DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2010.10.009
２３８０
高电压技术 第３６卷第１０期２０１０年１０月３１日
，ＶＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｌ．３６，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ３１，２０１０ ｇｇｇｇ
±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
费 烨，王晓琪，汪本进，吴士普，余春雨，陈晓明
（）国网电力科学研究院，武汉４３００７４
摘 要：直流输电作为一项成熟、可靠的大容量、远距离输电技术，在我国跨省、区联网工程中发挥了重要作用。随着±８更高电压等级±１００ｋＶ特高压直流输电工程的顺利开展和实施，０００ｋＶ特高压直流输电技术的发展成为可能。直流互感器是供直流输电系统用电能计量、电量监测、电力系统控制与保护的重要装置，由于直流互感器的制造难度大，国内用量少，且事故率很高，所以一直没有得到推广，云南－广东和向家坝－技术比交流互感器复杂，
上海±８我国未掌握核心技术。为推进特高压直流设备国产化００ｋＶ特高压直流工程中直流互感器均依赖于进口，同时又参照±进程，±１０００ｋＶ直流电压等级的直流互感器研究成为必然。在对比分析目前直流互感器的类型，对于±１结构、性能及关键技术０００ｋＶ直流互感器进行了选型、８００ｋＶ直流工程中直流互感器运行情况的基础上，
等方面的研究。分析结果对研制±１０００ｋＶ特高压直流互感器具有指导作用。关键词：±１０００ｋＶ；特高压直流；直流互感器；云南－广东；向家坝－上海；研究；世界领先中图分类号：ＴＭ４５２；ＴＭ８３５
文献标志码：Ａ
（）文章编号：１００３６５２０２０１０１０２３８００８－－－
Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｎ±１０００ｋＶＵＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｐ
，ＷＡＮＧ，ＷＡＮＧＦＥＩＹｅＸｉａｏＢｅｎＳｈｉＹＵＣｈｕｎＣＨＥＮＸｉａｏｉｎｉｉｎ，ＷＵｕ，ｕ， －ｑ － －ｐ －ｙ －ｍｇｊ
（，Ｗｕ）ＳｔａｔｅＧｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ
：ＡｂｓｔｒａｃｔＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｖｅｒｉｍｏｒｔａｎｔｉｎｌｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎＣｈｉｎａｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓａｆｅｔａｎｄｏｗｅｒ ｙｐｇｙｐ
，±１ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔ．Ａｓｌｏｎａｓ±８００ｋＶ ＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒｏｅｃｔｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔ０００ｋＶｕｌｔｒａＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｙｐｊ ｂｅｃｏｍｅｓｏｓｓｉｂｌｅ．ＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｉｍｏｒｔａｎｔｏｆｖａｌｕｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｒｅｌａｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｏｗｅｒｍｅａｓｕｒｅ －ｐｐｙｐｐ
，ｍｅｎｔ．ＢｅｃａｕｓｅＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｍｏｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｈａｎＡＣｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄｉｔｉｓｎｏｔｓａｆｅｓｏｉｔｉｓｎｏｔ ｏｕｌａｒｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄａｎｄＣｈｉｎａ．±８００ｋＶ ＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｌｉｅｄｉｎＹｕｎｎａｎ－ＧｕａｎＤｏｎａｎｄ ｐｐｇｇ
，ｈａｉｄｅｖｅｌｏｈｏｍｅｍａｄｅＵＨＶＤＣｄｅｖｉｃｅｓｉｔｉｓｖｅｒｉｍｏｒｔａｎｔｔｏｒｅｓｅａｒｃｈ±１０００Ｘｉａｎｉａｂａ－Ｓｈａｎｒｏｅｃｔｓ．Ｔｏ ｇｐｙｐｊｇｐｊ ｋＶ ＵＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｒｏｕｈｃｏｍａｒｉｎａｎｄａｎａｌｚｉｎ００ｋＶ ＵＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ－ ｇｐｇｙｇ±８
，，，ｅｒｗｅｈａｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏｏｆ±１０００ｋＶ ＵＨＶＤＣｉｎ －ｇｐｙｇｙ ，ｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎｄｅｔａｉｌｓｏａｓｔｏｈｏｌｄｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｚｅｆｉｎａｎｃｉｎ．ｒｏｅｃｔ ｙｇｙｇｐｊ
：±１；Ｙ；Ｘ；ＲＫｅｗｏｒｄｓ０００ｋＶ；ＵＨＶＤＣ；ＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｕｎｎａｎｕａｎｄｏｎｉａｎｉａｂａＳｈａｎｈａｉｅ －Ｇ－－ｇｇｇｊｇｙ ；ｗｓｅａｒｃｈｏｒｌｄａｈｅａｄ
０ 引言
直流输电作为成熟、可靠的大容量、远距离输电技术，在我国跨省、区联网工程中发挥了重要作用。我国电网将规划建设近４２０２０年前后，０个包含跨
省区、跨国的不同电压等级直流系统，届时我国将是世界上直流输电技术应用最广泛的国家。随着±更８００ｋＶ特高压直流输电工程的顺利开展和实施，高电压等级直流输电技术的发展和应用成为电力新技术应用和电网规划研究的一个热点，这使得±１０００ｋＶ直流输电成为可能。
直流互感器是直流输电系统换流站主设备中不可缺少的一项。它承担着直流系统电能计量、电量
基金资助项目：国家科技部“十一五”科技支撑计划（２００６Ｂ）。ＡＡ０２Ａ１１
ＰｒｏｅｃｔＳｕｏｒｔｅｄｂＥｌｅｖｅｎｔｈｆｉｖｅＹｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ － －ｊｐｐｙ ＳｕｏｒｔｉｎＰｒｏｒａｍｏｆＭｉｎｉｓｔｒｏｆＳｃｉｅｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ（２００６ＢＡＡ ｇｙｐｐｇｇｙ ）０２Ａ１１．
电力系统控制与保护的重要作用。我国的高监测、
压直流输电技术是从２０世纪８０年代开始起步的，直流互感器的技术研究也开始于这一时期，其中国内的原武汉高压研究所、西安高压电器研究所等科研单位都开始对于直流互感器的相关技术开展了深入的研究。由于国内用量少，且事故率很高，所以一直没有得到推广。直到２００４年西电集团研制出油浸式±５００ｋＶ直流电压互感器才完成型式试验，ＳＦ００ｋＶ直流电流互感器于６气体绝缘结构的±５２００６年１２月在葛洲坝换流站挂网运行。国外自２０
