李登云+李鶴+熊魁+姚力+徐韜+范佳威

摘 要： 為了解決OCT和FOCT的誤差特性，介紹OCT和FOCT的基本原理與典型結(jié)構(gòu)。針對(duì)舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)中的OCT和FOCT，提出適用的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)方法，并建立相應(yīng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)，完成了舟衢站OCT、舟泗站和舟洋站FOCT的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果，分析比較了OCT和FOCT的誤差特性：OCT的長期穩(wěn)定性和線性度優(yōu)于FOCT；OCT的基本誤差曲線是單調(diào)變化的，而FOCT的基本誤差曲線呈S形，二者的誤差變化均隨電流增大逐漸減?。籓CT幾乎沒有零點(diǎn)漂移，而FOCT有較大零點(diǎn)漂移。文中的研究結(jié)果對(duì)OCT和FOCT的運(yùn)行與維護(hù)均具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： OCT； FOCT； 誤差特性； 現(xiàn)場校準(zhǔn)； 長期穩(wěn)定性； 零點(diǎn)漂移

中圖分類號(hào)： TN722.7+3?34； TM452.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）24?0154?06

Abstract： To understand the error characteristics of OCT and FOCT， the basic principles and typical structures of OCT and FOCT are introduced. For the OCT and FOCT in five?terminal flexible DC power transmission system in Zhoushan， a test method suitable for field calibration is proposed. The corresponding field calibration test platform was established and the field calibration tests of OCT in Zhouqu station as well as FOCT in Zhousi station and Zhouyang station were completed. According to the field calibration results， the error characteristics of OCT and FOCT are analyzed and compared： the long?term stability and the linearity of OCT are better than that of FOCT； the basic error curve of OCT changes monotonically while the basic error curve of FOCT is S?shaped， and the error variation of both decreases with the increase of current； OCT has almost no zero drift， but FOCT has a large zero drift. The research results in this paper have a certain reference value to the operation and maintenance of OCT and FOCT.

Keywords： OCT； FOCT； error characteristic； field calibration； long?term stability； zero drift

0 引 言

直流電流互感器的主要作用是為直流控制保護(hù)系統(tǒng)測量極線、中性線、換流閥橋臂、直流濾波電容器等關(guān)鍵位置的電流。研究直流電流互感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)，分析不同原理直流電流互感器的誤差特性，以確保直流電流互感器測量的準(zhǔn)確可靠，對(duì)保障直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有積極作用。

目前，相關(guān)機(jī)構(gòu)研究了直流電流互感器誤差的現(xiàn)場檢測方法[1]，用磁調(diào)制式直流電流比較儀的磁屏蔽結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計(jì)[2]，研制了現(xiàn)場用的直流電流源、直流電流標(biāo)準(zhǔn)器等關(guān)鍵設(shè)備，完成了500 kV德陽、800 kV復(fù)龍換流站中直流電流互感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)[3]。從而驗(yàn)證了所提出的校驗(yàn)方法和研制的校驗(yàn)設(shè)備。以上研究的側(cè)重點(diǎn)是研究直流電流互感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法、研制現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備。本文的側(cè)重點(diǎn)是對(duì)有源光電式直流電流互感器（OCT）與全光纖式直流電流互感器（FOCT），這兩種類型直流電流互感器的誤差特性進(jìn)行分析與比較。本文介紹了OCT和FOCT的基本原理與典型結(jié)構(gòu)，針對(duì)舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)中的OCT和FOCT，提出了適用的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)方法，并建立了相應(yīng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)，從而完成了舟衢站OCT、舟泗站和舟洋站FOCT的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果，詳細(xì)分析并比較了舟山柔直用OCT和FOCT的誤差特性。

1 基本原理

掛網(wǎng)運(yùn)行的直流電流互感器分為零磁通式直流電流互感器、OCT和FOCT三種[4]。零磁通式直流電流互感器由于絕緣問題難以解決，只應(yīng)用于低電壓等級(jí)[5?6]。本文主要介紹OCT和FOCT的基本原理。

