200 kV阻容分壓式直流電壓互感器阻抗匹配

李登云， 熊前柱， 柴永峰， 雷 民， 莫 石

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 計(jì)量研究所， 武漢 430074； 2. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 武漢 430074)

200 kV直流電壓互感器是測(cè)量高壓直流輸電系統(tǒng)電壓的重要設(shè)備，為系統(tǒng)的控制與保護(hù)提供了準(zhǔn)確、可靠的電壓測(cè)量信息[1-3].由于阻容分壓器具有幅頻特性好、線性度高及響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)，且阻容分壓器測(cè)量的頻帶范圍較寬，基本覆蓋從直流、工頻到?jīng)_擊電壓的全部測(cè)量電壓范圍.因此，以阻容分壓器為基礎(chǔ)的阻容分壓式直流電壓互感器得到了廣泛的應(yīng)用[4].

通常同軸電纜的特征阻抗遠(yuǎn)小于合并單元輸入電阻，測(cè)量信號(hào)波傳遞到電纜末端時(shí)，難以避免地會(huì)發(fā)生反射且反射波較大.若傳輸電纜首端未有阻抗匹配措施，則信號(hào)波會(huì)在電纜首端發(fā)生反射，造成測(cè)量分壓比的變化及測(cè)量波形的振蕩，導(dǎo)致傳輸信號(hào)的失真[5-6].因此，研究阻容分壓式直流電壓互感器內(nèi)部的阻抗匹配情況，并提出有效的阻抗匹配措施具有實(shí)際意義.

針對(duì)電壓互感器內(nèi)部的阻抗匹配問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行一定的研究.段梅梅等[7]設(shè)計(jì)了電阻分壓式電壓互感器的阻抗匹配電路，研究了阻抗匹配電路各部分的選型；李君等[8]介紹了電阻分壓器測(cè)量系統(tǒng)的阻抗匹配情況，研究了測(cè)量系統(tǒng)阻抗不匹配對(duì)分壓器分壓比和測(cè)量波形振蕩的影響.劉偉蓮[9]從高壓引線、同軸電纜兩個(gè)方面研究電阻分壓器在納秒高壓脈沖測(cè)量中的阻抗匹配問題.綜上可知，目前針對(duì)互感器阻抗匹配的研究，大多數(shù)集中在電阻分壓器在脈沖測(cè)量試驗(yàn)中的阻抗匹配問題.而對(duì)阻容分壓式直流電壓互感器阻抗匹配的研究仍不夠充分.

本文通過對(duì)阻容分壓式直流電壓互感器工作原理的研究，依據(jù)實(shí)際參數(shù)建立阻容分壓式直流電壓互感器的MATLAB仿真模型.探究互感器內(nèi)部的阻抗匹配情況，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試互感器合并單元的阻抗匹配效果.最后，提出針對(duì)阻容分壓式直流電壓互感器有效的阻抗匹配措施，并通過仿真驗(yàn)證其匹配效果.

1 直流電壓互感器工作原理

阻容分壓式直流電壓互感器通常由阻容分壓器、雙屏蔽電纜及合并單元模塊組成，其中阻容分壓器包括高壓臂和低壓臂，由多級(jí)電阻和電容進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成.合并單元模塊包括：二次分壓回路、轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)合并單元.低壓測(cè)量信號(hào)經(jīng)由二次分壓回路轉(zhuǎn)換為更低電壓等級(jí)的直流電壓信號(hào)，經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)合并、光纖傳輸?shù)刃盘?hào)處理后輸出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào).

阻容分壓式直流電壓互感器的工作原理圖如圖1所示.其中R1、C1為阻容分壓器高壓臂的電阻、電容；R2、C2為阻容分壓器低壓臂的電阻、電容；Cc為雙屏蔽電纜等效電容；R、C為合并單元模塊的等效輸入電阻、電容.直流電壓互感器的分壓功能主要通過電阻R1、R2與電容C1、C2并聯(lián)組成RC網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn).

