接地极直流电流互感器宽频特性现场试验与分析

朱梦梦，束洪春，何兆磊，林 聪，朱全聪，马御棠

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南省 昆明市 650217；2. 昆明理工大学电力工程学院,云南省 昆明市 650500；3. 云南电网有限责任公司计量中心,云南省 昆明市 650041）

0 引言

接地极线路出现故障后不仅影响直流输电系统安全运行,同时给沿接地极线路人畜安全带来隐患,换流站内作为快速感知、准确传变故障信息的直流电流互感器的宽频测量性能对接地极安全运行显得尤为重要［1-7］。实际工程中,直流电流互感器在满足直流分量传变准确度的同时,需要具备较强的宽频测量能力,特别是柔性直流输电系统中,对直流电流互感器阶跃响应、谐波传变特性指标要求更高。相关国家标准中也对直流电流互感器的误差精度、频率响应和阶跃响应提出了相应指标的要求。

文献［8］提出一种电容式电压互感器谐波试验方法,建立了宽频等效模型,并通过试验进行了验证。文献［9］建立了光纤互感器输出信号模型,理论分析其故障产生机理。文献［10］开展了柔性直流系统电子式电流互感器的暂态特性试验方法研究和装置研制。文献［11-12］开展了罗氏线圈型互感器在暂态信号传变过程中频率混叠现象的研究。目前,人们对直流电流互感器现场测试研究取得了一定成果,但对接地极直流电流互感器宽频特性现场试验方案、关键设备和同步闭环测试技术等问题尚未开展系统性研究,缺少现场试验数据及测量特性分析,业内缺乏模拟实际运行工况的现场测试研究。

针对以上问题,本文分析了接地极线路直流电流互感器的原理和实际运行工况,提出了一种大跨度量程下的宽频特性测试方法,开展了直流测量准确度、宽频特性一体化试验系统研制,克服了多类型信号高准确度采集、提取以及数据同步的难题,并在现场进行了直流电流互感器频率响应、直流分量叠加交流分量试验及分析。

1 接地极系统及直流电流互感器宽频特性分析

1.1 接地极系统及其运行工况

接地极是超（特）高压直流输电系统中不可或缺的重要组成部分［13-17］,由接地极线路和接地极极址等组成,典型常规直流工程中接地极系统及其直流电流互感器安装位置见附录A 图A1。如图A1 所示,接地极线路采用双回线铺设,主要起到牵制电流的作用,通过在换流站内安装2 个独立互感器来进行线路电流测量。在双极不平衡运行时,接地极线路中会有不平衡电流流过,一般约在几安培到几十安培,同时在互感器量测处会感知到换流器带来的谐波分量［5］。而当接地极线路发生故障时,不仅在量测端会感受到含量丰富的特征谐波,同时会有几百安的故障暂态电流,尤其在发生故障后会有大电流流入大地,对附近人畜和安全生产产生极大威胁。直流输电系统不平衡运行或者接地极线路发生故障时,接地极线路电流中均含有丰富的特征谐波,其直流电流互感器宽频测量性能直接影响接地极线路故障检测、不平衡保护以及故障定位。此外,直流系统在双极运行转为单极-大地运行时,此时接地极会流过大电流。因此,当对接地极线路直流电流互感器进行现场试验时,既要测试直流电流互感器在小电流下的传变性能,又要测试大电流的传变性能。

1.2 接地极直流电流互感器宽频特性指标参数

由于接地极线路运行电压低,对互感器绝缘要求不高,在早期建设直流输电工程中,接地极线路一般采用零磁通式直流电流互感器。而随着数字化测量技术不断进步,近年来新建直流输电系统中,接地极系统多采用基于分流器原理的直流电流互感器传变一次电流,某接地极光电式直流电流互感器的参数见附录A 表A1。

在GB/T 26216.1《高压直流输电系统直流电流测量装置第一部分：电子式直流电流测量装置》标准中对宽频测量性能作了以下要求：产品设计要求截止频率不小于3 kHz。在频率响应试验方面,提出在50～1 200 Hz 时幅值误差不超过3%及相角误差不超过9°的要求。同时,直流电流互感器的频率响应试验要求如下,测试其对频率为1 200 Hz 及以下的正弦输入信号的幅值和相位的测量误差,可以仅在50 Hz 以及50 Hz 的偶次谐波频率下进行试验。在50～300 Hz 时施加均方根值为不小于10%Ir（Ir为额定电流）对应的正弦输入信号；在300～1 200 Hz时施加均方根值为不小于5%Ir对应的正弦输入信号。其中,试验测得的频率响应特性应满足上述要求。结合以上分析,接地极直流电流互感器由于本身运行工况的需求,需要对互感器传变直流分量的准确度及频率响应特性进行现场测试和分析。

