[發明專利]寬帶寬、超高精確度HVDC電流測量設備

有效

• 申請號: 201380018184.8
• 申請日: 2013-02-08
• 公開（公告）號: CN104246519A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 丹尼斯·查特佛;讓-弗朗索瓦·米若紐;蒂埃里·榮格;朱利安·伯德斯
• 申請（專利權）人: 阿爾斯通技術有限公司
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 王琳;武晨燕

技術領域

本發明涉及對超高壓直流電能進行傳送的領域。本發明尤其涉及一種能夠在開關變流器的輸出處對高壓電站中的DC電流進行測量的設備。

背景技術

現代的HVDC(High?Voltage?Direct?Current，高壓直流)變電站，例如AIS(Air?Insulated?Station，空氣絕緣電站)以及GIS(Gas?Insulated?Station，氣體絕緣電站)變電站，要求受控階段的變流器具有很高的切換頻率、快速動力以及大約800kV幅度的電壓。

在變流器或整流器類型的變流器的輸出端處的電流頻譜除了零頻率分量(DC分量)之外，還包括有高達幾千赫茲頻率范圍處的殘余諧波(AC分量)。

需要知悉“完整或復合”電流信號(即，從DC到最高的AC頻率)的值，以便估計所實現的整流的質量并且實現PWM(Pulse?Width?Modulation，脈沖寬度調制)用于控制切換。在此情況下，知悉電流的精確值使得能夠以最佳方式對調制參數進行調整以達到在合適的瞬間使變流器的半導體開關(MOSFET、IGBT、晶閘管類型)阻塞或者處于飽和的目的。

為此，特定于HVDC應用的電流傳感器被集成到變電站中。HVDC電流傳感器必須具有以下特性：

寬帶寬，用于測量“完整或復合”電流的信號，以便提供對電流的殘余和過渡波動的快速響應；

測量的穩定性；

不存在電壓方面的限制；

測量不受溫度等環境參數的影響。

電流傳感器通常為兩種類型：所謂的“零流量”(或無流量)傳感器以及磁光傳感器，零流量傳感器使用霍爾效應以及受控系統，磁光傳感器使用法拉第效應。

在下文的描述中，法拉第傳感器指的是利用法拉第效應的磁光傳感器。

由于采用了與有電流流過的初級棒隔離的次級測量芯，零流量傳感器利用霍爾效應的原理來測量與電流密度成正比的電壓。反作用電子元件使得能夠消除連續的磁通量并因而阻止磁芯飽和。

這樣的傳感器能夠對交變并且復雜的電流的波形進行測量，同時仍提供電流隔離。此外，這樣的傳感器的優點在于具有從DC直到幾萬赫茲的寬帶寬。

然而，對于直流電流而言，使用“零通量”類型的傳感器來測量電流被限制在500kV，因為在500kV以上，初級和次級之間的隔離在成本、重量以及負擔方面變得無法實現。此外，不受控制的磁效應能夠使傳感器無法熱穩定并且存在潛在的危險。實際上，初級與次級之間的隔離使用在壓力下的液體或者氣體，這些氣體或者液體可爆炸或燃燒。

法拉第傳感器利用了磁場B在光波導管中引起圓雙折射這一事實。該波導管由各向同性的非吸收反磁性或者順磁性材料制成。

在這樣的波導管中，左圓偏振波具有與右圓偏振波不同的傳播速度。如果線性偏振波通過波導管，則線性偏振波的偏振平面經過角度的旋轉，由下式給出：

其中，V是波導管的費爾德常數，該常數的值取決于材料和溫度，以及在波導管中傳播的偏振波的波長；并且μ₀為真空磁導率；x為波導管中光路徑的長度。

通常情況下，可能用于形成法拉第傳感器的光波導管的材料在對于穿過該波導管的線性偏振光波的波長而言具有特別高的費爾德常數的材料中選擇。

在法拉第傳感器中，光波導管圍繞有待測量的電流I_LB流經的電導體。應用安培定律使得能夠將磁場B(t)與電流I_LB相連：

其中，I_LB＝I_DC+I_AC(t)

I_DC和I_AC分別為電流的直流電流分量和交變電流分量，并且k為取決于所使用的光波導管的常數。

光波導管尤其能夠是安置在圍繞電流I_LB流過的電導體的閉合環路中的光導纖維，正如公開申請WO?2010/012300?A1中所述，或者是配備有中心孔的透明介質(“環狀玻璃”類型的傳感器)，導體穿過該中心孔，并且該透明介質被機械加工使得光通過一系列45°的全反射形成閉合路徑。例如，專利FR?93?01991中公開了一種環狀玻璃類型的傳感器。

環狀玻璃類型的傳感器尤其具有針對測量高電流體積更小的優點并且使得能夠使用通過偏振測量的分析技術。實際上，在使用纖維光學傳感器的情況下并且對于高電流，必須在導體的很大長度上實現光導纖維的纏繞，并且在使用通過偏振測量的分析時，纖維的固有缺陷大幅限制了測量的敏感度。