世纪７０年代，ＡＢＢ、ＳＩＥＭＥＮＳ及ｓｃｈｎｉｅｗｉｎｄｔ公司等国外公司就开始研制直流互感器，±５００ｋＶ的高压高精密直流电压互感器准确性可以达到０．２％，目前电压等级可以达到±８且技术水平很００ｋＶ，高。我国的±８００ｋＶ云广直流输电工程等都安装了国外的产品。
直流互感器的技术比交流互感器复杂，制造难由于目前主要的核心技术由国外少数的企业度大，
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
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所掌握，所以造成采购成本偏高，而且后续的维护得不到保证。由于我国的特殊国情，技术研究成本相为了能够降低整个直流输电工程造价，实现对低廉，
直流一次设备的国产化，对于直流互感器的研究是非常重要的。
±１０００ｋＶ特高压直流互感器的研究在世界上
尚属首次，研制成果对于±１０００ｋＶ直流电网的建成与否起到极其重要的作用。从直接经济效益上可以大量节省工程建设资金，也可使我国的直流讲，
互感器技术达到世界领先水平
［１，２］
图１ 不同电压等级直流系统损耗与输电距离关系Ｆｉ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｌｉｎｅｌｏｓｔａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ － ｇｐ ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｅＨＶＤＣｓｓｔｅｍ
ｓｄｉｓｔａｎｃｅｒａｄｅ ｇｙｇ
。本文结合目前
对于我国的±１国内外直流互感器的发展水平，０００ｋＶ特高压直流互感器进行了选型推荐与研究。
１ ±１０００ｋＶ特高压直流优越性分析
我国正在建设的±８００ｋＶ直流工程有云南－广东和向家坝－上海，目前这两个工程正处于试运行阶段。随着１０００ｋＶ特高压交流输电工程的顺利开展和实施，更高电压等级直流输电技术的发展和应用成为电力新技术应用和电网规划研究的一个在单位千瓦设备造价相差不大的热点。一般来说，
对于相同输送容量的直流工程，提高电压比情况下，
提高电流的综合效果好，即有利于降低能耗，又可以避免研制更大通流能力换流阀、缩短换流阀片的研制周期。利用±８借鉴１００ｋＶ直流研究成果，０００研究通过将直流电压等ｋＶ交流特高压发展经验，
级提高至±１０００ｋＶ来大规模增加输电容量的技术可行性以及±１０００ｋＶ直流输电在今后我国电网发将具有积极的意义。展中的作用，
１．１ 增大输电容量节省输电走廊
一条双特高压直流电压提升至±１０００ｋＶ后，极直流额定输电功率可达９送电功率相当０００ＭＷ，于±５００ｋＶ、３ｋＡ直流系统的３倍，±８００ｋＶ、４
．４倍。因此可以充分利用特高压ｋＡ直流系统的１
直流输电能力，实现跨大区超长距离的集中送电，消化大电源基地电力外送能力。
华中、华东及沿海工业发达地区是直流系统重如果仍采用较低电压等级的直流系要的受端区域，
统，在相同送电、受电需求下，需建设较多的直流系统。由于这些地区的输电走廊和直流落点已很密集、人口稠密、用地紧张，给换流站选址和输电走廊的选择带来了很大压力，可供换流站地址选择的范围很小，大幅增加了直流工程建设的投入。因此，利用±１０００ｋＶ特高压直流输电能力优势可有效缓解换流站选址困难之间的矛盾。受电需求与输电走廊、１．２ 降低直流系统损耗
图１
给出了不同电压等级直流输电系统线损率
与输电距离之间的关系曲线。线损率按照不同电压等级直流基本配置计算得到，同时考虑两端换流站损耗率为１．５％。从图中可以看出±８００ｋＶ特高压直流在超过２线损率超出了正常要０００ｋｍ后，求。而±１０００ｋＶ特高压线损率在２０００～３５００ｋｍ范围内维持在较低水平，适合更长距离送电需求。１．３ 提高送电经济性
通过计算不同输电距离条件下±８００ｋＶ和±１０００ｋＶ两种电压等级的特高压直流系统的投
资，折算为单位容量投资，同时考虑运行费用、线损费用，计算比较获得经济输电距离。年费用对比曲线如图２所示。由于±８００ｋＶ直流与±５００ｋＶ直流经济输电距离临界值约为１因此这里不０００ｋｍ，再对±５００ｋＶ直流与±１０００ｋＶ特高压直流进行经济性比较。由图２可知，在输电距离＞２５００ｋｍ时，±１０００ｋＶ特高压直流年费用低于±８００ｋＶ特高压直流，且随着输电距离的增加，将更具优势。此外，直流系统不提供短路电流，不需电抗补偿，适合
３，４］
。超长距离送电［
图２ ±８００ｋＶ与±１０００ｋＶ特高压
直流年费用对比曲线
Ｆｉ．２ Ｃｏｍａｒｉｓｏｎｃｕｒｖｅｏｆｅｘｅｎｓｅｂｅｔｗｅｅｎ±８００ｋＶ ｇｐｐ
ＨＶＤＣｓｓｔｅｍｓａｎｄ±１０００ｋＶ ｙ
２ ±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型
２．１ 直流电压互感器
直流电压互感器是直流换流站内的重要设备，其结构相对固定，一般由一次传感器（分压器）和二次直流放大及辅助装置来组成。结构原理图如图３
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高电压技术（）２０１０，３６１０
图３ 直流电压互感器原理图Ｆｉ．３ ＰｒｉｎｃｉｌｅｏｆＤＣＴＶ ｇｐ
所示。一次传感器为直流电压分压器，有很多级的电阻和电容进行串并联组成。这些电阻由环氧树脂密封在真空的状态下，内部充绝缘油或者充满ＳＦ６气体来绝缘，外面有复合绝缘子，其顶部安装有均压环均压。
直流分压器由高低压部分组成。高压部分是一些电阻和电容先并联，然后再串联在一起组成，低压并配有保护放电部分的设计原理与高压部分相似，
间隙。放电间隙的保护低压值不会对低压回路的元件造成伤害。分压器输出电压作为直流放大器的输入电压信号，经过放大后取得与直流电压成比例的电压输出，通过响应的光纤送至控制保护屏柜内。这种结构的设计可以大大提高直流分压器的响应速度。我国±８００ｋＶ云南－广东和向家坝－上海特高压直流工程换流站所用直流电压互感器都属于这类结构，如图４、５所示。
依±８传统分压００ｋＶ直流工程运行经验来看，器加二次电子处理电路的直流电压互感器结构十分简单且运行工况良好，事故率也相对较低。±１０００
［］ｋＶ直流电压互感器宜推荐采用这种形式５－８。
图４ ±８００ｋＶ云广直流电压互感器Ｆｉ．４ ±８００ｋＶＹｕｎｎａｎｕａｎｄｏｎＤＣＴ
Ｖ －Ｇ ｇｇｇ
２．２ 直流电流互感器
直流电流互感器主要有传统磁调制型和光电型两种结构。传统的磁调制型又称零磁通型，是一种高精度、无接点的电流测量元件，可以在ｍＡ至ｋＡ级的测量范围内保持测量精度，具有很高的稳定性和大的信噪比，时间响应快，有良好的动态性能。其基本原理是基于完全的磁通势平衡，精度只取决于负载电阻和输出放大器，电流
互感器的环形铁芯带
第１个绕组流过一次直流电流建立一个３个绕组，
磁通势，第２个绕组连接一个放大器输出端作为高
图５ ±８００ｋＶ向上直流电压互感器Ｆｉ．５ ±８００ｋＶＸｉａｎＳｈａｎＤＣＴＶ － ｇｇｇ
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
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增益的积分器，它流过的电流产生的磁通势与第１个绕组产生的磁通势相抵消，取得平衡。第３个绕铁心中任何磁通势的不组是一个非常灵敏的绕组，
平衡都将产生磁通的变化，在该绕组中产生感应电使磁通势重新压来调节第２个绕组中的输入电流，达到新的平衡。
光电型的直流电流互感器由信号采集单元、光电转换模块、光纤回路和光接收模块等几部分组成。信号采集单元是采集回路中的电流值，其电流值通常由分流器提供，该模块位于装置的高压部分。基光电转换模块主要是实现被本原理图如图６所示，
侧信号的模数转换以及数据的发送的功能，模块中的电子电路是通过光纤由位于控制保护屏柜内的光电源进行单独的供电。这部分也位于装置的高压端。光纤回路一般依附于绝缘子之中，作为信号传两根分别传输数据和能量。光接收模块输的光纤，
位于控制保护屏内，用于接受光纤传输的数字信号，并通过模块中的处理芯片检验控制送到相应的控制测量直保护装置。这种类型的互感器主要特征有：流电流精度高；高电位采用光能电子设备；光纤信号硅橡胶表面有效降低传输系统没有电磁干扰问题，
