光學電流互感器應用于發電機保護的研究及實踐

王 凱，王 耀，王 光，張琦雪，陳 俊，何海波

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

光學電流互感器應用于發電機保護的研究及實踐

王 凱，王 耀，王 光，張琦雪，陳 俊，何海波

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

本文針對基于電磁式TA的發電機保護存在的TA飽和易致誤動、水電機組中性點側分支TA過熱損壞絕緣、定子匝間保護薄弱等問題，探討了光學TA應用于發電機保護所帶來的性能改善，給出了現場應用案例的典型數據分析，并展望了光學TA在發電廠的應用前景。

光學TA；定子繞組匝間保護；裂相橫差保護；TA飽和；失靈保護

0 引言

隨著電力系統的快速發展，發電機組容量越來越大，電壓等級不斷提高，基于電磁式電流互感器（TA）的發電機組繼電保護技術越來越成熟，但是也逐漸暴露出其自身難以克服的缺點，例如區外故障時TA飽和導致差動保護誤動、水電機組中性點側TA局部過熱引起繞組匝間絕緣老化導致保護誤動、TA二次回路斷線過電壓損壞設備等。20世紀60年代以來，針對電子式互感器的研究越來越廣泛，其中光學TA因其動態性能優良、抗干擾能力強、安全性好等優點成為研究熱點，并在數字化變電站、高壓直流輸電工程和地下電纜線纜故障判據等領域得到廣泛應用，積累了豐富的應用經驗[1，2，3]。隨著光學TA制造、運維技術的日漸成熟，在發電廠、工礦企業等行業領域的應用必將成為趨勢。

本文從基于電磁式TA的發電機組繼電保護存在的問題出發，嘗試分析采用光學TA所能夠獲得的改進效果，為光學TA在電廠的推廣應用提供一些參考和指導。

1 光學電流互感器基本原理

光學電流互感器（Optical Current Transducer，OCT）基于Faraday磁光效應原理，其傳感原理如圖1所示。線偏振光通過位于磁場中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向將產生正比于磁感應強度平行分量的旋轉，這個旋轉角度叫Faraday旋光角，由于磁場強度與產生磁場的電流成正比，因此旋光角與產生磁場的電流也成正比，通過檢測旋光角即可測量產生磁場的電流[4，5，6]。

當傳感光纖或磁光玻璃圍繞一次通流導體閉合成環時。旋光角?可用下式表示：

圖1 光學TA原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical TA

式中：V——光學介質的Verdet常數，表示單位磁場產生的旋光角；

H——磁場強度；

l——光在介質中傳播的距離；

NL——圍繞通流導體閉合光路的圈數；

I——產生磁場的電流。

2 光學TA應用于發電機保護的分析

由于電磁式TA采用電磁感應原理，具有結構復雜、體積龐大、飽和等固有特點，給基于電磁式TA的發電機保護帶來了一些其自身難以完全克服的問題，本章分析采用光學TA徹底解決這些問題的可能性。

2.1 TA飽和

電磁式TA的鐵芯磁化特性是非線性的，剩磁或非周期電流分量可能導致鐵芯磁通密度飽和，引起二次側電流嚴重畸變。國內外研究人員提出了各種TA飽和識別方法來防止差動保護誤動或拒動，但并不能完全解決問題，且不管采用何種判據，無一例外均增加了保護邏輯復雜性，在內部短路故障時延長了差動保護的動作時間。

另外，安裝有多臺機組的發電廠，在一臺主變壓器空充時，除合閘主變壓器會產生勵磁涌流外，在與之并列的主變壓器中也會出現涌流現象，即和應涌流[7]。如果相鄰主變壓器帶發電機運行，對于發電機差動保護而言，和應涌流是穿越性電流，理論上不會導致發電機差動保護誤動。但是，和應涌流中含有非周期電流分量，且持續時間較勵磁涌流要長很多，可能引起發電機差動保護兩側電磁式TA的暫態飽和，從而產生差流，進而導致發電機差動保護的誤動作。圖2為某水電站2號主變壓器空充時，1號發電機兩側電磁式TA二次電流和差動電流。

截至目前，行業內對和應涌流的產生機理、電氣特征和保護對策進行了大量研究，但尚未有公認成熟、可靠的解決辦法[8，9]。光學TA基于Faraday磁光效應原理，無磁飽和現象，具有優良的暫態傳變特性。某型光學TA依據《GB/T 20840.8—2007 互感器 第8部分：電子式電流互感器》 “8.10.2 暫態特性試驗方法”進行的暫態特性試驗結果如表1所示。

圖2 和應涌流時發電機A相電流和A相差動電流Fig.2 Sympathetic inrush current and differential current of generator

表1 某型光學TA暫態特性試驗（額定電流3kA）Tab.1 Transient characteristic test of a optical TA（rated current 3kA）

