±800 kV换流站直流断路器内置光学电流互感器方案研究

王腾龙，李铁民，徐 洋，丛树安

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

相对于交流输电系统联结方式灵活、多样的特点，世界上已运行的直流系统仍以两端直流输电系统为主，其中一个非常重要的原因是缺乏更加高效的高压直流断路器及其保护方案[1-3]。随着电力电子技术的发展，柔性多端直流输电系统必然成为发展趋势，例如，近两年建成的舟山五端柔性直流输电(以下简称柔直)、南澳多端柔直，以及正在建的张北多端柔直、乌东德多端柔直。直流断路器在直流输电系统中具有控制和保护双重作用，而光学电流互感器(OCT)就是监测直流断路器内通过电流而作为保护直流断路器的重要判据之一。基于此，本文论述了±800 kV换流站直流断路器内置OCT的方案。

1 直流断路器的构成与开断过程

1.1 直流断路器的构成

直流断路器主要包括3部分[4-5](见图1)。

图1 直流断路器结构示意图

a.开断装置(Q1)：由交流断路器改造而成，有少油型、SF6型。

b.振荡回路：利用LC振荡回路，形成电流过零点。

c.耗能元件(F1)：用于吸收直流回路中储存的能量，通常采用金属氧化物避雷器(MOA)。

1.2 直流断路器的开断过程

直流断路器的开断可以分为3个阶段。

a.强迫电流过零阶段。仿照交流断路器利用交流电流的过零点开断交流电流，直流断路器利用振荡回路，使电流产生振动，进而创造电流过零点，在此阶段应至少产生一个过零点。

b.介质恢复阶段。断路器灭弧介质的恢复速度必须要高于灭弧触头间恢复电压的上升速度，即触头间的耐压要快于恢复电压，达到F1的持续最大运行电压，当恢复电压达到F1的持续最大运行电压时，F1导通。

c.能量吸收阶段。要求耗能装置F1的放电负荷能力应大于直流系统中残存的能量，并且要求至少有二次灭弧耗能。

2 光学电流互感器配置

2.1 光学电流互感器原理

直流光学电流互感器工作原理主要基于法拉第电磁感应原理[6-8]。线偏振光通过处于磁场中的光纤或磁光玻璃(中间介质-法拉第材料)后，偏振光的偏振方向将发生一定角度的旋转，称为法拉第旋转角φ(法拉第旋光效应)，旋转角φ的大小与磁感应强度平行分量B的大小成正比，同时由于磁感应强度B与产生磁场的电流也成正比，所以旋转角φ与产生磁场的电流成正比。

为减少振动与外界温度等干扰因素对OCT测量精度的影响，准确测量设备一次侧电流值，OCT采用光纤作为中间介质-法拉第材料，并通过反射式光纤萨格纳克干涉技术进行测量光信号法拉第旋转角φ，采集单元在分析测量光信号法拉第旋转角φ的基础上，进行得到准确的电流测量值。

2.2 光学电流互感器配置方案

以送端换流站为例，在送端换流站工程中直流断路器包括中性母线高速开关(NBS)、中性线高速接地开关(NBGS)、大地回路转换开关(GRTS)、金属回路转换开关(MRTB)，每台直流断路器内Q1主回路处设置1台OCT(见图2)。

图2 直流断路器内置OCT方案

为配合换流站直流保护系统的三重化，同时考虑冗余1套备用，每台OCT共配置4个光纤传感环及4个采集单元(含1个热备用传感环及1个热备用采集单元)，采集单元置于就地采集单元柜中，每个采集单元可输出2路光信号，分别送至2台合并单元(见图3),其中DMU为合并单元模块。

图3 OCT配置方案

OCT接至就地采集单元柜后，分别经光缆引接至直流断路器OCT测量接口屏(DMU1A、DMU1B、DMU1C、DMU2A、DMU2B、DMU2C)中。从目前的特高压换流站新建工程看，直流控制保护系统提供的极测量接口屏和阀组测量接口屏可能没有用于接收直流断路器OCT测量接口屏信息的备用光纤接口，在工程上可按以下方案解决：将直流断路器OCT测量接口屏级联至零磁通测量接口屏，通过零磁通测量接口屏转发OCT的信息。随着技术的发展，后续的直流换流站新建工程中，建议直接将直流断路器OCT测量接口屏通过尾缆接至极测量接口屏和阀组测量接口屏，不通过其他屏转接，减少中间环节。

2.3 OCT应用注意事项

a.合并单元中所用光纤光缆均是特殊光纤，不要拉拽这些光纤光缆，避免其承受过大的拉力或压力。这些光纤光缆一旦受损，电流互感器设备即被损坏。

b.OCT结构件安装到位后不要随意拆卸或改变，否则可能导致其设备损坏。

c.处理与OCT二次采集单元或合并单元等装置连接的通信光纤时，避免其弯折或弯曲半径过小，避免受过大的外力。

3 结论及建议

本文阐述了直流断路器原理及OCT原理，重点论述了OCT在换流站中的应用配置及相应的注意事项。随着直流输电技术的发展，相应直流控保系统也日臻完善，在后续的直流换流站工程中，建议直接将直流断路器OCT测量接口屏通过尾缆接至极测量接口屏和阀组测量接口屏，不通过其他屏转接信息，减少中间环节。