直流電壓測(cè)量裝置二次分壓設(shè)計(jì)與研究

柏耀星，姜鵬飛，王群鋒，周 飄，班中華，劉元東

（1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 直流運(yùn)檢分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

直流電壓測(cè)量裝置作為特高壓直流輸電工程中參與保護(hù)的重要設(shè)備，承擔(dān)著測(cè)量電壓并將測(cè)量結(jié)果傳至直流控制保護(hù)設(shè)備的重要作用。其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響著整個(gè)輸電系統(tǒng)的可靠性[1-3]。由于特高壓直流電壓經(jīng)直流電壓測(cè)量裝置一次分壓后，得到的仍然是一個(gè)較大的電壓信號(hào)，非常不利于控制保護(hù)的使用，因此需研究直流電壓測(cè)量裝置的二次分壓，以實(shí)現(xiàn)大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂票Ｗo(hù)需要的較小電壓信號(hào)。目前，人們對(duì)高壓直流電壓測(cè)量裝置的一次分壓部分的研究較多，對(duì)二次分壓設(shè)計(jì)的研究較少。本文通過二次分壓、二次防護(hù)以及信號(hào)調(diào)理等關(guān)鍵技術(shù)，研究高壓直流電壓測(cè)量裝置的二次分壓。

1 直流電壓測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

直流電壓測(cè)量裝置分為高壓信號(hào)的一次分壓部分和低壓信號(hào)的二次分壓部分，主要包含一次本體內(nèi)部的高壓臂、低壓臂、傳輸模擬信號(hào)用的同軸電纜以及控制室內(nèi)的二次分壓等。原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓臂和低壓臂由電阻和電容并聯(lián)后再串聯(lián)在一起組成，密封在高壓絕緣套筒中，套筒內(nèi)部充一定壓力的SF6絕緣氣體。一次本體高壓臂高壓端接線路電壓，然后通過低壓臂進(jìn)行一次分壓將高電壓變?yōu)榈碗妷海摰碗妷合鄬?duì)于控制保護(hù)需要的電壓信號(hào)仍然是一個(gè)較大電壓。一次分壓后的電壓通過同軸電纜進(jìn)入控制室內(nèi)后并聯(lián)3路二次分壓，分為3路額定電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，滿足目前電網(wǎng)系統(tǒng)3取2要求，供控制保護(hù)設(shè)備使用。采用阻容分壓，可避免電阻器件在遭受雷電沖擊等暫態(tài)過程時(shí)，出現(xiàn)暫態(tài)電壓分布不均勻的問題[4]。

圖1 直流電壓測(cè)量裝置原理結(jié)構(gòu)圖

2 直流電壓測(cè)量裝置二次分壓設(shè)計(jì)

2.1 阻容器件設(shè)計(jì)原則與選型

二次分壓電路原理如圖2所示。二次分壓電路通過電阻R3和電容C3，電阻R4和電容C4分別并聯(lián)后再串聯(lián)分壓組成。電阻R3和R4的阻值是由一次分壓和二次輸出信號(hào)的大小進(jìn)行計(jì)算匹配的，電容C3和C4的容值是由整個(gè)系統(tǒng)電路的時(shí)間常數(shù)決定。高壓臂、低壓臂以及二次分壓阻容值的選取應(yīng)做到相互匹配，保證時(shí)間常數(shù)RC一致。在電阻的選型上，應(yīng)選擇溫漂小、電壓系數(shù)小、阻值精度高以及穩(wěn)定性高的金屬膜電阻。選用電阻的實(shí)際工作功率應(yīng)遠(yuǎn)小于額定功率。此外，盡可能降低溫升，盡量選擇一致的電阻廠家、型號(hào)以及批次，從而保證電阻具有相同的特性。在電容器件的選擇上，電容的額定電壓需遠(yuǎn)大于其最大工作電壓。優(yōu)先選用聚丙烯膜電容，其介質(zhì)損耗低，頻率特性良好，很大程度上能夠保證信號(hào)在傳送時(shí)不會(huì)失真。

2.2 電路防護(hù)設(shè)計(jì)

為了充分保障二次分壓的實(shí)現(xiàn)和后續(xù)信號(hào)的穩(wěn)定處理，采用壓敏電組和TVS管串聯(lián)設(shè)計(jì)進(jìn)行過電壓保護(hù)。設(shè)計(jì)了如圖2所示的2級(jí)防護(hù)措施。其中，第一級(jí)壓敏電阻Y具有非線性特性。當(dāng)過電壓通過時(shí)，它可以將過電壓降至安全的低電壓值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后面電路及控制保護(hù)系統(tǒng)的的保護(hù)。壓敏電阻能夠承受高達(dá)6 000 A的過電流，而且其響應(yīng)速度極快（ns級(jí)），反應(yīng)極為靈敏。第二級(jí)采用瞬態(tài)電壓抑制管TVS。當(dāng)其兩端承受過電壓時(shí)，能夠降為低阻抗且時(shí)間極短，其響應(yīng)時(shí)間為ps級(jí)。而且其將電壓控制為安全電壓，以保證電路不被損壞。

