交直流合成大電流發(fā)生裝置研究

王忠東，駱潘鈿 ，盧樹(shù)峰，楊世海 ，陳 剛，徐敏銳 ，周 玉

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

互感器在變電站中起著給后續(xù)計(jì)量、保護(hù)及監(jiān)控設(shè)備提供信號(hào)的重要作用，其運(yùn)行的穩(wěn)定性尤為重要。直流偏磁和剩磁均會(huì)影響互感器誤差，從而影響計(jì)量和保護(hù)性能［1-3］。交、直流混合運(yùn)行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得交、直流系統(tǒng)之間的相互影響愈加明顯，雙極高壓直流輸電線(xiàn)路檢修或單極故障時(shí)需以單極-大地回線(xiàn)方式運(yùn)行時(shí)，會(huì)有很大的直流電流流過(guò)接地極，此時(shí)會(huì)在大地上形成恒定的直流電流場(chǎng)，產(chǎn)生地表電位差，在交流網(wǎng)絡(luò)中變壓器繞組、架空線(xiàn)和大地形成的回路中產(chǎn)生直流電流，從而在變壓器和電流互感器（TA）回路中產(chǎn)生直流偏磁［4-6］。電力系統(tǒng)的線(xiàn)路切合操作、短路故障時(shí)，線(xiàn)路電流在暫態(tài)過(guò)程中存在直流分量，從而使電流互感器鐵芯產(chǎn)生剩磁［7］。直流偏磁與各類(lèi)剩磁都會(huì)加劇電流互感器鐵芯過(guò)飽和磁化，從而使得運(yùn)行中的電流互感器的導(dǎo)磁率下降、實(shí)際誤差值變大，超出各繞組準(zhǔn)確級(jí)范圍，影響電能計(jì)量結(jié)算平衡甚至造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)［8-10］。

研究能模擬現(xiàn)場(chǎng)直流偏磁供電環(huán)境和互感器剩磁特性的大電流發(fā)生裝置，對(duì)電流互感器直流偏磁和剩磁產(chǎn)生的影響進(jìn)行理論分析、試驗(yàn)研究，并在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)行環(huán)節(jié)對(duì)互感器直流偏磁和剩磁進(jìn)行判斷、分析、測(cè)量、控制，可以為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)和營(yíng)銷(xiāo)計(jì)量提供深入的科技支撐，具有重要意義［11］。

目前對(duì)于互感器的直流偏磁特性的研究［12］，有2種方式來(lái)模擬一次側(cè)交直流合成電流以研究互感器直流偏磁特性。

a.交流電流回路和直流電流回路各自同時(shí)穿過(guò)電流互感器來(lái)模擬一次側(cè)帶直流偏置的交流大電流，交流大電流和直流電流都通過(guò)電流互感器一次側(cè)，互感器鐵芯中磁場(chǎng)為交流電流磁場(chǎng)和直流電流磁場(chǎng)的疊加，其疊加效果和一次側(cè)通交直流合成大電流效果相似。但該試驗(yàn)方式僅限于穿心式電流互感器，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行產(chǎn)品一般都是一次導(dǎo)電桿安裝好的電流互感器，因此該方案不適用于對(duì)非穿心式電流互感器類(lèi)型進(jìn)行研究。

b.采用任意電流發(fā)生裝置來(lái)產(chǎn)生含有直流分量的工頻交流電流模擬電流互感器一次側(cè)波形，該裝置產(chǎn)生含有直流分量的工頻交流電流，可以直接連接互感器一次導(dǎo)電桿，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。但該方式產(chǎn)生的電流大小有限，制造成本高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果需要產(chǎn)生大電流，其可靠性很難保證，并且設(shè)備體積較大。

交流大電流和直流電流合成的單匝大電流發(fā)生器是亟待研究和開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。本文提出一種基于電容隔直的交直流合成大電流發(fā)生裝置，該裝置采用電容隔直的技術(shù)方案，通過(guò)大容量無(wú)極性電容通交流阻直流的電流特性，使得交流電流源回路和直流電流源回路能夠形成交直流疊加的單匝共同支路，交流電流和直流電流同時(shí)流過(guò)該支路，同時(shí)交流電流源和直流電流源互不影響，因此適用于互感器直流偏流或偏磁相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 電路原理