污秽影响；用光缆作信号传输系统，能实现高低电位信号的完全隔离；不饱和，测量范围大、频带宽、体积小和重量轻；结构轻巧和基础简单。相比于传统的磁调节型的最大优势优点是：对地绝缘支柱直径小，电子回路更加简单，这对减少闪络故障、减少电磁干扰具有显著优点，并可降低造价。但是光电型的分流目前还不及传统的磁调节型反应迅速。器响应速度，
为了克服传统互感器的固有缺点，目前出现了一种全新的全光纤直流电流互感器。它是以法拉第磁光效应为原理来测量电流。因为采用光纤作为传感介质，所以在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面比传统的电磁式电流互感器有很大的优势，而且它不含有交流线圈，不存在开路危险。全光纤电流互感器系统配置框图如图７所示，系统采用全光纤结构。光路主要由Ｓ分束器、起偏器、检偏ＬＤ光源、相位调制器、保偏光纤延迟线、波片、传感光纤和器、
光电探测器等器件组成。由光源发出的光经过一个光纤起偏器的３ｄＢ的分束器后由光纤偏振器起偏，
尾纤与光纤检退偏器的尾纤以４角熔接。这样的５°话，偏振光就被平分成为两份，分别沿保偏光纤的ｘ轴和ｙ轴传输。这两个正交模式的线偏振光在相位调制器处受到相位调制，经保偏光纤延迟线后这／分别变成为左旋和右旋的圆两束光经过λ４波片，偏振光，并进入传感光纤。由于传输电流会产生磁场和在传感光纤中的法拉第磁光效应，
这两束圆偏
振光的相位会发生变化，并以不同的速度传输，在反射膜端面处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换，再次穿过传感光纤，使磁光效应产生的相位加倍。／在两束光再次通过λ恢复成为线偏振光。４波片后，
分别沿保偏光纤ｘ轴、ｙ轴传播的光在光纤偏振器处发生Ｓａｎａｃ干涉。通过测量相干的两束偏振光ｇ就可以间接地测量出导线中的电的非互易位相差，流值。
由以上分析可知，零磁通型具有响应快，结构简单等优点，但其测量范围有限，电流偏大容易造成铁但其响心磁饱和。光电式很好的解决了这些问题，应时间不够，而且光敏原件的寿命也是个主要的难题，可能造成继电保护装置误动。全光纤型原理上但目前尚属样机研制阶段，无现都可解决以上问题，
场运行考核经验。我国±８００ｋＶ云南－广东和向家坝－上海特高压直流工程换流站所用直流电压互感器如图８、直流极线上采用的是光电９和１０所示，式的，中性线上采用的是零磁通型的，这种搭配比较合理，充分利用了两种类型互感器的优势和有效规避了它们的劣势。在全光纤型直流电流互感器的挂网运行经验不够的情况下，±１０００ｋＶ直流电流互
］９１４－
。感器宜推荐采用这种形式搭配形式［
图６ 光电型直流电流互感器原理图Ｆｉ．６ ＰｒｉｎｃｉｌｅｏｆｏｔｉｃａｌＤＣＴＡ ｇｐｐ
３ ±１０００ｋＶ特高压直流互感器的结构及
性能
在技术和制 直流互感器是一种全新的互感器，
造难度上都有别于交流。直流量的获取一般由交流经换流获得，交流的谐波及冲击信号都对直流设备有影响，所以在直流设备方面的研究上应兼顾交流和直流两种状态。
３．１ 直流电压互感器的结构及性能３．１．１ 分压器元件及结构
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高电压技术（）２０１０，３６１０
图７ 全光纤电流互感器原理图Ｆｉ．７ ＰｒｉｎｃｉｌｅｏｆａｌｌｆｉｂｅｒｏｔｉｃａｌＤＣＴ
Ａ －－ ｇｐｐ
图８ ±８００ｋＶ云广光电型直流电流互感器Ｆｉ．８ ±８００ｋＶＹｕｎｎａｎｕａｎｄｏｎｏｔｉｃｌｅＤＣＴＡ －Ｇ ｇｇｇｐ
图９ ±８００ｋＶ向上零磁通型直流电流互感器Ｆｉ．９ ±８００ｋＶＸｉａｎｉａｂａＳｈａｎｈａｉｎｏｎｆｌｕｘＤＣＴ
Ａ － － ｇｇｊｇ
直流电压互感器的一次传感器的主要元件是电阻，依靠电阻分压的原理进行电压的转换，所以电压的准确性主要由电阻原件的本身的特性所决定。电阻的选择应该具有温度系数小、电感量小、在高电压作用下阻值稳定且能够耐高压和冲击电压等的特点。目前在国内符合这一条件的多为精密金属丝线绕电阻，但是其散热特性并非优良，国外有一种精密散热特性十分良好，但是目前国内的编制电阻工艺，尚没达到此制造水平。
此外电晕的防治措施也非常关键，电阻分压器中元件大部分处于直流高电位中，产生电晕放电的可能性很大，电晕电流通常不流过电阻器，所以电晕电流是造成误差的重要因素之一。减少电晕电流的措施通常有以下两种：①安装合适的均压环；②安装辅助屏蔽电阻。３．１．２ 性能
随着直流电压等级的提高，设备的高度也随之增加，±１０００ｋＶ直流分压器的高度估计约在１３使得分压ｍ。高度的增加会造成寄生电容的存在，器在雷电冲击下的电位分布极不均匀，越是位于顶部的原件耐受冲击损坏的可能性越大。为了减少寄生电容引起的分压器在雷电冲击下内部电压分布极不均匀的不利影响，在合适的电阻
原件旁需要并联
图１０ ±８００ｋＶ向上光电型直流电流互感器Ｆｉ．１０ ±８００ｋＶＸｉａｎＳｈａｎｏｔｉｃａｌＤＣＴＡ － ｇｇｇｐ
电容器来改善电位分布，同时对于电容器的耐压和耐高温特性也提出了更高的要求。
直流分压器的主要元件是电阻和电容，当分压器长期工作在额定状态下，内部会产生＞１０００Ｗ的
热量，随着设计电流值越高，产生的热量持续增大。由于分压器通常采用分油或Ｓ在Ｆ６介质进行绝缘，密闭空间里热量都不容易散去。由于温度是影响电阻性能的主要原因，高温会造成电阻的阻值变化，严目前最先进的方法是重的情况下可烧坏电阻原件，
采用有限元分析法对于易发热部位进行热流体技术
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
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和机械强度仿真，找到薄弱点进行防护，同时采取相关措施进行有效散热。
除一次系统外，二次部分的可靠性也非常关键，二次电压调整部分是整个直流分压器电信号的输出虽然电压较低，但必须有足够高的稳定性保证部分，
分压的准确度。在直流换流站中，二次电压信号是属于弱电信号，在谐波、电磁干扰等情形下，信号容易失真。同时二次部分又是光电转换的接口部分，电信号的失真直接造成光电转换及传输等相关方面的故障，可能造成二次继电保护误动作。有相关资料表明，大
］１５１７－
。多数直流测量设备均出现过此类故障［
功能装置发射激光转化为电信号提供能量。但它具有明显的缺陷，即可靠性和寿命得不到保证，且维护需要研制高性能不便。这无疑加大了制造的难度，
的激光供能装置才能保证直流信号采集处理单元的
１８，１９］
。可靠性［
３．３ 安装及运输方式
特高压设备的安装与运输方式是影响设备质量性能好坏的关键环节，作为现场交接试验前的一项不容忽视。根据±８重要工作，００ｋＶ直流设备的实测高度，初步估算±１０００ｋＶ安装于极性位置直流其中直流电压互感器主体分互感器的高度＞１３ｍ，压器外绝缘支柱绝缘子部分的高度也＞１如何３ｍ，运输成为重中之重，应在设计时进行充分的考虑。考虑到运输的难度，一种较好的方式是将主体分压器外绝缘支柱绝缘子进行分节制造，现场进行组装，同时应注意组装过程中的细节问题，以免试验或运行时绝缘的破坏。
３．２ 直流电流互感器结构及性能
３．２．１ 分流器元件及结构
直流一次传感器（分流器）是依靠并联电阻分流的原理进行电流的转换，所以分流器的准确性主要由电阻原件的本身的特性所决定。电阻体的选择应该具有温度系数小、结构强度高、在高温及低温的情况作用下阻值稳定等特点。目前较多的使用锰铜棒多根并联起来进行分流。由于材作为单个电阻体，
每个电阻棒材的通流和耐高温能力是一定的，为了通常会设计成鼠笼式的结构，保证一定的散热特性，
为消除邻近导体的磁场对准确性的干扰，电阻体的尺寸及排列间距需要经过精确计算选择。用于±１０００ｋＶ直流极线上的分流器两端还要保证直流导体的尺寸连接与一定的机械强度。目前出现的分流器形式有支柱绝缘子支撑和直流一次导体支撑两种可根据具体工程特点进行设计。方式，３．２．２ 性能
当分流器长期工作在额定状态下时，和分压器影响分流器特性的主要是电阻发热问题，随着一样，
