CN105676161A - 交直流暂稳态一体化检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流暂稳态一体化检测装置，包括交直流暂稳态一体化试验电源和电子式电流互感器现场试验检测系统，其中交直流暂稳态一体化试验电源，包括一个直流冲击电源、一个直流暂稳态电源、一个交流工频暂稳态电源及合成回路控制系统；电子式电流互感器现场试验检测系统，包括标准互感器、标准转换装置、互感器复合误差校验仪。本发明的检测装置可分别实现对直流电流互感器和交流电流互感器的暂稳态一体化试验，通过直流冲击/暂稳态试验电源与交流暂稳态试验电源组成的合成试验回路方法，明显的减小直流冲击/暂稳态试验中储能电容的容量，而且能更加精确灵活的调整和配置暂态电流峰值、衰减时间常数、阶跃电流响应等重要参数。

Description

交直流暂稳态一体化检测装置

技术领域

本发明涉及一种交直流暂稳态一体化检测装置，具体为一种针对电子式电流互感器(ECT)基于模块化设计的交直流暂稳态一体化检测装置，包括直流冲击/暂稳态试验电源与交流暂稳态试验电源组成的合成试验回路方法，可分别实现对直流电流互感器和交流电流互感器的暂稳态一体化试验，属电气行业的互感器检测试验技术领域。

背景技术

在我国，能源资源与消费中心逆向分布的特点决定了电网必然采用大容量、远距离、高电压等级输电的发展战略，逐步构建强交流、强直流互相补充和支撑的坚强电网。随着我国电网建设的高速发展，电力系统容量不断增大，超、特高压交直流输电网成为电力输送的骨干网架。超、特高压交直流输电技术因其具有输电容量大、送电距离远、线损小等优点，近年来在我国电网建设中得到了大力发展，建设规模逐年扩大。

目前已投运±400kV～±800kV直流输电工程20余项，预计到2020年前后将建成30余项。目前，中国仅有10条特高压线路获准开工，其中六条“两交四直”特高压输电工程已经投运，2015年，国家电网特高压线路建设规划为“五交八直”，共13条，国家电网还计划到2020年建成“五纵五横”，合计27条特高压线路。交直流输电线路已经成为我国跨区域电力输送的重要通道，其在电网中的资源配置作用以及对电网安全稳定运行的影响也更为显著。

超、特高压电网在安全稳定运行方面所面临的挑战日益突出，其典型表现之一就是系统短路电流大和一次时间常数大。继电保护作为保证系统安全稳定运行的主要技术措施其动作性能受到为其提供系统电流信息的电流互感器暂、稳态特性的影响，尤其是电流互感器暂态特性的影响。在电压较低的电网中,短路电流非周期性分量衰减速度很快,短路电流很快达到稳定状态,故采用一般保护用电流互感器即可满足要求。但在我国实际开展的超、特高压输变电示范工程中功率交换容量巨大，750kV变电站GIS主回路中电流互感器电流变比高达4000A/1A，1000kV特高压示范工程GIS主回路中电流互感器的电流变比高达6000A/1A，在这些超、特高压电力系统中短路电流非周期性分量衰减时间较长,而要求切除短路故障的时间很短，如果电流互感器暂态特性不好，则有可能造成继电保护误动或拒动威胁系统的安全稳定运行。这就对电流互感器暂态误差相关检定试验提出了更高的要求。根据JJG1021-2007《电力互感器》检定规程规定在电力互感器交接验收及出具正式报告时应采用直接比较法进行检定，对于具有暂态保护特性的电流互感器国标GBl6847-l997规定型式试验是在规定的限值参数和工作循环下进行的直接法试验。直接比较法对试验电源的容量要求相当大，而且传统试验电源需要通过改变回路电感来调节一次回路时间常数这样又会造成回路阻抗过高难以满足暂态电流要求。

