特高壓直流電流互感器階躍特性分析及測(cè)試方法

張 平，韓晉思，許 才，鮑音夫

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010010；2.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大和特高壓直流輸電的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對(duì)直流短路故障切除快速性也提出了更高要求。直流互感器作為直流輸電系統(tǒng)的核心檢測(cè)設(shè)備，其良好的暫態(tài)響應(yīng)特性對(duì)于真實(shí)、快速地反映一次故障信號(hào)至關(guān)重要[1]，可使繼電保護(hù)裝置在故障暫態(tài)過(guò)程尚未結(jié)束前就精確動(dòng)作于跳閘。因此，對(duì)其暫態(tài)特性的研究具有重要意義。

階躍響應(yīng)特性作為反映故障瞬間互感器暫態(tài)性能的核心指標(biāo)，是高壓直流電流互感器（以下簡(jiǎn)稱TA）領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。GB/T 26216—2019《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測(cè)量裝置》對(duì)直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)特性提出了明確要求[2]，但因缺乏相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)方法和設(shè)備，國(guó)內(nèi)很少進(jìn)行直流TA的暫態(tài)特性試驗(yàn)。目前進(jìn)行直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)主要面臨以下問(wèn)題：（1）僅針對(duì)直流互感器的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行校驗(yàn)試驗(yàn)和計(jì)量校準(zhǔn)，在穩(wěn)態(tài)交流下測(cè)得的時(shí)間只是一種間接測(cè)量結(jié)果，并不能真正代替暫態(tài)階躍響應(yīng)延時(shí)測(cè)試[3]；（2）直流階躍測(cè)試普遍采用開(kāi)環(huán)試驗(yàn)方法，這種方法對(duì)直流源穩(wěn)定性要求極高，受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件的影響（測(cè)試導(dǎo)線中的電感分量），現(xiàn)有試驗(yàn)電源和技術(shù)手段難以滿足試驗(yàn)要求[4]；（3）難以實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，需要探討實(shí)用的閉環(huán)測(cè)試方法。

本文通過(guò)對(duì)直流TA階躍特性進(jìn)行研究，分析影響其階躍特性的相關(guān)因素及影響度，提出一種基于閉環(huán)校驗(yàn)的直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并對(duì)特高壓直流電子式互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證其可行性。

1 直流TA原理與模型

直流TA的結(jié)構(gòu)形式主要有零磁通式、光電式和電子式三種。其中，電子式TA在大電流狀態(tài)下有很好的線性度，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。電子式直流TA利用分流器傳感直流電流，利用空心線圈傳感諧波電流，分流器的輸出信號(hào)正比于被測(cè)直流電流，空心線圈的輸出信號(hào)正比于被測(cè)諧波電流的微分。通過(guò)分流器和空心線圈將一次電流轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)輸入遠(yuǎn)端模塊，遠(yuǎn)端模塊對(duì)測(cè)量電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理后形成測(cè)量數(shù)字信號(hào)，送至合并單元（光接口板）進(jìn)行相應(yīng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送至保護(hù)裝置[5]。直流電子式TA結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 直流電子式TA結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of DC electronic TA

1.1 分流器

分流器串聯(lián)于一次回路中，用于直流電流的傳感測(cè)量，是保證直流電子式TA測(cè)量精度的關(guān)鍵部件，要求其具有較好的散熱性能及溫度穩(wěn)定性[6]。分流器采用基于錳銅的鼠籠式結(jié)構(gòu)，具有很好的溫度穩(wěn)定性及散熱性能。分流器是一個(gè)近似無(wú)感的電阻器，其輸出電壓e（t）約等于電阻與電流的乘積。

式中：R為分流器等效電阻；L為分流器等效電感；i為分流器一次回路電流。

1.2 空心線圈

空心線圈基于羅氏線圈原理（見(jiàn)圖2），用于傳感諧波電流[7]?？招木€圈是一個(gè)纏繞于非磁性骨架上的空心螺線圈，因無(wú)鐵心不會(huì)飽和，具有很好的線性度及頻率特性，適合于諧波電流的測(cè)量。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，被測(cè)電流沿軸線通過(guò)空心線圈時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)，線圈兩端感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。空心線圈具有很好的線性度，輸出信號(hào)是一次諧波電流的微分，根據(jù)空心線圈的輸出信號(hào)便可求出不同頻率的諧波電流[8]。

圖2 羅氏線圈模型圖Fig.2 Diagram of Rowe coil model

式中：Φ為磁通；t為時(shí)間；μ0為真空磁導(dǎo)率；n為線圈匝數(shù)密度；s為線圈截面積；f為諧波電流頻率，根據(jù)不同頻率下羅氏線圈的輸出信號(hào)（弱電壓信號(hào)）的積分便可求出各次諧波電流的大小。

