高压直流测量系统.docx

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高压直流测量系统

特高压直流输电电流测量系统

一、背景

 高压直流输电（High Voltage Direct Current transmission，简称HVDC）是一项新技术，运用高压直流输电可以提高电力系统的经济指标、技术性能、运行可靠性和调度灵活性。

直流输电是目前世界发达国家和发展中国家作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段，它与交流输电相互配合，构成现代电力传输系统。

相对于交流输电，直流输电具有线路造价低、线路损耗小、系统稳定、可以限制短路电流、调节快速、运行可靠等优点。

高压直流输电线路上的直流电流是高压直流输电直流控制保护系统的重要技术参数。

由于直流线路沿线地区环境污染、外力破坏以及雷击等因素的影响，直流线路故障率逐年升高。

如何保证直流线路的安全稳定运行，提供一种高速可靠的线路保护方案，就成为一个急待解决的直流输电技术问题。

二、高压直流电流测量方法的介绍

直流大电流测量技术是高压直流输电系统、城市地下铁道、电气化铁路、金属冶炼工业及核物理、大功率电子等科研实验领域中不可或缺的一项技术，也是电磁测量领域的一个相对独立的重要的问题。

常用的直流电流的测量方法就其原理可分为两大类：

一类基于欧姆定律，根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小；另一类是根据被测电流所建立的磁场为基础，将电流的测量问题转变为磁场的测量问题来测量电流。

1、欧姆定律法测直流大电流

利用电阻量具测量直流电流是最早采用的一种方法。

它根据被测电流流过已知电阻而测量其电压降来确定被测电流的大小。

电阻量具有两种形式，一种是标准电阻，另一种是分流器，前者用于实验室作为标准，供校验直流测量装置之用，后者用于生产现场条件下测量。

分流器的构造见图1，它是由多片高电阻系数、低温度系数的锰镍铜合金薄片1组成，这些薄片的两端焊接到黄铜块的槽内、铜块又与几根大铜排焊接，作为电流接线端2，与被测直流母排扦接串联其中，电位接线端3接直流电压表，通过电压表可换算出直流电流。

图1　分流器示意图

2、磁场效应法测直流大电流

根据被测电流所建立的磁场来测量电流的方法种类繁多，依据物理效应主要有电磁感应法、霍尔效应法、核磁共振法、巨磁阻抗效应法、光栅结合磁致伸缩材料法和法拉第磁光效应法等。

对上述两类不同原理的测量方法分析：

分流器虽然本身消耗功率较大、结构较笨重、拆装需要停电断开母排。

但作为高压区传感元件，结构简单，自身不需工作电源，测量没有方向性，测量准确度不受外磁场影响，性能比较稳定，加之采用现代光纤传感技术进行高低压侧间电气隔离，其优良的绝缘性能使得分流器测直流法已经成为高压直流测量领域一种有效方法。

三、高压光纤电流测量系统的研究意义

高压直流输电技术诞生于国外。

目前，从全球市场占有率来讲，绝大部分由两大跨国公司ABB和SIEMENS公司所瓜分。

在中国直流输电市场上，三峡-常州之前的超高压直流输电工程（不含舟山、嵊泗、灵宝工程），也是由上述两家公司成套或为主成套相关设备。

葛南直流输电工程由BBC公司总承包，天广直流工程由西门子公司总承包，工程设备全部直接进口。

将工程承包给国外有技术实力的公司建造，不可否认欧美国家的设备制造水平远高于国内厂家，但由此造成的一些负面的问越也随之浮出水面:

一方面由于国内没有常握直流输电的核心技术，没有能力制造直流输电的核心设备，外方的设备在国内没有竞争压力.垄断了价格，工程造价居高不下。

另一方面由于国内没有掌握核心技术，对外方技术依赖十分明显，运行维护成本难以下降.并随着设备运行年限的增加而直线增加。

同时国外控制、保护技术更新换代较快，很多工程投运3-5年后，国外技术已全面升级.无法购买到备品备件，一旦出现设备损坏需要特殊定制配件，价格十分昂贵。

考虑到我国HVDC规模将不断扩大,为扶植民族工业,国家电网公司和国务院有关部门提出了HVDC工程国产化的建设方针。

直流输电工程国产化主要包括直流系统研究和成套设计、工程设计技术以及直流设备制造国产化两大范畴。

换流阀、换流变压器和平波电抗器、滤波器、控制保护设备（含直流测量设备）是直流输电工程的关键设备。

推进直流输电关键设备的国产化，不仅是市场竞争的需要，也是进一步提高我国重大技术装备和产业研发水平、增强企业核心竞争力、带动国内相关产业链全面进步的重大举措。

目前，国内高压直流输电系统相应的高压直流电流、谐波电流测量设备的研究处于起步阶段，尚无系统全面的研究。

基于电磁感应原理的传统设备对绝缘要求高，结构复杂，设备体积大而笨重，易受电磁干扰，造价高。

鉴于我国高压直流输电技术中的需要，研究新的电流测量方法及技术已迫在眉睫。

近代光电子、光纤通讯技术的发展和应用，推动了光电测量系统的应用和发展。

因采用光电系统传输信号可以解决高压测试系统绝缘及抗干扰两大问题而具有独特的优越性。

光纤具有优良的绝缘性能，可依附于绝缘子上（包括换流站常用的瓷绝缘子、支柱绝缘子以及合成绝缘子），绝缘子长度按照惯例设计即可不用特别的地加以改变，800kV光纤电流传感器与500kV的不同仅在于传输光纤的长度，易于实现，所以，特高压直流电流测量的发展方向是采用光纤电流传感器。

与基于传统测量设备相比有以下突出优点：

（1）光纤的引入解决了高电压等级的绝缘难题，降低了设备造价。

（2）采用光纤传输信号彻底实现了高低压间的电气隔离，进出传感器的都是弱光信号，二次侧开路时不会产生危险的高压，因此保证了现场人员和设备的安全性，且抗电磁干扰能力强。