针对上述问题，有学者提出采用等安匝法合成试验方法来等效暂态特性直接试验法来解决电流互感器带直流衰减分量的低频响应特性，由工频稳态电源与直流暂态电源合成的暂态试验电源，通过改变直流回路电感来模拟直流稳态电流和暂态电流，与振荡交流电流合成一次暂态、稳态电流。该方案虽然比传统的暂态特性直接法试验方案减小了电源试验容量，可以将交流试验容量及回路参数和直流暂态特性试验容量及回路参数分别配置，提高了试验的灵活性。但由于实际试验中暂态特性的时间常数差异很大，对直流暂态回路可调电感的设计难度大大增加甚至难以实现，同时为了满足上述要求，对整体储能容量和系统设计难度和成本也大大增加。时间常数越大，储能系统和试验回路的设计难度和成本越大，为了满足200ms及以上时间常数的试验要求，直流暂态试验系统仅储能电容和试验回路成本就高达数百万，成本很大、体积庞大，不利于以后的升级和现场灵活使用，无法满足互感器暂态特性试验应用需求，不利于互感器暂态特性试验技术的普及和广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提出一种针对电子式电流互感器(ECT)基于模块化设计的交直流暂稳态一体化检测装置，包括交直流暂稳态一体化试验电源和电子式电流互感器现场试验检测系统。交直流暂稳态一体化试验电源的合成试验回路方法，明显减小直流冲击/暂稳态试验中储能电容的容量，而且能够对电子式电流互感器更加灵活的进行暂态电流峰值、衰减时间常数、阶跃电流响应等重要参数的精确调整和配置。同时，所述的交直流暂稳态一体化检测装置通过模块化配置和组合，可分别实现对直流电流互感器和交流电流互感器的暂稳态一体化试验。

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种针对电子式电流互感器(ECT)的交直流大电流暂稳态一体化检测装置。所述的交直流暂稳态一体化检测装置，包括交直流暂稳态一体化试验电源和电子式电流互感器现场试验检测系统。其中交直流暂稳态一体化试验电源包括交流工频暂稳态电源、直流暂稳态试验电源和直流冲击电源以及合成试验控制系统组成；电子式电流互感器现场试验检测系统，包括标准互感器、标准转换装置、互感器复合误差校验仪等组成。

所述的交流工频暂稳态电源包括大容量试验变压器、单相调压器、低压动态无功补偿电容组模块、选相投切晶闸管、升流器及大电流CT等检测控制系统组成；

所述的单相调压器的输入端连接在大容量试验变压器输出端或者三相线电压端口之间，输出端的一端连接在选相投切晶闸管的一侧，一端连接在低压动态无功补偿电容组模块和升流器输入之间；

所述的选相投切晶闸管是双向晶闸管或由2个单相晶闸管并接组成的1个双向晶闸管，连接在单相调压器和升流器之间；

所述的低压动态无功补偿电容器组模块为过零电压自动投切，两端并接在升流器的输入侧两端，所述的大电流CT串在升流器的输出端口；

所述的交流工频暂稳态电源实现交流电流互感器的额定值(如6kA)等以下长时间稳态电流系列试验以及短时间暂态交流电流试验。

所述的直流冲击电源包括高频高压电容器充电电源、充电控制开关、脉冲功率储能电容、大功率脉冲晶闸管、固定或可调的续流电感以及检测保护控制电路组成；

所述的高频高压电容器充电电源为单相或三相输入，输出端的正极与充电控制开关连接，负端与系统的地电位和脉冲功率储能电容的负极相连，所述的充电控制开关连接在高频高压充电电源和脉冲功率储能电容正极之间，所述的脉冲功率储能电容与续流二极管并联，所述的大功率脉冲晶闸管连接在脉冲功率储能电容的正极和输出续流电感之间，所述的输出续流电感串在直流冲击电源的输出回路中；

所述的直流冲击电源采用模块化设计，与直流暂稳态电源组合后，可满足直流大冲击电流上升速率要求，宽范围时间常数的灵活设置调节，以及短时阶跃方波电流试验，从而满足直流电流互感器的任意电流试验要求。

所述的直流暂稳态电源由三相低压大电流可控直流电源组成，包括三相整流电路、DC/AC高频逆变电路、高频整流电路、输出滤波电路以及控制保护电路组成；

所述的直流暂稳态电源的功率变换单元采用多个IGBT高频PWM变换功率模块并联组成，三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变、高频变压器输出再经过倍流整流、滤波最终得到所需低压大电流直流输出；

