聶 琪，胡浩亮，劉少波，李登云，曾非同

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 計(jì)量研究所，武漢 430074)

本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)中仍存在的問題，提出了一種基于低壓等效法的直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法.采用二次測(cè)量系統(tǒng)的獨(dú)立校驗(yàn)替代直流電壓互感器整體誤差校驗(yàn)方法，從理論與實(shí)際上進(jìn)行了校驗(yàn)試驗(yàn)，證明了該現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法可以實(shí)現(xiàn)直流電壓互感器的準(zhǔn)確校驗(yàn)，可以大幅降低現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)工作量，縮短校驗(yàn)周期，避免直流高壓電源和標(biāo)準(zhǔn)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及反復(fù)升降壓操作，降低現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)帶來的安全隱患風(fēng)險(xiǎn).

1 直流電壓互感器工作原理及誤差分析

直流換流站中，直流電壓互感器通常采用阻容分壓原理結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖1所示.直流電壓互感器一般由分壓器本體、傳輸電纜和二次測(cè)量系統(tǒng)組成，其中分壓器本體由一系列電阻電容串并聯(lián)構(gòu)成高壓臂和低壓臂.通過高、低壓臂將高壓側(cè)母線的直流高電壓分壓為幾十伏的直流電壓，然后輸出到傳輸電纜.

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

使用高穩(wěn)定度直流高壓電源給標(biāo)準(zhǔn)直流電壓互感器和被測(cè)直流電壓互感器的分壓器施加高電壓信號(hào)，將被測(cè)直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)的輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)直流電壓互感器的輸出信號(hào)輸入到直流互感器校驗(yàn)儀中進(jìn)行直接比對(duì)，獲得被測(cè)直流電壓互感器的誤差為

(1)

式中：Ux為折算后的被測(cè)直流電壓互感器的一次電壓測(cè)量值；U0為折算后的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓互感器的一次電壓測(cè)量值.

由于二次測(cè)量系統(tǒng)為獨(dú)立多通道輸出，因此每臺(tái)直流電壓互感器需要進(jìn)行多次誤差試驗(yàn).本文分別對(duì)直流電壓互感器的直流分壓器、傳輸電纜和二次測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，并對(duì)基于低壓等效法的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法進(jìn)行可行性分析.直流電壓互感器分壓器的等效電路如圖2所示.

圖2 直流電壓互感器阻容分壓器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of resistance-capacitor voltage divider of DC voltage transformer

圖2中，R1和C1為高壓臂等效電阻及電容，R2和C2為低壓臂等效電阻與電容.直流電壓互感器分壓器的傳遞函數(shù)H1(jw)為

(2)

直流分壓器在高頻時(shí)主要為電容分壓，低頻時(shí)主要為電阻分壓，通過選取合適的電阻電容，使C2R2=C1R1，傳遞函數(shù)的值與頻率無關(guān)，分壓器可以測(cè)量直流電壓中各種頻率的諧波成分.此外，現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)，由高穩(wěn)直流高壓電源施加直流電壓，諧波成分較小，近似認(rèn)為

(3)

假設(shè)直流分壓器本體的分壓比為k0，則直流分壓器的電壓轉(zhuǎn)換誤差為

(4)

理論上，當(dāng)k0=U1/U2=(R2+R1)/R2時(shí)，ε0=0.實(shí)際工程中，由于電阻易受環(huán)境溫度、電磁場(chǎng)老化等影響，電阻R1和R2阻值會(huì)發(fā)生變化.此外，直流分壓器低壓臂電阻R2與傳輸電纜、二次測(cè)量系統(tǒng)的輸入電阻等串并聯(lián)，導(dǎo)致實(shí)際的低壓臂復(fù)合電阻未知，因此，需要測(cè)量計(jì)算出直流分壓器的實(shí)際分壓比，使ε0≈0，獲得直流分壓器額定輸出電壓.

直流電壓互感器傳輸電纜的等效電路如圖3所示.Rc、Lc、Gc、Cc分別為傳輸電纜單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)和電容，ZL為負(fù)載阻抗.