（3）测量频带宽、动态范围大、体积小、由于无铁芯及复杂的绝缘材料，重量轻大大减轻。

（4）适应了高压直流输电系统保护数字化、微机化和自动化发展的方向。

四、有源式光纤直流电流测量系统

所谓有源是指处于高电位的传感电路必须有稳定的直流电源支持才能正常工作。

根据国内外技术发展趋势，将常规的传感元件与光纤通信技术结合是今后一段时间内高压直流测量技术的发展方向。

在换流站这样具有强电磁场的环境下，模拟电信号远传肯定是不可取的，必须在高压侧转换为数字号后传输，因此，需要在高压侧引入处理电路，并提供相应的工作电源。

有源式结构易于实现产品的高准确度和高稳定性，便于零部件的标准化和产业化，是目前业界普遍认同的一种结构方案。

1、有源式光纤电流测量系统的工作原理

有源式光纤电流测量系统由直流分流器、空芯线圈（Rogowski线圈）、高压侧调制电路、高压侧光供电电源、光纤传输系统、低压侧解调电路等组成。

图2有源式光纤电流测量系统结构图

如图2所示，分流器串联于被测直流线路上，将正比于被测直流电流的电压信号取出。

同时，使用了空心线圈将线路上的谐波电流变换成与其微分信号成正比的电压信号。

高压侧调制电路将这两路信号电压调制为光信号，经光纤传输至低压侧解调电路，还原为正比于被测直流电流的电压，经标定后得到直流电流及谐波电流值。

由于目前关于高压直流输电系统电流测量设备的国家技术规范正在拟定过程中，有源式光纤电流测量系统的技术指标参照三常直流输电工程中ABB公司的技术参数拟定：

额定直流电流3000A，300-3000A范围内准确度为0.5％，阶跃响应时间500

；额定谐波电流125A，准确度5％，频带范围为100～3000Hz。

2、传感元件的设计和制备

（1）分流器的技术参数

在直流大电流测量中，分流器是最早采用的测量装置，它的特点是结构简单、准确可靠，单个分流器通常适宜测量1万安以下的电流。

锰铜因为随温度升高其电阻变化不大的特性被用作制作分流器的材料。

分流器的主要技术参数为额定输入电流和额定输出电压。

额定输入电流：

分流器本质上是电阻，当电流通过时会产生热量。

对于锰铜分流器而言，分流器的额定输入电流是通过在如下规定的测试条件下达到锰铜材料的特定温升所需的功率来确定的：

1、参考温度：

25℃（±2℃）

2、位置：

分流器的锰铜片处于垂直位置，利用天然的空气对流

3、连接：

端子排与电流母线紧密对接，确保足够的插入深度和接触面积

如果实际工作状况与上述条件不符，分流器可以在不超过锰铜允许温升（以免引起分流器早期失效、降低可靠性和准确度或者导致电阻的永久改变）的条件下降额或超额工作。

分流器在实际应用时，为了选择合适的分流器，额定输入电流主要考虑工作方式（连续运行、间歇运行、瞬态运行）、特殊环境（高温或者高纬度）、允许温升（正常或者限制温升环境）、分流器安装（密封、强制风冷）等几种情况及其综合情况。

对于周期短时间工作的分流器，其实际输入电流可用下式保守地估计：

其中D是分流器通电时间占空比，

是最大连续功率，

是标称额定功率，

是最大脉冲功率。

若一个800Amp500mV分流器每分钟通电15秒，那么该分流器实际负载电流为919A。

如果分流器工作的环境温度超过参考温度，为了防止锰铜温度升到125℃安全温度以上，引入一个降额因子计算降额功率。

T是参考温度和工作环境温度的差值，A是分流器在工作环境温度以上的允许温升值。

若一个150Amp50mV分流器工作环境温度为100℃，那么它承受的最大电流用上式计算为60.9A。

在一些应用中，为了限制分流器的温升以获得更高的准确度和稳定性或者保护临近分流器的其他设备，会引入一个降额系数K2，它可以用下式计算：

t是额定温升和允许温升间的差值。

此时，若一个800Amp50mV的分流器温升允许温升为75℃，那么它的最大安全负载为503.4A。

额定输出电压：

为了测量直流大电流方便起见，人们通常希望所用的分流器能相互替换，因而对分流器的额定输出电压有所规定。

常规分流器的额定输出电压有30mV、45mV、50mV、60mV、75mV、100mV、150mV和300mV等。

由于分流器安装在额定直流3000A的户外高压线路上，环境温度变化范围是-50℃～50℃，不能采用强制风冷及液体冷却的方式，所以分流器应该降额使用，根据所选分流器的额定输入电流值应大于等于连续电流值1.5倍的原则，选择分流器的额定输入电流值为4500A。

在额定输入电流确定的情况下，分流器的额定输出电压越大，越有利于提高分流器后级的测量准确度；但额定输出电压越大，其功耗亦会提高，发热增加，不利于分流器的长期运行。

常规分流器的额定输出电压有30mV、45mV、50mV、60mV、75mV、100mV、150mV和300mV等。

兼顾了分流器的低功耗和后级检测电路的要求，选择分流器的额定输出电压为50mV。

除了上述参数外，分流器的温度系数也是我们最关心的问题。

实际上锰铜电阻随温度变化的曲线并不是线性的，也就是说即使有可靠的工作温度范围也不能保证分流器测量精度的可靠性，尽量平坦或接近线性的温度特性才是我们需要的。

基于以上因素，有源型高压光纤直流电流传感器使用的分流器是CanadianShuntIndustriesLtd.（CSI）公司的H-4500-50mV-DC型直流电流分流器，额定输入电流4500A，额定输出电压为50mV，其外形和温度特性曲线见图3、4，其温度系数为

ppm/℃。

图3H-4500-50-DC型直流分流器

图4直流分流器温度特性曲线

（2）分流器的误差分析与补偿措施

用分流器测量直流大电流，分流器的准确度和在各种不同因素作用下电阻的稳定性对直流大电流测量的误差起着主要的作用。

主要误差有：

稳定性误差、电流分布不均匀的误差、负载误差、由于电位导线连接方式不同所引起的误差、热电势误差等，根据应用场合需要采取措施补偿。

3、高压侧电路供电方式

由于光纤只能够传输数字信号,有源式光纤电流测量系统必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换,这就势必要设计相应的电子电路进行数据采集和信号处理，所以需要向高压侧的电子电路供电。