2 系统设计及关键技术

2.1 宽频特性现场检测系统设计

目前,工程采用的直流电流互感器输出多为数字接口,且传输的是一次电流值,在现场试验时需采用直接比较法原理。现阶段直流电流互感器广泛采用FT3 协议,且合并单元的实时采样值处理未关联同步对时信号。根据现场实际情况,本文提出如图1 所示的接地极直流电流互感器宽频特性现场同步测试系统,实现直流电流互感器稳态准确度、频率响应以及直流分量叠加交流分量传变特性试验。

图1 直流电流互感器宽频试验系统Fig.1 Broadband test system for DC current transformer

图1 所示的宽频试验系统分为2 个试验内容,可完成直流电流互感器的稳态准确度误差测试、频率响应特性测试。若在进行1%～100%额定电流下的直流电流互感器准确度误差试验时,高稳定直流源产生所需的直流电流并通过直流电流比较仪,直流电子式互感器校验仪通过多类型信号前置单元接收直流电流比较仪的标准二次信号,保护控制室合并单元的数字信号通过光纤传至校验仪被测数字接口,并完成比值误差计算。

另外,在进行互感器频率响应特性试验时,宽频电流源软件设置试验所需的电流信号,信号发生器将电流信号转化成一次小电压信号后,功率放大器根据小电压信号放大出大电流,并输出到被测的直流电流互感器。其中,在一次电流回路中串联高精度分流器获取标准信号并传输至校验仪前置单元,并在同步信号的驱动下获取标准信号和被测直流电流互感器合并单元输出的数字信号,完成不同频率下的幅值误差、相位误差等参数计算。

图1 中宽频电流源主要由上位机、信号发生器、功率放大器以及标准信号采集4 个部分组成。具体实现过程是上位机仿真模块通过设置不同试验所需信号,在不同测试点设置电流采样点,仿真步长为2 μs,可输出高采样率的实时仿真采样瞬时值数据。在现场试验时,采用宽频电流源软件可配置高频信号电流以及直流等复杂信号输出,信号发生器接收上位机设置所需试验电流数据,将其转换为小电压的方式发出,其中线性功率放大器采用推挽式电路,最大输出电流可达600 A。宽频电流支持多种频率的谐波信号,也支持直流量与多个谐波量的叠加输出。标准信号采集由高精度分流器及前置单元的模拟/数字（A/D）转换模块组成。其中,高精度分流器采用大功率高精度电阻实现,承载功率可达5 kW,阻值选用10 mΩ,其电阻精度优于0.2%。校验仪通过对输出一次信号进行实时的高精度采集来保证试验系统校验的准确度。

为了验证宽频电流源输出能力,搭建了宽频电流源的指标测试系统,首先进行工频50 Hz 下输出能力验证,选择0.01S 级、变比为600∶5 的电流互感器作为标准器,电子式互感器校验仪标准端口接收标准电流互感器信号,被测端口接收宽频电流源中采用高精度分流器输出的电压信号,测试结果幅值精度优于0.4%。另外,进行了宽频电流源短时稳定性测试,设置输出电流幅值分别为100 A、500 A,频率分别为300 Hz、1 200 Hz 时的多组试验,系统运行时长大于1 min,稳定度优于0.1%/min,频率测量精度优于0.01 Hz。宽频电流源输出幅值为100 A、频率为1 200 Hz 以下时,输出精度优于1%；输出电流幅值为300 A、500 A,频率为300 Hz 的精度优于1%。最后,进行直流叠加交流分量的测试验证,设置输出直流幅值为600 A,同时叠加频率为50 Hz、幅值为50 A 的混合电流,实际直流电流输出为598.667 1 A,基波实际输出电流为49.988 6 A,频率为49.999 Hz。

2.2 现场同步校验技术

在换流站中接地极直流电流互感器的安装位置距离保护控制室相比其他互感器而言是最远的,直流控保系统运行不依赖于同步信号进行,其直流互感器合并单元的实时采样值处理未关联同步对时信号,故不能采用外部同步信号进行对时。因此,本文提出了一种基于绝对延时的双通道光纤传输同步校验方法,适用于直流工程实际现场缺乏外部同步信号的情况,校验仪直接接收被测直流互感器合并单元输出的数字报文信息和标准信号,然后完成宽频特性指标计算分析。另外,在现场试验中,电磁干扰、试验设备自身噪声、标准源二次模拟量微弱等因素,加大了直流分量、谐波信号精确提取的难度。