1.1 OCT的基本原理

OCT是直流輸電系統(tǒng)中使用最為廣泛的直流電流互感器，包括分流器、空心線圈、遠(yuǎn)端模塊、傳輸光纖、光纖絕緣子以及合并單元。其基本工作原理，如圖1所示[7]。

分流器和空心線圈是OCT的一次電流傳感器。分流器將被測一次直流大電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)；空心線圈將一次直流大電流攜帶的諧波電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)。遠(yuǎn)端模塊是OCT的一次轉(zhuǎn)換器，該模塊就地采集分流器或空心線圈的輸出信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為光數(shù)字信號(hào)后，通過傳輸光纖傳輸至合并單元。對(duì)于分流器的輸出信號(hào)，遠(yuǎn)端模塊設(shè)計(jì)了多路獨(dú)立模擬采樣回路，保證了OCT直流測量信號(hào)的多路獨(dú)立輸出。因此，OCT輸出的直流測量信號(hào)，不僅與分流器有關(guān)，且與遠(yuǎn)端模塊中對(duì)應(yīng)的采樣回路有關(guān)。遠(yuǎn)端模塊的工作電源由合并單元內(nèi)的激光器提供，激光器發(fā)送的激光通過傳輸光纖傳送至遠(yuǎn)端模塊，遠(yuǎn)端模塊內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器將激光能量轉(zhuǎn)換為電能，給遠(yuǎn)端模塊提供工作電源。

合并單元是OCT的二次轉(zhuǎn)換器，該單元接收遠(yuǎn)端模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的數(shù)據(jù)后再發(fā)送給直流控制保護(hù)系統(tǒng)。

傳輸光纖是OCT的傳輸系統(tǒng)：一方面將測量數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)端模塊傳輸?shù)胶喜卧?；另一方面將供能激光由合并單元傳輸?shù)竭h(yuǎn)端模塊。傳輸光纖的一部分內(nèi)嵌在光纖絕緣子中，以保證高壓絕緣。

1.2 FOCT的基本原理

FOCT主要應(yīng)用于交流輸電系統(tǒng)。隨著交流電子式互感器的發(fā)展FOCT日趨成熟，逐漸發(fā)展到直流輸電系統(tǒng)，并在一些新建直流系統(tǒng)中掛網(wǎng)運(yùn)行。FOCT在絕緣、體積、重量等方面均具有絕對(duì)優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。FOCT基于法拉第磁光效應(yīng)，原理如圖2所示。

當(dāng)一束線偏振光入射至磁光介質(zhì)后，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與外加的磁場強(qiáng)度成正比，即：

當(dāng)磁場H由穿過環(huán)形傳感器的待測導(dǎo)體電流I產(chǎn)生，且光路圍繞載流導(dǎo)體閉合時(shí)，利用安培環(huán)路定律，可得：

因此，只要測出偏振光旋轉(zhuǎn)的角度，便可計(jì)算出待測電流I的大小。FOCT由光纖電流傳感環(huán)、光纖絕緣子和采集單元構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)如圖3所示[8]。

光纖電流傳感環(huán)由波片、傳感光纖和反射鏡構(gòu)成，主要作用是將被測電流的變化轉(zhuǎn)換為兩束正交偏振光相位差的變化。

采集單元主要由光路模塊和信號(hào)解調(diào)電路組成。主要作用是向光纖電流傳感環(huán)發(fā)送偏振調(diào)制光信號(hào)，并對(duì)光纖電流傳感環(huán)返回的攜帶有被測電流信息的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，解析出被測電流的大小。

2 現(xiàn)場校準(zhǔn)

舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋五個(gè)直流換流站和多段直流電纜構(gòu)成，直流電壓等級(jí)[9?10]為±200 kV。其中，舟定、舟岱和舟衢站采用的是OCT，舟泗與舟洋站采用的是FOCT，準(zhǔn)確度等級(jí)均為0.2級(jí)。針對(duì)舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)中的OCT和FOCT，提出了適用的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)方法，并建立了相應(yīng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)而開展現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)。