圖3 傳輸電纜等效電路Fig.3 Equivalent circuit of transmission cable

直流電壓互感器傳輸電纜等效電路的傳遞函數(shù)為

(5)

式中：Zc為特征阻抗；γ為傳播常數(shù)；l為電纜的長(zhǎng)度.

電纜的電壓反射系數(shù)為

Γ=(ZL-Zc)/(ZL+Zc)

(6)

當(dāng)ZL=Zc時(shí)，功率在電纜上實(shí)現(xiàn)無損傳輸，同軸電纜的傳遞函數(shù)只取決于電纜自身參數(shù)，實(shí)際工程中選取的ZL比Zc大得多.此時(shí)，傳輸電纜上電壓損耗較小，低于0.1%.在傳輸直流電壓時(shí)，電壓損耗最小[10].本文在對(duì)某中性線100 kV直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差校驗(yàn)時(shí)，并對(duì)其傳輸電纜進(jìn)行了電壓損耗影響試驗(yàn).利用直流高壓電源給直流分壓器施加10%～100%的額定電壓，使用數(shù)字多用表同步測(cè)量傳輸電纜兩端的電壓值，并進(jìn)行比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 1 100 kV直流互感器二次測(cè)量系統(tǒng)誤差數(shù)據(jù)Tab.1 Error data of secondary measurement system of 1 100 kV DC transformer

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2%的直流電壓互感器而言，傳輸電纜的電壓損耗較小.在20%的額定電壓時(shí)，最大電壓損耗約為0.03%，直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)可以忽略傳輸電纜的電壓損耗.

直流電壓互感器的二次測(cè)量系統(tǒng)主要由二次分壓電路、A/D轉(zhuǎn)換、光耦隔離和D/A轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，通常A/D轉(zhuǎn)換、光耦隔離和D/A轉(zhuǎn)換集成在一片隔離運(yùn)算放大器芯片中，因此，二次測(cè)量系統(tǒng)誤差主要來源于二次分壓電路和隔離運(yùn)算放大器.本文通過同步測(cè)量法直接測(cè)量二次測(cè)量系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換誤差.

本文提出的基于低壓等效法的直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法關(guān)鍵在于：1)準(zhǔn)確測(cè)量直流分壓器的分壓比，使直流分壓器的誤差近似為零；2)根據(jù)測(cè)量的直流分壓器分壓比，計(jì)算直流分壓器的額定輸出電壓；3)將直流分壓器的額定輸出電壓作為二次測(cè)量系統(tǒng)的額定輸入電壓，對(duì)二次測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行誤差校驗(yàn)試驗(yàn).

2 直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方案

本文首先對(duì)直流分壓器本體進(jìn)行試驗(yàn)，校驗(yàn)原理如圖4所示.使用兩塊數(shù)字多用表對(duì)標(biāo)準(zhǔn)通道和被測(cè)通道的模擬電壓進(jìn)行同步測(cè)量，上位機(jī)用于數(shù)據(jù)處理及誤差計(jì)算.校驗(yàn)時(shí)，校驗(yàn)儀通過軟件總線同步觸發(fā)指令進(jìn)行同步.

圖4 直流電壓互感器分壓器試驗(yàn)Fig.4 Test of DC voltage transformer divider

使用直流互感器校驗(yàn)儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)直流電壓互感器和直流電壓互感器分壓器低壓臂輸出電壓，直流分壓器的分壓比為

(7)

式中：U03為標(biāo)準(zhǔn)直流電壓互感器輸出電壓測(cè)量值；U3為被測(cè)直流電壓互感器分壓器低壓臂輸出電壓測(cè)量值.

進(jìn)行直流電壓互感器分壓器本體試驗(yàn)時(shí)，需要考慮直流互感器校驗(yàn)儀測(cè)量通道阻抗對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.假設(shè)校驗(yàn)儀的測(cè)量通道阻抗為R，通過數(shù)字多用表的電阻檔測(cè)量直流分壓器連接傳輸電纜和二次測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，低壓臂的實(shí)際輸出阻抗為R0，則校驗(yàn)時(shí)直流分壓器低壓臂輸出阻抗為

(8)

由校驗(yàn)儀測(cè)量通道阻抗引起的被測(cè)直流電壓互感器分壓器低壓臂輸出電壓的測(cè)量誤差為

(9)