输送容量的增大，发热量的大小与电流的平方成正比关系。发热带来的影响主要存在于两个方面：①高温可能会带来电阻阻值的变化使得分流不准；②长期的高温会影响到分流器外形壳体的机械性能，当系统短路电流通过时强大的电动力可能会造成分流器壳体的损坏。目前最先进的方法是采用有限元分析法对于电阻接头等易发热部位进行热流体和机找到机械薄弱点进行防护，械动力技术方面的仿真，
同时还应该考虑系统谐波的干扰，阶次越高的谐波对发热影响更大，采取相关措施进行有效散热。
二次部分原理和电压互感器相同，不同点在于，分流器直流信号采集处理单元通常处于直流极母线高电位处，电场分布十分密集，电磁干扰较大，同时兼顾直流系统短路电流及过电压的影响。采集电路需要单独的电源进行供电，功耗控制在较低的水平。目前常用的供电方式是采用激光供电，即利用激光
４ ±１０００ｋＶ特高压直流互感器试验
直流试验有别于交流，对于±１０００ｋＶ直流系国内外还没有成熟的标准对于其试验进行统而言，
规定。为了达到试验考核的严格性，直流高压设备的试验在考虑直流的情况下也要同时考虑交流的特性，这无疑对试验设备提出了更高的要求，例如直流耐压、冲击和极性反转试验等绝缘性试验都需要较高水平的直流试验设备。而且目前关于直流互感器器准确度尚无相关国家标准进行规定，大多只是采用交流的方法进行认定。由于目前没有成熟的标准及技术规范，只能根据±８００ｋＶ直流测量设备技术规范规定，±１０００ｋＶ直流电压互感器的型式及例行试验要求推荐如下。
４．１ 直流电压互感器型式试验
）电容量和介质损耗角的测量。测量在绝缘试１验前后都应进行，结果不应有明显变化。
）高压电阻的测量。测量在绝缘试验前后都应２进行，电阻值测量结果的偏差在±１％范围内。）绝缘试验：试验电压３①湿态直流耐压试验（
；１．５Ｕｄｍａ②干态直流耐受电压试验及局部放电试ｘ）
；验（试验电压１．２５Ｕｄｍａ③人工污秽试验；④无线ｘ）；电干扰试验（１．１Ｕｄｍａ⑤极性反转电压试验及局ｘ）。部放电试验（试验电压为１．２５Ｕｄｍａｘ）
）直流电压分压比试验。在量程内，对加于高４
压端的从零到量程所允许的最大电压，进行高压端和低压端之间的直流电压变比的测量。测量应在两种极性下进行。对于每一种极性的电压，应在至少５个大约等距的电压水平上进行测量。测量温度应
２３８６
高电压技术（）２０１０，３６１０
从－２５°Ｃ到－７５°Ｃ。
）暂态（阶越）响应试验。将阶越电压加到高压５
在输出端观察相应特性。端，
）频率响应试验。此项试验是为了演示直流电６
（或压互感器的交流特性。对频率为５０～１２００Ｈｚ更高频段）的试验电压，测量高压端与连有直流控制保护设备的输出端的交流变比，包括幅值和相位移。测量应对５０Ｈｚ及上述频率范围内的所有偶次谐波进行。
４．２ 直流电压互感器例行试验
）干态直流耐压及局部放电试验测量。试验电１，压为１所允许的最大局部放电强度为．５ＵｄｍａｋＶ）ｘ（１０ｐＣ。）直流电压比测量。应在额定电压和标么值为２
（以额定电压为基准）的电压下测量直流电压比例。０．１）绝缘试验：３①雷电冲击和操作冲击试验；②低。压侧电路１ｍｉｎ工频耐压试验（３ｋＶ）
）频率响应。应在５４０Ｈｚ交流电压下测量变比。）电压幅值检查。检查放电间隙和过电压限制５原件。
）电容值测量。６）负极性直流电压电压下输出信号电压保护装７
置的保护水平测量。
）低压臂电阻测量。直流电流互感器的型式试８
验及例行试验要求推荐如下。
４．３ 直流电流互感器型式试验
）在额定负载下，在全量程内进行测量精度的１校验。
）阶跃响应试验。包括标么值为０２．１～１的电流阶跃，１～０的电流阶跃，０．５～０．２５的电流阶跃和阶跃电流以额定一次电流０．５～０．７５的电流阶跃（
。为基准）
）频率响应试验。对设计最高频率及以下正弦３
输入信号进行交流变比（幅值）和相位移的测量。同样可以仅在偶次谐波下进行。
）测量电子电路的干热试验。４
）光电式互感器中光连接部分进行如下试验：５
原边的冲击试验应包括雷ＥＣ４４１的要求，①按照Ｉ －电冲击试验、操作冲击试验。②绝缘试验。对于户外用直流电流互感器而言，包括湿态直流耐压、干态直流耐压试验和局部放电测量、最高电压等级户外直流电流互感器的污秽试验、无线电干扰试验和光纤的传输损耗测量。
）对于套管型零磁通或其他型式的磁绕组直流６
电流互感器应进行如下试验：带铁心和绕组的电子测量装置输入端的暂态抗干扰特性试验。其横向和
纵向的抗冲击能力（应满足ＩＳＷＣ）ＥＣ８０１４中有关 －标准。
）对于自立式零磁通或其他型式的磁绕组直流７
电流互感器应进行如下试验：①介损及电容测量。绝缘试验前后的介损和电容不应有明显的变化。②带铁心和绕组的电子测量装置输入端的暂态抗干扰特性试验。其横向和纵向的抗冲击能力（应ＳＷＣ）满足ＩＥＣ８０１４中有关标准。③进行ＩＥＣ４４１标准 － －
或根据Ｉ中所规定的短路电流试验，ＥＣ４４１号标准 －所规定的条件通过计算证明所需性能。④进行ＩＥＣ试验电流应为５１标准中所规定的温升试验，０４４－
其有效值与最大连续直流电流相等。Ｈｚ交流电流，
ＥＣ４４１标准对原边绕组进行下述冲击试⑤根据Ｉ －
验：雷电冲击波试验。）绝缘试验，包括户外直流电流互感器上的湿８
干态直流电压试验和局部放电测态直流电压试验、
量、最高电压等级户外直流电流互感器的污秽试验、无线电干扰试验。
４．４ 直流电流互感器例行试验
）对于所有型式的直流电流互感器应进行下述１试验要求参考设备参数：试验，①对于最大连续直流电流及以下电流水平进行直流电流测量精度试验。②在标么值为０～１以及１～０的阶跃输入电流时的暂态相应。③应在５即０Ｈｚ下进行频率相应试验，测量变比和相位移。
）对光电式直流电流互感器，必须对光连接部２
分作以下试验：①干态直流耐压和局部放电测量。②雷电冲击和操作冲击试验。
）对于套管型零磁通或其他型式的磁绕组直流３在一次电流互感器：ＥＣ４４１标准的规定，①根据Ｉ －侧和二次侧绕组之间及二次侧绕组上进行试验。②根据Ｉ进行匝间绝缘试验。ＥＣ４４１标准的规定， －）对于自立型零磁通或其他型式的磁绕组直流４
电流互感器：在一次ＥＣ４４１标准的规定，①根据Ｉ －侧和二次侧绕组之间及二次侧绕组上进行试验。②根据Ｉ进行匝间绝缘试验。③ＥＣ４４１标准的规定， －进行干态直流耐压试验及局部放电测量。④根据ＩＥＣ１３７标准的规定采用５０Ｈｚ交流电压进行介损 试验，应用ＩＥＣ１３７号标准的规定作为通过试验的 依据。⑤雷电冲击和操作冲击试验。
５ 结论
本文以国内外直流互感器的技术发展水平为基结合目前我国特高压±８础，００ｋＶ直流与１０００ｋＶ交流研究成果，考虑相关的直流互感器运行经验可以得到以下结论：
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
２３８７
）从计算分析数据来看，采用特高压直流±ａ
１０００ｋＶ电网输电有以下优势：①增大输电容量节省输电走廊。②降低直流系统损耗。③提高送电经济性。直流电压等级提高至±１０００ｋＶ来进行大规模增加输电在今后我国电网发展中的作用将具有积极的意义。
）在对比分析直流互感器的各种类型及优缺ｂ
点以及目前国内外的运行经验来看，推荐±１０００ｋＶ直流电压互感器采用传统直流分压器加二次信号处理部分的结构型式。用于测量直流中性线小电用于测量直流流的直流电流互感器采用零磁通型，极线大电流的采用光电型。
）鉴于直流比交流设备的制造难度大，技术水ｃ
平高，运行中需要兼顾直流和交流两种状态，本文主要从直流互感器的结构及性能、安装方式及运输方式上展开了研究。
）由于目前没有成熟的标准，ｄ±１０００ｋＶ直流互感器试验的试验是根据±８００ｋＶ直流测量设备本文推荐了±１技术规范规定而产生的，０００ｋＶ直流互感器的型式及例行试验项目及方法，其中大部分试验对于直流的试验设备也提出了极高的要求。）ｅ±１０００ｋＶ特高压直流互感器的研究在世界上尚属首次，研制成果对于±１０００ｋＶ直流电网的建成与否起到极其重要的作用，能够降低整个直流输电工程造价，实现直流一次设备的国产化，也可使我国的直流互感器制造技术达到世界领先水平。
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费 烨
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收稿日期 ２０１００５０９０１００８０９－－ 修回日期 ２－－ 编辑 任 明
DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2010.10.009