該裝置采用電容隔直的技術(shù)方案，在交流大電流線(xiàn)路中串聯(lián)大容量無(wú)極性電容組，由于電容本身的隔直流通交流特性，工頻交流大電流能通過(guò)無(wú)極性電容器，而直流電流卻不能通過(guò)電容器組構(gòu)成回路，使得交流電流源回路和直流電流源回路能夠形成交直流疊加的共同支路，交流電流和直流電流同時(shí)流過(guò)該支路，且交流電流源和直流電流源互不影響。其原理圖如圖1所示。圖中i1為交流源支路電流，i2為直流源支路電流，i3為合成電流支路電流。

圖1 裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of generator

圖1的電路中有2個(gè)獨(dú)立電源，采用疊加定理進(jìn)行分析［13］。

圖2為交流源單獨(dú)作用時(shí)的支路電流分析。由于直流電流源支路阻抗很大，電流合成支路阻抗很小，交流大電流只流過(guò)被測(cè)電流互感器，構(gòu)成交流電流回路。此時(shí)有：

其中，i1AC、i2AC、i3AC分別為交流電源單獨(dú)作用時(shí)，交流源支路電流、直流源支路電流和電流合成支路電流；ut為調(diào)壓器輸出電壓；Ks為升流器變比；Zs為升流器一次輸入阻抗。

圖2 交流電流源作用下等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit with AC source alone

圖3為直流電流源單獨(dú)作用時(shí)支路電流分析。由于電容的隔直特性，電容器組對(duì)直流電流的阻抗很大，直流電流只流過(guò)被測(cè)電流互感器，構(gòu)成直流電流回路。此時(shí)有：

其中，i1DC、i2DC、i3DC分別為直流電源單獨(dú)作用時(shí)，交流源支路電流、直流源支路電流和電流合成支路電流；IDC為直流電流源輸出電流。

圖3 直流電流源作用下等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit with DC source alone

當(dāng)交流源和直流源同時(shí)作用時(shí)有：

交流源支路只有交流電流流過(guò)，可以采用傳統(tǒng)的電磁式標(biāo)準(zhǔn)電流互感器測(cè)量交流電流；直流源支路只有直流電流流過(guò)，可以采用霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量；電流合成支路電流為交流電流和直流電流的疊加，交流電流大小等于標(biāo)準(zhǔn)電流互感器支路交流電流，直流電流大小等于直流電流源支路直流電流。

2 交直流合成大電流發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

交直流合成大電流發(fā)生裝置主要包括交流電流源、直流電流源、交直流合成系統(tǒng)和監(jiān)控與分析系統(tǒng)4個(gè)部分。交流電流源由調(diào)壓器、升流器構(gòu)成，輸出額定電流5000 A交流大電流［14］；直流電流源產(chǎn)生額定電流為50 A的直流電流；交直流合成系統(tǒng)由大容量無(wú)極性電容器組和大電流接線(xiàn)端子組成，將交流大電流和直流電流疊加，產(chǎn)生交流、直流電流合成的單匝大電流，便于互感器進(jìn)行直流偏磁的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；監(jiān)控與分析系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)交直流合成大電流發(fā)生系統(tǒng)工作狀態(tài)，分析各個(gè)監(jiān)控環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并能做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，從而保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可控性和安全性。同時(shí)本文所述裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊組裝連接方便，便于攜帶、組裝和維護(hù)，方便實(shí)用。

圖4 交直流合成大電流發(fā)生裝置設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Block diagram of high AC and DC hybrid generator

2.1 交流電流源

交流電流源輸出額定電流為5000 A工頻大電流。在交流電流回路中，線(xiàn)路電感和隔直電容是主要的負(fù)載，因此調(diào)壓器、升流器的選型主要考慮交流電路線(xiàn)路負(fù)載。

多股銅導(dǎo)線(xiàn)的直徑選為50mm，接線(xiàn)的回路面積越小，電感就越小。接線(xiàn)回路面積為時(shí)，電感量L≈6 μH；導(dǎo)線(xiàn)電阻很小，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度按10 m計(jì)算，電阻為0.09 mΩ?？紤]接觸電阻，取一定余量后R=0.3 mΩ。隔直電容選用100個(gè)容量為0.2 F、電壓為25 V的無(wú)極性電容并聯(lián)，C=100×0.2F=20 F。