去除校驗(yàn)儀測(cè)量通道阻抗影響后，直流分壓器的實(shí)際分壓比為

K′=K(1+ε1)

(10)

假設(shè)被測(cè)直流電壓互感器的額定電壓為UN，根據(jù)直流電壓互感器額定電壓和其直流分壓器的實(shí)際分壓比，計(jì)算出直流分壓器低壓臂的額定輸出電壓為

(11)

以直流分壓器低壓臂的額定輸出電壓U4作為直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)的額定輸入電壓，開展二次測(cè)量系統(tǒng)的誤差校驗(yàn)試驗(yàn)，其校驗(yàn)原理如圖5所示.

圖5 直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)誤差校驗(yàn)原理

在直流分壓器、傳輸電纜和二次測(cè)量系統(tǒng)連接的情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源施加標(biāo)準(zhǔn)直流電壓到二次測(cè)量系統(tǒng)的輸入端.同時(shí)利用回讀功能對(duì)其進(jìn)行采樣，使用數(shù)字多用表對(duì)二次測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行同步采樣，通過上位機(jī)計(jì)算二次測(cè)量系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換誤差為

(12)

式中：k2為被測(cè)直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)的額定電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)；U′40為被測(cè)直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓測(cè)量值；U′4為被測(cè)直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)的輸入電壓.依次對(duì)直流電壓互感器的全部通道的二次測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行誤差校驗(yàn)，在直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)輸入額定電壓的10%～100%情況下，測(cè)量其誤差得到的結(jié)果即可作為直流電壓互感器的整體誤差.

3 直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)

利用本文提出的校驗(yàn)方法，針對(duì)昌吉±1 100 kV換流站的全部極母線1 100 kV和中性線100 kV直流電壓互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，并采用整體誤差校驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)圖如圖6所示.

圖6 ±1 100 kV換流站直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)Fig.6 Field calibration of DC voltage transformer in ±1 100 kV converter station

選取某試品試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文提出的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法進(jìn)行闡述分析，兩個(gè)試品關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表2所示.分別對(duì)兩個(gè)試品進(jìn)行二次測(cè)量系統(tǒng)誤差校驗(yàn)與整體誤差校驗(yàn)，誤差結(jié)果分別如圖7、8所示.

表2 試品關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Tab.2 Key technical parameters of testers

圖7 1 100 kV直流電壓互感器誤差比較Fig.7 Comparison of errors for 1 100 kV DC voltage transformer

圖8 100 kV直流電壓互感器誤差比較Fig.8 Comparison of errors for 100 kV DC voltage transformer

由試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種校驗(yàn)方法測(cè)量的誤差曲線趨勢(shì)基本一致.本文提出的校驗(yàn)方法測(cè)量的誤差相比現(xiàn)有的整體誤差校驗(yàn)方法測(cè)量的誤差偏大，但誤差偏差最大不超過0.05%，小于試品誤差限值.經(jīng)分析，存在的誤差偏差可能來源于忽略的傳輸電纜的電壓損耗以及校驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量不確定度，可以認(rèn)為本文所提出的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法與整體誤差校驗(yàn)方法效果基本一致.

4 結(jié) 論

本文提出的基于低壓等效法的直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法與現(xiàn)有的整體誤差校驗(yàn)方法測(cè)量的誤差小于0.05%，通過在低壓下對(duì)直流電壓互感器二次測(cè)量系統(tǒng)的獨(dú)立誤差校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了直流電壓互感器的誤差校驗(yàn).在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)中，可以有效縮減現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)間、減少工作量.在二次測(cè)量系統(tǒng)誤差超差時(shí)，使用低壓標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)可以避免現(xiàn)有校驗(yàn)方法中直流高壓電源和標(biāo)準(zhǔn)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及反復(fù)升降壓操作所帶來的安全隱患.該校驗(yàn)技術(shù)在特高壓直流現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)中具有一定的優(yōu)勢(shì)，但與現(xiàn)有的整體誤差校驗(yàn)技術(shù)測(cè)量的結(jié)果仍存在微小偏差，后續(xù)研究將對(duì)該校驗(yàn)技術(shù)誤差來源進(jìn)行分析.