一種直流電壓互感器的低壓現場校驗方法*

聶 琪，胡浩亮，劉少波，李登云，曾非同

(中國電力科學研究院有限公司 計量研究所，武漢 430074)

本文針對現場校驗中仍存在的問題，提出了一種基于低壓等效法的直流電壓互感器現場校驗方法.采用二次測量系統的獨立校驗替代直流電壓互感器整體誤差校驗方法，從理論與實際上進行了校驗試驗，證明了該現場校驗方法可以實現直流電壓互感器的準確校驗，可以大幅降低現場校驗工作量，縮短校驗周期，避免直流高壓電源和標準器長時間運行及反復升降壓操作，降低現場校驗帶來的安全隱患風險.

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構，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、傳輸電纜和二次測量系統組成，其中分壓器本體由一系列電阻電容串并聯構成高壓臂和低壓臂.通過高、低壓臂將高壓側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

使用高穩定度直流高壓電源給標準直流電壓互感器和被測直流電壓互感器的分壓器施加高電壓信號，將被測直流電壓互感器二次測量系統的輸出信號與標準直流電壓互感器的輸出信號輸入到直流互感器校驗儀中進行直接比對，獲得被測直流電壓互感器的誤差為

(1)

式中：Ux為折算后的被測直流電壓互感器的一次電壓測量值；U0為折算后的標準直流電壓互感器的一次電壓測量值.

由于二次測量系統為獨立多通道輸出，因此每臺直流電壓互感器需要進行多次誤差試驗.本文分別對直流電壓互感器的直流分壓器、傳輸電纜和二次測量系統進行誤差分析，并對基于低壓等效法的現場校驗方法進行可行性分析.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H1(jw)為

(2)

直流分壓器在高頻時主要為電容分壓，低頻時主要為電阻分壓，通過選取合適的電阻電容，使C2R2=C1R1，傳遞函數的值與頻率無關，分壓器可以測量直流電壓中各種頻率的諧波成分.此外，現場校驗時，由高穩直流高壓電源施加直流電壓，諧波成分較小，近似認為

(3)

假設直流分壓器本體的分壓比為k0，則直流分壓器的電壓轉換誤差為

(4)

理論上，當k0=U1/U2=(R2+R1)/R2時，ε0=0.實際工程中，由于電阻易受環境溫度、電磁場老化等影響，電阻R1和R2阻值會發生變化.此外，直流分壓器低壓臂電阻R2與傳輸電纜、二次測量系統的輸入電阻等串并聯，導致實際的低壓臂復合電阻未知，因此，需要測量計算出直流分壓器的實際分壓比，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度的電阻、電感、電導和電容，ZL為負載阻抗.

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為

(5)

式中：Zc為特征阻抗；γ為傳播常數；l為電纜的長度.

電纜的電壓反射系數為

Γ=(ZL-Zc)/(ZL+Zc)

(6)

當ZL=Zc時，功率在電纜上實現無損傳輸，同軸電纜的傳遞函數只取決于電纜自身參數，實際工程中選取的ZL比Zc大得多.此時，傳輸電纜上電壓損耗較小，低于0.1%.在傳輸直流電壓時，電壓損耗最小[10].本文在對某中性線100 kV直流電壓互感器現場誤差校驗時，并對其傳輸電纜進行了電壓損耗影響試驗.利用直流高壓電源給直流分壓器施加10%～100%的額定電壓，使用數字多用表同步測量傳輸電纜兩端的電壓值，并進行比較，試驗數據如表1所示.

表1 1 100 kV直流互感器二次測量系統誤差數據Tab.1 Error data of secondary measurement system of 1 100 kV DC transformer

試驗數據顯示，相對準確度等級為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，最大電壓損耗約為0.03%，直流電壓互感器現場校驗時可以忽略傳輸電纜的電壓損耗.

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

本文提出的基于低壓等效法的直流電壓互感器現場校驗方法關鍵在于：1)準確測量直流分壓器的分壓比，使直流分壓器的誤差近似為零；2)根據測量的直流分壓器分壓比，計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量系統的額定輸入電壓，對二次測量系統進行誤差校驗試驗.

