零磁通电流互感器在特高压换流站的应用

零磁通电流互感器在特高压换流站的应用

实习指导 杨垒 哈密管理处 张柏熙

【摘要】：高压直流输电（HVDC）在远距离大容量输电和独立电网互联方面具有明显的优点，在我国西电东送和全国联网工程中起到了重要的作用。本文主要对哈密-郑州特高压直流输电工程的零磁通电流互感器结构和测量原理，分析说明零磁通电流互感器在特高压直流系统中的使用情况及作用，说明零磁通电流互感器常见故障处理及原因分析，同时介绍检查与分析方法直流场测量IDEL2信号输出异常和金华站P1-IDNE零磁通模块故障分析。

【关键词】：零磁通电流互感器 中性母线开关电流（IDNE）中性母线电流（IDNC）故障分析引言

直流电流互感器是直流输电系统的重要一次设备，为换流站的运行提供控制和保护信号。应用于换流站各个位置的直流电流互感器主要分为两种类型，一种是用于测量电压等级较高的极线电流的光电式直流电流互感器，另一种是主要用于测量电压等级较低的中性线上直流电流的零磁通式直流电流互感器。目前国内直流输电工程用直流电流互感器绝大多数都被进口产品垄断ABB，如ABB公司，西门子公司的光电式直流电流互感器，HITEC公司及REITZ公司的零磁通式直流电流互感器。国内对光电式直流电流互感器进行了很多研究，但对零磁通式直流电流互感器的研究较少。零磁通式直流电流互感器基于直流电流比较仪原理，具有准确度较高的优点。直流电流比较仪被应用于试验室直流电流测量及标准已有非常长的历史但将其应用于直流输电系统的研究在国内较少进行，尚需要提高其在电力系统运行条件下的过载能力和可靠性。同时研制零磁通直流电流互感器对于实现直流测量设备的国产化，打破国外公司对国内直流输电系统用直流互感器的垄断格局，具有重要意义。零磁通CT构成及原理

2.1零磁通CT的结构

零磁通CT是由二次绕组，三环型铁芯，振荡器，双峰值检测器，功率放大器，密度放大器，负载电阻组成如图2-1所示，一次电流IP生成一个磁通，可以被测量头二次绕组（NS）的电流 IS抵消。二次绕组里的三环形铁心可以检测到任何剩余的通量。其中两个（N1，N2）用来检测剩余磁通的直流部分。N3 检测交流部分。振荡器将两个直流磁通传感铁芯反方向磁饱和。如果剩余直流磁通是零，那么电流峰值两个方向都是相等的。如果不为零，其差额同剩余直流磁通成正比。双峰值检测器，可以检测到该直流磁通。加上交流分量（N3），就会产生一个控制回路，产生二次电流进而使得磁通为零。带有高过电流能力的功率放大器可以向NS提供二次电流，通常有2000匝。二次电流，是一次电流的部分图像，提供给负荷电阻器（Rb）将信号转换为电压。通过一个精密放大器，信号穿过负荷，并放大信号后使用。

图2-1 零磁通CT构成2.2零磁通CT的原理

电流互感器基于电磁感应原理，因此，铁芯中的必须有磁通是电流互感器工作的先决条件。可是为了在铁芯中建立磁通，就需要励磁电流，励磁电流是互感器误差的主要来源。零磁通电流互感器的目的，就是消除励磁电流对互感器测量精度的影响。

必须要有励磁电流，又要消除励磁电流对测量精度的影响，最直接的办法就是采用一个补偿绕组，专门用于提供励磁电流，这样，测量绕组就不会受到励磁电流的影响。如图2-2所示零磁通电流互感器包括两个铁芯，四个绕组。四个绕组分别为一次绕组NP，二次补偿绕组NC，二次测量绕组NS，检测绕组ND。两个铁芯分别为Core1和Core2。

