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1、1电子式直流电流互感器可行性研究报告电子式直流电流互感器可行性研究报告单位：北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院 2009 年 3 月2一、直流输电技术概述一、直流输电技术概述电力工业关系国计民生，近年来，国外大停电事故频发，并造成了巨大的损失，因此国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）中明确将“超大规模输配电及电网安全保障”列为优先发展的 68 个主题之一，而且特别强调了“大容量远距离直流输电技术”研究的重要性，特高压直流输电线路中直流电流准确检测的需求日益迫切。而在冶金、核物理、化工、大功率电子学等电力用户部门，直流用电量呈加速增长趋势，也对直流大电流的准确测量提出了
2、迫切需求。实际上，在电力系统发展史上，第一条输电线路是法国物理学家德普勒于 1882 年实现的 2kV，57km 的输电试验，它是第一次输电试验，也是第一次直流输电试验。由于当时各方面的限制，直流电能难以远距离传输，继而出现了高压交流系统，高压交流系统在十九世纪至二十世纪得到了充分的研究并发展成今日规模巨大的电力系统。根据直流输电和交流输电各自的特点，特别是交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制，一些科学家和工程技术人员预见到发展直流输电的必要性，并对相关的科学技术问题进行了不懈的研究探索。经过多年探索，1954 年在瑞典本土和果特兰岛之间建成了第一条海底电缆直流输电线，这是世界上第一条商业
3、性的高压直流输电线，它采用汞弧阀换流的形式突破了交流输电的一统天下，使高压直流输电技术取得长足进展。从 1954 1977 年，世界上共建 设 12 个汞弧阀直流工程，主要在长距离输电、跨海电缆及不同频率电网间输电等方面显示了其活力。直流输电技术发展的第 2 个时期是以可控硅阀为代表，以微处理器在控制保护系统上的应用为标志的现代直流输电技术发展时期。因可控硅阀解决了汞弧阀逆弧及相关暂态效应，使换流阀造价大为降低，运行方便，为直流输电技术的推广打下了基础。氧化锌避雷器及光纤在阀触发子系统的应用，使可控硅阀在过电流及过电压敏感方面渡过难关。以微处理器为核心的控制和保护系统，使直流输电的控制功能大为
4、改善，直流功率的输送方向，功率大小、消耗的无功功率大小都可快速调节，为解决交流电网的稳定问题取得新突破。1972 年加拿大魁北克电力系统与新不伦瑞克电力系统间的互联，由于稳定问题不宜采用交流联网而建立了第一个可控硅阀的背靠背联络站。从 1972 年开始到 1992 年中，全球共建立 40 个直流输电工程，1984 年巴西伊泰普的高压直流工程是目前世界上最大的高压直流输电工程，容量为双极 6300MW，电压600kV，距离 800km。直流输电技术在 7080 年代的大发展还带动了电力电子学的发展。在晶体管出现后，于 1958 年发明了电力应用的硅可控整流元件，再经过 14 年的努力可控硅阀代替
5、了汞弧阀成为直流输电的核心技术，直流输电所用可控硅元件是电力电子器件中制3造难度最大的器件。为适应电力变频调速、感应加热、无功补偿、有源滤波及其自动控制的需要，80 年代开始出现了大功率双极晶体管（BJT）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力集成电路及光触发的 MOS 控制晶闸管等各种新型电力电子器件，这些新型器件的出现，为直流输电技术的新发展提供了契机。自 1992 年第一个光直接触发的可控硅阀直流工程投入，直流输电技术又提高一步，从而进入了光控时期。1999 年瑞典采用 IGBT 元件建成电压源换流器式的轻型直流输电系统，该系统具有功率和电压均可控的电压源换流
6、器，采用脉宽调制（PWM）的绝缘栅双极可控晶体管；改善 PWM 模式可获得任何相位或波幅，该系统几乎能同时控制有功和无功；技术成熟可靠，符合经济和环境兼容的标准。这种系统在直流输电技术上突破了电网换相存在的约束，应用上不仅限于长距离大功率输电，在大电网、国际电网互联上，在电网结构优化方面和配电网的改造上都将显示更大活力。自 1954 年第一条商业化高压直流输电线路建立以来，世界上已建立了许多个 HVDC 线路。在国外大力发展直流输电技术的同时，国内也做了大量的工作。1978 年开展了 500kV、输送容量 1200MW、全线长 1064km 的直流输电线路建设，其设备及技术主要从瑞士-德国公司
7、引进，由中国安装调试，该工程 1989 年 9 月单极运行，1990 年 8 月双极运行。近年来，随着国家西部大开发发展战略的实施，“西电东送”成为我国电力建设的热点。西电东送，面临的一个重要问题就是电能的远距离输送，直流输电的优越性使其得到广泛应用和发展，直流输电迎来了大发展的黄金时期，其中最为典型的为天广工程。天广 500kV 直流输电工程西起广西隆林县天生桥换流站，东至广州换流站，线路全长 960km。双极输送容量 1800MW，该工程主要引进德国西门子公司的设备和技术，2000 年 12 月单极投产，2001 年 6 月 26 日双极投产。天广直流双极投运后，大大缓解了广东用电紧张的局
