涌流，基于电磁式TA和光学TA的机组保护均记录了暂态数据。图4为电磁式TA和光学TA的机端三相二次电流测量结果比较。

从图4中可以看出，励磁涌流特征明显，三相电流均偏向时间轴一侧。初始几个周波二者传变结果较为吻合，而后电磁式TA传变结果逐渐向坐标轴偏移，光学TA测量结果则基本稳居坐标轴一侧，且电流幅值更大。究其原因是，较长时间的正向或负向电流使得电磁式TA的偏磁越来越大并逐渐趋于饱和，影响了一次电流的正确传变。另外，一次电流消失后，电磁式TA二次电流仍有非周期直流分量存在，而光学TA电流很快归零，无拖尾电流产生。

图4 电磁式TA和光学TA的机端电流测量结果Fig.4 Current measurement comparison of electromagnetic TA and optical TA

4 结束语

本文针对基于电磁式TA的发电机保护存在的问题，分析了光学TA在这些方面所具有的优势：

（1）光学TA无饱和、和应涌流问题，可提高差动保护可靠性。

（2）光学TA无导电部件，不发热，耐热性能优良，适用于大型水电机组中性点侧等环境温度高、电磁环境复杂的应用场合。

（3）光学TA可安装于发电机组中性点分支等狭小空间，完善定子匝间保护配置，提高内部匝间短路故障灵敏度。

（4）光学TA其他优点：可识别三相光纤链路同时断线，因无拖尾电流而不会对失灵保护性能产生不利影响等。

目前来看，光学TA在电厂的推广应用仍然面临着诸多障碍。例如，光学TA安装和使用尽管简单，但行业技术人员更熟悉传统设备，配套的设计、运行规程需调整，配套标准需不断完善；光学TA应用涉及面广，需要和配套的励磁、故录、调速等系统配合使用，增加了项目实施难度。尽管如此，随着光学TA技术的日益成熟和配套标准及规程的不断完善，基于光学TA的发电机保护必将得到越来越广泛的应用。

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王 凯（1983—），男，工程师，主要研究方向：电气主设备继电保护。 E-mail：wangkai3@nrec.com

王 耀（1980—），男，工程师，主要研究方向：电子式互感器技术和应用。E-mail：wangy@nrec.com

王 光（1980—），男，高级工程师，主要研究方向：电气主设备继电保护。E-mail：wangg@nrec.com

张琦雪（1974—），男，研究员级高级工程师，主要研究方向：电气主设备继电保护。E-mail：zhangqx@nrec.com

陈 俊（1978—），男，高级工程师，主要研究方向：电气主设备继电保护。E-mail：chenj@nrec.com

何海波（1981—），男，本科，工程师，主要研究方向：继电保护及监控系统设计工作。E-mail：hehb@nrec.com

Research and Application of Generator Protection Based on Optical Current Transformer

WANG Kai，WANG Yao，WANG Guang，ZHANG Qixue，CHEN Jun，HE Haibo
（Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China）

This paper described the problems of generator protection based on electromagnetic TA，Such as TA saturation，neutral point side branch TA overheating of hydropower generator，weak configuration of stator winding inter-turn fault protection，and so on.it analysis the improvement of generator protection based on optical TA，and compared the measurement performance of optical TA and electromagnetic TA installed in a hydropower station.Then，it pointed out the difficulties in mass application of optical TA in power plants.At last，it showed the wide prospect application.

optical current transducer; stator winding inter-turn fault protection; split-Phase transverse differential protection;TA saturation; breaker failure protection