高压直流电流测量装置的应用现状与研究进展

高压直流电流测量装置为高压直流输电系统的线路控制和保护提供输入信号。随着我国直流输电系统电压等级的不断升高,系统中的直流电流的测量已成为一个新课题。文章首先综述了已在国内外直流输电工程中运行的高压直流电流测量装置的结构和工作原理,指出各自存在的问题。然后介绍了我国在高压直流电流测量技术领域的研究进展,主要涵盖零磁通直流电流互感器、有源式直流电流互感器、全光纤式直流电流互感器、基于巨磁电阻效应的直流电流互感器和基于光纤光栅器件的直流电流互感器,希望能为未来高压直流电流测量装置的设计、实施与运行维护提供有益的参考。     

基于空心线圈的HVDC谐波电流测量及性能分析

高压直流输电中,换流装置将产生直流谐波从而造成危害.直流谐波电流的测量能实现有效的监控,并对谐波的抑制提供有效的前提保证.空心线圈测量直流谐波电流,其感应信号只与被测电流中的谐波分量有关,而与直流分量无关,解决了传统谐波电流互感器工作点与直流分量大小有关的难题.针对直流谐波电流测量幅值小、频带宽的特点及误差要求,分析了传感器及测量电路的灵敏度、误差和频率等性能.试验证明:合理地设计空心线圈与测量电路,可达到0.5%的测量准确度;结合光纤传输,现已实现120 kV高压直流谐波电流的测量,并通过了型式试验及电磁兼容试验.     

一种新型高压直流谐波电流测量方法

鉴于传统的谐波测量方法已难以满足高压直流输电(HVDC)谐波测量的需要,介绍了一种基于Rogowski 线圈的HVDC谐波电流测量系统,整个系统的准确度优于3%,谐波检测部分的准确度优于1%,该系统完全不受 直流分量影响,高低压端完全光纤隔离,易于绝缘,适于HVDC谐波测量,也可用于一般直流谐波的测量。     

石榴石型光学电流传感器在高压直流输电差动保护中的应用

针对高压直流输电传输网络中电压源转换器多端高压故障问题,提出了一种基于石榴石型光学电流传感器多分布点式快速检测定位故障的方法。利用光学电流传感器测量分布各传输线的电流,运用差动保护的原理,检测各线路的运行情况,从而判断线路的故障。通过MATLAB搭建仿真模型,利用集成感应式直流线路终端、直流断路器模型和光纤电流传感器网络对高压直流输电瞬态运行仿真。仿真结果表明,提出的故障检测方法能够有效地在极短的时间内检测多端子直流输电网发生的故障,为高压直流输电安全有效地接入输电网络提供了科学依据。     

高压直流输电直流侧谐波电流计算

为计算高压直流输电工程的等效干扰电流,详细描述了给定两侧三脉动谐波电压源情况下如何计算沿线各次谐波电流的一套计算流程,包括直接流过直流极导线、接地极线路的谐波电流和感应到直流线路、接地极线路地线中的谐波电流。该计算流程分为2步:第1步,将直流侧系统作为一个整体用求解一般性电网络的节点分析法计算,在计算节点导纳矩阵时,直流输电线路作为一个网络元件采用全相耦合模型;第2步,在求得直流输电线路端口上的谐波电压之后,将直流线路分解为正序与零序网络,分别计算沿线各次谐波电流的正序与零序分量,然后再将正序与零序分量合成为整体谐波电流。在同等条件下,比较该算法的结果与电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC的结果,两者基本一致,验证了所提算法的正确性。     

输电线路雷击闪络电流传感器的研制

雷电参数测量是高压输电线路防雷设计的基础和实现电网主动性防雷技术的前提。介绍了一种雷击闪络电流传感器的研制过程,及其解决的主要问题,给出了研究成果。根据110 kV同杆双回线路反击和绕击时闪络电流的频谱确定了传感器的测量频带,并根据光纤传输系统发光管和接收管特性确定了光学电路的参数。在实验室通过冲击大电流试验,研究了传感器及测量系统的准确性、稳定性和线性度。试验结果表明,该测量系统能够准确反映各种波形的冲击电流的幅值,并且具有很好的稳定性和线性度。     

高压三极直流输电系统电流调制特性仿真研究

为研究高压三极直流输电系统的电流调制运行特性,基于华东电网江苏—上海实际交流线路参数,利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件建立了高压三极直流输电系统仿真模型,对利用交流线路改造后的三极直流输电系统电流调制运行过程中的稳态和暂态特性进行了仿真研究,并与常规直流输电运行特性进行了对比。仿真结果表明:将交流线路改造成高压三极直流输电系统,采用电流调制技术周期性切换导线上的电流定值,可以充分利用导线的发热极限容量,避免中性点流过电流,改造后的高压三极直流输电系统输送总功率从原来的1 200 MW提高到2 499 MW,增容效果显著;高压三极直流输电系统采用直流电流调制运行,各极直流电压、电流及功率特性与常规直流存在较大区别,可以通过改变电流调制比控制直流传输功率,改造后的高压三极直流输电系统谐波特性满足常规直流工程规范要求,高压三极直流系统暂态恢复特性与常规直流基本一致。     

