直流OCT与FOCT的误差特性分析和比较

李登云+李鹤+熊魁+姚力+徐韬+范佳威

摘 要： 为了解决OCT和FOCT的误差特性，介绍OCT和FOCT的基本原理与典型结构。针对舟山五端柔性直流输电系统中的OCT和FOCT，提出适用的现场校准试验方法，并建立相应的现场校准试验平台，完成了舟衢站OCT、舟泗站和舟洋站FOCT的现场校准试验。同时根据现场校准结果，分析比较了OCT和FOCT的误差特性：OCT的长期稳定性和线性度优于FOCT；OCT的基本误差曲线是单调变化的，而FOCT的基本误差曲线呈S形，二者的误差变化均随电流增大逐渐减小；OCT几乎没有零点漂移，而FOCT有较大零点漂移。文中的研究结果对OCT和FOCT的运行与维护均具有一定的参考价值。

关键词： OCT； FOCT； 误差特性； 现场校准； 长期稳定性； 零点漂移

中图分类号： TN722.7+3?34； TM452.92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0154?06

Abstract： To understand the error characteristics of OCT and FOCT， the basic principles and typical structures of OCT and FOCT are introduced. For the OCT and FOCT in five?terminal flexible DC power transmission system in Zhoushan， a test method suitable for field calibration is proposed. The corresponding field calibration test platform was established and the field calibration tests of OCT in Zhouqu station as well as FOCT in Zhousi station and Zhouyang station were completed. According to the field calibration results， the error characteristics of OCT and FOCT are analyzed and compared： the long?term stability and the linearity of OCT are better than that of FOCT； the basic error curve of OCT changes monotonically while the basic error curve of FOCT is S?shaped， and the error variation of both decreases with the increase of current； OCT has almost no zero drift， but FOCT has a large zero drift. The research results in this paper have a certain reference value to the operation and maintenance of OCT and FOCT.

Keywords： OCT； FOCT； error characteristic； field calibration； long?term stability； zero drift

0 引 言

直流电流互感器的主要作用是为直流控制保护系统测量极线、中性线、换流阀桥臂、直流滤波电容器等关键位置的电流。研究直流电流互感器的现场校准技术，分析不同原理直流电流互感器的误差特性，以确保直流电流互感器测量的准确可靠，对保障直流输电系统的安全稳定运行具有积极作用。

目前，相关机构研究了直流电流互感器误差的现场检测方法[1]，用磁调制式直流电流比较仪的磁屏蔽结构仿真与设计[2]，研制了现场用的直流电流源、直流电流标准器等关键设备，完成了500 kV德阳、800 kV复龙换流站中直流电流互感器的现场校准试验[3]。从而验证了所提出的校验方法和研制的校验设备。以上研究的侧重点是研究直流电流互感器的现场校准方法、研制现场校准试验关键设备。本文的侧重点是对有源光电式直流电流互感器（OCT）与全光纤式直流电流互感器（FOCT），这两种类型直流电流互感器的误差特性进行分析与比较。本文介绍了OCT和FOCT的基本原理与典型结构，针对舟山五端柔性直流输电系统中的OCT和FOCT，提出了适用的现场校准试验方法，并建立了相应的现场校准试验平台，从而完成了舟衢站OCT、舟泗站和舟洋站FOCT的现场校准试验。根据现场校准结果，详细分析并比较了舟山柔直用OCT和FOCT的误差特性。

1 基本原理

挂网运行的直流电流互感器分为零磁通式直流电流互感器、OCT和FOCT三种[4]。零磁通式直流电流互感器由于绝缘问题难以解决，只应用于低电压等级[5?6]。本文主要介绍OCT和FOCT的基本原理。