線(xiàn)路負(fù)載為：

升流器開(kāi)口電壓和視在功率分別為：

因此選用2個(gè)容量為30kV·A、開(kāi)口電壓為6V的升流器串聯(lián)，能滿(mǎn)足要求。

調(diào)壓器容量取一定余量后，容量需大于43.75÷0.8=54.68（kV·A），故選用的調(diào)壓器容量為 60 kV·A。

2.2 直流電流源

在直流通路中，直流電流源由功率放大器組成［15］，見(jiàn)圖5。給定的參考電壓Uref經(jīng)過(guò)同相放大后，接多個(gè)電壓跟隨器，電壓跟隨器的輸出通過(guò)均流電阻R1、R2、…、Rn連在一起。功率放大器型號(hào)為 PA50［16］，長(zhǎng)期輸出電流達(dá)到40 A，峰值輸出電流為100 A。使用2個(gè)功率放大器，共計(jì)可長(zhǎng)期輸出80 A。使用1個(gè)散熱器，并安裝溫度傳感器，傳感器采集功放溫度值反饋給計(jì)算機(jī)，若過(guò)熱需停止工作，以免燒毀功放。

圖5 直流電流源電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of DC source

如圖5所示，直流通路的阻抗很小，按10 mΩ計(jì)算，通過(guò)50 A直流電流時(shí)的壓降為0.5 V，消耗功率25 W。功率放大器PA50的內(nèi)部功耗是400 W，輸出40 A時(shí)的輸出電壓擺幅為8 V，所以電源應(yīng)選用±10 V、1 kW的直流穩(wěn)壓電源。使用功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸出直流電流紋波小，避免了直流電流中的紋波成為被測(cè)電流互感器新的誤差來(lái)源。

并聯(lián)的功放電路間必須做到負(fù)載的平均分配。運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益對(duì)溫度變化并不高度穩(wěn)定，同一類(lèi)型的不同器件也會(huì)存在極大差異。尤其是功放在使用一段時(shí)間后，元件值發(fā)生變化和運(yùn)行特點(diǎn)改變，可能會(huì)導(dǎo)致一些電路超載，最終導(dǎo)致過(guò)熱和故障。為了克服上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了使并聯(lián)功率放大電路的負(fù)載大致平均分配的手段：多個(gè)相同的電壓跟隨器電路連接在同相放大器和負(fù)載之間，負(fù)載和每個(gè)電壓跟隨器電路之間連接的是均流電阻。通過(guò)選用相同阻值的電阻，使得放大器之間較為平均地分配負(fù)載。均流電阻阻值一般選為每個(gè)功放的額定負(fù)載阻抗的0.5%，這個(gè)值也可由經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)公式確定。確定均流電阻阻值Rb的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，RL為負(fù)載阻抗值；n為分擔(dān)負(fù)載的功放數(shù)目；K1為功放的開(kāi)環(huán)電壓增益最大值；K2為功放的開(kāi)環(huán)電壓增益最小值；Imax為功率放大器電路中輸出最大電流；Imin為功率放大器電路中輸出最小電流。

在本文設(shè)計(jì)中，K2取 5×104，K1取 1.25×105，Imax取 25 A，Imin取 0 A，R1取 10 mΩ，n 取 2，代入式（2）得出 δ=2，代入式（1）得出 Rb=0.12 μΩ，即 Rb取0.12 μΩ就可以達(dá)到均流的作用。按照負(fù)載阻抗的0.5%來(lái)計(jì)算，Rb取0.1 mΩ。綜合考慮電阻的制作、功率消耗、電阻的精度等，選用Rb為1 mΩ。此時(shí)每個(gè)均流電阻消耗功率為0.6 W，2個(gè)均流電阻消耗功率約1.2 W。

2.3 交直流合成系統(tǒng)

交直流合成系統(tǒng)由大容量無(wú)極性電容器組和大電流接線(xiàn)端子組成，通過(guò)隔直電容器組將電流回路分為交流回路和直流回路，從而實(shí)現(xiàn)交流大電流和直流電流的疊加。