所述的直流暂稳态电源可实现输出满足直流电流互感器的额定值(如5kA)及以下长时间稳态电流的系列试验要求，并满足短时间(如1分钟以内)的暂态直流大电流(如20kA)输出，最大暂态输出电流响应数率可达到10kA/10mS。

所述的交流工频暂稳态电源、直流冲击电源和直流暂稳态电源均采用模块化设计，通过模块组合方式既可实现电子式交流电流互感器的稳态电流试验要求，又可以满足保护级ECT的暂态大电流保护特性现场交接试验要求，同时，可灵活实现交流大电流输出、直流冲击电流上升速率配置以及直流暂态/冲击电流值以及时间常数控制。

所述的互感器现场试验检测系统包括标准互感器、标准转换装置、互感器复合误差校验仪等组成；

所述的合成回路控制系统包括交流暂稳态控制模块、直流暂稳态电流控制模块、直流冲击电流控制模块以及系统控制单元组成；

所述的系统控制单元包括系统保护控制模块、选相控制模块、波形监测模块和波形调节预制模块，通过监测系统内各模块输出波形，并向不同的电流输出模块输出调整工作状态的信号指令以及指令信号时刻等；

所述的系统选相控制模块，以所述工频电压零点，用于控制不同模块间输出单元满足不同相位要求的合成波形；

所述的波形监测模块，用于采集不同电流输出模块的交直流暂稳态输出电流波形，从而监测系统所述的稳态电流波形和暂态电流波形；

所述的波形调节模块，用于调节暂态电流波形的上升速率、时间常数、电流维持时间，从而对暂态电流波形进行调节，配合直流冲击/暂稳态电源的电流输出，能组成输出满足任意特征的交直流电流波形。

所述的交直流暂稳态一体化试验电源工作内容如下：

(1)通过直流暂稳态电源实现直流电流互感器的5kA及以下长时间稳态系列试验，1分钟以内20kA直流暂态电流输出，最大暂态输出电流响应数率10kA/10mS；

(2)通过直流暂稳态电源和直流冲击电源的组合，实现直流电流互感器的20kA及以下40mS-1min的直流冲击暂态电流试验以及方波电流试验等，实现20kA/500uS的冲击电流上升速率和宽范围时间常数的灵活设置；

(3)通过交流工频暂稳态电源实现交流电流互感器的6kA及以下长时间稳态系列试验，由于该模块没有回路可调电感，并采用大容量晶闸管过零投切和电容无功补偿设计，可大大减小交流暂稳态电流模块的电源试验容量；

(4)通过交流工频暂稳态电源、直流暂稳态电源和直流冲击电源的组合，实现保护级电子式电流互感器(ECT)的20kA保护特性现场交接试验用暂态大电流试验，满足交流分量峰值电流：20kA匝或20kA单匝；直流输出采用电气并联法，直流分量全偏移，时间常数满足40mS～1min，实现直流偏移冲击电流上升速率和宽范围时间常数的灵活设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明技术方案中，采用直流冲击电源、直流暂稳态试验电源和交流工频暂稳态电源组合实现交直流一体化暂稳态试验电源系统，通过不同的输出电流组合实现交流或直流的任意大小和形状的输出电流波形；

2、本发明技术方案中，采用系统选相控制方式，以交流工频电压过零时刻为起点，控制直流冲击电源的脉冲功率晶闸管的放电触发时刻以满足不同相位要求的合成输出电流波形；

3、本发明技术方案中，采用双向晶闸管实现交流稳态或暂态电流过零导通控制，通过晶闸管和机械接触器的组合开关方式实现交流低压动态无功补偿电容的自动控制，采用升流器并联组合方式可以得到数十千安的输出大电流；

4、本方面技术方案中，采用固定电感或小可调电感满足冲击电流的上升速率，无需可调电感，采用直流暂态大电源控制整体输出电流的时间常数、电流下降速率和电流维持时间，交直流电流的暂稳态电流波形进行精确控制和调节；