为了确保高压侧电子电路的正常工作，必须提供稳定、可靠的工作电源，因而也就带来了电路的供能问题。

由于这种供电技术较为特殊，因此高压侧的供电方式成为有源式光纤电流测量系统研究中的难点和关键技术之一。

激光供能系统的原理见图5,它由低压侧和高压侧两部分组成:

低压侧为激光器及其驱动、保护和温控电路,高压侧电路由光电池和DC-DC变换器组成。

在低压侧,利用激光器将电能转换成光能,然后利用光纤将光能传递到高压侧。

高压侧的光电池将光能转换为电能,经过DC-DC变换后给高压侧的信号采集系统供电。

光源器件的特性决定激光供能方式可以提供的能量。

选择光源的一个重要因素就是光源的寿命。

大功率激光器的寿命都不是很长，一般的大约是5-8年的寿命。

这样的光源用在需要连续长时间工作的地方是很不可靠的。

基于此，选择了美国Photonic公司的PoF－LDOWT光源，该产品的寿命可达到30年以上，不足之处是成本较高。

Photonic公司的光源是一个激光器和驱动电路做在一起的光源模块。

它的电源要求是：

-5VDC±5%,2Amax，纹波小于50mVp-p。

它有一个16针的IDC插头，考虑到高压侧电路的功耗，低压侧光源要发出0.5W或0.5W—1W可调的光功率，则光源模块的控制电路如下图。

由于光源模块工作温度在0℃—50℃之间，此温度范围对于该装置的工作场地来说太窄，所以，我们又用半导体制冷片对整个光源模块进行了温度控制。

光电转换器的选择，除了寿命因素外，另外一个重要指标就是光电转换效率，根据美国Photonic公司给出的指标，该公司的光电转换器的效率能达到30-40％。

所以，光电转换器也选用了美国Photonic公司PPC-6E型光电池,输出6V,转换效率在30-40%。

光电池的工作温度不能太高,因为它的晶格容易受到高温损坏而引起器件的失效,因此光电池需要加散热装置工作,使它的工作温度不超过125℃。

而且,PPC的效率只有40%,60%的能量需要以热的形式散失出去。

在激光器大电流驱动下,光电池有较明显的热效应,散热装置（如大功率散热片）有利于降低光电池温度,提高输出电压,从而提高光电转换效率。

光能传输过程中的损耗主要由两部分构成:

光纤的衰减损耗和光纤衔接处的插入损耗。

以现在的光纤技术,每公里衰减损耗可以达到小于0.1dB[11],插入损耗小于0.2dB。

从低压侧传输来的光能量经光电转换为5V的电源，但是该5V不稳定，也没有-5V电源，故需要经高频率DC/DC转换为稳定的

5V电源。

DC/DC转换器的作用是将光电转换器输出的电能进行稳压，再提供给高压侧的信号处理电路。

所以，选择DC/DC转换器时考虑的几项指标包括：

输入电压的范围大小，转换效率、输出电压的纹波系数，以及输出电流的大小等。

4、信号调制解调方式的比较

一次传感器输出信号通常只有几十个毫伏的模拟信号，如果直接传输到低压侧，会受到外界恶劣电磁环境的干扰，因此高压侧处理电路要把这样的弱信号调制后再传输到低压侧。

根据传感头的采样方式以及信号调制方式不同，可分为光强调制式、频率调制式和数字调制式三种信号处理方法。

（1）光强调制式信号处理方法结构图如图6所示。

待测电流经过取样及放大处理后驱动高亮LED实现电光转换，LED工作在线性区，其输出光强和待测电流成比例。

LED的输出信号经多模光纤传输到低压侧，由光电检测器实现光电转换后，送往信号处理电路实现放大、滤波和显示等功能。

这种方法具有结构简单、高速动作的特点。

但是由于光纤传输的是模拟信号，温度和其它噪声因素对电路的影响比较大。

图6光强调制式结构图

（2）频率调制式信号处理方法

频率调制式信号处理方法的结构图如图7所示。

V/F变换器将输入的模拟电压信号线性地变换成频率值正比于所测模拟电压的数字脉冲信号。

这一电脉冲信号经过电光变换器件（E/0变换）后，变为光脉冲，经过光纤传到地电位侧。

地电位侧的光电转换器件（0/E转换）将光信号还原成为频率信号。

对频率信号的处理通常有两种方法：

一种是采用脉冲计数，在低压侧设计一个计数器，计算出传输下来频率的数值，就可以转换得到高压侧分流器的输出电压数字量，还有一种方法是直接通过F/V转换及低通滤波得到模拟输出，然后对该模拟输出进行数据采集，得到相应的数字输出。

图7频率调制式结构图

频率调制式信号处理方法结构简单，不需要采样时钟脉冲信号、转换命令信号或任何形式的外部逻辑电路，精度较高，抗干扰性能好，适合信号的远距离传输，不足之处是转换速度较慢，只适用了低频信号测量。

（3）数字调制式信号处理方法

数字调制式结构图如图8所示，采用A/D转换芯片实现模/数转换，经过A/D转换出的数字信号经过电光变换器件（E/0变换）后通过光纤将光信号串行传输到地电位侧，经过光电转换器将光信号转换为数字电信号直接输出，或者再经过D/A转换，把数字信号还原成模拟信号。

图8数字调制式结构图

数字调制式信号处理方法中的A/D转换芯片有并行和串行两种。

并行A/D输出的芯片位数较多，需要较大量的光电隔离器件，组成的线路结构复杂，故障率较高，实际应用中很少用并行A/D对高压侧信号进行模/数转换。

串行A/D输出只需一根下行光纤，电路结构相对简单，在交流光纤电流互感器中也常有应用。

但是由于A/D转换芯片通常都需要由指令来启动转换，往往要在高压侧设计一个CPU小系统，增加了系统的复杂性。

现阶段实用化的高压有源光电互感器高压侧工作的电路功耗过大，多在200mW左右。

一般光电转换的效率较高时为30%，这就要求光源（半导体激光器）的出纤功率至少达到600mW以上，而出纤功率在这种数量级的光源，一般寿命较短，不能满足电力系统对互感器的寿命要求，同时其成本非常昂贵，但是功耗的降低意味着传感器的性能将会随之降低。

在功耗和性能之间必须寻求一个最佳的平衡点。

因此，无论采用哪种信号调制解调方式，高压侧电路的功耗要尽可能的低。

电路实现低功耗，通常有以下三种途径：

1）选用低功耗或微功耗器件；2）在保证基本性能和功能的前提下，从实现方法上尽量减少所用器件，尤其是较大功率器件；3）采用合适的方法，使器件尽量工作在低功耗状态。

在光纤电流传感器的设计过程中，围绕着高压侧电路低功耗设计，我们先后提出了两种信号调制解调方案。

第一种方案从直流测量和谐波测量的准确度要求不同出发，直流测量采用精度较高、功耗较低的频率调制式信号处理方法，谐波测量采用精度略低的光强调制式信号处理方法。

第二种方案考虑到随着技术的进步，内部集成A/D器件的单片机具有微型化、功耗低、控制功能强、扩展灵活和使用方便的特点，在高压侧引入Flash型超低功耗单片机实现高压侧信号调制功能。