隔直電容器組設(shè)計(jì)采用的大容量無(wú)極性隔直電容的參數(shù)為：耐壓值25 V；串聯(lián)等效電阻（ESR）為3 mΩ；標(biāo)準(zhǔn)容量為0.2 F；允許偏差為±20%；最高工作溫度為105℃。采用100個(gè)該種無(wú)極性電容器并聯(lián)［14］，額定交流電流大小為5000 A，平均每個(gè)電容器通過(guò)的電流為50 A，發(fā)熱功率為7.5 W，100個(gè)電容的總損耗約為750 W?？紤]為電容加散熱裝置，一方面有利于試驗(yàn)的安全性，另一方面可以延長(zhǎng)電容的使用壽命。

隔直電容器組設(shè)計(jì)采用分組電容設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)中采用小容量無(wú)極性電容并聯(lián)分組方式，分為多組，并采用冗余設(shè)計(jì)，一部分電容器組故障，其他電容器組也能維持系統(tǒng)正常工作。每個(gè)電容器組采用電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)該電容器組過(guò)流、失流時(shí)，則通過(guò)監(jiān)控與分析系統(tǒng)控制調(diào)壓器動(dòng)作，并報(bào)警指示。切除故障電容器組后，升流系統(tǒng)可繼續(xù)工作，保證系統(tǒng)可靠性和安全性。

2.4 監(jiān)控與分析系統(tǒng)

監(jiān)控與分析系統(tǒng)采用高可靠性工控機(jī)和多通道數(shù)據(jù)采集輸出卡構(gòu)成智能監(jiān)控保護(hù)終端，配置相應(yīng)的電流、電壓、溫度等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)交直流合成大電流發(fā)生系統(tǒng)工作狀態(tài)，分析各個(gè)監(jiān)控環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并能做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，從而保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可控性和安全性。

監(jiān)控與分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能。

a.電容器組電流監(jiān)測(cè)與保護(hù)：通過(guò)智能監(jiān)控保護(hù)終端實(shí)時(shí)采集各路各電容器組電流波形，監(jiān)測(cè)該電容器組的工作情況，出現(xiàn)故障則切斷系統(tǒng)電源。

b.電容器組溫度監(jiān)測(cè)與過(guò)熱保護(hù)：電容柜采用溫控系統(tǒng)，當(dāng)電容器工作溫度上升到一定程度時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，防止工作溫升而引起故障。

c.交流大電流支路電流、直流電流支路電流、交直流合成支路電流監(jiān)測(cè)與保護(hù)：通過(guò)檢測(cè)交流回路電流、直流回路電流以及公共支路電流，來(lái)判斷整個(gè)升流器系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如有鐵磁諧振、諧波過(guò)大等情況，能及時(shí)報(bào)警，保證升流器系統(tǒng)工作時(shí)的安全性和可靠性。

d.被測(cè)電流互感器兩端電壓監(jiān)測(cè)與保護(hù)：采用電壓傳感器監(jiān)測(cè)被測(cè)電流互感器兩端電壓值，識(shí)別接線(xiàn)連接錯(cuò)誤或者被測(cè)電流互感器測(cè)試工作過(guò)程中的問(wèn)題，并實(shí)施保護(hù)。

2.5 試驗(yàn)線(xiàn)路連接故障分析

試驗(yàn)時(shí)如果發(fā)生線(xiàn)路的意外開(kāi)路，有可能造成試驗(yàn)無(wú)法順利進(jìn)行，但不會(huì)有安全問(wèn)題，分析如下。

試驗(yàn)電路主要有交流電源側(cè)支路、直流電源側(cè)支路、被測(cè)電流互感器支路這3條支路（下文分別以支路①、②、③表示）。現(xiàn)討論若某支路發(fā)生接線(xiàn)故障而未接入到電路中的情況。

若支路①未接入電路，如圖6所示，只有直流電流源加在被測(cè)電流互感器上，升流器二次側(cè)開(kāi)路。因?yàn)樯髌鞯念~定開(kāi)口電壓僅為10 V，所以不存在安全問(wèn)題。