由圖1可得，阻容分壓式電壓互感器的一次分壓比為

圖1 直流電壓互感器工作原理圖Fig.1 Working principle of DC voltage transformer

(1)

圖1中并未考慮合并單元內(nèi)部的二次分壓，二次分壓電路位于合并單元模塊內(nèi)部.對(duì)阻容分壓器輸出的低壓信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分壓，并轉(zhuǎn)換為多路相互獨(dú)立的信號(hào)輸出.設(shè)二次分壓比為p，則直流阻容式電壓互感器的總分壓比為

(2)

2 直流電壓互感器阻抗匹配

2.1 阻抗匹配原理分析

當(dāng)傳輸電纜末端阻抗不匹配時(shí)，測(cè)量信號(hào)會(huì)在電纜末端發(fā)生反射.通常情況下，同軸電纜特征阻抗為50 Ω或75 Ω，而合并單元輸入電阻一般達(dá)到千歐姆級(jí)，遠(yuǎn)大于電纜特征阻抗.傳輸電纜末端反射系數(shù)較大，末端反射波也較大，入射信號(hào)波疊加反射波會(huì)出現(xiàn)振蕩，造成信號(hào)失真，嚴(yán)重影響互感器測(cè)量的準(zhǔn)確度.因此，有必要針對(duì)阻容分壓式直流電壓互感器的阻抗匹配展開研究.

由傳輸線理論可知，傳輸線上任意位置的電壓、電流是該點(diǎn)的入射波、反射波的疊加，該位置的電壓反射系數(shù)為反射波與入射波的比值.阻抗匹配的基本原理是使負(fù)載阻抗等于傳輸線特性阻抗，從而使得反射系數(shù)為0.傳輸線上僅存在從首端向末端行進(jìn)的入射波而無反射波，傳輸信號(hào)不會(huì)失真，且電磁能量最大程度地被負(fù)載所吸收[10].

為了便于分析，假設(shè)傳輸線的損耗可忽略，即認(rèn)為傳輸線是均勻無損傳輸線.圖2為典型的分壓器測(cè)量系統(tǒng)示意圖，其中ZC為傳輸線的特性阻抗，ZL為終端負(fù)載阻抗.

圖2 典型分壓器測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement system of typical voltage divider

實(shí)際工程中為滿足直流電壓互感器的阻抗匹配要求，通常需要選取雙屏蔽層(層間夾有絕緣)的同軸電纜.同時(shí)電纜的首末兩端應(yīng)焊在專門的插頭上，該插頭的接地外套以規(guī)范的螺絲連接方式或以導(dǎo)電膠的方式緊密地與分壓器低壓臂的外金屬殼或末端二次分壓器相連接.兩端部的連接務(wù)必規(guī)范化，切忌使用長(zhǎng)連線代替插頭，否則會(huì)在波形測(cè)量中帶來異常振蕩.此外，需要在傳輸電纜的一端或兩端加裝一定的阻抗匹配裝置.

2.2 阻抗匹配仿真研究

為研究阻容分壓式直流電壓互感器內(nèi)部的阻抗匹配情況，本文采用MATLAB軟件建立阻容分壓式直流電壓互感器的仿真模型.

直流電壓互感器仿真模型主要分為：阻容分壓器、同軸電纜、合并單元模塊3部分.其中，同軸電纜模型選用Simulink仿真元件庫(kù)中的PI Section Line傳輸線元件仿真；合并單元模型依據(jù)互感器的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立，采用Simulink仿真元件庫(kù)的各模塊組成.仿真模型中遠(yuǎn)端模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用16位轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，利用雙重化采樣比較技術(shù)，保證了全量程的測(cè)量精度；光電轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換采用光電耦合器進(jìn)行模擬.

仿真模型各部分參數(shù)依據(jù)實(shí)際的XRC-200阻容分壓式直流電壓互感器參數(shù)建立.主要參數(shù)選取如表1所示.

表1 XRC-200阻容分壓式直流電壓互感器實(shí)際參數(shù)Tab.1 Actual parameters for XRC-200 DC voltage transformer based on resistance-capacitance divider

由表1參數(shù)可知，對(duì)應(yīng)圖1中Cc=2 250 pF、R=232 kΩ、C=1.56 μF，代入互感器實(shí)際參數(shù)可得到仿真模型一次分壓比為

(3)

仿真輸入電壓波形選擇階躍電壓波，可以直觀地觀測(cè)到電壓波形的振蕩情況.設(shè)置直流電壓源輸出電壓幅值為20 kV，由斷路器開斷得到20 kV的階躍波，運(yùn)行軟件得到的互感器仿真輸出波形如圖3所示.

