直流输电的突出优点和相关技术的发展使高压直流输电成为可能，而针对我国资源分布及电力系统格局的特点,发展长距离特高压直流输电则是必然趋势。因此，对高压直流输电线路上直流电流测量的需求日益迫切，直流电流测量装置的结构形式主要有传统磁调制型和光电型两种。其中光电型的主要用于直流极线测量大电流所用，一次传感器大多采用分流器，利用光纤传输信号并实现高低压绝缘。目前基于此原理的直流电流测量装置国内外均有研究，也有挂网运行的经验。由于目前主要的核心技术由国外少数的公司所掌握，所以造成采购成本偏高，而且后续的维护得不到保证。由于中国的特殊国情，技术研究成本相对低廉，为了能够降低整个直流输电工程造价，实现直流一次设备的国产化，对于直流测量装置的研究是非常重要。
一、高压直流电流测量方法
在高压直流输电工程中,直流电流测量方法可分为两大类:一是欧姆定律法;二是电磁感应法。欧姆定律法是根据被测电流流过已知电阻会产生压降并通过计算来算出电流的大小,现场测量一般使 用分流器。 通过将分流器串联在被测电流回路中, 用一个电压表来测量分流器上的压降,通过电压表的 读数,根据欧姆定律计算出被测电流值的大小。运用电磁感应法测量直流电流主要通过直流电流 测量装置。 其是利用铁心线圈中铁心受直流和交流电流共同磁化时的非线性和非对称性,通过整流电路,将通过线圈的直流大电流按匝数反比变换成直流小电流。该类型直流电流测量装置与分流器相比具有运行可靠、性能稳定、不易出故障、负载承受力较强等优点。
高压直流电流测量装置用于测量高压直流电流,在换流站中,直流电流测量装置一般安装于直流线路出线端、阀厅内不同电压母线上、中性线及接地极引线处。直流电流测量装置输出信号用于直流系统的控制保护系统。除了要求本体有足够的绝缘强度外,还需要抗电磁干扰性能强、测量精度高和响应时间快等。
二、高压直流电流测量装置分类
特高压直流测量装置的类型有电子式电流测量装置和电磁式直流测量装置。电子式电流测量装置可分为无源电子式电流测量装置和有源电子式电流测量装置。无源电子式电流测量装置即光学式电流测量装置,通常采用法拉第磁光效应原理。有源电子式电流测量装置即光电式电流测量装置,是一种基于分流电阻原理、利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介的电流测量装置。
2.1零磁通电流测量装置
零磁通直流电流测量装置主要由饱和电抗器辅助交流电源、整流回路和负载电阻等元件组成,它分为串联型和并联型两种类型。直流电流测量装置实质上是利用安匝相等原理工作的饱和电抗器。由于电抗器磁芯材料的矩形系数很高,矫磁力较小,当主回路直流电流变化时,将在负载电阻上得到与一次电流成比例的二次直流信号。
2.2光电式电流测量装置
光电式电流测量装置的主要组成部分为一次测量回路、光电模块、信号传输光纤以及光接口模块。光电式电流测量装置通过测量回路得到电流信号所对应的电压信号,然后光电模块将模拟量转换为数字量,并通过光纤将数字信号发送给低电位侧的接收单元。根据控制保护系统的要求,测量设备要有一定的冗余配置。依据要求,光电式测量设备的远端模块和光电接口模块都会有两套。由于不同测量位置的电流特点差别很大,因此,当光电式传感器测量不同的电流时其高压测量回路也不相同。通常采用以下形式:分流电阻器;电流测量装置和分流电阻器;分流电阻器和Rogowski线圈;Rogowski线圈。光电式电流测量装置分流器与载流导体串接。电流通过时分流器上产生了相应的电压降,光电模块将接收到的电压信号转换为数字信号并进行电光转换,然后通过光纤将信号发送到测量装置的低压侧光电接口单元,通过光电转换后将信号发送到控制保护系统。能量光纤为高压侧元件供能。
2.3全光学式电流测量装置
光学式电流测量装置又称为全光纤直流电流测量装置,其根据法拉弟磁光效应原理来测量电流。全光纤电流测量装置全回路均为光纤,在绝缘性能、抗电磁干扰、可靠性等方面具有很大优势,而且不含有交流线圈,不存在开路危险。全光纤电流测量装置的测量基于以下三个原理:法拉第磁光效应、Sagnac干涉测量法、安培定理(磁场和电流的关系)。
