石榴石型光學(xué)電流傳感器在高壓直流輸電差動保護(hù)中的應(yīng)用

焦新兵， 潘 倩

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大功率設(shè)備不斷投入使用，傳統(tǒng)的高壓遠(yuǎn)距離輸送網(wǎng)絡(luò)已不滿足節(jié)能社會的需求。高壓直流(High-Voltage Direct Current，HVDC)輸電具有傳輸距離遠(yuǎn)、輸送容量大、不增加系統(tǒng)短路容量及抑制系統(tǒng)低頻震蕩等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國輸電網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分。

HVDC系統(tǒng)[1-4]由于輸電容量不斷增大、輸電線路不斷加長且伴有線路等設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜，因此系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率也在不斷增大。其故障的一般表現(xiàn)為直流側(cè)保護(hù)線路故障(區(qū)內(nèi)故障)和相鄰線路或母線多端網(wǎng)絡(luò)故障(區(qū)外故障)兩大類型。直流側(cè)故障的特征在于具有大的浪涌電流，并且由系統(tǒng)電容中的被捕獲能量的放電引起極高的上升速率。多端子HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)故障主要引起局部線路及母線出現(xiàn)工作異常引發(fā)輸電問題[5]。HVDC輸電系統(tǒng)的這些問題都會導(dǎo)致重大的電力事故，這也是制約HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)大面積投入使用的重要原因，因此快速有效地檢測出系統(tǒng)故障是目前發(fā)展HVDC迫切需要解決的問題。

本文針對HVDC多端子直流輸電網(wǎng)(Multi-Terminal Direct Current Grids, MTDC)故障問題，提出了一種利用石榴石型光學(xué)電流傳感器檢測故障系統(tǒng)的方法，以實(shí)現(xiàn)快速故障檢測，增強(qiáng)可靠性和辨別性。文中最后利用MATLAB仿真軟件及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備模擬HVDC輸電運(yùn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文提出檢測方法的有效性。

1 高壓直流輸電原理及MTDC結(jié)構(gòu)

法國物理學(xué)家在1882年的慕尼黑展覽會上利用2 000 V直流發(fā)電機(jī)，經(jīng)過57 km的線路，將電力傳送到展會供應(yīng)現(xiàn)場，由此HVDC輸電技術(shù)被引入到電力系統(tǒng)輸電系統(tǒng)之中。隨著大功率高頻電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展、電力系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制不斷增強(qiáng)、遠(yuǎn)距離輸電穩(wěn)定性問題不斷突破。21世紀(jì)的今天，HVDC輸電技術(shù)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)當(dāng)中不可或缺的一部分。我國于1977年在上海建設(shè)并運(yùn)營了第一條37 kV、4 650 kW、長8.6 km的直流輸電線路，由于技術(shù)缺乏及電力設(shè)備問題，這條線路投資運(yùn)營容量小且傳輸距離短。隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，技術(shù)的不斷更新，先后投產(chǎn)運(yùn)營了舟山群島跨海輸電工程、葛洲壩—上海輸電工程、天生橋—廣州直流輸電工程、三峽輸電工程等多個(gè)大型直流輸電工程。

HVDC輸電系統(tǒng)主要由整流站、輸電線路、逆變站三部分組成[6-8]。發(fā)電廠輸出三相交流電，通過整流站整流輸出直流，再通過輸電線路傳輸至逆變站，逆變器將直流電逆變成三相交流電供生產(chǎn)生活使用。在架空輸電線路上，傳統(tǒng)交流輸電線路都是采用3組導(dǎo)線，而直流輸電只需要1根(單極)導(dǎo)線或2根(雙極)導(dǎo)線，這大大節(jié)約了電纜，減少了輸電線路上的損耗。MTDC是指由多個(gè)換流站，通過不同的控制模式及控制指令所構(gòu)成。以圖1所示，該直流輸電系統(tǒng)共有5個(gè)換流站：模塊化多電平轉(zhuǎn)換器[9-10](Modular Multilevel Converters，MMC)MMC1是主導(dǎo)換流站，它的作用是控制直流電壓穩(wěn)定及整個(gè)系統(tǒng)功率平衡；MMC2為輔助換流站，協(xié)助MMC1控制直流電壓；MMC3是有功功率控制換流站，維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行有功功率恒定并且MMC3作為MMC1的備用站，防止MMC1由于故障而導(dǎo)致整個(gè)直流系統(tǒng)運(yùn)行崩潰；MMC4和MMC5為外部電能接入換流站，如風(fēng)電場、太陽能電場等。