圖2 二次分壓電路原理圖

分析壓敏電阻和TVS管的特性可知。由于壓敏電阻存在泄漏電流，單獨(dú)使用時(shí)二次分壓輸出會(huì)受泄漏電流影響，而且長(zhǎng)時(shí)間帶電情況下會(huì)極大縮短壓敏電阻的使用壽命。單獨(dú)使用TVS管時(shí)，過電壓后TVS管瞬間導(dǎo)通并產(chǎn)生續(xù)流。由于受續(xù)流影響TVS管無(wú)法立馬斷路，因此無(wú)法滿足直流工程保護(hù)的時(shí)效性。采用壓敏電阻和TVS管串聯(lián)的設(shè)計(jì)方案中，通過TVS管，避免了回路中的泄露電流。系統(tǒng)在產(chǎn)生過電壓時(shí)，先導(dǎo)通TVS管，然后導(dǎo)通壓敏電阻，避免電路受過電壓而損壞。過電壓結(jié)束后，壓敏電阻不受續(xù)流影響率先斷路，此時(shí)沒有回路續(xù)流，TVS立馬完成斷路。由此可知，通過壓敏電組和TVS管串聯(lián)設(shè)計(jì)兩級(jí)防護(hù)措施能充分保證直流測(cè)量裝置二次分壓電路的安全，進(jìn)而有效避免直流工程因過電壓而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

2.3 分壓信號(hào)處理

直流輸電系統(tǒng)中，極母線上存在一定比例的高次諧波電壓，一般占系統(tǒng)總電壓的1%～10%，所以需要處理測(cè)量裝置所測(cè)量的電壓信號(hào)，以減小電壓的波動(dòng)。電壓信號(hào)主要包括直流和諧波兩部分。其中，直流部分主要包括電壓信號(hào)調(diào)整和濾波平滑處理等。電壓信號(hào)調(diào)整采用電阻進(jìn)行分壓，選擇溫漂低、高精度以及性能穩(wěn)定的電阻器件。為了防止二次分壓時(shí)電位會(huì)抬升，可采取的措施是使用精度高和功率損耗小的INA128儀表放大器。濾波電路采用衰減很快且濾波效果非常好的二階低通濾波器，減少高頻分量，增加波形純度。諧波部分主要包括信號(hào)提取、信號(hào)放大以及濾波等。諧波信號(hào)提取時(shí)采用低通濾波器，0.6 Hz的截止頻率可以直接提取原有電壓信號(hào)中的諧波信號(hào)。諧波信號(hào)放大是使用儀表放大器將諧波放大至合適的幅值范圍內(nèi)，從而能夠更加有效地處理諧波。諧波信號(hào)處理與直流信號(hào)處理一樣，通過濾波功能來限制最終電壓信號(hào)的帶寬[5]。

3 仿真分析

建立整個(gè)直流電壓測(cè)量裝置電路如圖3所示。利用Multisim軟件仿真分析電路方案的準(zhǔn)確度和幅頻特性。

圖3 仿真電路圖

設(shè)置電路中電阻電容的阻值精度、溫漂以及容值精度等重要參數(shù)。電源采用交直流電壓源，施加0.1～1.5 p.u.的直流電壓信號(hào)進(jìn)行仿真，進(jìn)而得到如表1所示的電壓測(cè)量信號(hào)的測(cè)量誤差。

從表1中可以看出，測(cè)量信號(hào)施加從0.1～1.5 p.u.電壓范圍內(nèi)，二次輸出電壓誤差均小于0.1%，滿足GB/T 26217—2019標(biāo)準(zhǔn)0.2級(jí)準(zhǔn)確度要求。

表1 測(cè)量誤差

在50～3 000 Hz下仿真幅頻特性，得到幅值誤差和相位誤差如圖4所示。

從圖4可以看出，在50～1 200 Hz時(shí)，幅值誤差隨著頻率的升高變化很小，在2 000～3 000 Hz幅值誤差較差，但滿足GB/T 26217—2019標(biāo)準(zhǔn)不大于3%的要求。相位誤差最大為91 μs，最小為75 μs，也遠(yuǎn)小于GB/T 26217—2019標(biāo)準(zhǔn)不大于500 μs的要求。

圖4 幅值誤差及相位誤差

4 結(jié) 論

本文通過研究直流電壓測(cè)量裝置的二次分壓，詳細(xì)介紹了電阻電容器件的影響因素、阻容的匹配原則與選型以及二次分壓的防護(hù)設(shè)計(jì)，并提出了二次分壓方案。通過仿真分析得出了該直流電壓測(cè)量裝置二次分壓在0.1～1.5 p.u.電壓下的測(cè)量誤差在0.1%范圍內(nèi)。在頻率50～3 000 Hz時(shí)，幅值誤差小于3%，相位誤差小于100 μs，準(zhǔn)確度和幅頻特性均滿足GB/T 26217—2019標(biāo)準(zhǔn)要求。