为了便于在现场顺利开展直流互感器宽频特性试验,在校验仪的前置单元设计时,既要考虑满足直流分量采集,又要满足宽频信号采集。如图1 所示系统,前置单元完成标准信号采集,将其转化为数字信号,校验仪同时接收前置单元通过光纤传输的标准信号和由光纤引出被测直流互感器的数字信号,然后进行直流电流互感器误差数据计算和分析。在整个直流电流互感器测试中,标准信号、被测直流互感器数字信号和直流电子式互感器校验仪构成一个同步测试回路。其中,校验仪通过同步采集标准信号和被测互感器数字信号,然后进行计算、报文解析获取两者的一次值。稳态下的直流测量误差计算不再赘述,对于反映频率特性的幅值误差和相位误差两个指标,在进行计算时需要准确提取信号幅值和相位,然后根据标准和被测谐波信号的幅值、相位信息计算出比值误差与相位误差。

首先,定义直流电流互感器测量基波电流或第n次谐波分量的电流误差（比值差）fn如下：

式中：K为直流电流互感器的额定变比；I1n为一次电流的第n次谐波分量的有效值；I2n为直流电流互感器二次电流的第n次谐波分量的有效值。

谐波电流互感器的相位误差定义为一次电流相量与二次电流相量的相位差。相量方向以一次电流向量的相位作为参考基准相位,当二次电流相量超前一次电流相量时,相位差为正,反之为负。

鉴于在现场中一般采用功率放大器产生不同频率的电流电压信号,采集可能会有高频干扰。另外,也会输出多种频率信号叠加的试验信号,且输出信号为非周期性的连续信号。综合以上考虑,对校验仪采集的标准和被测信号进行加汉宁窗处理,汉宁窗的时域表达式为：

式中：X0为恒定直流分量；ω为基波角频率；Xn和φn分别为第n次谐波分量的幅值和相位。

x(k)=x(t)W(i)为采样离散信号加汉宁窗后的信号,可得各次谐波分量的实部和虚部表达式为：

3 现场一次回路接线优化及试验分析

3.1 针对宽频试验电源容量影响的一次回路选择

一般直流电流互感器离地十多米,多股试验大电流一次导线重,若从管母连接导线处串接多股试验大电流一次导线,有可能因试验导线过重或者试验过程中操作不当引起一次设备损坏。基于以上工程实际考虑,在直流电流互感器现场宽频试验中,通过抱箍在管母上进行挂接导线,这样既对一次设备安全,同时又能根据需要减少试验的一次回路长度。另外,为了防止试验回路信号串入非试验回路中,将直流互感器与其他一次设备尽量脱离断开,从而降低其他设备试验运行风险。换流站中直流电子式电流互感器宽频特性现场一次和二次接线方式如图2 所示。

图2 直流电流互感器宽频试验示意图Fig.2 Schematic diagram of broadband test for DC current transformer

在直流场中完成一次试验导线挂接,并与高频电流源相连,直流电子式互感器校验仪接收标准信号,同时通过光纤接收控制室合并单元输出的FT3数字报文,最后完成直流电流互感器相关指标的计算分析。值得注意的是,在进行宽频试验时,随着频率增高,一次回路中的阻抗会发生改变,根据图2 可以得出,直流电流互感器宽频特性现场试验中一次回路等效电路如图3 所示。

图3 直流电流互感器宽频试验一次回路阻抗等效示意图Fig.3 Equivalent schematic diagram of primary circuit impedance of DC current transformer broadband test

图3 中：RCT和LCT分别为被检测直流电流互感器等效电阻、电感；Rd和Ld分别为试验回路大电流多股编织导线及其他各元件的等效电感和电阻；Rb和Lb分别为高频和阶跃电流源中标准分流器等效电阻、电感；P1和P2分别为直流电流互感器的极性端和非极性端,电流流向为从P1至P2。若进行直流电流互感器稳态校准试验时,即针对直流分量传变特性试验时电感的隔交通直作用,不难发现一次试验回路阻抗仅有电阻成分。因此,试验时在端口所需功率并不大,即使一次试验回路比较长,在现场检测时升流也相对容易。

由于在进行直流互感器频率响应试验中频率会达到1 kHz,特别是在暂态阶跃试验可以到几万赫兹,根据图3 的一次回路等效电路,直流互感器宽频特性试验的一次回路阻抗复频域表达式为：