一次绕组NP和二次测量绕组NS同时绕在Core1和Core2上，补偿绕组NC绕在Core1上，检测绕组ND绕在Core2上。检测绕组ND连接高阻抗电压表，绕组电流可以忽略。补偿绕组NC连接一个与被测一次电流频率相同的可控交流电压源。互感器工作时，一次绕组NP及二次测量绕组NS在Core1和Core2中均产生磁通，补偿绕组NC只在Core1中产生磁通。检测绕组ND只与Core2磁通铰链，并且自身负载阻抗很大，电流可忽略不计，不产生磁通。调节补偿绕组NC的电压源，当检测绕组ND的电压表读数等于零时，铁芯Core2中磁通为零。

图 2-2 零磁通电流互感器原理

由于一次绕组NP和二次测量绕组NS均与铁芯Core2铰链，此时，对于铁芯Core2而言，一次绕组NP和二次测量绕组NS的在Core2中产生的磁通相同，即一次绕组NP和二次测量绕组NS安匝数相等：NP×IP=NS×IS。在一次绕组NP和二次测量绕组NS上产生感应电动势的磁通完全由二次补偿绕组NC提供，NC绕组提供励磁电流和励磁磁场。零磁通电流互感器的理论误差等于零，不存在比差和角差。之所以称为零磁通电流互感器，就是因为铁芯Core2中的磁通为零，一次绕组NP和二次测量绕组NS的磁通在铁芯Core2中达到了平衡，因此，也可以称为磁平衡式电流互感器。

2.3零磁通CT的特性：

磁通电流互感器是一种理论上磁通为零（即电流互感器的铁芯没有磁通）的互感器。其基本原理是采用电子反馈电路与补偿来实现线圈和铁心组件的安匝平衡，从而达到“零磁通”以降低测量误差。实际上由于分布电容，漏感等原因，零磁通电流互感器还存在一定误差，但相比一般电流互感器精度提高了一个数量级。

零磁通电流互感器的精度可以达到十万分之一甚至更高，由于其采用自动补偿的方式，放大倍数越大，补偿效果越好，误差也越小，其频带及带载能力等指标也很好，也可相对减小铁心及互感器的体积，降低对材料的使用成本。采用嵌套形的铁心结构可以很好地解决铁心的屏蔽问题，有了检测铁心上的辅助补偿绕组，可以使采用这种结构的检测铁心真正能够起到检测零磁通的作用，具有极小的角差，适合大型电力变压器的空载及短路试验等低功率因数工况的高精度功率测量。

3零磁通CT在天山站的配置及应用

3.1测量装置及配置介绍

天山站极中性母线电流（IDNC），极中性母线开关电流（IDNE），站内接地极电流（IDGND），接地极电流（IDEL1，IDEL2），金属回线电流（IDME）等8个电流量采用了零磁通测量装置。测量数据通过电缆传输给极测量接口装置PMI其中：

1.极1零磁通CT接口柜P1MU用以测量P1.WN.T1(IDNC)P1.WN.T2（IDNE），P1MU1，P1MU2，P1MU3分别对应南瑞极测量接口柜 PMI1/2 的 A，B，C 系统。

2.极2零磁通CT接口柜P2MU用以测量P2.WN.T1(IDNC)P2.WN.T2（IDNE），P2MU1，P2MU2，P2MU3分别对应南瑞极测量接口柜 PMI1/2 的 A，B，C 系统。

3.双极区零磁通CT接口柜BMU用以测量 WN.T1(IDGND)，WN.T2(IDME)，WN.T3(IDEL1)，WN.T4（IDEL2），BMU1，BMU2，BMU3分别对应南瑞极测量接口柜PMI1/2的A，B，C系统。