圖1 高壓直流5端子輸電網(wǎng)絡(luò)

2 光電式電流傳感器原理介紹

根據(jù)測量原理，光學(xué)電流傳感器[11-13]可分為光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制和偏振態(tài)調(diào)制3種。本文主要利用偏振態(tài)調(diào)制，通過磁場來改變光的偏振性質(zhì)。當(dāng)光束經(jīng)過磁場，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，檢測旋轉(zhuǎn)角度繼而達(dá)到檢測電流的目的。例如，基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器。法拉第磁光效應(yīng)原理概述如下：在平行的外加磁場作用下，線偏振光通過某些磁光介質(zhì)后，偏振光的偏振面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)公式(1)，偏轉(zhuǎn)角度β可表示如下：

(1)

式中：V為光學(xué)材料的Verdet常數(shù)；B為磁場強(qiáng)度；L為光在磁光介質(zhì)中通過的路程；l為線積分矢量。

在測量時(shí)，將傳感器固定在被測輸電線路的一側(cè)，電流產(chǎn)生的磁場方向平行于光的傳播方向，設(shè)電流導(dǎo)線中心到偏振光的垂直距離為r。由安培環(huán)路定律可知光軸距離電流導(dǎo)線水平距離x處的磁場強(qiáng)度[14]：

(2)

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率；I為電流。那么沿著偏振光方向上的磁場強(qiáng)度：

(3)

將式(3)代入(1)可得：

(4)

由式(4)可知，旋轉(zhuǎn)角度φ正比于被測電流I，在電壓已知的情況下，通過轉(zhuǎn)角度即可計(jì)算出電流φ的值。

本文利用基于法拉第磁光效應(yīng)原理的新型的石榴石型光學(xué)電流傳感器[15]，原理圖如圖2所示。從左至右沿著光路依次為光源、輸入光纖、輸入光纖準(zhǔn)直器、石榴石模塊、輸出光纖準(zhǔn)直器、輸出光纖、探測器。石榴石模塊以永磁薄膜包裹著的石榴石為核心，永磁薄膜具有起偏和檢偏的功能。光源經(jīng)準(zhǔn)直器后到達(dá)石榴石模塊，在磁場的作用下，光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，出射光經(jīng)檢偏后到輸出光纖，隨后被探測模塊探測。經(jīng)光電檢測后的光束轉(zhuǎn)換成電信號即可進(jìn)行故障分析。

圖2 石榴石型電流傳感器原理圖

3 石榴石型光電流傳感器在MTDC中的應(yīng)用

在MTDC輸電網(wǎng)絡(luò)中每條傳輸線都安裝石榴石型電流傳感器，根據(jù)各線路的長度及運(yùn)行功率安裝不等數(shù)量的傳感器，以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測每一段線路及端子的實(shí)時(shí)電流。接入系統(tǒng)的傳感器按照接收端功率流向發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給控制中心，控制中心根據(jù)檢測的電流信息分析故障信息，以便更好的對整體輸電網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測及保護(hù)。

圖3中所示的是一系列光學(xué)電流測量傳感器S1，S2，…，Sn沿線分布情況，由于元件連接緊密，保護(hù)設(shè)備和高壓斷路器之間的時(shí)間延遲可以忽略，可以根據(jù)等式(1)求得兩個(gè)連續(xù)的傳感器之間的差動電流Δi(k)。

圖3 MTDC網(wǎng)絡(luò)中區(qū)內(nèi)外故障示意圖

(5)

其中，Δi(k)(t)表示的是在兩個(gè)相鄰傳感器k和k+1處測量的第k個(gè)差動電流(k=1,2，…，n-1)。在區(qū)外故障期間，差動電流Δi(k)(t)將非常接近零，而對于區(qū)內(nèi)故障，差動值可能會很高。為了確保瞬時(shí)差動電流具有毫秒級的精度，在差動電流Δi(k)計(jì)算之前進(jìn)行傳播時(shí)間延遲補(bǔ)償，如方程(2)。補(bǔ)償時(shí)間Δt是恒定的，并且與相鄰傳感器sk和sk+1之間的距離以及電磁場傳播速度成正比。

Δi(k)(t)=is(k)(t-Δt)-is(k+1)(t)

(6)