1.1 OCT的基本原理

OCT是直流输电系统中使用最为广泛的直流电流互感器，包括分流器、空心线圈、遠端模块、传输光纤、光纤绝缘子以及合并单元。其基本工作原理，如图1所示[7]。

分流器和空心线圈是OCT的一次电流传感器。分流器将被测一次直流大电流转换成小电压信号；空心线圈将一次直流大电流携带的谐波电流转换成小电压信号。远端模块是OCT的一次转换器，该模块就地采集分流器或空心线圈的输出信号，并将其转换为光数字信号后，通过传输光纤传输至合并单元。对于分流器的输出信号，远端模块设计了多路独立模拟采样回路，保证了OCT直流测量信号的多路独立输出。因此，OCT输出的直流测量信号，不仅与分流器有关，且与远端模块中对应的采样回路有关。远端模块的工作电源由合并单元内的激光器提供，激光器发送的激光通过传输光纤传送至远端模块，远端模块内的光电转换器将激光能量转换为电能，给远端模块提供工作电源。

合并单元是OCT的二次转换器，该单元接收远端模块发出的数据，将其转换为符合标准规约的数据后再发送给直流控制保护系统。

传输光纤是OCT的传输系统：一方面将测量数据从远端模块传输到合并单元；另一方面将供能激光由合并单元传输到远端模块。传输光纤的一部分内嵌在光纤绝缘子中，以保证高压绝缘。

1.2 FOCT的基本原理

FOCT主要应用于交流输电系统。随着交流电子式互感器的发展FOCT日趋成熟，逐渐发展到直流输电系统，并在一些新建直流系统中挂网运行。FOCT在绝缘、体积、重量等方面均具有绝对优势，应用前景广阔。FOCT基于法拉第磁光效应，原理如图2所示。

当一束线偏振光入射至磁光介质后，偏振面发生旋转，旋转的角度与外加的磁场强度成正比，即：

当磁场H由穿过环形传感器的待测导体电流I产生，且光路围绕载流导体闭合时，利用安培环路定律，可得：

因此，只要测出偏振光旋转的角度，便可计算出待测电流I的大小。FOCT由光纤电流传感环、光纤绝缘子和采集单元构成，典型结构如图3所示[8]。

光纤电流传感环由波片、传感光纤和反射镜构成，主要作用是将被测电流的变化转换为两束正交偏振光相位差的变化。

采集单元主要由光路模块和信号解调电路组成。主要作用是向光纤电流传感环发送偏振调制光信号，并对光纤电流传感环返回的携带有被测电流信息的光信号进行解调处理，解析出被测电流的大小。

2 现场校准

舟山五端柔性直流输电系统由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋五个直流换流站和多段直流电缆构成，直流电压等级[9?10]为±200 kV。其中，舟定、舟岱和舟衢站采用的是OCT，舟泗与舟洋站采用的是FOCT，准确度等级均为0.2级。针对舟山五端柔性直流输电系统中的OCT和FOCT，提出了适用的现场校准试验方法，并建立了相应的现场校准试验平台，进而开展现场校准试验。

2.1 现场校准试验方法

被校直流电流互感器的信号输出端口在综控室内，直流电流标准器的信号输出端口在直流场中，被校信号输出端口与标准信号输出端口相距约100 m。由于被校输出信号为满足FT3协议的数字光信号，而标准输出信号为低电压模拟信号。因此，将直流误差校验系统放置在距离标准信号输出端口较近的直流场中，被校输出信号则通过传输光纤远距离传输至直流误差校验系统，现场校准试验接线原理如图4所示。

直流电流源输出的试验电流，流过直流电流标准器和被校直流电流互感器的一次传感器。直流电流标准器的二次电流通过标准电阻器输出标准电压信号，被校直流电流互感器通过合并单元输出包含一次电流测量值信息的FT3光数字信号。直流误差校验系统测量出标准电压信号，解析出FT3光数字信号中包含的一次电流测量值，并按式（3）计算出校准结果。

式中：为被校直流电流互感器的基本误差；为被校直流电流互感器输出的一次电流测量值；为直流电流标准器的标称变比；为标准电阻器输出的标准电压信号；为标准电阻器的阻值。

2.2 现场校准试验平台

直流电流互感器现场校准试验平台包括：直流电流源、直流电流标准器、标准电阻器以及直流误差校验系统。本文所用直流电流源的额定电流为1 200 A，稳定度为0.05%。采用同步方式校准0.2级直流电流互感器时，可以忽略电源稳定度对校验结果的影响。本文所用直流电流标准器的额定一次电流为300～3 000 A，额定二次电流为5 A，准确度等级为0.005级，结果如表1所示。