圖6 接線(xiàn)故障電路圖Fig.6 Schematic diagram of wiring fault

若支路②未接入電路，只有交流電流源加在被測(cè)電流互感器上，直流電流源開(kāi)路。直流電流源中功率放大器的供電電源僅為±10 V，所以開(kāi)路時(shí)電流源輸出端口的電壓不會(huì)超過(guò)±10V，不存在安全問(wèn)題。

若支路③未接入電路，升流器二次側(cè)和直流電流源通過(guò)隔直電容連接在一起。由于隔直電容的存在，直流電流源相當(dāng)于開(kāi)路，如前文所述，開(kāi)路時(shí)不存在安全問(wèn)題。升流器的負(fù)載為隔直電容和直流電流源，由于直流電流源的阻抗很大，升流器近似于開(kāi)路，其二次側(cè)電流將會(huì)非常小。

綜上所述，試驗(yàn)過(guò)程中，如出現(xiàn)接線(xiàn)故障或意外開(kāi)路情況，則不構(gòu)成良好的電流回路，試驗(yàn)無(wú)法順利進(jìn)行，但不會(huì)引起設(shè)備損壞以及其他的安全問(wèn)題。只要解決故障，試驗(yàn)可以繼續(xù)進(jìn)行。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

測(cè)試目的是通過(guò)采集交流電流支路、直流電流支路、合成電流支路的波形數(shù)據(jù)，并進(jìn)行FFT數(shù)據(jù)分析，從而得到各個(gè)支路的直流電流及工頻電流情況。該測(cè)試中交流電流支路和合成電流支路采用準(zhǔn)確度為0.5%、額定電流為5000 A的霍爾電流傳感器來(lái)采集電流波形；直流電流支路采用準(zhǔn)確度為0.5%、額定電流為50 A的霍爾電流傳感器來(lái)采集電流波形。最后通過(guò)NI公司的24位高精度數(shù)據(jù)采集卡采集各個(gè)支路波形數(shù)據(jù)，并通過(guò)LABVIEW平臺(tái)編程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析。

當(dāng)直流電流的變化范圍為0～50 A、交流電流的變化范圍為0～5000 A時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各支路電流波形數(shù)據(jù)FFT分析Tab.1 FFT analysis of current waveform for different branches

a.直流電流分析。

從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看：I3DC=I1DC+I2DC，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，直流電流源輸出變化時(shí)，交流源支路中直流電流很小，且I1DC≈0，如圖7所示。而直流支路直流電流和合成電流支路直流電流值相差很小，說(shuō)明直流電流源的直流電流不會(huì)流經(jīng)升流器回路，而是流經(jīng)合成電流支路，構(gòu)成直流電流回路。

圖7 交流電流支路直流電流分析Fig.7 DC analysis of AC branch

b.交流電流分析。

從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看：I3AC=I1AC+I2AC，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，升流器交流電流輸出變化時(shí)，直流電流源支路中交流電流很小，即I2AC≈0，如圖8所示。

直流支路中工頻電流值最大值為0.19 A，交流支路工頻電流和合成支路工頻電流值相差很小，說(shuō)明升流器輸出的交流大電流不會(huì)流經(jīng)直流電流源，不會(huì)影響直流電流源的工作，而是流經(jīng)合成電流支路，構(gòu)成交流電流回路。

圖8 直流電流支路交流電流分析Fig.8 AC analysis of DC branch

c.合成電流支路分析。

由合成電流支路電流FFT分析可知，直流分量等于直流源支路直流電流，50 Hz工頻分量等于交流源支路工頻電流，合成支路電流為交流源電流和直流源電流的疊加。

4 結(jié)論

本裝置采用電容隔直的技術(shù)方案，通過(guò)大容量無(wú)極性電容器組通交流阻直流的電流特性，使得裝置中形成交流電流源回路和直流電流源回路，從而能夠形成交直流疊加的單匝共同支路，交流電流和直流電流同時(shí)流過(guò)該支路，同時(shí)交流電流源和直流電流源互不影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流合成支路中流過(guò)被測(cè)電流互感器的電流為5 000 A交流電流和50 A直流電流的疊加，能夠開(kāi)展相關(guān)電流互感器直流偏磁和剩磁相關(guān)特性的試驗(yàn)研究。