图3-1带套管的测量头

测量头经常至于户外直流场，因此外表浇筑了树脂。由于附近的载流导体或空气弹簧造成的外部磁场，测量头内部的磁屏蔽，可以阻止3个传感芯饱和。树脂类型测量头在P1和P2侧面有M12螺母便于安装。这些螺母还可以用于起重，可以在两边安装两个吊环螺栓，测量头内部由铜箔筛网围绕形成一个法拉第屏蔽。电子模块也安装有过压避雷器，EMC过滤器，可以满足严格的抗扰性标准，虽然电子模块通常安装到控制室，具备可控制电子模块环境。电子模块可以从双极或单极电源提供电源。安装输入二极管用于连接两个电源系统，有一个共同回路。如果有一个单极电源，内置的直流-直流转换器可以创建内部±24V直流电源。直流-直流转换器还可以从电源对输出信号进行隔离。

图3-2屏柜布置图

图3-3带有端子排的HITACC模块的详细接线

图3-4零磁通电流互感器回路示意图

如图3-5所示零磁通CT现场采集量传输给PMU/BMU接口柜里的电子转换模块，经电子转换模块一部分量送给了直流故障录波，一部分经南瑞板卡送给了直流控保A，B，C三套系统，再从控保系统传输给SCADA服务系统，在到运行人员工作站OWS。

3.2保护原理及应用

图 3-5 双极区的保护

天山站直流场的设备，极过流保护，直流谐波保护，直流低电压保护，双极中性母线差动保护，后备站地过流保护，中性母线接地开关保护，GRTS转换开关后备保护，中性母线接地开关保护，接地保护（金属回线)，MRTB转换开关后备保护，接地极线横差保护，金属回线纵差保护，接地极线过流保护，金属回线横差保护，MRTB转换开关保护，GRTS转换开关保护，这些保护都是靠零磁通CT取量。零磁通CT常见故障处理及原因分析

天山站调试至今零磁通共出现8次故障，零磁通模块发热1次，P1CCP1发直流中性点电流极1 IDNC错误，严重故障出现退出备用瞬时复归2次，零磁通屏柜端子松动2次，零磁通IDNC B系统测量电流偏大3次，就以上几次故障进行事故分析。

4.1案例分析直流场测量IDEL2信号输出异常

天山换流站2013年12月18日13:27，P1PPR1C，P2PPR1C报“直流场测量IDEL2信号输出异常”“系统监视轻微故障出现”接地保护，不平衡保护，过流保护，后备站接地过流保护，金属回线转换开关保护，中性母线差动保护退出。

现场检查站及双极辅助设备室BMU3屏发现DCCT模块内部一个电阻松动，导致电源OK信号无法传出，装置自闭锁，从而造成接地极线路零磁通电流互感器WN.T4电子模块工作异常。

图 4-1 IDEL2信号输入异常

分析事件列表可知:

（1）P1PPR1C，P2PPR1C报IDEL2信号输出异常，系统监视轻微故障；

（2）双极，金属回线，接地极线与IDEL相关的保护退出。

现场检查情况:

（1）运行人员对直流场接地极线路零磁通CT WN.T4一次设备检查未发现异常；

（2）对站及双极辅助设备室BMU柜进行检查发现DCCT模块“ Power on”，“Output valid”指示灯未亮。

图 4-2 DCCT模块版面

直流场相关保护退出原因分析：报警事件中保护退出逻辑时序相似，下面以接地极线过流保护为例进行分析，其投退逻辑时序图如图4-3所示，当ELOS_MEAS_OK为0，接地极线过流保护退出。如图4-4所示，XX_MEAS_OK条件中均相与IDEL2_MEAS_OK，由于直流场测量IDEL2信号输出异常，IDEL2_MEAS_OK=0，因此XX_MEAS_OK=0，金属回线接地保护，接地极线不平衡保护，接地极线过流保护，双极后备站接地过流保护，双极金属回线转换开关保护，双极中性母线差动保护退出报警正确。

图 4-3 接地极线过流保护投退逻辑时序

图4-4 IDEL2测量逻辑时序

IDEL2信号输出异常原因分析：

查询软件报警页面IDEL2_POW_IN*DCCT_POW_SCAL≤DCCT_POW_RES-DCCT_POW_HYS时IDEL2_POW_OK输出为0，报“IDEL2信号输出异常”。