2.1 現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)方法

被校直流電流互感器的信號(hào)輸出端口在綜控室內(nèi)，直流電流標(biāo)準(zhǔn)器的信號(hào)輸出端口在直流場中，被校信號(hào)輸出端口與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出端口相距約100 m。由于被校輸出信號(hào)為滿足FT3協(xié)議的數(shù)字光信號(hào)，而標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)為低電壓模擬信號(hào)。因此，將直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)放置在距離標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出端口較近的直流場中，被校輸出信號(hào)則通過傳輸光纖遠(yuǎn)距離傳輸至直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)，現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)接線原理如圖4所示。

直流電流源輸出的試驗(yàn)電流，流過直流電流標(biāo)準(zhǔn)器和被校直流電流互感器的一次傳感器。直流電流標(biāo)準(zhǔn)器的二次電流通過標(biāo)準(zhǔn)電阻器輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，被校直流電流互感器通過合并單元輸出包含一次電流測量值信息的FT3光數(shù)字信號(hào)。直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)測量出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，解析出FT3光數(shù)字信號(hào)中包含的一次電流測量值，并按式（3）計(jì)算出校準(zhǔn)結(jié)果。

式中：為被校直流電流互感器的基本誤差；為被校直流電流互感器輸出的一次電流測量值；為直流電流標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)稱變比；為標(biāo)準(zhǔn)電阻器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；為標(biāo)準(zhǔn)電阻器的阻值。

2.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)

直流電流互感器現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)包括：直流電流源、直流電流標(biāo)準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)電阻器以及直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)。本文所用直流電流源的額定電流為1 200 A，穩(wěn)定度為0.05%。采用同步方式校準(zhǔn)0.2級(jí)直流電流互感器時(shí)，可以忽略電源穩(wěn)定度對(duì)校驗(yàn)結(jié)果的影響。本文所用直流電流標(biāo)準(zhǔn)器的額定一次電流為300～3 000 A，額定二次電流為5 A，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.005級(jí)，結(jié)果如表1所示。

本文所用標(biāo)準(zhǔn)電阻器的標(biāo)稱阻值為0.2 Ω，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)，額定輸入電流為5 A，額定輸出電壓為1 V。直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、同步時(shí)鐘裝置和上位機(jī)組成，原理如圖5所示。

標(biāo)準(zhǔn)采集模塊，用于標(biāo)準(zhǔn)側(cè)模擬量采集，并將數(shù)據(jù)通過GPIB采集卡上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，用于被校直流電流互感器的數(shù)字量采集，通過光纖接收被校互感器合并單元的FT3格式數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析獲得被?；ジ衅鞯囊淮坞娏鳒y量數(shù)據(jù)，然后通過RJ 45網(wǎng)線上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。同步時(shí)鐘裝置用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)采集模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送同步信號(hào)，使標(biāo)準(zhǔn)采集模塊與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊同步采集標(biāo)準(zhǔn)側(cè)及試品側(cè)的數(shù)據(jù)。上位機(jī)基于Windows操作系統(tǒng)，配置LabVIEW校驗(yàn)平臺(tái)，接收標(biāo)準(zhǔn)側(cè)和試品側(cè)數(shù)據(jù)并按式（3）計(jì)算處理，得到被?；ジ衅鞯幕菊`差。

直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度取決于標(biāo)準(zhǔn)采集模塊的準(zhǔn)確度。本文采用6位半數(shù)字萬用表作為標(biāo)準(zhǔn)采集模塊，在0.2～2 V直流電壓范圍內(nèi)，測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01%。

通過式（6）可知，校驗(yàn)0.2級(jí)的直流電流互感器時(shí)，可忽略0.005級(jí)直流電流標(biāo)準(zhǔn)器、0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻器以及直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

舟山柔直系統(tǒng)中的OCT和FOCT均位于室內(nèi)，現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室的相差較小。因此，可忽略現(xiàn)場環(huán)境條件對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

3 校準(zhǔn)結(jié)果與總結(jié)