5、本方面技术方案中，采用直流冲击电源和直流暂态电源组合方式，提高了直流暂态电流的上升速度，同时也减小了对直流暂态电源的输出电流容量以及性能指标要求；

6、通过多类型模块组合试验方法取消整体试验回路可调电感，仅保留直流冲击电流模块中的试验电感，采用固定式小电感或微可调电感方式保证冲击电流上升速率和最小放电时间常数要求；整体试验系统采用模块化组合设计和集成控制技术，实现整体系统无电感或微可调电感设计和基于无功补偿的选相投切控制，较于单纯储能暂态冲击试验回路方案，储能脉冲电容及试验要求条件由15000uF/2kA/40mS/，减小为1600uF/20kA/且时间常数从40mS～1min；大大降低对试验电源的容量需求，满足交直流电流互感器暂、稳态试验和检测技术需求；

7、基于模块化的直流冲击/暂稳态试验电源与交流暂稳态试验电源组成的合成试验回路方法，可分别实现对直流电流互感器和交流电流互感器的暂稳态一体化试验。

附图说明

附图1是本发明实施例中一种电子式电流互感器暂态特性合成试验系统的原理示意图；

附图2是本发明实施例中直流冲击电源的工作原理示意图；

附图3是本发明实施例中直流暂稳态电源的工作原理示意图；

附图4是本发明实施例中交流工频暂稳态电源的工作原理示意图；

附图5是本发明实施例中电子式电流互感器暂态特性合成试验系统实现方案的工作原理示意图；

附图6是本发明实施例中直流冲击电源放大后波形图；

附图7是本发明实施例中直流冲击电源及直流暂稳态电源及合成总的输出电流波形图；

附图8是本发明实施例中直流冲击电源及合成总的输出电流放大波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始自终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能呢的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图对本实施例作进一步说明：

本实施例中提供的电子式电流互感器(ECT)的交直流暂稳态一体化检测装置结构如图1所示，所述的检测装置包括由交流工频暂稳态电源、直流暂稳态试验电源和直流冲击电源以及合成回路控制系统组成的交直流暂稳态一体化试验电源和电子式电流互感器(ECT)现场试验检测系统组成。

交流工频暂稳态电源连接于升流器和ECT试品之间的工频分量回路，向工频分量回路输出工频交流电压和工频交流电流；如图4所示，交流工频暂稳态电源包括三相/单相大容量试验变压器T1、自动单相调压器T2、选相投切双向晶闸管D1、低压动态无功补偿电容组模块C1、升流器T3及大电流CT等组成，其中升流器T3一次侧与补偿电容器组C1并联，选相投切双向晶闸管D1一端与自动单相调压器T2的二次侧连接，一端与补偿电容器组C1连接。

直流冲击电源连接于冲击电流输出端口和ECT试品之间的直流冲击电流分量回路；如图2所示，直流冲击电源包括高频高压电容器充电电源DY1、充电控制开关K1、脉冲功率储能电容C1、大功率脉冲晶闸管D1、续流二极管D2和续流电感L1组成，充电控制开关K1、大功率脉冲晶闸管D1、续流电感L1依次连接在直流电容充电电源DY1的正极端与ECT试品之间，大功率脉冲晶闸管D1连接在脉冲功率储能电容C1和续流二极管D2的正极端之间。

直流暂稳态电源连接与暂稳态电流输出端口与ECT试品之间的直流暂稳态电流分量回路；如图3所示，直流暂稳态电源由三相整流单元、IGBT高频逆变桥单元、高频变压器、大电流输出整流单元和滤波单元组成，直流暂稳态电流输出单元与直流冲击电流输出单元实现直接电气连接和并联输出，实现直流冲击/暂稳态电流的总体协调控制输出；

交流工频暂稳态电源实现交流暂稳态电流输出，并与直流电源输出的冲击/暂稳态电流实现电气隔离或近似单点电气连接的的安匝耦合输出，即总的输出电流波形是交流暂稳态电流波形与直流冲击/暂态电流波形的叠加。