1.3 遠(yuǎn)端模塊

遠(yuǎn)端模塊包括電阻盒（信號(hào)分配盒）與光電轉(zhuǎn)換模塊兩部分，遠(yuǎn)端模塊工作電源由控制室合并單元內(nèi)的激光器提供。電阻盒（信號(hào)分配盒）的作用是信號(hào)擴(kuò)展，接收分流器及空心線圈輸出的小電壓信號(hào)，并將一路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為多路信號(hào)輸出，傳送給多個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。光電轉(zhuǎn)換模塊對(duì)接收的模擬量信號(hào)進(jìn)行一系列處理，包括濾波及信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理等，最終輸出串行數(shù)字光信號(hào)，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)際工程中，可根據(jù)工程需求配置多個(gè)完全相同的光電轉(zhuǎn)換模塊（多至10個(gè)），滿足直流工程多重化冗余配置需求，保證電子式TA具有較高的可靠性[7]。

圖3 光電轉(zhuǎn)換模塊功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Function structure of photoelectric conversion module

1.4 合并單元

合并單元置于控制室，與遠(yuǎn)端模塊之間用光纜連接，一方面為遠(yuǎn)端模塊提供供能激光，另一方面接收并處理遠(yuǎn)端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)按規(guī)定的協(xié)議（TDM總線或IEC 60044—8標(biāo)準(zhǔn)）輸出供二次設(shè)備使用。

2 電子式直流TA階躍特性分析

在高壓電網(wǎng)中，為提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，對(duì)繼電保護(hù)快速性提出了要求，故障切除越快，暫態(tài)穩(wěn)定極限就越高，越能發(fā)揮電網(wǎng)輸電效能。直流輸電系統(tǒng)對(duì)控制保護(hù)信號(hào)有更快的響應(yīng)速度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍等要求，如在±500 kV張北柔性直流電網(wǎng)示范工程中要求直流TA階躍響應(yīng)時(shí)間小于200μs。階躍響應(yīng)特性試驗(yàn)可驗(yàn)證直流TA在外部短時(shí)激勵(lì)條件下輸出跟蹤響應(yīng)時(shí)間，即最能體現(xiàn)系統(tǒng)暫態(tài)特性的性能指標(biāo)[9]。

直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)特性主要受羅氏線圈、遠(yuǎn)端模塊以及合并單元數(shù)據(jù)處理三方面的影響。其中，遠(yuǎn)端模塊負(fù)責(zé)對(duì)本體輸出小電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號(hào)編碼后發(fā)送，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)端模塊系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Remote module system architecture

遠(yuǎn)端模塊一般由三部分組成，信號(hào)調(diào)理回路負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，一般采用二階無(wú)源濾波設(shè)計(jì)。二階無(wú)源濾波線路由2個(gè)電阻與電容串并聯(lián)組成，當(dāng)阻容參數(shù)完全一致時(shí)，其對(duì)于階躍響應(yīng)的等效回路是一個(gè)一階RC系統(tǒng)。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：

式中：R、C為無(wú)源濾波等效電阻、電容。

據(jù)式（3）可解得Uo的階躍響應(yīng)公式：

式中：τ為電路的時(shí)間常數(shù)，τ=RC=4R1C1。

二階無(wú)源濾波部分構(gòu)成暫態(tài)階躍響應(yīng)的物理延時(shí)，進(jìn)入AD采樣后的延時(shí)與信號(hào)本身已經(jīng)無(wú)關(guān)，是由數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)本身的采樣速率、處理方式以及傳輸環(huán)節(jié)共同構(gòu)成。最終這些時(shí)間共同構(gòu)成了直流電子式TA的整體暫態(tài)階躍傳變延時(shí)，影響階躍響應(yīng)的跟蹤特性，如圖5所示。

圖5 暫態(tài)階躍傳變延時(shí)組成Fig.5 Transient step transfer delay composition

3 電子式直流TA閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

目前對(duì)于電子式直流TA的暫態(tài)階躍響應(yīng)測(cè)試都是采用理想小電壓暫態(tài)階躍信號(hào)施加在遠(yuǎn)端模塊上，利用數(shù)字錄波設(shè)備記錄試品的暫態(tài)階躍波形并測(cè)試其階躍上升時(shí)間等參數(shù)，這種開(kāi)環(huán)測(cè)試方法既忽略了電壓源本身存在的階躍延時(shí)，也未考慮數(shù)字回路的延時(shí)對(duì)電子式TA整體階躍響應(yīng)延時(shí)的影響。因此本文提出一種閉環(huán)測(cè)試方法，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 直流TA暫態(tài)階躍測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of DC TA transient step test system