２３８０
高电压技术 第３６卷第１０期２０１０年１０月３１日
，ＶＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｌ．３６，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ３１，２０１０ ｇｇｇｇ
±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
费 烨，王晓琪，汪本进，吴士普，余春雨，陈晓明
（）国网电力科学研究院，武汉４３００７４
摘 要：直流输电作为一项成熟、可靠的大容量、远距离输电技术，在我国跨省、区联网工程中发挥了重要作用。随着±８更高电压等级±１００ｋＶ特高压直流输电工程的顺利开展和实施，０００ｋＶ特高压直流输电技术的发展成为可能。直流互感器是供直流输电系统用电能计量、电量监测、电力系统控制与保护的重要装置，由于直流互感器的制造难度大，国内用量少，且事故率很高，所以一直没有得到推广，云南－广东和向家坝－技术比交流互感器复杂，
上海±８我国未掌握核心技术。为推进特高压直流设备国产化００ｋＶ特高压直流工程中直流互感器均依赖于进口，同时又参照±进程，±１０００ｋＶ直流电压等级的直流互感器研究成为必然。在对比分析目前直流互感器的类型，对于±１结构、性能及关键技术０００ｋＶ直流互感器进行了选型、８００ｋＶ直流工程中直流互感器运行情况的基础上，
等方面的研究。分析结果对研制±１０００ｋＶ特高压直流互感器具有指导作用。关键词：±１０００ｋＶ；特高压直流；直流互感器；云南－广东；向家坝－上海；研究；世界领先中图分类号：ＴＭ４５２；ＴＭ８３５
文献标志码：Ａ
（）文章编号：１００３６５２０２０１０１０２３８００８－－－
Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｎ±１０００ｋＶＵＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｐ
，ＷＡＮＧ，ＷＡＮＧＦＥＩＹｅＸｉａｏＢｅｎＳｈｉＹＵＣｈｕｎＣＨＥＮＸｉａｏｉｎｉｉｎ，ＷＵｕ，ｕ， －ｑ － －ｐ －ｙ －ｍｇｊ
（，Ｗｕ）ＳｔａｔｅＧｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ
：ＡｂｓｔｒａｃｔＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｖｅｒｉｍｏｒｔａｎｔｉｎｌｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎＣｈｉｎａｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓａｆｅｔａｎｄｏｗｅｒ ｙｐｇｙｐ
，±１ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔ．Ａｓｌｏｎａｓ±８００ｋＶ ＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒｏｅｃｔｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔ０００ｋＶｕｌｔｒａＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｙｐｊ ｂｅｃｏｍｅｓｏｓｓｉｂｌｅ．ＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｉｍｏｒｔａｎｔｏｆｖａｌｕｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｒｅｌａｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｏｗｅｒｍｅａｓｕｒｅ －ｐｐｙｐｐ
，ｍｅｎｔ．ＢｅｃａｕｓｅＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｍｏｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｈａｎＡＣｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄｉｔｉｓｎｏｔｓａｆｅｓｏｉｔｉｓｎｏｔ ｏｕｌａｒｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄａｎｄＣｈｉｎａ．±８００ｋＶ ＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｌｉｅｄｉｎＹｕｎｎａｎ－ＧｕａｎＤｏｎａｎｄ ｐｐｇｇ
，ｈａｉｄｅｖｅｌｏｈｏｍｅｍａｄｅＵＨＶＤＣｄｅｖｉｃｅｓｉｔｉｓｖｅｒｉｍｏｒｔａｎｔｔｏｒｅｓｅａｒｃｈ±１０００Ｘｉａｎｉａｂａ－Ｓｈａｎｒｏｅｃｔｓ．Ｔｏ ｇｐｙｐｊｇｐｊ ｋＶ ＵＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｒｏｕｈｃｏｍａｒｉｎａｎｄａｎａｌｚｉｎ００ｋＶ ＵＨＶＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ－ ｇｐｇｙｇ±８
，，，ｅｒｗｅｈａｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏｏｆ±１０００ｋＶ ＵＨＶＤＣｉｎ －ｇｐｙｇｙ ，ｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎｄｅｔａｉｌｓｏａｓｔｏｈｏｌｄｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｚｅｆｉｎａｎｃｉｎ．ｒｏｅｃｔ ｙｇｙｇｐｊ
：±１；Ｙ；Ｘ；ＲＫｅｗｏｒｄｓ０００ｋＶ；ＵＨＶＤＣ；ＤＣｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｕｎｎａｎｕａｎｄｏｎｉａｎｉａｂａＳｈａｎｈａｉｅ －Ｇ－－ｇｇｇｊｇｙ ；ｗｓｅａｒｃｈｏｒｌｄａｈｅａｄ
０ 引言
直流输电作为成熟、可靠的大容量、远距离输电技术，在我国跨省、区联网工程中发挥了重要作用。我国电网将规划建设近４２０２０年前后，０个包含跨
省区、跨国的不同电压等级直流系统，届时我国将是世界上直流输电技术应用最广泛的国家。随着±更８００ｋＶ特高压直流输电工程的顺利开展和实施，高电压等级直流输电技术的发展和应用成为电力新技术应用和电网规划研究的一个热点，这使得±１０００ｋＶ直流输电成为可能。
直流互感器是直流输电系统换流站主设备中不可缺少的一项。它承担着直流系统电能计量、电量
基金资助项目：国家科技部“十一五”科技支撑计划（２００６Ｂ）。ＡＡ０２Ａ１１
ＰｒｏｅｃｔＳｕｏｒｔｅｄｂＥｌｅｖｅｎｔｈｆｉｖｅＹｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ － －ｊｐｐｙ ＳｕｏｒｔｉｎＰｒｏｒａｍｏｆＭｉｎｉｓｔｒｏｆＳｃｉｅｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ（２００６ＢＡＡ ｇｙｐｐｇｇｙ ）０２Ａ１１．
电力系统控制与保护的重要作用。我国的高监测、
压直流输电技术是从２０世纪８０年代开始起步的，直流互感器的技术研究也开始于这一时期，其中国内的原武汉高压研究所、西安高压电器研究所等科研单位都开始对于直流互感器的相关技术开展了深入的研究。由于国内用量少，且事故率很高，所以一直没有得到推广。直到２００４年西电集团研制出油浸式±５００ｋＶ直流电压互感器才完成型式试验，ＳＦ００ｋＶ直流电流互感器于６气体绝缘结构的±５２００６年１２月在葛洲坝换流站挂网运行。国外自２０
世纪７０年代，ＡＢＢ、ＳＩＥＭＥＮＳ及ｓｃｈｎｉｅｗｉｎｄｔ公司等国外公司就开始研制直流互感器，±５００ｋＶ的高压高精密直流电压互感器准确性可以达到０．２％，目前电压等级可以达到±８且技术水平很００ｋＶ，高。我国的±８００ｋＶ云广直流输电工程等都安装了国外的产品。