法拉第磁光效应的基本特征当一束普通光通过一个光偏振器后,原来的光变成一束沿固定偏振方向振动的光波。当这束偏振光进入光纤时,如果没有外界磁场存在,它会保持其进入光纤式的偏振方向;如果光纤处于磁场中,具有法拉第磁光效应的光纤就会使偏振光的偏振方向发生偏转,其偏转角度和外界磁场的强度有关。如果在光纤的出口处放置一个光检偏器,我们就能够测量其偏转角度,从而推算出磁场的强度。
直流极线用电流测量装置通常由一次传感器(分流器)、高低压处理电路、光纤回路等几部分组成，下面介绍各部分的设计原则。分流器是一个由锰镍铜合金制成的四端电阻：两个电流端子和两个电位端子。被测电流通过电流端子接入分流器，已知分流器本身电阻，测量电位端的电压降即可获知被测电流大小。
±1000kV直流系统额定电流设计值为5000A，测量范围±6000A，保护最大暂态峰值电流30kA。要对于电流进行准确的测量和保证继电保护的正常工作，分流器的准确性就显得非常关键。分流器的准确性主要由电阻原件本身的特性所决定。电阻体的选择应该具有温度系数小、结构强度高、在高温及低温的情况作用下阻值稳定等特点。目前较多的使用锰镍铜棒材作为单个电阻体，多根并联起来进行分流。由于每个电阻棒材的通流和耐高温能力是一定的，为了考虑到发热量的影响，需要对电流密度进行控制，这样直流导体截面积会较大,在保证一定截面的同时，可将分流器设计成单根截面半径为4～10mm的多根平行并联式结构，也称鼠笼式结构，为消除邻近导体的磁场对准确性的干扰，电阻体的尺寸及排列间距需要经过精确计算选择。通过以上分析可知，分流器的结构设计取决于两点：圆柱导体截面的大小和排列间距的选择。此外用于±1000kV直流极线上的分流器两端还要保证直流导体的尺寸连接与一定的机械强度。目前出现的分流器形式有支柱绝缘子支撑和直流一次导体支撑两种方式，可根据具体工程特点进行设计。设计的关键之一为分流器圆柱导体截面的大小，主要由其集肤效应影响因素决定。高压直流回路中电流应为直流量，但实际还包含着因换流阀工作产生的一定量的低次谐波电流，另外，在过渡过程和干扰时还可能产生相应的谐波电流。交变电流通过导体时，由于在近导体中心处比导体表面处所交链的磁通量多，在近表面处的感应电动势就较中心为小，因而在同一外加电压下，导体表面处的电流密度较大，导体内部的电流密度较小，这种现象即为集肤效应。集肤效应会增大导体的交流电阻，影响测量结果甚至使保护误动作。
三、特高压直流电流测量装置的研究现状
1936年，德国科学家克莱麦尔教授利用被测直流改变带有铁心扼制线圈的感抗以间接改变辅助交流电路电流的方法实现了直流电流的测量，但是其精度不高、抗干扰能力差，需要交流或直流辅助电源，随着电压等级的提高，绝缘要求将使得辅助设备的体积大大增加。为了提高测量精度，有研究人员提出了磁势自平衡回馈补偿式的直流电流传感新机理，通过增加一对补偿绕组来补偿被测电流的部分磁势，从而达到高精度的磁势平衡。仿真结果表明，精度可达0.1%，优于传统方法0.5%的测量精度，但是补偿绕组的加入会再次增加结构的复杂程度，且整套装置缺乏实际应用的考验。直流电流比较仪通过调整已知电流大小，使之产生和被测电流相同的磁势，从而达到测量目的。为了检测磁势平衡，需在铁芯中加入激励绕组和检测绕组，虽然可得到较高精度，但是系统结果复杂，不仅需要电压源激励，还需要反馈功率放大，在电力系统中的应用受到很大限制。分流器通过在被测电流回路中串入电阻进行测量，结构简单、测量快速准确，但分流器的接入需断开被测电路，且一、二次间没有隔离，电流过大时，分流器的发热也将引入附加误差，所以通常用于10kA以下的电流测量，对10kA以上的被测电流，需多个分流器并联才能测量，体积和可靠性都是新的问题。有研究人员对这种方法进行了研究，利用光纤实现一、二次间的隔离，并在0~3kA的测量范围内实现了0.5级的测量精度。