特高压输电线路雷击闪络电流的测量

为测量雷电参数,提出一输电线路杆塔的雷电流实测系统即在绝缘子串杆塔侧金具上钳套罗果夫斯基型电流传感器,测量雷击时的闪络电流,进而算出雷电流幅值;以110kV同杆双回线路为例,分析了反击和绕击时闪络电流的频谱,从而确定了传感器的测量频带。实验室中冲击大电流试验研究传感器及测量系统准确性、稳定性和线性度的试验表明:该测量系统能准确反映各种波形的冲击电流幅值,且稳定性和线性度很好。     

直流光纤电流互感器宽频测量特性

针对高压直流输电系统直流电流测量装置宽频测量的实际需求,结合国家标准要求,研究了直流光纤电流互感器的频率响应和阶跃响应特性及性能改善方法。考虑反馈延时、调制器驱动电路二阶频响特性及滑动平均输出滤波器的影响,建立了直流光纤电流互感器高阶离散域数学模型,分析了互感器的频率响应和阶跃响应特性,确定了闭环信号检测系统的前向增益和输出滤波器的阶数是影响互感器宽频测量性能的关键因素。通过仿真计算,优化配置前向增益和滤波器阶数,可在抑制超调的同时,提高互感器的宽频电流测量准确度及带宽。搭建了直流光纤电流互感器频率响应测试平台,提出了阶跃响应等效测试方法。实验结果表明样机的宽频测量性能可满足GB/T26216.1—2010的要求。     

±800kV特高压直流输电线路的电位转移电流特性

为了确保±800kV特高压直流(UHVDC)输电线路带电作业过程中线路和作业人员的安全,对带电作业进入等电位过程中的电位转移电流特性进行研究有助于采取适当的防护措施。为此,采用光纤脉冲电流测量系统对进入±800kV特高压直流输电线路过程中的电位转移电流进行了测量,进入直流等电位过程中的电位转移电流脉冲最大幅值为149.98A,脉冲宽度为几十μs,正极性和负极性脉冲都存在。根据进入交直流线路等电位的特点,采用电磁分析软件研究了进入等电位过程中作业人员与极导线间的电位分布,计算了作业人员与极导线和杆塔等接地构件间的电容,根据这些参数建立了交直流线路进入等电位过程中的电位转移电流的分析模型,对特高压交流(UHVAC)与特高压直流线路的电位转移电流进行了计算。计算与测量结果表明特高压直流线路的电位转移电流远小于特高压交流线路,可以为特高压输电线路带电作业方法的选取提供参考。     

土壤结构对流入变压器中性点直流电流的影响

当直流输电系统单极大地回路运行时，会在直流接地极附近的中性点接地变压器中流过较大直流电流，从而导致变压器直流偏磁等一系列后果。采用复合分层土壤结构模型，基于特定的计算模型，对直流接地极流入直流电流时引起的地中电流场分布和地电位分布进行计算，分析流入变压器中性点的直流电流。同时通过改变土壤结构模型参数，分析不同土壤结构配置下流入变压器中性点直流电流的变化。研究表明，土壤结构对流入变压器中性点的直流电流影响较大，因此在精确计算流入变压器中性点的直流电流时应考虑土壤情况的复杂性。研究结果为实际工程中直流接地极附近变电站选址提供理论参考。     

多端高压直流输电系统保护动作策略

多端高压直流输电(HVDC)系统保护动作后故障处理策略的选择与多端系统结构密切相关。详细分析了串联型和并联型多端直流输电系统的闭锁和线路故障再启动逻辑2类保护动作后故障处理策略,并简要介绍了其他保护动作处理策略。快速移相及同时投旁通对是串联型常用的闭锁策略;并联型常采用闭锁脉冲策略,以及禁止投旁通对策略。对串联型而言,极隔离实际上是换流器隔离;由于存在多条多电压等级的直流线路,从而线路故障处理策略复杂度很高;功率回降和极平衡需各主控站协同处理;新增合大地回线开关的处理策略。对并联型而言,线路故障处理需各整流站协同处理;新增降电流后闭锁策略;新增分断直流线路开关策略,便于隔离故障直流线路。     

考虑故障限流器动作的直流电网限流电抗器优化配置

模块化多电平换流器(MMC)型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流是线路保护所面临的重要技术挑战之一。根据直流电网双极短路故障后电容放电机理,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾了金属氧化物避雷器(MOA)的能量耗散特性,在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台下,基于相域频变架空线模型,研究了投入故障限流器后的直流故障电流特性。在对称双极四端直流电网拓扑中,以各个直流出口故障点的直流断路器切断电流之和最小、故障限流器和直流断路器中的MOA吸收的能量之和最小作为两个目标函数,采用simplex算法对直流电网中各条直流线路的限流电抗器进行了多目标优化配置,并给出不同权重下的各条直流线路的限流电抗优化配置方案。     