圖3 直流阻容式電壓互感器模型仿真波形Fig.3 Simulation model waveform of DC voltage transformer based on resistance-capacitance divider

由圖3可知，在無外加阻抗匹配措施的情況下，直流阻容式電壓互感器內(nèi)部阻抗匹配情況并不理想，由傳輸電纜末端阻抗不匹配引起的波形振蕩并不能完全消除.為進(jìn)一步驗(yàn)證互感器內(nèi)部阻抗匹配的效果，本文采用200 kV阻容分壓式直流電壓互感器試品進(jìn)行了阻抗匹配的測(cè)試實(shí)驗(yàn).

2.3 阻抗匹配實(shí)驗(yàn)測(cè)試

阻容分壓式直流電壓互感器阻抗匹配測(cè)試實(shí)驗(yàn)的原理接線圖如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)電路接線原理圖Fig.4 Wiring principle of experimental circuit

實(shí)驗(yàn)采用額定電壓等級(jí)200 kV的方波電壓發(fā)生器輸出幅值為20 kV的階躍信號(hào)波作為輸入測(cè)量信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器與XRC-200阻容分壓式直流電壓互感器并聯(lián)接入實(shí)驗(yàn)電路.標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器和阻容式直流電壓互感器額定電壓等級(jí)均為200 kV，分壓比均為20 000∶1.分別進(jìn)行兩次階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照，研究互感器合并單元的阻抗匹配情況.

實(shí)驗(yàn)1中阻容分壓式電壓互感器未連接合并單元，直接通過示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器及阻容分壓式電壓互感器傳輸電纜末端的輸出電壓信號(hào).此時(shí)示波器測(cè)量得到輸出電壓如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)1示波器輸出電壓Fig.5 Output voltage of oscilloscope in experiment 1

圖5中，通道1代表標(biāo)準(zhǔn)器輸出波形，通道2代表阻容式電壓互感器輸出波形，紅框圖示由示波器水平刻度從2 ms調(diào)整到10 μs得到，下同.由圖5可知，未連接合并單元時(shí)，阻容分壓式直流電壓互感器階躍響應(yīng)波形出現(xiàn)振蕩，且有較大的過電壓.

實(shí)驗(yàn)2中阻容分壓式電壓互感器連接合并單元，示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器輸出電壓及合并單元模擬量輸出電壓如圖6所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)2示波器輸出電壓Fig.6 Output voltage of oscilloscope in experiment 2

由圖6可知，連接合并單元后，阻容分壓式直流電壓互感器階躍響應(yīng)波形中振蕩仍然存在，過電壓較未連接合并單元時(shí)減小.

由圖5、6對(duì)比可知，對(duì)于傳輸電纜末端阻抗失配引起的測(cè)量波形振蕩現(xiàn)象，合并單元模塊有一定的削弱功效，但并不能完全消除振蕩，而振蕩造成的過電壓可能會(huì)造成控制保護(hù)裝置誤動(dòng)，因此有必要進(jìn)一步采取措施消除振蕩.

3 阻抗匹配措施

阻抗失配會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的畸變與失真，造成電壓測(cè)量的不準(zhǔn)確.當(dāng)前常用的經(jīng)濟(jì)有效的阻抗匹配方法是利用濾波器來抑制傳輸線端的過電壓現(xiàn)象[11].國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993中規(guī)定在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和計(jì)量中一般要求保留19次以下的諧波，因此采用一個(gè)低通、抗混疊的濾波器作為電壓互感器的濾波器則可以滿足要求[12].本文分別采取RC無源濾波器和有源濾波器兩種方法來消除振蕩、抑制過電壓.

3.1 加設(shè)RC無源濾波器

一階RC無源低通濾波器電路是通過將一個(gè)電阻與信號(hào)通路串聯(lián)，并將一個(gè)電容器與負(fù)載并聯(lián)而實(shí)現(xiàn)的.信號(hào)從電阻一側(cè)輸入，從電容兩端輸出電壓.此時(shí)輸出電壓對(duì)輸入電壓的傳輸系數(shù)為

(4)

由此得到傳輸系數(shù)的幅頻特性和相頻特性分別為

(5)

φ(ω)=-arctan(ωRC)

(6)

當(dāng)信號(hào)源頻率ω→0時(shí)，A(ω)=1，信號(hào)不受衰減地通過；當(dāng)頻率ω較大時(shí)，A(ω)=0，信號(hào)完全被阻擋，不能通過.即該電路可通過低頻信號(hào)抑制高頻信號(hào)，具有低通濾波的作用.