基于霍尔效应的直流电流传感器分为开环和闭环两种，闭环结构精度较高，但需外加直流电源提供二次电流，结构复杂；当被测电流较大时，外加直流电源的功率急剧上升，体积、成本和绝缘结构设计等都是难以克服的缺点，且霍尔元件易受温度影响，测量结果稳定性较差。也有尝试利用电机带动Rogowski线圈产生相对被测直流的运动来产生交变磁场，以达到直流测量的目的，思路非常新颖，但方法长期运行的可靠性、电机电刷带来的干扰及复杂的结构设计都难以使之实用化；用Rogowski线圈测量整流变压器交流测的电流以达到间接测量直流的目的也是一种直流电流测量的实现方案，但这种方法精度难以保证。核磁共振方法是精密测量磁场的方法，检测过程复杂、检测设备昂贵，因此多用于实验室中大电流的基准测量装置，难以在高压现场条件下完成实时测量。
上述方法均是利用成熟传感机理进行直流大电流测量，普遍存在一、二次侧隔离困难、动态范围偏小和抗电磁干扰能力较差的问题。随着光纤技术的快速发展，其良好的绝缘性能被广泛应用于电流测量装置一、二次侧间信号传输，隔离问题得到圆满解决。但上述方法抗电磁干扰能力差的问题依然存在，虽然设计了多种屏蔽措施，效果均难如人意，且增加了结构复杂程度；而动态范围偏小的问题则是上述传感机理自身的问题，因此新型传感机理的研究方兴未艾。
近年来，基于光学原理的测量方法因其良好的动态范围、优异的抗电磁干扰能力和绝缘性能得到了快速发展，特别是基于Faraday效应的直流电流测量装置。国外有研究人员将线性调频技术和Sagnac干涉仪相结合，有效消除了电路中直流偏置的影响，在-10~60ºC范围内温度引起的误差不超过0.5%；日本的研究人员针对铁路电力系统的需求设计了光学直流测量装置，测量装置的响应、分辨力，特别是对外界干扰磁场的抑制能力方面，性能优异。光学直流电流测量装置一次侧不需要任何有源设备和器件，绝缘设计简单，但和光学交流电流测量装置一样，仍然存在温度稳定性和长期运行可靠性等问题，因此还没有达到实用化的程度。
直流输电在换流过程中会产生大量谐波，谐波向交、直流两个方向传播，会造成严重的谐波污染。因此，研究直流电流测量装置，必须考虑到谐波的准确测量问题，而这也是抑制谐波污染的前提条件。传统的铁心绕组测量装置工作于铁心磁化曲线的线性区，可用来测量交流谐波，但在直流谐波测量时会因直流影响导致磁通偏移而产生饱和，因此不能用来测量直流谐波。如果利用空心线圈实现高压直流谐波的测量，可解决饱和导致的测量误差问题，但采用模拟信号传输的方式将测量信号传送到低压侧，抗干扰能力较差；有研究人员对空心线圈测量方法进行了深入研究，对空心线圈应用于直流谐波测量时的特殊要求进行了特殊设计，谐波检测部分的误差小于1%；清华大学的研究结果表明在被测直流信号较小情况下，带铁氧体铁心的空心线圈直流工作点不会产生大的变化，而铁心又起到了聚磁作用，因此其性能要优于空心线圈，但在被测直流较大情况下则必须采用空心线圈。
通过直流电流测量方法的发展可见，直流电流测量装置虽有多年研究经验的积累，但在实际应用中仍然存在诸多问题，体积小、精度高的直流电流测量装置仍然是国内外研究的热点，如何准确测量直流输电线路上的谐波电流也是直流电流测量中必须重视的问题。现有研究方法均未考虑直流和谐波电流的集成化测量，因此利用新型敏感机理研究集成化测量新方法，是直流电流测量领域中一个全新的探索。
四、直流电流测量装置应用现状及存在问题
目前在国内、外实际投入运行的直流电流测量装置均是采用分流器的结构，如图1所示。ABB公司和西门子公司均有产品问世，且有几十台在我国运行的经验，国内主要是华中科技大学开展了相关研究，并有样机投入运行。
论文作者:孟祥强,刘海锋,李秦,叶艳军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/21
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