與FOCT相比，OCT在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用時(shí)間更早、數(shù)量更多，相應(yīng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)和誤差特性研究工作也開展的更多。此外，舟山五端柔性直流系統(tǒng)已帶電運(yùn)行，系統(tǒng)檢修時(shí)間短、任務(wù)重。因此，本文僅對(duì)舟衢站的1臺(tái)OCT、舟泗站的2臺(tái)FOCT和舟洋站的4臺(tái)FOCT開展現(xiàn)場校準(zhǔn)。

3.1 OCT誤差特性分析

被校OCT位于舟衢站負(fù)極線上，額定一次電流為500 A，輸出的FT3格式測量信號(hào)通過兩個(gè)分別位于控制柜A和控制柜B的合并單元輸出。在每個(gè)合并單元輸出的FT3數(shù)據(jù)中，均包含兩組一次直流電流測量值，分別記為1通道和2通道。因此，被校OCT的一次直流電流測量值共有四組，分別記為A柜1通道、A柜2通道、B柜1通道、B柜2通道。在5%，10%，20%，30%，40%，50%，80%和100%額定電流下，分別對(duì)被校OCT的四組測量值進(jìn)行校準(zhǔn)，基本誤差曲線如圖6所示。

目前，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直流電流互感器準(zhǔn)確度等級(jí)的要求不盡相同。根據(jù)《GB/T 26216.1?2010 高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測量裝置第1部分：電子式直流電流測量裝置》，0.2級(jí)OCT在10%～100%額定電流的誤差限值為0.2%。因此，被校OCT僅A柜1通道和B柜2通道滿足0.2級(jí)要求。根據(jù)《GB/T 20840.8?2007 互感器 第8部分：電子式電流互感器》，0.2級(jí)OCT在5%額定電流下的誤差限值為0.75%、在20%額定電流下的誤差限值為0.35%、在100%額定電流下的誤差限值為0.2%，故被校OCT的4組測量值均滿足0.2級(jí)要求。根據(jù)《IEC 61869?14： Instrument Transformers ? Part 14： Specific Requirements for DC Current Transformers》，0.2級(jí)OCT在5%額定電流下的誤差限值為2%、在20%額定電流下的誤差限值為0.5%、在100%額定電流下的誤差限值為0.2%，因此被校OCT的4組測量值均滿足0.2級(jí)要求。

從圖6可以看出，被校OCT的基本誤差具有比較明顯的單調(diào)性，且基本誤差的變化量隨著一次電流的增大而減?。?5～100 A，基本誤差急劇變化；100～500 A，基本誤差變化平緩。被校OCT基本誤差的線性如表2所示。

OCT的一次傳感器是分流器和空心線圈，其中測量直流電流的是分流器。分流器是一個(gè)小阻值的四端口電阻，長時(shí)間工作在大電流時(shí)，分流器會(huì)因自身發(fā)熱使阻值發(fā)生變化，從而影響OCT的測量準(zhǔn)確度[11]。因此，OCT在額定電流下的穩(wěn)定性，可以反映出分流器自熱效應(yīng)對(duì)OCT測量準(zhǔn)確度的影響情況。在500 A額定電流下對(duì)被校OCT的B柜1通道進(jìn)行連續(xù)300次測量，每次測量間隔時(shí)間為1 s，額定電流下被校OCT的穩(wěn)定性如圖7所示。從圖7可以看出，被校OCT的基本誤差變化量小于0.02%，小于0.2級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)對(duì)應(yīng)誤差限值的，因此，可以忽略分流器自熱效應(yīng)對(duì)被校OCT準(zhǔn)確度的影響。關(guān)閉直流電流源，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)輸出的信號(hào)，得到一次直流電流為-0.014 31 A。根據(jù)試品側(cè)A柜2通道輸出的信號(hào)，得到一次直流電流為0.001 25 A?？梢?，被校OCT幾乎沒有零點(diǎn)漂移。