如图5所示，阐述了电子式电流互感器的交直流暂稳态一体化检测装置的结构及工作原理。交直流暂稳态一体化检测装置的检测单元由检测直流冲击电流的罗氏线圈、检测直流暂稳态电流的分流计或直流比较仪式直流标准互感器、检测交流暂稳态电流的标准电流互感器(CT)以及检测输出总电流的大电流高精度霍尔传感器组合而成；针对不同时间特性的电流采用不同的电流检测方法，进行总电流分析计算以及波形数据输出。

本发明提供一种交直流电子式电流互感器(ECT)的交直流暂稳态一体化检测装置，包括交直流暂稳态一体化试验电源和电子式电流互感器(ECT)现场试验检测系统组成，提出的一种直流冲击/暂稳态试验电源与交流暂稳态试验电源组成的合成试验回路方法，可分别实现对直流电流互感器和交流电流互感器的暂稳态一体化试验。

如图6所示，给出了冲击电流的试验波形。冲击电流峰值可以通过改变电容器充电电压即初始放电电压进行调节，其冲击电流上升时间则由充电电容器的电容值和总放电电感决定。

直流冲击电流源具备提供快速上升动态阶跃的能力，电流上升动态可以达到20kA/(800us～1ms)和5kA/(100～150us)的上升速度，电流峰值也可以最大达到20kA甚至以上，满足了暂态特性试验的需求；但是下降时间常数过短，不足以满足试验需要。

相比之下，直流暂稳态电流源其上升动态时间较长，约为10～20ms，但是在5kA/(10～20)ms和20kA/(10～30)ms斜率区间以内可以实现电流上升率的可控制，正好可以用来补偿冲击电流源的电流下降阶段。同时，直流暂稳态大电流源采用模块化设计，结合交错并联技术，可以提供1pu、2pu乃至6pu的暂稳态试验电流，如图7所示，给出了冲击电流源和直流暂稳态电流源及组合后的电流试验波形。

如图8所示，给出了直流冲击电流源及组合后的直流电流试验波形。

通过组合回路试验法，组合加入交流工频暂稳态电源回路的方式既可以保留直流冲击电流源的快速上升动态特性，又可以利用暂稳态可调电流源的补偿特性及交流工频暂稳态电流源的特性，通过三者的组合，可分别实现对直流电流互感器和交流电流互感器的暂稳态一体化试验。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种交直流暂稳态一体化检测装置，包括交直流暂稳态一体化试验电源和电子式电流互感器现场试验检测系统，其中，交直流暂稳态一体化试验电源，包括一个直流冲击电源、一个直流暂稳态电源、一个交流工频暂稳态电源及合成回路控制系统；电子式电流互感器现场试验检测系统，包括标准互感器、标准转换装置、互感器复合误差校验仪；其特征在于：

所述直流冲击电源采用高频高压充电电源、脉冲功率电容和大功率晶闸管放大电路；直流暂稳态电源采用多个IGBT高频PWM变换功率模块并联组成，三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变、高频变压器输出再经过倍流整流、滤波最终得到所需低压大电流直流输出；交流工频暂稳态电源包括大容量试验变压器、单相调压器、无功补偿电容、选相投切晶闸管、升流器；合成回路控制系统包括交流暂稳态控制模块、直流暂稳态电流控制模块、直流冲击电流控制模块以及系统控制单元。

2.如权利要求1所述的一种交直流暂稳态一体化检测装置，其特征在于：

所述交流工频暂稳态电源包括大容量试验变压器、单相调压器、低压动态无功补偿电容组模块、选相投切晶闸管、升流器及大电流CT；

所述的单相调压器的输入端连接在大容量试验变压器输出端或者三相线电压端口之间，输出端的一端连接在选相投切晶闸管的一侧，一端连接在低压动态无功补偿电容组模块和升流器输入之间；