八、试验系统及试验结果

（1）直流电流测量准确度测试

在华中科技大学320kA直流大电流实验室，对直流传感器性能进行了测试，试验原理图及测试数据分别如图9所示，主要测试设备及其参数为：

0.01级零磁通比较仪（6000A/1V），0.01级ZX54性开关式精密电流电阻箱，7位半SolartronSchlumberger7071电压表。

图9准确度测试试验原理图

当母线直流大电流从300A升到6000A，准确度测试数据如下图所示：

试验数据表明，频率调制式直流传感器在10％～200％额定电流范围内，相对误差都小于0.5％，因此满足0.5级准确度性能要求。

在武汉高压研究所国家高电压计量站试验，我们重复了该准确度试验，主要测试设备及其参数为：

0.001级ZLB－1A直流电流比较标准，0.002级直流标准电阻器，0.01级ZX54性开关式精密电流电阻箱，8位半Keithley2002多功能表。

试验原理图如图10所示。

图10准确度测试试验原理图

因设备老化，现场母线电流只从300A升到了3000A，试验数据见表2，武汉高压研究所国家高电压计量站出具的试验报告见附录2。

表1和表2试验数据表明，基于频率调制式的直流传感器在10％～100％额定电流范围内，相对误差小于0.15％，在10％～200％额定电流范围内，相对误差小于0.5％，达到了预定的技术指标要求。

（2）谐波电流测量准确度测试

用升流器提供50Hz交流信号，以空芯线圈为传感单元对谐波电流测量系统的线性度进行测试，其中，升流器电流大小变化范围为0～167A，测试数据见图10，从图可知，0～167A电流范围内，相对误差小于0.3％。

50Hz谐波测量系统线性度测试

由于武高所、中试所都没有多次谐波电流发生装置，只好以EE1411型合成函数信号发生器为信号源进行其他谐波成分的准确度测试。

在实际运用中，高压侧积分器与空芯线圈是配合在一起使用的，积分器的积分环节与空芯线圈的微分环节相配合，使得积分器与空芯线圈组合在一起的频带范围很宽。

若在这里的线性度实验中仅使用积分器，将使整个系统的频带范围非常窄，故在实际的线性度测试实验电路中，EE1411型合成函数信号发生器提供的输入电压信号直接接到积分器的输出端，以测试后续电路部分的线性度。

调节输入信号频率为100Hz时，将EE1411型合成函数信号发生器输出电压信号从0V升连续到900mV（对应母线电流125A时积分器的输出电压峰峰值），测试后续电路在100Hz输入信号线性度，试验数据见下图系列1。

重复上述过程，依次测量其它次谐波电流的准确度，试验数据分别纪录于下图的系列2～12，最大相对误差不超过-0.62％。

各次谐波成分准确度测试

然后，保持输入信号大小不变346.86mV，改变输入信号频率（100Hz～3000Hz），测量系统输出信号大小。

测量数据如图11，可以看出，在100Hz～2500Hz范围内，系统的幅频特性较好，幅值变化在0.8%以内，至3000Hz时，幅值变化也只达到1.39%。

处理电路幅频特性测试

综合图10－13，在100Hz～3000Hz频率范围内，电流大小变化范围为0～167A时，整个系统准确度能够满足

的预定指标要求。

（3）高压侧电路功耗测试

高压侧功耗一直是有源式电流传感器的关注焦点，也是比较两套信号调制解调方案优劣的评判标准之一。

高压侧电路功耗测试见图11。

图11高压侧功耗试验示意图

频率调制式高压侧电路供电电压为2.5V，满量程时测量出高压侧供电电流为6.717mA，则高压侧功耗为：

2.5×6.717≌17mW

光强调制式高压侧电路供电电压为2.5V，满量程时测量出高压侧供电电流为24mA，则高压侧功耗为：

2.500×24≌60mW

因此，有源式光纤电流测量系统的高压侧功耗总计为77mW。

九、结论

传统的直流电流测量方法是基于电磁感应原理，用零磁通或磁调制的方法，对绝缘要求高，结构复杂，设备体积大而笨重；而基于电磁感应原理的谐波电流互感器在直流输电线路含有很大直流分量时，铁心会严重饱和，无法线性传变一次侧谐波电流，制约了有源滤波器的谐波补偿效果。

目前，我国已经确定了

kV为特高压直流输电的标准电压，基于电磁感应的传统测量方法出现了难以克服的局限性，鉴于我国高压直流输电技术中的需要，研究新的电流测量方法及技术已迫在眉睫。

本文对基于光纤测量技术的高压直流电流测量系统进行了系统和详细的研究，完成的工作为特高压直流输电电流测量系统的国产化奠定了坚实的基础。