3.2 FOCT誤差特性分析

被校FOCT的額定電流為500 A，輸出的FT3格式測量信號(hào)通過兩個(gè)分別位于控制柜A和控制柜B的合并單元輸出。與被校OCT不同的是，被校FOCT的每個(gè)合并單元輸出的FT3數(shù)據(jù)中只包含一組一次直流電流測量值。在5%，10%，20%，30%，40%，50%，80%和100%額定電流下，對(duì)舟泗站的2臺(tái)FOCT進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，每臺(tái)FOCT僅校準(zhǔn)A柜合并單元的輸出信號(hào)。在10%，20%，40%，60%，80%和100%額定電流下，對(duì)舟洋站的4臺(tái)FOCT進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，每臺(tái)FOCT均校準(zhǔn)A柜和B柜合并單元的輸出信號(hào)，共進(jìn)行了10組現(xiàn)場校準(zhǔn)。

由于被校FOCT出現(xiàn)了大范圍的超差，為了使盡可能多的測量點(diǎn)滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度要求，對(duì)被校FOCT的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了誤差修正。10組校準(zhǔn)結(jié)果中有8組進(jìn)行了誤差修正，修正值最大為1.8%，最小為-0.30%。修正后的校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

在舟山柔直工程投運(yùn)前，所用FOCT和OCT均經(jīng)過了嚴(yán)格的出廠試驗(yàn)以及現(xiàn)場交接驗(yàn)收試驗(yàn)，應(yīng)滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度要求。但經(jīng)過約18個(gè)月時(shí)間的運(yùn)行后，OCT仍基本滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度要求，而FOCT出現(xiàn)了較大范圍的偏差，需要加修正值才能基本滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度的要求?？梢姡琌CT在長期穩(wěn)定性方面要優(yōu)于FOCT。

通過比較表2和表3發(fā)現(xiàn)，50～500 A的線性，被校OCT最大為0.34%，而10組被校FOCT的校準(zhǔn)結(jié)果中有8組超過了0.34%，最大可達(dá)到了2.06%?？梢姡琌CT的線性度也要優(yōu)于FOCT。

被校FOCT的基本誤差曲線如圖8所示。可以看出，F(xiàn)OCT的基本誤差并不是單調(diào)增或單調(diào)減，而是呈S形，且隨著一次電流的增大，基本誤差的變化量逐漸減小。

關(guān)閉直流電流源，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)輸出的信號(hào)計(jì)算出一次直流電流。再根據(jù)試品側(cè)輸出的信號(hào)解析出一次直流電流，被校FOCT的零點(diǎn)漂移結(jié)果如表4所示。

當(dāng)電流較低時(shí)，零點(diǎn)漂移對(duì)FOCT測量準(zhǔn)確度的影響大；而電流較高時(shí)，零點(diǎn)漂移對(duì)FOCT測量準(zhǔn)確度的影響小。零點(diǎn)漂移是FOCT線性度差的一個(gè)主要原因，故FOCT適合于直流電流較大、且直流電流輸出比較穩(wěn)定的直流輸電系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

OCT和FOCT是目前直流輸電系統(tǒng)中比較常用的兩種直流電流互感器。OCT使用時(shí)間較早、使用范圍更廣，而FOCT具有更廣闊的應(yīng)用前景。由于OCT和FOCT的原理、結(jié)構(gòu)不同，表現(xiàn)出不同的誤差特性，因此對(duì)運(yùn)行維護(hù)也有不同的要求：

（1） 經(jīng)過約18個(gè)月時(shí)間的運(yùn)行后，OCT基本還能滿足相關(guān)準(zhǔn)確度的要求，而FOCT則出現(xiàn)了大面積的超差情況。因此，與OCT相比FOCT的長期穩(wěn)定性較差，F(xiàn)OCT的校準(zhǔn)周期不宜過長。

（2） OCT的基本誤差是單調(diào)變化的，而FOCT的基本誤差曲線呈S形。隨著電流的增大，OCT和FOCT的基本誤差變化量均逐漸減小。

（3） OCT基本沒有零點(diǎn)漂移，而FOCT有較大的零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致低電流下的測量準(zhǔn)確度降低。同時(shí)，零點(diǎn)漂移也使得FOCT的線性增大。因此，F(xiàn)OCT適合于直流電流較大且直流電流輸出比較穩(wěn)定的直流輸電系統(tǒng)。

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