所述的选相投切晶闸管是双向晶闸管或由2个单相晶闸管并接组成的1个双向晶闸管，连接在单相调压器和升流器之间；

所述的低压动态无功补偿电容器组模块为过零电压自动投切，两端并接在升流器的输入侧两端，所述的大电流CT串在升流器的输出端口；

所述的交流工频暂稳态电源实现交流电流互感器的额定值以下长时间稳态电流系列试验以及短时间暂态交流电流试验。

3.如权利要求1所述的一种交直流暂稳态一体化检测装置，其特征在于：

所述的直流冲击电源包括高频高压电容器充电电源、充电控制开关、脉冲功率储能电容、大功率脉冲晶闸管、固定或可调的续流电感以及检测保护控制电路；

所述的高频高压电容器充电电源为单相或三相输入，输出端的正极与充电控制开关连接，负端与系统的地电位和脉冲功率储能电容的负极相连，所述的充电控制开关连接在高频高压充电电源和脉冲功率储能电容正极之间，所述的脉冲功率储能电容与续流二极管并联，所述的大功率脉冲晶闸管连接在脉冲功率储能电容的正极和输出续流电感之间，所述的输出续流电感串在直流冲击电源的输出回路中。

4.如权利要求1所述的一种交直流暂稳态一体化检测装置，其特征在于：

所述的直流暂稳态电源由三相低压大电流可控直流电源组成，包括三相整流电路、DC/AC高频逆变电路、高频整流电路、输出滤波电路以及控制保护电路组成；

所述的直流暂稳态电源的功率变换单元采用多个IGBT高频PWM变换功率模块并联组成，三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变、高频变压器输出再经过倍流整流、滤波最终得到所需低压大电流直流输出。

5.如权利要求1所述的一种交直流暂稳态一体化检测装置，其特征在于：

所述直流冲击电源与直流暂稳态电源之间进行直接电气连接，直流冲击电源和交流工频暂稳态电源之间以及直流暂稳态电源和交流工频暂稳态电源之间采用安匝法耦合连接，通过不同的组合配置实现对直流电流互感器和交流电流互感器的不同试验需求。

6.如权利要求1所述的交直流暂稳态一体化检测装置，其特征在于：

所述的交直流暂稳态一体化试验电源工作内容如下：

(1)通过直流暂稳态电源实现直流电流互感器的5kA及以下长时间稳态系列试验，1分钟以内20kA直流暂态电流输出，最大暂态输出电流响应数率10kA/10mS；

(2)通过直流暂稳态电源和直流冲击电源的组合，实现直流电流互感器的20kA及以下40mS-1min的直流冲击暂态电流试验以及方波电流试验等，实现20kA/500uS的冲击电流上升速率和宽范围时间常数的灵活设置；

(3)通过交流工频暂稳态电源实现交流电流互感器的6kA及以下长时间稳态系列试验，由于该模块没有回路可调电感，并采用大容量晶闸管过零投切和电容无功补偿设计，大大减小交流暂稳态电流模块的电源试验容量；

(4)通过交流工频暂稳态电源、直流暂稳态电源和直流冲击电源的组合，实现保护级电子式电流互感器的20kA保护特性现场交接试验用暂态大电流试验，满足交流分量峰值电流：20kA匝或20kA单匝；直流输出采用电气并联法，直流分量全偏移，时间常数满足40mS～1min，实现直流偏移冲击电流上升速率和宽范围时间常数的灵活设置。

7.如权利要求1所述的一种交直流暂稳态一体化检测装置，其特征在于：

所述合成回路控制系统包括交流暂稳态控制模块、直流暂稳态电流控制模块、直流冲击电流控制模块以及系统控制单元组成，用于实现暂态电流和冲击电流的同步合闸控制、暂态试验电流波形以时间常数控制，通过控制电流源的输出电流参数，包括峰值、上升速率、时间常数等，以满足不同试验的要求；

所述系统控制单元包括系统保护控制模块、选相控制模块、波形监测模块和波形调节预制模块，通过监测系统内各模块输出波形，并向不同的电流输出模块输出调整工作状态的信号指令以及指令信号时刻；

所述的系统选相控制模块，以所述工频电压零点，用于控制不同模块间输出单元满足不同相位要求的合成波形；

所述的波形监测模块，用于采集不同电流输出模块的交直流暂稳态输出电流波形，从而监测系统所述的稳态电流波形和暂态电流波形；

所述的波形调节模块，用于调节暂态电流波形的上升速率、时间常数、电流维持时间，从而对暂态电流波形进行调节，配合直流冲击/暂稳态电流源的电流输出，能组成输出满足任意特征的交直流电流波形。