直流互感器的技术比交流互感器复杂，制造难由于目前主要的核心技术由国外少数的企业度大，
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
２３８１
所掌握，所以造成采购成本偏高，而且后续的维护得不到保证。由于我国的特殊国情，技术研究成本相为了能够降低整个直流输电工程造价，实现对低廉，
直流一次设备的国产化，对于直流互感器的研究是非常重要的。
±１０００ｋＶ特高压直流互感器的研究在世界上
尚属首次，研制成果对于±１０００ｋＶ直流电网的建成与否起到极其重要的作用。从直接经济效益上可以大量节省工程建设资金，也可使我国的直流讲，
互感器技术达到世界领先水平
［１，２］
图１ 不同电压等级直流系统损耗与输电距离关系Ｆｉ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｌｉｎｅｌｏｓｔａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ － ｇｐ ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｅＨＶＤＣｓｓｔｅｍ
ｓｄｉｓｔａｎｃｅｒａｄｅ ｇｙｇ
。本文结合目前
对于我国的±１国内外直流互感器的发展水平，０００ｋＶ特高压直流互感器进行了选型推荐与研究。
１ ±１０００ｋＶ特高压直流优越性分析
我国正在建设的±８００ｋＶ直流工程有云南－广东和向家坝－上海，目前这两个工程正处于试运行阶段。随着１０００ｋＶ特高压交流输电工程的顺利开展和实施，更高电压等级直流输电技术的发展和应用成为电力新技术应用和电网规划研究的一个在单位千瓦设备造价相差不大的热点。一般来说，
对于相同输送容量的直流工程，提高电压比情况下，
提高电流的综合效果好，即有利于降低能耗，又可以避免研制更大通流能力换流阀、缩短换流阀片的研制周期。利用±８借鉴１００ｋＶ直流研究成果，０００研究通过将直流电压等ｋＶ交流特高压发展经验，
级提高至±１０００ｋＶ来大规模增加输电容量的技术可行性以及±１０００ｋＶ直流输电在今后我国电网发将具有积极的意义。展中的作用，
１．１ 增大输电容量节省输电走廊
一条双特高压直流电压提升至±１０００ｋＶ后，极直流额定输电功率可达９送电功率相当０００ＭＷ，于±５００ｋＶ、３ｋＡ直流系统的３倍，±８００ｋＶ、４
．４倍。因此可以充分利用特高压ｋＡ直流系统的１
直流输电能力，实现跨大区超长距离的集中送电，消化大电源基地电力外送能力。
华中、华东及沿海工业发达地区是直流系统重如果仍采用较低电压等级的直流系要的受端区域，
统，在相同送电、受电需求下，需建设较多的直流系统。由于这些地区的输电走廊和直流落点已很密集、人口稠密、用地紧张，给换流站选址和输电走廊的选择带来了很大压力，可供换流站地址选择的范围很小，大幅增加了直流工程建设的投入。因此，利用±１０００ｋＶ特高压直流输电能力优势可有效缓解换流站选址困难之间的矛盾。受电需求与输电走廊、１．２ 降低直流系统损耗
图１
给出了不同电压等级直流输电系统线损率
与输电距离之间的关系曲线。线损率按照不同电压等级直流基本配置计算得到，同时考虑两端换流站损耗率为１．５％。从图中可以看出±８００ｋＶ特高压直流在超过２线损率超出了正常要０００ｋｍ后，求。而±１０００ｋＶ特高压线损率在２０００～３５００ｋｍ范围内维持在较低水平，适合更长距离送电需求。１．３ 提高送电经济性
通过计算不同输电距离条件下±８００ｋＶ和±１０００ｋＶ两种电压等级的特高压直流系统的投
资，折算为单位容量投资，同时考虑运行费用、线损费用，计算比较获得经济输电距离。年费用对比曲线如图２所示。由于±８００ｋＶ直流与±５００ｋＶ直流经济输电距离临界值约为１因此这里不０００ｋｍ，再对±５００ｋＶ直流与±１０００ｋＶ特高压直流进行经济性比较。由图２可知，在输电距离＞２５００ｋｍ时，±１０００ｋＶ特高压直流年费用低于±８００ｋＶ特高压直流，且随着输电距离的增加，将更具优势。此外，直流系统不提供短路电流，不需电抗补偿，适合
３，４］
。超长距离送电［
图２ ±８００ｋＶ与±１０００ｋＶ特高压
直流年费用对比曲线
Ｆｉ．２ Ｃｏｍａｒｉｓｏｎｃｕｒｖｅｏｆｅｘｅｎｓｅｂｅｔｗｅｅｎ±８００ｋＶ ｇｐｐ
ＨＶＤＣｓｓｔｅｍｓａｎｄ±１０００ｋＶ ｙ
２ ±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型
２．１ 直流电压互感器
直流电压互感器是直流换流站内的重要设备，其结构相对固定，一般由一次传感器（分压器）和二次直流放大及辅助装置来组成。结构原理图如图３
２３８２
高电压技术（）２０１０，３６１０
图３ 直流电压互感器原理图Ｆｉ．３ ＰｒｉｎｃｉｌｅｏｆＤＣＴＶ ｇｐ
所示。一次传感器为直流电压分压器，有很多级的电阻和电容进行串并联组成。这些电阻由环氧树脂密封在真空的状态下，内部充绝缘油或者充满ＳＦ６气体来绝缘，外面有复合绝缘子，其顶部安装有均压环均压。
直流分压器由高低压部分组成。高压部分是一些电阻和电容先并联，然后再串联在一起组成，低压并配有保护放电部分的设计原理与高压部分相似，
间隙。放电间隙的保护低压值不会对低压回路的元件造成伤害。分压器输出电压作为直流放大器的输入电压信号，经过放大后取得与直流电压成比例的电压输出，通过响应的光纤送至控制保护屏柜内。这种结构的设计可以大大提高直流分压器的响应速度。我国±８００ｋＶ云南－广东和向家坝－上海特高压直流工程换流站所用直流电压互感器都属于这类结构，如图４、５所示。
依±８传统分压００ｋＶ直流工程运行经验来看，器加二次电子处理电路的直流电压互感器结构十分简单且运行工况良好，事故率也相对较低。±１０００
［］ｋＶ直流电压互感器宜推荐采用这种形式５－８。
图４ ±８００ｋＶ云广直流电压互感器Ｆｉ．４ ±８００ｋＶＹｕｎｎａｎｕａｎｄｏｎＤＣＴ
Ｖ －Ｇ ｇｇｇ
２．２ 直流电流互感器
直流电流互感器主要有传统磁调制型和光电型两种结构。传统的磁调制型又称零磁通型，是一种高精度、无接点的电流测量元件，可以在ｍＡ至ｋＡ级的测量范围内保持测量精度，具有很高的稳定性和大的信噪比，时间响应快，有良好的动态性能。其基本原理是基于完全的磁通势平衡，精度只取决于负载电阻和输出放大器，电流
互感器的环形铁芯带
第１个绕组流过一次直流电流建立一个３个绕组，
磁通势，第２个绕组连接一个放大器输出端作为高
图５ ±８００ｋＶ向上直流电压互感器Ｆｉ．５ ±８００ｋＶＸｉａｎＳｈａｎＤＣＴＶ － ｇｇｇ
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
２３８３
增益的积分器，它流过的电流产生的磁通势与第１个绕组产生的磁通势相抵消，取得平衡。第３个绕铁心中任何磁通势的不组是一个非常灵敏的绕组，
平衡都将产生磁通的变化，在该绕组中产生感应电使磁通势重新压来调节第２个绕组中的输入电流，达到新的平衡。
光电型的直流电流互感器由信号采集单元、光电转换模块、光纤回路和光接收模块等几部分组成。信号采集单元是采集回路中的电流值，其电流值通常由分流器提供，该模块位于装置的高压部分。基光电转换模块主要是实现被本原理图如图６所示，
侧信号的模数转换以及数据的发送的功能，模块中的电子电路是通过光纤由位于控制保护屏柜内的光电源进行单独的供电。这部分也位于装置的高压端。光纤回路一般依附于绝缘子之中，作为信号传两根分别传输数据和能量。光接收模块输的光纤，
位于控制保护屏内，用于接受光纤传输的数字信号，并通过模块中的处理芯片检验控制送到相应的控制测量直保护装置。这种类型的互感器主要特征有：流电流精度高；高电位采用光能电子设备；光纤信号硅橡胶表面有效降低传输系统没有电磁干扰问题，
污秽影响；用光缆作信号传输系统，能实现高低电位信号的完全隔离；不饱和，测量范围大、频带宽、体积小和重量轻；结构轻巧和基础简单。相比于传统的磁调节型的最大优势优点是：对地绝缘支柱直径小，电子回路更加简单，这对减少闪络故障、减少电磁干扰具有显著优点，并可降低造价。但是光电型的分流目前还不及传统的磁调节型反应迅速。器响应速度，