2 直流電壓互感器現場校驗方案

本文首先對直流分壓器本體進行試驗，校驗原理如圖4所示.使用兩塊數字多用表對標準通道和被測通道的模擬電壓進行同步測量，上位機用于數據處理及誤差計算.校驗時，校驗儀通過軟件總線同步觸發指令進行同步.

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

使用直流互感器校驗儀測量標準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為標準直流電壓互感器輸出電壓測量值；U3為被測直流電壓互感器分壓器低壓臂輸出電壓測量值.

進行直流電壓互感器分壓器本體試驗時，需要考慮直流互感器校驗儀測量通道阻抗對測量結果的影響.假設校驗儀的測量通道阻抗為R，通過數字多用表的電阻檔測量直流分壓器連接傳輸電纜和二次測量系統時，低壓臂的實際輸出阻抗為R0，則校驗時直流分壓器低壓臂輸出阻抗為

(8)

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

(9)

去除校驗儀測量通道阻抗影響后，直流分壓器的實際分壓比為

K′=K(1+ε1)

(10)

假設被測直流電壓互感器的額定電壓為UN，根據直流電壓互感器額定電壓和其直流分壓器的實際分壓比，計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量系統的額定輸入電壓，開展二次測量系統的誤差校驗試驗，其校驗原理如圖5所示.

圖5 直流電壓互感器二次測量系統誤差校驗原理

在直流分壓器、傳輸電纜和二次測量系統連接的情況下，采用標準直流電壓源施加標準直流電壓到二次測量系統的輸入端.同時利用回讀功能對其進行采樣，使用數字多用表對二次測量系統的輸出電壓進行同步采樣，通過上位機計算二次測量系統的電壓轉換誤差為

(12)

式中：k2為被測直流電壓互感器二次測量系統的額定電壓轉換系數；U′40為被測直流電壓互感器二次測量系統的輸出電壓測量值；U′4為被測直流電壓互感器二次測量系統的輸入電壓.依次對直流電壓互感器的全部通道的二次測量系統進行誤差校驗，在直流電壓互感器二次測量系統輸入額定電壓的10%～100%情況下，測量其誤差得到的結果即可作為直流電壓互感器的整體誤差.

3 直流電壓互感器現場校驗

利用本文提出的校驗方法，針對昌吉±1 100 kV換流站的全部極母線1 100 kV和中性線100 kV直流電壓互感器進行現場校驗，并采用整體誤差校驗方法進行試驗驗證，現場校驗圖如圖6所示.

圖6 ±1 100 kV換流站直流電壓互感器現場校驗Fig.6 Field calibration of DC voltage transformer in ±1 100 kV converter station

選取某試品試驗數據對本文提出的現場校驗方法進行闡述分析，兩個試品關鍵技術參數如表2所示.分別對兩個試品進行二次測量系統誤差校驗與整體誤差校驗，誤差結果分別如圖7、8所示.

表2 試品關鍵技術參數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

由試驗結果可知，兩種校驗方法測量的誤差曲線趨勢基本一致.本文提出的校驗方法測量的誤差相比現有的整體誤差校驗方法測量的誤差偏大，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設備的測量不確定度，可以認為本文所提出的現場校驗方法與整體誤差校驗方法效果基本一致.

4 結 論

本文提出的基于低壓等效法的直流電壓互感器現場校驗方法與現有的整體誤差校驗方法測量的誤差小于0.05%，通過在低壓下對直流電壓互感器二次測量系統的獨立誤差校驗，實現了直流電壓互感器的誤差校驗.在實際的現場校驗中，可以有效縮減現場校驗時間、減少工作量.在二次測量系統誤差超差時，使用低壓標準直流電壓源進行誤差調節可以避免現有校驗方法中直流高壓電源和標準器長時間運行及反復升降壓操作所帶來的安全隱患.該校驗技術在特高壓直流現場校驗中具有一定的優勢，但與現有的整體誤差校驗技術測量的結果仍存在微小偏差，后續研究將對該校驗技術誤差來源進行分析.