圖7 一階RC無源低通濾波器伯德圖Fig.7 Bode diagram of first-order RC passive low-pass filter

由圖7可得，設(shè)計(jì)的一階RC無源低通濾波器在低頻帶內(nèi)幅頻特性較好，相位延時(shí)也在可接受的范圍內(nèi)，可以滿足電壓互感器低通濾波的要求.

為驗(yàn)證一階RC低通濾波器的阻抗匹配效果，在建立的阻容分壓式直流電壓互感器仿真模型中，加設(shè)一階RC低通濾波器后得到互感器輸出波形如圖8所示.

圖8 加設(shè)RC低通濾波器后互感器輸出波形Fig.8 Output waveform of transformer after adding RC low-pass filter

由仿真結(jié)果可得，互感器輸出電壓幅值為0.913 4 V，而互感器理論輸出應(yīng)為1 V.信號(hào)通過RC低通濾波器有所損耗.綜上可知，RC低通濾波器濾波特性較差，信號(hào)衰減較大，多數(shù)用在小電流、要求低的電路中.

3.2 加設(shè)有源濾波器

有源濾波器由運(yùn)算放大器和小型的電阻、電容構(gòu)成，體積比無源濾波器小.參數(shù)較無源濾波器更容易配置，能夠根據(jù)要求設(shè)計(jì)出各種性能的濾波器.

最常用的低通濾波器有3種，分別是：巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器[13].在相同截止頻率下，巴特沃斯低通濾波器的階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快，且檢測(cè)精度越好，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度會(huì)變慢.綜合考慮，本文選擇二階巴特沃斯低通濾波器作為阻抗匹配措施.

仿真條件同上，在建立的阻容分壓式直流電壓互感器模型中加設(shè)二階巴特沃斯低通濾波器后得到互感器輸出波形如圖9所示.

圖9 加設(shè)二階巴特沃斯低通濾波器后互感器輸出波形Fig.9 Output waveform of transformer after adding second-order Butterworth low-pass filter

由圖9仿真結(jié)果可得，互感器輸出電壓為0.997 5 V.由此可知，二階巴特沃斯低通濾波器低頻帶內(nèi)幅頻特性平直，濾波特性好，但相頻特性較差.

由以上仿真分析對(duì)比可知，與RC一階無源低通濾波器相比，二階巴特沃斯有源濾波器濾波特性更優(yōu).其在通頻帶中有較好的幅頻特性，由低通濾波器帶來的相位誤差較小，可以較好地滿足阻容分壓式直流電壓互感器的低通濾波的要求.此外巴特沃斯有源濾波器更穩(wěn)定，參數(shù)更容易配置.因此在實(shí)際的阻容分壓式直流電壓互感器設(shè)計(jì)中，可以選擇二階巴特沃斯有源濾波器作為阻抗匹配措施.

4 結(jié) 論

阻容分壓式直流電壓互感器已隨著直流輸電系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)而被廣泛應(yīng)用，但對(duì)于直流電壓互感器內(nèi)部電纜傳輸環(huán)節(jié)阻抗匹配情況的研究還較少.本文通過理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、MATLAB建模仿真研究，得出結(jié)論如下：

1) 通過仿真分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)互感器內(nèi)部阻抗匹配情況并不理想，合并單元模塊有一定的阻抗匹配作用，但并不能完全消除振蕩，需采取進(jìn)一步的阻抗匹配措施；

2) 采用低通濾波器作為互感器內(nèi)部阻抗匹配的有效措施，通過仿真對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相較于RC無源濾波器，二階巴特沃斯濾波器濾波特性更優(yōu)，是更可靠、有效的阻抗匹配措施.

本文研究了阻容分壓式直流電壓互感器內(nèi)部電纜傳輸環(huán)節(jié)的阻抗匹配情況，并針對(duì)存在問題提出了解決措施，對(duì)直流電壓互感器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義.