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. 中國電力科學研究院有限公司 計量研究所， 武漢 430074； 2. 華中科技大學 電氣與電子工程學院， 武漢 430074)

200 kV直流電壓互感器是測量高壓直流輸電系統電壓的重要設備，為系統的控制與保護提供了準確、可靠的電壓測量信息[1-3].由于阻容分壓器具有幅頻特性好、線性度高及響應特性好等優點，且阻容分壓器測量的頻帶范圍較寬，基本覆蓋從直流、工頻到沖擊電壓的全部測量電壓范圍.因此，以阻容分壓器為基礎的阻容分壓式直流電壓互感器得到了廣泛的應用[4].

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

針對電壓互感器內部的阻抗匹配問題，國內外學者已進行一定的研究.段梅梅等[7]設計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量系統的阻抗匹配情況，研究了測量系統阻抗不匹配對分壓器分壓比和測量波形振蕩的影響.劉偉蓮[9]從高壓引線、同軸電纜兩個方面研究電阻分壓器在納秒高壓脈沖測量中的阻抗匹配問題.綜上可知，目前針對互感器阻抗匹配的研究，大多數集中在電阻分壓器在脈沖測量試驗中的阻抗匹配問題.而對阻容分壓式直流電壓互感器阻抗匹配的研究仍不夠充分.

本文通過對阻容分壓式直流電壓互感器工作原理的研究，依據實際參數建立阻容分壓式直流電壓互感器的MATLAB仿真模型.探究互感器內部的阻抗匹配情況，通過實驗測試互感器合并單元的阻抗匹配效果.最后，提出針對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，由多級電阻和電容進行串并聯構成.合并單元模塊包括：二次分壓回路、轉換模塊及數據合并單元.低壓測量信號經由二次分壓回路轉換為更低電壓等級的直流電壓信號，經由數模轉換、數據合并、光纖傳輸等信號處理后輸出符合國家標準要求的模擬信號或數字信號.

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并聯組成RC網絡來實現.

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部的二次分壓，二次分壓電路位于合并單元模塊內部.對阻容分壓器輸出的低壓信號進行進一步分壓，并轉換為多路相互獨立的信號輸出.設二次分壓比為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

當傳輸電纜末端阻抗不匹配時，測量信號會在電纜末端發生反射.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到千歐姆級，遠大于電纜特征阻抗.傳輸電纜末端反射系數較大，末端反射波也較大，入射信號波疊加反射波會出現振蕩，造成信號失真，嚴重影響互感器測量的準確度.因此，有必要針對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、電流是該點的入射波、反射波的疊加，該位置的電壓反射系數為反射波與入射波的比值.阻抗匹配的基本原理是使負載阻抗等于傳輸線特性阻抗，從而使得反射系數為0.傳輸線上僅存在從首端向末端行進的入射波而無反射波，傳輸信號不會失真，且電磁能量最大程度地被負載所吸收[10].

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

圖2 典型分壓器測量系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement system of typical voltage divider

實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.同時電纜的首末兩端應焊在專門的插頭上，該插頭的接地外套以規范的螺絲連接方式或以導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.兩端部的連接務必規范化，切忌使用長連線代替插頭，否則會在波形測量中帶來異常振蕩.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仿真元件庫中的PI Section Line傳輸線元件仿真；合并單元模型依據互感器的實際結構建立，采用Simulink仿真元件庫的各模塊組成.仿真模型中遠端模塊數模轉換器采用16位轉換模塊實現，利用雙重化采樣比較技術，保證了全量程的測量精度；光電轉換及電光轉換采用光電耦合器進行模擬.

仿真模型各部分參數依據實際的XRC-200阻容分壓式直流電壓互感器參數建立.主要參數選取如表1所示.

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

由表1參數可知，對應圖1中Cc=2 250 pF、R=232 kΩ、C=1.56 μF，代入互感器實際參數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，可以直觀地觀測到電壓波形的振蕩情況.設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.為進一步驗證互感器內部阻抗匹配的效果，本文采用200 kV阻容分壓式直流電壓互感器試品進行了阻抗匹配的測試實驗.

