一種直流分壓器二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置研究

梁秉崗 楊學(xué)廣

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

1 直流分壓器典型結(jié)構(gòu)介紹

高壓直流輸電工程中一般采用直流分壓器來(lái)對(duì)高壓直流母線電壓進(jìn)行測(cè)量，其原理如圖1所示，直流分壓器由高壓臂、低壓臂、二次分壓板、遠(yuǎn)端模塊4部分組成。其中高壓臂與低壓臂串聯(lián)組成阻容分壓的電路，將直流高壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，二次分壓板進(jìn)一步將低壓臂輸出的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，送各遠(yuǎn)端模塊（Sensor）進(jìn)行采樣，遠(yuǎn)端模塊將采集的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纖送到相應(yīng)的直流測(cè)量系統(tǒng)，再通過(guò)測(cè)量總線送給控制保護(hù)系統(tǒng)。

圖1 直流分壓器電氣原理圖

2 直流分壓器異常情況的典型表現(xiàn)形式

目前直流分壓器主要故障表象為直流電壓測(cè)量異常，從直流分壓器的原理結(jié)構(gòu)可知，各組成元件（高壓臂、低壓臂、二次分壓板、遠(yuǎn)端模塊）的阻抗出現(xiàn)異常均有可能導(dǎo)致直流分壓器輸出的電壓測(cè)量值異常。

高壓臂故障以內(nèi)部放電、外絕緣閃絡(luò)等不可恢復(fù)性故障為主，其故障特征明顯，一般可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高壓試驗(yàn)進(jìn)行判別。

二次分壓板、遠(yuǎn)端模塊的故障多半表現(xiàn)為直流分壓器某一通道輸出值與其余通道不一致。故障錄波繼電保護(hù)測(cè)試儀均為電壓電流源，現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)在直流分壓器的低壓臂兩端進(jìn)行二次加壓試驗(yàn)，定位出故障元件。

低壓臂故障，主要特征為分壓器各測(cè)量通道輸出的電壓一致，但與實(shí)際值存在偏差。現(xiàn)場(chǎng)一般通過(guò)理論計(jì)算直流電壓值與直流測(cè)量系統(tǒng)電壓值不一致來(lái)判斷出現(xiàn)電壓測(cè)量異常，但對(duì)于檢修后異常是否消除缺乏有效檢測(cè)手段。若開(kāi)展分壓比試驗(yàn)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制所施加的電壓低、精度不高，結(jié)果參考意義不大；通過(guò)直流系統(tǒng)開(kāi)展OLT試驗(yàn)，則需直流系統(tǒng)復(fù)電，不便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維。綜上，亟需研制一款能對(duì)低壓臂故障進(jìn)行快速測(cè)試的檢測(cè)裝置。

3 二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)前文對(duì)特高壓直流分壓器異常情況典型表現(xiàn)形式的分析，此次對(duì)電子式直流分壓器二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置的研制要求如下：

（1）設(shè)備主功能：該設(shè)備留有兩個(gè)接線處，只需將接線處與低壓臂兩端相接，即可得到其阻抗大小，包括等效并聯(lián)電容與等效并聯(lián)電阻大小，電阻測(cè)量范圍為10 kΩ～10 MΩ，電容測(cè)量范圍為100 nF～10 μF，預(yù)期精度可達(dá)0.1%。

（2）自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)及自動(dòng)識(shí)別功能：能夠設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)記錄存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果，能夠根據(jù)測(cè)試結(jié)果自動(dòng)甄別直流分壓器的二次板卡部分是否正常，并關(guān)聯(lián)告警指示燈或告警音響。

（3）便攜性：自帶LCD顯示屏，能顯示測(cè)試結(jié)果及電池電量等信息；使用電池供電；體積不宜超過(guò)常規(guī)萬(wàn)用表體積。

4 二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案選擇

根據(jù)上述電子式直流分壓器二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置需滿足的設(shè)計(jì)要求，此次研制的電子式直流分壓器二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置的測(cè)量系統(tǒng)整體框圖如圖2所示，包括激勵(lì)信號(hào)源、測(cè)試網(wǎng)絡(luò)、24位高精度ADC、整形電路、邏輯門(mén)電路、LCD顯示模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、主控制器模塊和上位機(jī)等部分。

為更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境及結(jié)果，在設(shè)計(jì)之初，有以下兩個(gè)方案供選擇考慮，下面將從原理上以及工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)分析兩個(gè)方案的利弊。

方案一：系統(tǒng)給一固定交流信號(hào)激勵(lì)源，根據(jù)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)值的大小，選擇給10 Hz交流激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量交流信號(hào)幅值和相位的變化，計(jì)算阻抗大小。由圖1中測(cè)量網(wǎng)絡(luò)可得輸入、輸出關(guān)系如式（1）所示：

圖2 電子式直流分壓器二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置整體方案框架

由式（1）可得相位與幅值關(guān)系如式（2）和式（3）所示：

其中幅值關(guān)系可通過(guò)24位高精度ADC采集得到，相位關(guān)系可通過(guò)整形電路、邏輯門(mén)電路得到一與相位相關(guān)的電平，控制器捕捉電平寬度得到相位變化大小。通過(guò)列方程組（式（2）與式（3）），解方程組得到Cx和Rx大小。

方案二：系統(tǒng)首先選擇激勵(lì)源為直流激勵(lì)源，通過(guò)測(cè)量輸入、輸出大小變化，計(jì)算被測(cè)網(wǎng)絡(luò)直流條件下阻抗，即等效電阻Rx大小，此時(shí)輸入、輸出關(guān)系如式（4）所示，輸入、輸出大小通過(guò)24位高精度ADC采集得到，然后代入式（4）計(jì)算得到Rx大小。

得到電阻值Rx大小后，將激勵(lì)源換為10 Hz交流激勵(lì)，測(cè)量輸入、輸出端的相位差，將Rx電阻值大小和相位差θ代入式（2）即可得Cx大小：

上述兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：方案一優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，每一個(gè)周期即100 ms可測(cè)量一次。缺點(diǎn)是測(cè)量精度差，由于相位變化與電容電阻變化的非線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，很大的電容和電阻變化才能引起一定的相位變化，這導(dǎo)致了測(cè)量精度無(wú)法提高；而整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度下降。方案二與方案一相反，缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，激勵(lì)源每切換一次需要等待信號(hào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，需要幾秒才能完成一個(gè)測(cè)量周期，但卻保證了測(cè)量精度，在測(cè)電阻大小時(shí)，由于采用的是直流激勵(lì)，可忽略電容的影響，測(cè)量精度大大提高，保證了電阻的精度，只要能精確測(cè)量相位變化，就能很好地測(cè)量電容的大小。針對(duì)本研究目的，最關(guān)心的是低壓臂和二次分壓板的直流阻抗特性和整體測(cè)量精度，結(jié)合以上兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本項(xiàng)目采用方案二。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種直流分壓器二次分壓設(shè)備快速檢測(cè)裝置的研制，其在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用簡(jiǎn)單快捷，只需將裝置測(cè)試表筆與直流分壓器的低壓臂兩端連接，并實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的通信功能，能自動(dòng)保存低壓臂的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)試數(shù)據(jù)，該裝置的研制極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工作的開(kāi)展。