本文所用标准电阻器的标称阻值为0.2 Ω，准确度等级为0.01级，额定输入电流为5 A，额定输出电压为1 V。直流误差校验系统由标准采集模块、协议转换模块、同步时钟装置和上位机组成，原理如图5所示。

标准采集模块，用于标准侧模拟量采集，并将数据通过GPIB采集卡上传到上位机进行处理。协议转换模块，用于被校直流电流互感器的数字量采集，通过光纤接收被校互感器合并单元的FT3格式数据并进行解析获得被校互感器的一次电流测量数据，然后通过RJ 45网线上传到上位机进行处理。同步时钟装置用于对标准采集模块和协议转换模块发送同步信号，使标准采集模块与协议转换模块同步采集标准侧及试品侧的数据。上位机基于Windows操作系统，配置LabVIEW校验平台，接收标准侧和试品侧数据并按式（3）计算处理，得到被校互感器的基本误差。

直流误差校验系统的准确度取决于标准采集模块的准确度。本文采用6位半数字万用表作为标准采集模块，在0.2～2 V直流电压范围内，测量准确度优于0.01%。

通过式（6）可知，校验0.2级的直流电流互感器时，可忽略0.005级直流电流标准器、0.01级标准电阻器以及直流误差校验系统的准确度对校准结果的影响。

舟山柔直系统中的OCT和FOCT均位于室内，现场校准试验时的环境条件与实验室的相差较小。因此，可忽略现场环境条件对校准结果的影响。

3 校准结果与总结

与FOCT相比，OCT在直流输电系统中的应用时间更早、数量更多，相应的现场校准和误差特性研究工作也开展的更多。此外，舟山五端柔性直流系統已带电运行，系统检修时间短、任务重。因此，本文仅对舟衢站的1台OCT、舟泗站的2台FOCT和舟洋站的4台FOCT开展现场校准。

3.1 OCT误差特性分析

被校OCT位于舟衢站负极线上，额定一次电流为500 A，输出的FT3格式测量信号通过两个分别位于控制柜A和控制柜B的合并单元输出。在每个合并单元输出的FT3数据中，均包含两组一次直流电流测量值，分别记为1通道和2通道。因此，被校OCT的一次直流电流测量值共有四组，分别记为A柜1通道、A柜2通道、B柜1通道、B柜2通道。在5%，10%，20%，30%，40%，50%，80%和100%额定电流下，分别对被校OCT的四组测量值进行校准，基本误差曲线如图6所示。

目前，各标准对直流电流互感器准确度等级的要求不尽相同。根据《GB/T 26216.1?2010 高压直流输电系统直流电流测量装置第1部分：电子式直流电流测量装置》，0.2级OCT在10%～100%额定电流的误差限值为0.2%。因此，被校OCT仅A柜1通道和B柜2通道满足0.2级要求。根据《GB/T 20840.8?2007 互感器 第8部分：电子式电流互感器》，0.2级OCT在5%额定电流下的误差限值为0.75%、在20%额定电流下的误差限值为0.35%、在100%额定电流下的误差限值为0.2%，故被校OCT的4组测量值均满足0.2级要求。根据《IEC 61869?14： Instrument Transformers ? Part 14： Specific Requirements for DC Current Transformers》，0.2级OCT在5%额定电流下的误差限值为2%、在20%额定电流下的误差限值为0.5%、在100%额定电流下的误差限值为0.2%，因此被校OCT的4组测量值均满足0.2级要求。

从图6可以看出，被校OCT的基本误差具有比较明显的单调性，且基本误差的变化量随着一次电流的增大而减小：25～100 A，基本误差急剧变化；100～500 A，基本误差变化平缓。被校OCT基本误差的线性如表2所示。