考虑海洋影响的直流输电单极大地运行时变压器中性点直流电流研究

考虑海洋影响的直流输电单极大地运行时变压器中性点流过的直流电流与陆地土壤模型计算的结果有很大不同。海洋介质的面积大于陆地而电阻率远小于陆地土壤，它对附近大地电位的分布有影响，离海洋越近，陆地电位降得越快，进入海洋层后电位迅速降到零电位附近。根据500 kV电网实际模型，考虑土壤模型和海洋影响后对直流电流的分布进行仿真比较表明，处于距离接地极较远的海边厂站变压器中性点会流过较大的直流电流。这是由于海洋造成电站电位降低，而导致进入交流电网中的直流电流较多地从低电位的厂站流出交流系统。仿真结果很好地解释了岭澳、大亚湾核电站变压器中性点流过较大直流电流的现象。     

直流电流密度对土壤电阻率的影响

高压直流输电系统的接地电流在1 000 A以上，为确保直流接地系统的安全运行，该文对直流电流密度与土壤电阻率的关系进行了研究。首先，利用多孔介质模型分析直流条件下土壤的导电机制，得出土壤电阻率的计算公式以及直流电流密度对土壤电阻率的影响规律。然后设计相应的实验进行定量分析，认为离子携带的总电荷数|zi|Ci以及离子迁移能力mi是影响土壤电阻率的主要因素，这种影响可以按直流电流密度的大小分为3个区段，第1个区段内土壤电阻率不随电流密度变化；第2个区段内土壤电阻率随电流密度增大而快速上升；在第3个区段，土壤电阻率随着电流密度的上升而快速下降。文中对造成这种现象的原因进行解释，并建立简化数学模型，该模型可以对不同直流电流密度下的土壤电阻率进行近似计算。     

利用单端电流的高压直流输电线路全线速动保护

针对传统直流输电线路单端量保护可靠性差、灵敏度不足的问题,提出一种仅利用单端电流实现直流输电线路全线速动的保护原理。通过对换流站的平波电抗器和直流滤波器所构成电网络的阻抗特性分析发现,对于特定频带而言,区内、外故障时它们所表现出的阻抗特性差异巨大,进而得出区内、外故障时特定频带电流差异显著。该方法对采样频率的要求低,而且具有绝对的选择性,易于硬件实现,可靠性高,具有较大的工程实用价值,可取代现有的行波保护作为直流输电线路的主保护。仿真结果表明,在各种工况下,该原理都可以实现故障极选择,并能快速、灵敏、可靠地区分区内、外故障。     

±800 kV特高压直流输电工程直流滤波器设计研究

介绍了直流输电工程采用的直流滤波器的类型与构成,分析了±800 kV特高压直流输电工程换流器在直流侧产生的谐波的特点,并与±500 kV高压直流输电工程做了比较。以实际的±800 kV特高压直流输电工程为例,对换流器在直流线路上产生的等效谐波干扰电流进行了计算,对不同直流滤波器设置方案下的滤波效果进行了比较,并以计算结果为依据提出了较为合理的±800 kV特高压直流输电工程直流滤波器设置方案,为最终确定实际工程直流滤波器方案具有一定的参考作用。     

基于电流控制补偿的高压直流线路快速差动保护

电流差动保护作为直流线路的后备保护,因其整定值低和延时长,会在直流控制暂态阶段失去作用。文中研究了直流控制特性对故障电流的影响机理,进一步推导了计及直流控制的直流补偿量,以削弱直流控制对差动电流的影响。同时,提出了一种基于电流控制补偿的高压直流线路快速差动保护。PSCAD/EMTDC仿真结果表明:所提保护凸显了差动电流的故障特征,具有整定值高和动作快速的特点,在各种故障条件下均能正确识别区内外故障。与传统电流差动保护相比,所提保护可在直流控制暂态阶段无延时地快速切除故障;其动作时间随直流控制补偿差动电流的增大而减小,具有一定的反时限特性,可作为高压直流线路快速后备保护。     

土壤结构对直流入地电流分流特性的影响研究

高压直流输电系统单极大地回路运行时,从大地返回的直流电流通过接地网流入变压器中性点,从而引起变压器噪声增大、发热加剧等一系列不良后果。利用CDEGS软件对交直流互联系统进行建模仿真,直流输电系统以单极大地回线方式运行时,依据3种土壤分层结构分别计算了流经变压器中性点的直流电流量,得出了交流电网直流电流分布图。仿真结果表明:流经变压器中性点的直流电流因距离接地极的远近而变化,距离接地极越近,流经变压器中性点的直流电流量绝对值越大,近似呈对数函数形式分布;流经交流架空线路的直流电流值与土壤的分层结构、交流电网的拓扑结构以及距离直流接地极的远近相关。