表1所示試驗為一個兩次通電過程： C-0.1s-O為第一次通電操作，即“合-0.1s-分”，單次0.1s施加由46.8kA對稱電流和約80kA衰減直流分量組成的混合電流，衰減時間常數為100ms；停量0.5s后，進行第二次通電操作，具體過程第一次通電相同。從試驗結果看，光學TA具有優良的暫態特性，其性能遠遠優于規程所要求的10%的最大誤差限值。

采用光學TA實現發電機差動保護，無TA飽和問題，提高了差動保護可靠性。同時，保護邏輯取消TA飽和判據后，也提高了內部故障時差動保護的動作速度。

2.2 水電機組中性點側分支TA過熱

一些大型水輪發電機組，在汛期蓄水位較高條件下長期滿負荷運行，中性點側分支TA可能由于電磁屏蔽設計不合理、通風系統異常等原因導致運行溫度過高，繞組絕緣易老化破壞，TA繞組發生匝間短路。輕微匝間短路將引起差動不平衡電流增大，嚴重時甚至引起差流報警或差動保護誤動作。

近年來，國內多個大型水電站的多臺600MW機組連續發生因機組中性點TA過熱損壞繞組絕緣而導致差動保護報警或跳閘的事故。表2為某水電站2009～2010年此類事故統計結果。表3為事故后，電廠技術人員在線實測某機組中性點側B相TA的表面溫度。表3中給出溫度值為TA表面溫度，其內部繞組溫度估計高出10℃以上。

表2 某電廠中性點TA損壞事故統計Tab.2 Statistics Table of neutral point TA fault

表3 機組中性點B相TA表面溫度Tab.3 Surface temperature of neutral point TA

光學TA一次傳感器部分為傳感光纖，無鐵芯，不存在磁場疊加感應引起的局部飽和發熱問題。一次傳感光纜無導電部件，不發熱，有良好的耐熱性能。另外，光學TA測量精度受溫度變化影響較小，完全滿足繼電保護要求。某光學TA試件的溫度循環準確度測試的部分測試數據如表4所示。

表4 溫度循環準確度測試數據（施加額定電流）Tab.4 Accuracy test of temperature cycling（rated current）

2.3 定子繞組匝間短路保護配置薄弱

目前，應對定子繞組匝間短路的保護功能主要有：不完全縱差保護、裂相橫差保護、單元件橫差保護、和縱向零序電壓匝間保護。一些機組，特別是大型汽輪發電機組、燃氣輪發電機組和核電機組，中性點側空間有限，不能安裝分支TA和橫差TA，不完全縱差保護、裂相橫差保護和單元件橫差保護均無法實現。最常見配置是縱向零序電壓匝間保護，但是該保護不反應分支開焊故障，在短路匝數較少或經過渡電阻短路時，保護靈敏度較低。另外，匝間專用TV只配置一組，雙套保護共用其開口三角繞組，當該TV本體或回路異常時，雙套保護均退出運行[10]。

綜上所述，問題癥結在于機組中性點空間狹小，無法實現中性點側分支電流測量。光學TA將一次傳感器制成光纜，能夠纏繞在任意形狀一次導體上，可在狹小空間安裝，正好可以解決分支電流測量問題，進而實現裂相橫差保護。結合機端電流的測量，可進一步構成不完全縱差保護。

以某300MW抽水蓄能機組為例，該機組中性點為兩個分支，原有內部故障主保護由完全縱差保護和單元件橫差保護構成。若增加配置圖3所示的基于光學TA的裂相橫差保護后，其內部故障主保護由完全縱差保護、單元件橫差保護和裂相橫差保護構成。根據發電機內部故障定量分析結果，新方案能夠完全消除內部故障死區，兩種方案的性能對比如表5所示。

圖3 基于光學TA的裂相橫差保護系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of phase transverse differential protection system based on optical TA

表5 某抽水蓄能機組發電電動機主保護方案性能對比Tab.5 Performance comparison of main protection scheme for a pumped-storage generator

由表5可以看出，原方案存在較大的匝間短路故障保護死區，不能動作匝間短路故障數有100種（占內部故障總數的3.27%）。針對各種類型短路故障，僅對78.42%的內部故障（2398種）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作。相比較之下，新方案的保護性能優良，可應對所有匝間短路故障，且對96.67%的內部故障（2956種）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作。

2.4 TA二次回路斷線及其他

光學TA應用于發電機保護，除了能夠在上述方面提高保護性能外，在以下方面也具有優勢：

（1）光學TA可識別三相光纖鏈路同時斷線故障。現有的發電機保護雖然均有TA斷線判別功能，但不能反應三相斷線，且TA二次回路斷線會產生高電壓，可能燒壞設備、危及人員安全；光學TA采用全光纖式傳感回路，采樣數據也采用光纖上送，可實現完善的回路自檢功能，任一點斷線均可及時識別，且不會對人員和設備構成危險。