式中：s=jω；R和L分别为一次回路电阻和电感。

试验一次回路中的阻抗随着频率增大而增大。这就对宽频电流源的带负载能力要求高,而往往受制于现场试验设备的制造体积大小、运输、吊装等因素,试验电流源的带负载能力不高。因此现场试验中,在不能增大电源功率情况下,尽量减小试验一次回路阻抗不失为一种解决办法。实质上,直流互感器现场宽频试验升流过程是由被试设备与导线、电源等组成的闭合回路,可近似等效为通过时变电磁场的单匝线圈,简单的矩形回路单匝线圈见附录A图A2,其中a为矩形回路的宽,b为矩形回路的长,r为导线的半径,一般r远小于矩形的长度和宽度,回路电感LJX则可以表示为：

以频率50 Hz 下回路面积变化与所需试验电源负载变化为例,计算选用的测试导线为截面积为400 mm2的铜导线,一次回路电流为500 A 时其矩形回路负载功率损耗如图4 所示。

图4 不同回路面积时试验所需负载功率Fig.4 Load power required for test with different loop area

从图4 可以看出,随着回路面积增大,所需电流源功率也在不断增大。当施加的一次电流频率增大后,回路负载功率损耗会更大。在现场中为了降低试验所需负载,在试验电流不变的情况下尽量减小回路面积,一般有2 种工程解决方法。一种方法是将宽频试验设备移至被检测直流电流互感器附近,通常需要高空作业车,且各种操作要在狭小空间进行,如图5（a）所示；另一种方法就是将一次导线进行双绞缠绕,尽量减小回路面积,试验人员不需在高空作业车上进行操作,如图5（b）所示。

图5 减小回路面积的2 种方案Fig.5 Two schemes for reducing loop area

从图5 中可以看出,2 种方案其实都能实现回路面积的减小,只是对现场试验来说,要结合互感器安装位置、现场试验作业技术以及试验人员对安全风险的管控等因素综合考虑,选择合适的方案。根据在现场进行直流电流互感器试验经验,将宽频试验设备搬运或吊装至空间狭小的高空作业车斗内操作难度大,若试验需要一次电流不大且宽频试验负载满足要求的情况下,建议采用第2 种方案进行,一般亦能达到试验要求。

3.2 现场试验与分析

在现场开展接地极直流互感器频率响应试验时应尽量减小一次回路面积,根据式（7）可得,在未进行一次线双绞缠绕情况下回路电感约为27 μH,通过将一次线进行双绞缠绕后回路等效电感减小到约为12 μH,现场试验接线如附录A 图A3 所示。

现场具体试验步骤为：首先在宽频电流源软件中设置试验所需的电流信号,通过信号发生器、功率放大器输出一次大电流到被测直流电流互感器。互感器校验仪接收标准信号和被测信号,最终实现幅值、相位等参数计算。

现场开展直流电流互感器高频试验结果见附录A 表A2,具体现场试验波形见附录A 图A4,其中的绿色曲线为标准信号,黄色曲线为被测直流电流互感器输出信号,红色曲线为互感器输出信号与标准信号的差值。

为了更切合实际工程,在现场进行了换流站内接地点用直流电流互感器的直流分量叠加交流分量试验,试验结果见附录A 表A3。从表A3 中可以看到,直流电流互感器传变交流分量和直流分量的误差都满足规程要求。另外,对直流互感器合并单元不同输出通道的误差精度进行了测试,结果如图6 所示。

图6 直流电流互感器误差曲线Fig.6 Error curve of DC current transformer

从图6 可看出,同一台直流电流互感器输出的2 个通道测量值,其误差不同,但在额定电流1%至100%,接地极直流电流互感器精度满足0.2 级要求。虽然是同一分流器,但因远端模块各自独立,两个通道误差结果不一样,但是整体误差趋势一致。在直流系统停电时,对直流电流互感器一次升流到规程规定的测量点,通过校验仪记录互感器的比值误差,然后计算合并单元的误差系数,使其满足互感器误差限制规定范围,并将此误差系数写入到合并单元,这样就可以调节直流互感器的误差,以便达到各通道误差尽量一致。

4 结语

本文针对接地极系统实际运行工况对宽频信号的需求,提出一种接地极直流电流互感器宽频特性现场试验方案,研制出基于数字物理仿真的小型化高频电流源,采用文中所提方案及试验系统,在富宁换流站开展了接地极直流电流互感器现场试验,结果表明在1%～100%额定电流下,不同通道呈现出误差不一致性,但整体趋势一致,满足0.2 级要求；在宽频特性响应方面,其幅值误差小于3%,相位误差小于9°。本文尚未在实际现场进行接地极直流电流互感器暂态特性试验及性能分析。下一步将考虑进行接地极线路人工短路下直流电流互感器暂态特性试验。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。