DCCT_POW_RES=（24*0.4）=9.6

DCCT_POW_HYS=（24*0.02）=0.48

图4-5（PPR/POLEBIPO_PRPT/Main/DATA_PROC/DCCT_POW_OK）

图4-6 DCCT电子模块内部接线图

通过图4-6分析可知，零磁通电流互感器柜BMU3内DCCT模块正常时信号输出DCCT _ IDEL2 _OK，该信号以并接方式分别送入极1，极2的PMI柜内，双极PPR1C系统均有报IDEL2信号输出异常，因此故障点在BMU3柜内概率最大。用万用表测得WNT4电子模块供电正常，同时测得31-32，30-31节点均未导通为打开状态，故可判断该电子模块内部有故障。

4.2案例分析金华站P1-IDNE零磁通模块故障

金华站2014年7月12日09点54分03秒，发极1极保护A系统发直流极差保护S闭锁，中性母线差动保护Z闭锁，极1和极2极保护A系统发双极中性母线差动保护Y闭锁，后备站内接地过流保护告警。极1极保护PPR1A和极2极保护PPR2A相同保护动作并短时复归。经检查确认为极1零磁通CT（IDNE）电子单元A系统输出异常导致。现场检查发现，极1零磁通CT（IDNE）电子单元A系统电源灯和输出可用灯已不亮。

图4-7故障电子单元模块电源灯和输出灯已经不亮

将极1 IDNE A系统零磁通电子单元的电子单元拆下后，打开箱体侧板后，发现内部PCB电路板上的MOS场效应管元件已经烧坏，侧板靠近被烧毁元件处有明显痕迹。

图4-8故障IDNE电子单元内烧坏的MOS场效应管（IRFP4110）

零磁通CT 的A，B，C系统的极1 IDNC，极1 IDNE，极2 IDNC，极2 IDNE电子单元发热严重。卸下屏柜正面空挡板，进行红外测温，发现电子单元IDNC1A/B/C电子单元内部温度最高达到77℃，IDNE1A/B/C，IDNC2A/B/C电子单元内部达到60℃。零磁通电子单元的功率消耗Power Consumption与测量电流相关。电流为零时，电子单元消耗功率为15W，随着电流增大，消耗功率增加，电流为5000A时，电子单元消耗功率90W。DMI21/22/23内电子单元测量电流为额定电流，发热多，而DMI11/12/13屏内电子单元一次测量电流在当前工况下为零，功率消耗低，发热量少。

调试及运行以来零磁通电子模块故障依次发生在IDNC1C，IDNE2C，IDNC1B，IDNC1A和本次的IDNE1A。推测电子单元发热严重，散热不良对电子单元频繁故障有影响。总结

控制保护设备室内二次接线端子及电子模块元件不可避免存在松动现象，由于接线端子松动导致的直流场相关电流，电压量测量异常告警曾多次出现。对控制保护设备室内二次屏柜端子排加强关注，极早发现端子松动或者虚接隐患。对零磁通电子模块温度和模块散热加强监视，对零磁通零磁通户外本体测量头和零磁通电子模块多监视，零磁通方面知识欠缺，必要时去厂家做相应培训，在日常巡检过程中零磁通CT转换模块可以增加测温的专项检查。

参考文献

[1]赵畹君 高压直流输电工程技术 中国电力出版社

[2]南瑞软件：HZ-Appsoftware

[3]中国南方电网超高压输电公司.高压直流输电系统设备典型故障分析.北京：中国电力出版社，2009.[4]南京南瑞继保电气有限公司.RD6T011400-001，PCS-9500 直流控制保护系统硬件手册，2009。

作者简介

张柏熙，男，1993年4月出生，2015年8月参加工作，毕业于吉林化工学院信息与控制工程系电气工程及其自动化专业，本科学历，现在国家电网公司运行分公司哈密特高压管理处天山换流站工作。