8、面。除天-广直流工程外，已实施和计划实施的还有：三峡-常州直流工程，西起宜昌龙泉，东至常州政平，全长 890km，额定输电容量 3000MW，于 2002 年 3 月投运。三峡广东直流工程：由荆州换流站、葛洲坝换流站、三广直流线组成，输电距离约 976km，双极500kV，单极额定功率 1500MW，双极 3000MW，于 2004 年投运。贵州-广东直流工程。由贵州安顺到广东肇庆，输电距离约 963km，双极500kV，容量 3000MW，计划 2006 年投运。三峡右岸-上海练塘直流工程，500kV，3000MW，计划 2008 年投运。可以看到，直流输电技术的应用日益广泛，相比较交流输电
9、系统而言，直流输电技术具有如下优点：1) 直流输电系统运行稳定性好。为保证电网稳定，要求网上所有发电机都必须同4步运行，即所谓系统稳定性问题。对于交流长距离输电，线路感抗远远超过了电阻，并且输电线路越长，电抗越大，系统的稳定性越困难，这大大限制了交流长距离输电的发展。采用直流输电，其输电线路只有电阻，没有感抗，因此不存在上述稳定问题。2) 直流输电损耗小。直流输电线路没有感抗和容抗，不传输无功功率，没有无功损耗；直流输电没有磁滞损耗和涡流损耗。直流架空线电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路小。因此在导线截面相同、输送有功功率相同的条件下，直流输电线路的功率损耗，只有交流线路的 2/3 左右。3
10、) 直流联网对电网间干扰小。现代电力系统的发展方向是大电网互联，如采用交流联网则互联电网间相互干扰，各个电网的故障相互影响，容易造成联络线功率大幅度波动，甚至剧烈振荡，增加事故率。而采用直流联网方式，能有效隔断各互联交流同步电网间的相互影响，有利于提高电能质量；特别是当系统发生故障时，可以避免或减轻对另一个系统的影响。因此，直流联网是减小互联系统大面积事故和损失的一个有力手段。4) 直流联网可以避免电网短路容量增加。交流输电联网，由于系统容量增加，将使短路容量增大，有可能超过原有断路器的遮断容量；采用直流输电来连接两个交流系统，就避免了上述问题，这对于大电网的互联极具实用价值。5) 直流联网可
11、以实现不同频率电网间联网。由于直流输电与系统频率无关，所以直流线路是连接两个不同频率交流电网的最佳选择，这对跨国电网的发展有着重要的意义。6) 长距离直流输电可减少线路投资和维护费用。经各方面综合估算，线路长度超过 800km 时，直流输电在一次投资和年运行费用上都较交流输电经济，并且随着直流输电技术的发展这个长度还将不断缩短。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, 发展直流输电则是必然趋势。因此，对直流输电线路上直流电压和直流电流测量的需求日益迫切，但相对于直流输电技术快速发展的现状，直流电压和电流测量技术的发展却不尽如人意，特别是
12、直流电流测量方法的研究，难以满足快速发展的应用需求。二、直流电流互感器的研究现状二、直流电流互感器的研究现状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5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
13、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，
14、利用光纤实现一、二次间的隔离，并在 03kA 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
15、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互感器一、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
16、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 效应的直流电流互感器。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-1060C 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互感器，互感器的响应、分辨力，特别是对外界干扰磁场的抑制能力方面，性能优异。光学直流电流互感器一次侧不需要任何有源设备和器件，绝缘设计简单，但和光学交流电流互感器一样，仍然存在温度稳定性和长期运行可靠性等问6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，研究直流电流互感器，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。传统的铁心绕组互感器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