2.3 阻抗匹配實驗測試

阻容分壓式直流電壓互感器阻抗匹配測試實驗的原理接線圖如圖4所示.

圖4 實驗電路接線原理圖Fig.4 Wiring principle of experimental circuit

實驗采用額定電壓等級200 kV的方波電壓發生器輸出幅值為20 kV的階躍信號波作為輸入測量信號，標準電容分壓器與XRC-200阻容分壓式直流電壓互感器并聯接入實驗電路.標準電容分壓器和阻容式直流電壓互感器額定電壓等級均為200 kV，分壓比均為20 000∶1.分別進行兩次階躍響應實驗作為對照，研究互感器合并單元的阻抗匹配情況.

實驗1中阻容分壓式電壓互感器未連接合并單元，直接通過示波器測量標準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.此時示波器測量得到輸出電壓如圖5所示.

圖5 實驗1示波器輸出電壓Fig.5 Output voltage of oscilloscope in experiment 1

圖5中，通道1代表標準器輸出波形，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調整到10 μs得到，下同.由圖5可知，未連接合并單元時，阻容分壓式直流電壓互感器階躍響應波形出現振蕩，且有較大的過電壓.

實驗2中阻容分壓式電壓互感器連接合并單元，示波器測量標準器輸出電壓及合并單元模擬量輸出電壓如圖6所示.

圖6 實驗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波形中振蕩仍然存在，過電壓較未連接合并單元時減小.

由圖5、6對比可知，對于傳輸電纜末端阻抗失配引起的測量波形振蕩現象，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造成控制保護裝置誤動，因此有必要進一步采取措施消除振蕩.

3 阻抗匹配措施

阻抗失配會導致測量信號的畸變與失真，造成電壓測量的不準確.當前常用的經濟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象[11].國標GB/T 14549-1993中規定在電力系統繼電保護和計量中一般要求保留19次以下的諧波，因此采用一個低通、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RC無源濾波器

一階RC無源低通濾波器電路是通過將一個電阻與信號通路串聯，并將一個電容器與負載并聯而實現的.信號從電阻一側輸入，從電容兩端輸出電壓.此時輸出電壓對輸入電壓的傳輸系數為

(4)

由此得到傳輸系數的幅頻特性和相頻特性分別為

(5)

φ(ω)=-arctan(ωRC)

(6)

當信號源頻率ω→0時，A(ω)=1，信號不受衰減地通過；當頻率ω較大時，A(ω)=0，信號完全被阻擋，不能通過.即該電路可通過低頻信號抑制高頻信號，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，設計的一階RC無源低通濾波器在低頻帶內幅頻特性較好，相位延時也在可接受的范圍內，可以滿足電壓互感器低通濾波的要求.

為驗證一階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為1 V.信號通過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，信號衰減較大，多數用在小電流、要求低的電路中.

3.2 加設有源濾波器

有源濾波器由運算放大器和小型的電阻、電容構成，體積比無源濾波器小.參數較無源濾波器更容易配置，能夠根據要求設計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、切比雪夫濾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越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快，且檢測精度越好，但其動態響應速度會變慢.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.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定，參數更容易配置.因此在實際的阻容分壓式直流電壓互感器設計中，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 論

阻容分壓式直流電壓互感器已隨著直流輸電系統的大規模建設而被廣泛應用，但對于直流電壓互感器內部電纜傳輸環節阻抗匹配情況的研究還較少.本文通過理論分析、實驗測試、MATLAB建模仿真研究，得出結論如下：

1) 通過仿真分析及實驗測量發現互感器內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，需采取進一步的阻抗匹配措施；

2) 采用低通濾波器作為互感器內部阻抗匹配的有效措施，通過仿真對比分析發現，相較于RC無源濾波器，二階巴特沃斯濾波器濾波特性更優，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部電纜傳輸環節的阻抗匹配情況，并針對存在問題提出了解決措施，對直流電壓互感器的設計、應用有一定的指導意義.