當(dāng)傳感器電流傳輸?shù)絇C當(dāng)中，整個(gè)故障分析分為三個(gè)階段。如圖4所示，第一階段：差動電流閾值與預(yù)定值比較。為了最大限度地減少外部故障期間測量誤差、感應(yīng)噪聲或者瞬變引起的保護(hù)不穩(wěn)定性，閾值的選擇就顯得尤為重要。因此，在網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的多個(gè)位置進(jìn)行了極間(P-P)和極地(P-G)故障的系統(tǒng)迭代仿真，以確定在第一階段和第二階段的最佳電流閾值。另外，為了驗(yàn)證閾值，在進(jìn)行電流測量時(shí)，添加人造噪聲，以減少虛假跳閘；第二階段：判定變化率。當(dāng)差動電流Δi(k)達(dá)到閾值ITH時(shí)，通過Δtw查看dis(k)/dt和dis(k+1)/dt的歷史數(shù)據(jù)。如果dis(k+1)/dt(t-Δtw)或者dis(k+1)/dt(t-Δtw)的歷史值超過預(yù)定閾值di/dtTH，則滿足階段二的標(biāo)準(zhǔn)。這是為了確保斷路器(CB)由于故障導(dǎo)致的動作，而不是因?yàn)槿魏味虝r(shí)間的信號干擾；第三階段檢測電流循環(huán)計(jì)算，以確保保護(hù)操作不會由傳感器故障引起，如果沒有檢測到傳感器故障，則啟動高壓斷路器的跳閘信號。

圖4 MTDC輸電網(wǎng)絡(luò)故障分析流程圖

4 模擬實(shí)驗(yàn)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

模擬HVDC多端子輸電網(wǎng)絡(luò)搭建相關(guān)平臺，本實(shí)驗(yàn)利用4個(gè)石榴石型光學(xué)電流傳感器，假設(shè)均勻地分布在300km的電路網(wǎng)絡(luò)之中，如圖5所示。系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)采集卡沿傳輸線對應(yīng)4個(gè)位置，預(yù)仿真故障電流并產(chǎn)生電壓波形，直流線路電流被輸入到傳感器之中，傳感器采樣數(shù)據(jù)并輸入到PC機(jī)中存儲及運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)采用PXIe-8106控制器和16位PXIe-6259數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集模塊，該卡提供16個(gè)模擬輸入，以 1.25MS/s的最大采樣率和4個(gè)模擬輸出進(jìn)行掃描，最大更新速率可以達(dá)到2.8MS/s，可以快速傳輸大量的數(shù)據(jù)。

圖5 模擬石榴石電流傳感器仿真示意圖

模擬直流輸電線路1(圖5)上距離端子T150km處的故障保護(hù)響應(yīng)。在t=100 ms時(shí)觸發(fā)故障，物理位置處于傳感器S2和S3之間，可以從圖6(a)(1-6)中看出，這兩個(gè)傳感器測量得到的差動電流正在迅速增加，超過了保護(hù)閾值，由于是內(nèi)部故障，可以看出，在故障檢測之前，傳感器S2和S3的直流電流變化率diDC/dt都不為零，如圖6(b)所示。故障電流中斷過程如圖6(c)和圖6(d)所示，分別用于發(fā)送和接收直流線路一端，在高速斷路器工作之前，電流流經(jīng)換向分支；在高壓斷路器斷開之后，電流流過避雷器，逐漸減小到零，完成中斷過程。從圖中可以看出啟動高壓斷路器的跳閘信號只需要2ms，就可以將輸電網(wǎng)絡(luò)電流切斷。

圖7中顯示了石榴石型光學(xué)電流傳感器和保護(hù)設(shè)備對系統(tǒng)的直流線路1內(nèi)部故障的測量響應(yīng)記錄。通過預(yù)先模擬，使用數(shù)據(jù)采集卡將直流線路電流輸出范圍縮小在±10V，如圖7(a)。根據(jù)輸電線路中各石榴石型電流傳感器采集到的電壓，計(jì)算得出圖7(b)所示的差動電壓(對應(yīng)于主電力系統(tǒng)中的差動電流)用于后續(xù)故障分析。

圖6 模擬故障傳感器檢測信號波形

圖7 模擬保護(hù)動作傳感器電壓信號波形

5 結(jié)論

石榴石型電流傳感器應(yīng)用在HVDC多端子輸電網(wǎng)絡(luò)之中，通過檢測連續(xù)兩個(gè)相鄰傳感器之間的差動電流，能夠快速、準(zhǔn)確判斷輸電網(wǎng)絡(luò)類故障型，為后續(xù)輸電網(wǎng)絡(luò)差動保護(hù)提供理論依據(jù)，在工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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