（2）光學TA無拖尾電流，不會對失靈保護性能產生不利影響。大型機組多采用TPY級TA，以提高差動保護性能。當電力系統發生故障，保護動作跳開斷路器后，TPY級TA副邊繞組仍存在衰減的非周期等電流分量，該拖尾電流僅存在于斷路器斷開故障電氣設備后的很短時間內，會對失靈保護產生影響。對于光學TA來說，當一次電流為零后，其感應磁場消失，光學TA中的偏振光方向不變，不會影響失靈保護性能。

（3）光學TA能夠完整保留電流中的直流和較高次諧波成分，有利于新的基于非工頻分量保護原理的研究和實現[11，12]。

3 光學TA在發電機保護上的應用

光學TA在電廠的應用剛剛起步，僅有少量產品在現場運行，仍處于經驗積累階段。光學TA在某水電機組的實際應用也表明，相比于電磁式TA，光學TA在暫態過程中測量性能更優。該機組容量為600MW，發電機額定電壓為20kV，一次額定電流為19245A，換算至TA二次為0.64A（TA變比30000/1A）。在一次試驗過程中，發電機額定空載時空充主變壓器，產生勵磁涌流，基于電磁式TA和光學TA的機組保護均記錄了暫態數據。圖4為電磁式TA和光學TA的機端三相二次電流測量結果比較。

從圖4中可以看出，勵磁涌流特征明顯，三相電流均偏向時間軸一側。初始幾個周波二者傳變結果較為吻合，而后電磁式TA傳變結果逐漸向坐標軸偏移，光學TA測量結果則基本穩居坐標軸一側，且電流幅值更大。究其原因是，較長時間的正向或負向電流使得電磁式TA的偏磁越來越大并逐漸趨于飽和，影響了一次電流的正確傳變。另外，一次電流消失后，電磁式TA二次電流仍有非周期直流分量存在，而光學TA電流很快歸零，無拖尾電流產生。

圖4 電磁式TA和光學TA的機端電流測量結果Fig.4 Current measurement comparison of electromagnetic TA and optical TA

4 結束語

本文針對基于電磁式TA的發電機保護存在的問題，分析了光學TA在這些方面所具有的優勢：

（1）光學TA無飽和、和應涌流問題，可提高差動保護可靠性。

（2）光學TA無導電部件，不發熱，耐熱性能優良，適用于大型水電機組中性點側等環境溫度高、電磁環境復雜的應用場合。

（3）光學TA可安裝于發電機組中性點分支等狹小空間，完善定子匝間保護配置，提高內部匝間短路故障靈敏度。

（4）光學TA其他優點：可識別三相光纖鏈路同時斷線，因無拖尾電流而不會對失靈保護性能產生不利影響等。

目前來看，光學TA在電廠的推廣應用仍然面臨著諸多障礙。例如，光學TA安裝和使用盡管簡單，但行業技術人員更熟悉傳統設備，配套的設計、運行規程需調整，配套標準需不斷完善；光學TA應用涉及面廣，需要和配套的勵磁、故錄、調速等系統配合使用，增加了項目實施難度。盡管如此，隨著光學TA技術的日益成熟和配套標準及規程的不斷完善，基于光學TA的發電機保護必將得到越來越廣泛的應用。

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王 凱（1983—），男，工程師，主要研究方向：電氣主設備繼電保護。 E-mail：wangkai3@nrec.com

王 耀（1980—），男，工程師，主要研究方向：電子式互感器技術和應用。E-mail：wangy@nrec.com

王 光（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：電氣主設備繼電保護。E-mail：wangg@nrec.com

張琦雪（1974—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：電氣主設備繼電保護。E-mail：zhangqx@nrec.com

陳 俊（1978—），男，高級工程師，主要研究方向：電氣主設備繼電保護。E-mail：chenj@nrec.com

何海波（1981—），男，本科，工程師，主要研究方向：繼電保護及監控系統設計工作。E-mail：hehb@nrec.com

Research and Application of Generator Protection Based on Optical Current Transformer

WANG Kai，WANG Yao，WANG Guang，ZHANG Qixue，CHEN Jun，HE Haibo
（Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China）

This paper described the problems of generator protection based on electromagnetic TA，Such as TA saturation，neutral point side branch TA overheating of hydropower generator，weak configuration of stator winding inter-turn fault protection，and so on.it analysis the improvement of generator protection based on optical TA，and compared the measurement performance of optical TA and electromagnetic TA installed in a hydropower station.Then，it pointed out the difficulties in mass application of optical TA in power plants.At last，it showed the wide prospect application.

optical current transducer; stator winding inter-turn fault protection; split-Phase transverse differential protection;TA saturation; breaker failure protection