为了克服传统互感器的固有缺点，目前出现了一种全新的全光纤直流电流互感器。它是以法拉第磁光效应为原理来测量电流。因为采用光纤作为传感介质，所以在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面比传统的电磁式电流互感器有很大的优势，而且它不含有交流线圈，不存在开路危险。全光纤电流互感器系统配置框图如图７所示，系统采用全光纤结构。光路主要由Ｓ分束器、起偏器、检偏ＬＤ光源、相位调制器、保偏光纤延迟线、波片、传感光纤和器、
光电探测器等器件组成。由光源发出的光经过一个光纤起偏器的３ｄＢ的分束器后由光纤偏振器起偏，
尾纤与光纤检退偏器的尾纤以４角熔接。这样的５°话，偏振光就被平分成为两份，分别沿保偏光纤的ｘ轴和ｙ轴传输。这两个正交模式的线偏振光在相位调制器处受到相位调制，经保偏光纤延迟线后这／分别变成为左旋和右旋的圆两束光经过λ４波片，偏振光，并进入传感光纤。由于传输电流会产生磁场和在传感光纤中的法拉第磁光效应，
这两束圆偏
振光的相位会发生变化，并以不同的速度传输，在反射膜端面处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换，再次穿过传感光纤，使磁光效应产生的相位加倍。／在两束光再次通过λ恢复成为线偏振光。４波片后，
分别沿保偏光纤ｘ轴、ｙ轴传播的光在光纤偏振器处发生Ｓａｎａｃ干涉。通过测量相干的两束偏振光ｇ就可以间接地测量出导线中的电的非互易位相差，流值。
由以上分析可知，零磁通型具有响应快，结构简单等优点，但其测量范围有限，电流偏大容易造成铁但其响心磁饱和。光电式很好的解决了这些问题，应时间不够，而且光敏原件的寿命也是个主要的难题，可能造成继电保护装置误动。全光纤型原理上但目前尚属样机研制阶段，无现都可解决以上问题，
场运行考核经验。我国±８００ｋＶ云南－广东和向家坝－上海特高压直流工程换流站所用直流电压互感器如图８、直流极线上采用的是光电９和１０所示，式的，中性线上采用的是零磁通型的，这种搭配比较合理，充分利用了两种类型互感器的优势和有效规避了它们的劣势。在全光纤型直流电流互感器的挂网运行经验不够的情况下，±１０００ｋＶ直流电流互
］９１４－
。感器宜推荐采用这种形式搭配形式［
图６ 光电型直流电流互感器原理图Ｆｉ．６ ＰｒｉｎｃｉｌｅｏｆｏｔｉｃａｌＤＣＴＡ ｇｐｐ
３ ±１０００ｋＶ特高压直流互感器的结构及
性能
在技术和制 直流互感器是一种全新的互感器，
造难度上都有别于交流。直流量的获取一般由交流经换流获得，交流的谐波及冲击信号都对直流设备有影响，所以在直流设备方面的研究上应兼顾交流和直流两种状态。
３．１ 直流电压互感器的结构及性能３．１．１ 分压器元件及结构
２３８４
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图７ 全光纤电流互感器原理图Ｆｉ．７ ＰｒｉｎｃｉｌｅｏｆａｌｌｆｉｂｅｒｏｔｉｃａｌＤＣＴ
Ａ －－ ｇｐｐ
图８ ±８００ｋＶ云广光电型直流电流互感器Ｆｉ．８ ±８００ｋＶＹｕｎｎａｎｕａｎｄｏｎｏｔｉｃｌｅＤＣＴＡ －Ｇ ｇｇｇｐ
图９ ±８００ｋＶ向上零磁通型直流电流互感器Ｆｉ．９ ±８００ｋＶＸｉａｎｉａｂａＳｈａｎｈａｉｎｏｎｆｌｕｘＤＣＴ
Ａ － － ｇｇｊｇ
直流电压互感器的一次传感器的主要元件是电阻，依靠电阻分压的原理进行电压的转换，所以电压的准确性主要由电阻原件的本身的特性所决定。电阻的选择应该具有温度系数小、电感量小、在高电压作用下阻值稳定且能够耐高压和冲击电压等的特点。目前在国内符合这一条件的多为精密金属丝线绕电阻，但是其散热特性并非优良，国外有一种精密散热特性十分良好，但是目前国内的编制电阻工艺，尚没达到此制造水平。
此外电晕的防治措施也非常关键，电阻分压器中元件大部分处于直流高电位中，产生电晕放电的可能性很大，电晕电流通常不流过电阻器，所以电晕电流是造成误差的重要因素之一。减少电晕电流的措施通常有以下两种：①安装合适的均压环；②安装辅助屏蔽电阻。３．１．２ 性能
随着直流电压等级的提高，设备的高度也随之增加，±１０００ｋＶ直流分压器的高度估计约在１３使得分压ｍ。高度的增加会造成寄生电容的存在，器在雷电冲击下的电位分布极不均匀，越是位于顶部的原件耐受冲击损坏的可能性越大。为了减少寄生电容引起的分压器在雷电冲击下内部电压分布极不均匀的不利影响，在合适的电阻
原件旁需要并联
图１０ ±８００ｋＶ向上光电型直流电流互感器Ｆｉ．１０ ±８００ｋＶＸｉａｎＳｈａｎｏｔｉｃａｌＤＣＴＡ － ｇｇｇｐ
电容器来改善电位分布，同时对于电容器的耐压和耐高温特性也提出了更高的要求。
直流分压器的主要元件是电阻和电容，当分压器长期工作在额定状态下，内部会产生＞１０００Ｗ的
热量，随着设计电流值越高，产生的热量持续增大。由于分压器通常采用分油或Ｓ在Ｆ６介质进行绝缘，密闭空间里热量都不容易散去。由于温度是影响电阻性能的主要原因，高温会造成电阻的阻值变化，严目前最先进的方法是重的情况下可烧坏电阻原件，
采用有限元分析法对于易发热部位进行热流体技术
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
２３８５
和机械强度仿真，找到薄弱点进行防护，同时采取相关措施进行有效散热。
除一次系统外，二次部分的可靠性也非常关键，二次电压调整部分是整个直流分压器电信号的输出虽然电压较低，但必须有足够高的稳定性保证部分，
分压的准确度。在直流换流站中，二次电压信号是属于弱电信号，在谐波、电磁干扰等情形下，信号容易失真。同时二次部分又是光电转换的接口部分，电信号的失真直接造成光电转换及传输等相关方面的故障，可能造成二次继电保护误动作。有相关资料表明，大
］１５１７－
。多数直流测量设备均出现过此类故障［
功能装置发射激光转化为电信号提供能量。但它具有明显的缺陷，即可靠性和寿命得不到保证，且维护需要研制高性能不便。这无疑加大了制造的难度，
的激光供能装置才能保证直流信号采集处理单元的
１８，１９］
。可靠性［
３．３ 安装及运输方式
特高压设备的安装与运输方式是影响设备质量性能好坏的关键环节，作为现场交接试验前的一项不容忽视。根据±８重要工作，００ｋＶ直流设备的实测高度，初步估算±１０００ｋＶ安装于极性位置直流其中直流电压互感器主体分互感器的高度＞１３ｍ，压器外绝缘支柱绝缘子部分的高度也＞１如何３ｍ，运输成为重中之重，应在设计时进行充分的考虑。考虑到运输的难度，一种较好的方式是将主体分压器外绝缘支柱绝缘子进行分节制造，现场进行组装，同时应注意组装过程中的细节问题，以免试验或运行时绝缘的破坏。
３．２ 直流电流互感器结构及性能
３．２．１ 分流器元件及结构
直流一次传感器（分流器）是依靠并联电阻分流的原理进行电流的转换，所以分流器的准确性主要由电阻原件的本身的特性所决定。电阻体的选择应该具有温度系数小、结构强度高、在高温及低温的情况作用下阻值稳定等特点。目前较多的使用锰铜棒多根并联起来进行分流。由于材作为单个电阻体，
每个电阻棒材的通流和耐高温能力是一定的，为了通常会设计成鼠笼式的结构，保证一定的散热特性，
为消除邻近导体的磁场对准确性的干扰，电阻体的尺寸及排列间距需要经过精确计算选择。用于±１０００ｋＶ直流极线上的分流器两端还要保证直流导体的尺寸连接与一定的机械强度。目前出现的分流器形式有支柱绝缘子支撑和直流一次导体支撑两种可根据具体工程特点进行设计。方式，３．２．２ 性能
当分流器长期工作在额定状态下时，和分压器影响分流器特性的主要是电阻发热问题，随着一样，
输送容量的增大，发热量的大小与电流的平方成正比关系。发热带来的影响主要存在于两个方面：①高温可能会带来电阻阻值的变化使得分流不准；②长期的高温会影响到分流器外形壳体的机械性能，当系统短路电流通过时强大的电动力可能会造成分流器壳体的损坏。目前最先进的方法是采用有限元分析法对于电阻接头等易发热部位进行热流体和机找到机械薄弱点进行防护，械动力技术方面的仿真，
同时还应该考虑系统谐波的干扰，阶次越高的谐波对发热影响更大，采取相关措施进行有效散热。
二次部分原理和电压互感器相同，不同点在于，分流器直流信号采集处理单元通常处于直流极母线高电位处，电场分布十分密集，电磁干扰较大，同时兼顾直流系统短路电流及过电压的影响。采集电路需要单独的电源进行供电，功耗控制在较低的水平。目前常用的供电方式是采用激光供电，即利用激光