OCT的一次传感器是分流器和空心线圈，其中测量直流电流的是分流器。分流器是一个小阻值的四端口电阻，长时间工作在大电流时，分流器会因自身发热使阻值发生变化，从而影响OCT的测量准确度[11]。因此，OCT在额定电流下的稳定性，可以反映出分流器自热效应对OCT测量准确度的影响情况。在500 A额定电流下对被校OCT的B柜1通道进行连续300次测量，每次测量间隔时间为1 s，额定电流下被校OCT的稳定性如图7所示。从图7可以看出，被校OCT的基本误差变化量小于0.02%，小于0.2级准确度等级对应误差限值的，因此，可以忽略分流器自热效应对被校OCT准确度的影响。关闭直流电流源，根据标准侧输出的信号，得到一次直流电流为-0.014 31 A。根据试品侧A柜2通道输出的信号，得到一次直流电流为0.001 25 A。可见，被校OCT几乎没有零点漂移。

3.2 FOCT误差特性分析

被校FOCT的额定电流为500 A，输出的FT3格式测量信号通过两个分别位于控制柜A和控制柜B的合并单元输出。与被校OCT不同的是，被校FOCT的每个合并单元输出的FT3数据中只包含一组一次直流电流测量值。在5%，10%，20%，30%，40%，50%，80%和100%额定电流下，对舟泗站的2台FOCT进行现场校准，每台FOCT仅校准A柜合并单元的输出信号。在10%，20%，40%，60%，80%和100%额定电流下，对舟洋站的4台FOCT进行现场校准，每台FOCT均校准A柜和B柜合并单元的输出信号，共进行了10组现场校准。

由于被校FOCT出现了大范围的超差，为了使尽可能多的测量点满足0.2级准确度要求，对被校FOCT的校准结果进行了误差修正。10组校准结果中有8组进行了误差修正，修正值最大为1.8%，最小为-0.30%。修正后的校准结果如表3所示。

在舟山柔直工程投运前，所用FOCT和OCT均经过了严格的出厂试验以及现场交接验收试验，应满足0.2级准确度要求。但经过约18个月时间的运行后，OCT仍基本满足0.2级准确度要求，而FOCT出现了较大范围的偏差，需要加修正值才能基本满足0.2级准确度的要求。可见，OCT在长期稳定性方面要优于FOCT。

通过比较表2和表3发现，50～500 A的线性，被校OCT最大为0.34%，而10组被校FOCT的校准结果中有8组超过了0.34%，最大可达到了2.06%。可见，OCT的线性度也要优于FOCT。

被校FOCT的基本误差曲线如图8所示。可以看出，FOCT的基本误差并不是单调增或单调减，而是呈S形，且随着一次电流的增大，基本误差的变化量逐渐减小。

关闭直流电流源，根据标准侧输出的信号计算出一次直流电流。再根据试品侧输出的信号解析出一次直流电流，被校FOCT的零点漂移结果如表4所示。

当电流较低时，零点漂移对FOCT测量准确度的影响大；而电流较高时，零点漂移对FOCT测量准确度的影响小。零点漂移是FOCT线性度差的一个主要原因，故FOCT适合于直流电流较大、且直流电流输出比较稳定的直流输电系统。

4 结 语

OCT和FOCT是目前直流输电系统中比较常用的两种直流电流互感器。OCT使用时间较早、使用范围更广，而FOCT具有更广阔的应用前景。由于OCT和FOCT的原理、结构不同，表现出不同的误差特性，因此对运行维护也有不同的要求：

（1） 经过约18个月时间的运行后，OCT基本还能满足相关准确度的要求，而FOCT则出现了大面积的超差情况。因此，与OCT相比FOCT的长期稳定性较差，FOCT的校准周期不宜过长。

（2） OCT的基本误差是单调变化的，而FOCT的基本误差曲线呈S形。随着电流的增大，OCT和FOCT的基本误差变化量均逐渐减小。

（3） OCT基本没有零点漂移，而FOCT有较大的零点漂移，导致低电流下的测量准确度降低。同时，零点漂移也使得FOCT的线性增大。因此，FOCT适合于直流电流较大且直流电流输出比较稳定的直流输电系统。

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