４ ±１０００ｋＶ特高压直流互感器试验
直流试验有别于交流，对于±１０００ｋＶ直流系国内外还没有成熟的标准对于其试验进行统而言，
规定。为了达到试验考核的严格性，直流高压设备的试验在考虑直流的情况下也要同时考虑交流的特性，这无疑对试验设备提出了更高的要求，例如直流耐压、冲击和极性反转试验等绝缘性试验都需要较高水平的直流试验设备。而且目前关于直流互感器器准确度尚无相关国家标准进行规定，大多只是采用交流的方法进行认定。由于目前没有成熟的标准及技术规范，只能根据±８００ｋＶ直流测量设备技术规范规定，±１０００ｋＶ直流电压互感器的型式及例行试验要求推荐如下。
４．１ 直流电压互感器型式试验
）电容量和介质损耗角的测量。测量在绝缘试１验前后都应进行，结果不应有明显变化。
）高压电阻的测量。测量在绝缘试验前后都应２进行，电阻值测量结果的偏差在±１％范围内。）绝缘试验：试验电压３①湿态直流耐压试验（
；１．５Ｕｄｍａ②干态直流耐受电压试验及局部放电试ｘ）
；验（试验电压１．２５Ｕｄｍａ③人工污秽试验；④无线ｘ）；电干扰试验（１．１Ｕｄｍａ⑤极性反转电压试验及局ｘ）。部放电试验（试验电压为１．２５Ｕｄｍａｘ）
）直流电压分压比试验。在量程内，对加于高４
压端的从零到量程所允许的最大电压，进行高压端和低压端之间的直流电压变比的测量。测量应在两种极性下进行。对于每一种极性的电压，应在至少５个大约等距的电压水平上进行测量。测量温度应
２３８６
高电压技术（）２０１０，３６１０
从－２５°Ｃ到－７５°Ｃ。
）暂态（阶越）响应试验。将阶越电压加到高压５
在输出端观察相应特性。端，
）频率响应试验。此项试验是为了演示直流电６
（或压互感器的交流特性。对频率为５０～１２００Ｈｚ更高频段）的试验电压，测量高压端与连有直流控制保护设备的输出端的交流变比，包括幅值和相位移。测量应对５０Ｈｚ及上述频率范围内的所有偶次谐波进行。
４．２ 直流电压互感器例行试验
）干态直流耐压及局部放电试验测量。试验电１，压为１所允许的最大局部放电强度为．５ＵｄｍａｋＶ）ｘ（１０ｐＣ。）直流电压比测量。应在额定电压和标么值为２
（以额定电压为基准）的电压下测量直流电压比例。０．１）绝缘试验：３①雷电冲击和操作冲击试验；②低。压侧电路１ｍｉｎ工频耐压试验（３ｋＶ）
）频率响应。应在５４０Ｈｚ交流电压下测量变比。）电压幅值检查。检查放电间隙和过电压限制５原件。
）电容值测量。６）负极性直流电压电压下输出信号电压保护装７
置的保护水平测量。
）低压臂电阻测量。直流电流互感器的型式试８
验及例行试验要求推荐如下。
４．３ 直流电流互感器型式试验
）在额定负载下，在全量程内进行测量精度的１校验。
）阶跃响应试验。包括标么值为０２．１～１的电流阶跃，１～０的电流阶跃，０．５～０．２５的电流阶跃和阶跃电流以额定一次电流０．５～０．７５的电流阶跃（
。为基准）
）频率响应试验。对设计最高频率及以下正弦３
输入信号进行交流变比（幅值）和相位移的测量。同样可以仅在偶次谐波下进行。
）测量电子电路的干热试验。４
）光电式互感器中光连接部分进行如下试验：５
原边的冲击试验应包括雷ＥＣ４４１的要求，①按照Ｉ －电冲击试验、操作冲击试验。②绝缘试验。对于户外用直流电流互感器而言，包括湿态直流耐压、干态直流耐压试验和局部放电测量、最高电压等级户外直流电流互感器的污秽试验、无线电干扰试验和光纤的传输损耗测量。
）对于套管型零磁通或其他型式的磁绕组直流６
电流互感器应进行如下试验：带铁心和绕组的电子测量装置输入端的暂态抗干扰特性试验。其横向和
纵向的抗冲击能力（应满足ＩＳＷＣ）ＥＣ８０１４中有关 －标准。
）对于自立式零磁通或其他型式的磁绕组直流７
电流互感器应进行如下试验：①介损及电容测量。绝缘试验前后的介损和电容不应有明显的变化。②带铁心和绕组的电子测量装置输入端的暂态抗干扰特性试验。其横向和纵向的抗冲击能力（应ＳＷＣ）满足ＩＥＣ８０１４中有关标准。③进行ＩＥＣ４４１标准 － －
或根据Ｉ中所规定的短路电流试验，ＥＣ４４１号标准 －所规定的条件通过计算证明所需性能。④进行ＩＥＣ试验电流应为５１标准中所规定的温升试验，０４４－
其有效值与最大连续直流电流相等。Ｈｚ交流电流，
ＥＣ４４１标准对原边绕组进行下述冲击试⑤根据Ｉ －
验：雷电冲击波试验。）绝缘试验，包括户外直流电流互感器上的湿８
干态直流电压试验和局部放电测态直流电压试验、
量、最高电压等级户外直流电流互感器的污秽试验、无线电干扰试验。
４．４ 直流电流互感器例行试验
）对于所有型式的直流电流互感器应进行下述１试验要求参考设备参数：试验，①对于最大连续直流电流及以下电流水平进行直流电流测量精度试验。②在标么值为０～１以及１～０的阶跃输入电流时的暂态相应。③应在５即０Ｈｚ下进行频率相应试验，测量变比和相位移。
）对光电式直流电流互感器，必须对光连接部２
分作以下试验：①干态直流耐压和局部放电测量。②雷电冲击和操作冲击试验。
）对于套管型零磁通或其他型式的磁绕组直流３在一次电流互感器：ＥＣ４４１标准的规定，①根据Ｉ －侧和二次侧绕组之间及二次侧绕组上进行试验。②根据Ｉ进行匝间绝缘试验。ＥＣ４４１标准的规定， －）对于自立型零磁通或其他型式的磁绕组直流４
电流互感器：在一次ＥＣ４４１标准的规定，①根据Ｉ －侧和二次侧绕组之间及二次侧绕组上进行试验。②根据Ｉ进行匝间绝缘试验。③ＥＣ４４１标准的规定， －进行干态直流耐压试验及局部放电测量。④根据ＩＥＣ１３７标准的规定采用５０Ｈｚ交流电压进行介损 试验，应用ＩＥＣ１３７号标准的规定作为通过试验的 依据。⑤雷电冲击和操作冲击试验。
５ 结论
本文以国内外直流互感器的技术发展水平为基结合目前我国特高压±８础，００ｋＶ直流与１０００ｋＶ交流研究成果，考虑相关的直流互感器运行经验可以得到以下结论：
特高压输电费 烨，王晓琪，汪本进，等．±１０００ｋＶ特高压直流互感器的选型与研制
２３８７
）从计算分析数据来看，采用特高压直流±ａ
１０００ｋＶ电网输电有以下优势：①增大输电容量节省输电走廊。②降低直流系统损耗。③提高送电经济性。直流电压等级提高至±１０００ｋＶ来进行大规模增加输电在今后我国电网发展中的作用将具有积极的意义。
）在对比分析直流互感器的各种类型及优缺ｂ
点以及目前国内外的运行经验来看，推荐±１０００ｋＶ直流电压互感器采用传统直流分压器加二次信号处理部分的结构型式。用于测量直流中性线小电用于测量直流流的直流电流互感器采用零磁通型，极线大电流的采用光电型。
）鉴于直流比交流设备的制造难度大，技术水ｃ
平高，运行中需要兼顾直流和交流两种状态，本文主要从直流互感器的结构及性能、安装方式及运输方式上展开了研究。
）由于目前没有成熟的标准，ｄ±１０００ｋＶ直流互感器试验的试验是根据±８００ｋＶ直流测量设备本文推荐了±１技术规范规定而产生的，０００ｋＶ直流互感器的型式及例行试验项目及方法，其中大部分试验对于直流的试验设备也提出了极高的要求。）ｅ±１０００ｋＶ特高压直流互感器的研究在世界上尚属首次，研制成果对于±１０００ｋＶ直流电网的建成与否起到极其重要的作用，能够降低整个直流输电工程造价，实现直流一次设备的国产化，也可使我国的直流互感器制造技术达到世界领先水平。
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，１ｒａｔｉｏｓｔａｎｄａｒｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＩｎｓｔｒｕｍ Ｍｅａｓ９９０，１３ （）：２２１５１８．－
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费 烨
男，工学硕士，工程师１９８２－，
研究方向为特高压技术和电力系统自动化（）电话：０２７５９８３５７０８
：Ｅ－ｍａｉｌｆｅｉｅｅｒｉ．ｓｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎ＠ｓｙｇｐｇ
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ＦＥＩＹｅ
收稿日期 ２０１００５０９０１００８０９－－ 修回日期 ２－－ 编辑 任 明