在直流TA一次側(cè)利用階躍電流信號(hào)源施加測(cè)試量，該測(cè)試量通過(guò)無(wú)感分流器變成小幅值階躍電壓信號(hào)，該小電壓信號(hào)作為時(shí)間測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)源信號(hào)接入測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行高速采樣，捕捉階躍信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)間并記錄波形。對(duì)被測(cè)直流電子式互感器輸出的FT3數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)序模塊的控制下，進(jìn)行同步接收解析，由此測(cè)試系統(tǒng)獲取了標(biāo)準(zhǔn)源階躍信號(hào)和經(jīng)過(guò)被試品傳變的階躍信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部延時(shí)時(shí)間測(cè)試模塊進(jìn)行處理計(jì)算，從而得到被測(cè)TA的暫態(tài)階躍響應(yīng)特性[10-16]。

測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)高達(dá)1MHz的采樣率高速采集標(biāo)準(zhǔn)源的小幅值階躍電壓信號(hào)，采集間隔時(shí)間1μs，對(duì)于10μs左右上升時(shí)間的階躍信號(hào)記錄和ms級(jí)互感器延時(shí)測(cè)試而言具有足夠的時(shí)間分辨率。直流電子式互感器輸出10 kHz的FT3離散數(shù)據(jù)幀，時(shí)間分辨率為100μs，對(duì)于上升時(shí)間和延時(shí)時(shí)間計(jì)算而言誤差太大，為了提高測(cè)試精度，對(duì)采樣值進(jìn)行曲線擬合和插值處理，數(shù)值處理過(guò)程如圖7所示。

圖7 階躍響應(yīng)的數(shù)值處理過(guò)程Fig.7 Numerical processing of step response

廣義多項(xiàng)式擬合，見(jiàn)式（5）表示的多項(xiàng)式函數(shù)：

式中：fi為最佳多項(xiàng)式擬合的輸出序列；xi為輸入序列；aj為多項(xiàng)式系數(shù)；m為多項(xiàng)式階數(shù)。

廣義多項(xiàng)式擬合用來(lái)計(jì)算直流電子式互感器輸出的階躍低值和高值，消除低值時(shí)的噪聲誤差及階躍初期的過(guò)沖波動(dòng)對(duì)階躍高值的影響，為階躍幅值計(jì)算提供精確依據(jù)。經(jīng)過(guò)曲線擬合后，基于擬合曲線求取階躍高值Dh與低值Dl。為了精確提取被測(cè)電子式互感器實(shí)際輸出階躍信號(hào)的起始時(shí)刻及終止時(shí)刻，對(duì)MU的采樣值進(jìn)行3次樣條插值計(jì)算，將100μs分辨誤差提升到10μs以內(nèi)的計(jì)算精度，具體過(guò)程不再贅述。

由此，可以計(jì)算出被測(cè)互感器階躍響應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)，如上升時(shí)間（TR）=階躍終止時(shí)刻（t1）-階躍起始時(shí)刻（t2），延時(shí)時(shí)間（Tε）=被試互感器階躍終止時(shí)刻（t1）-標(biāo)準(zhǔn)源階躍終止時(shí)刻（t3），其中，階躍起始時(shí)刻為信號(hào)從低到高穿越階躍幅值10%處的時(shí)刻，階躍終止時(shí)刻為信號(hào)從低到高穿越階躍幅值90%處的時(shí)刻。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)際測(cè)試效果，對(duì)伊克昭特高壓換流站電子式直流TA進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。通過(guò)階躍電流源產(chǎn)生階躍電流，分流器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，通過(guò)前置單元完成模擬信號(hào)的高速轉(zhuǎn)換。按照上文所述的測(cè)試方法搭建暫態(tài)階躍測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)，連接示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試連接示意圖Fig.8 Diagram of field test connection

階躍電流信號(hào)源施加0～200 A的階躍電流，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、圖9。

圖9 200A階躍試驗(yàn)波形Fig.9 Test waveform at 200A step current

表1 在200A階躍電流下系統(tǒng)階躍響應(yīng)各項(xiàng)參數(shù)Tab.1 Parameters of step response system under 200A step current

階躍電流信號(hào)源施加0～300 A的階躍電流測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、圖10。

圖10 300 A階躍試驗(yàn)波形Fig.10 Step test waveform at 300A current

表1、表2中，直流暫態(tài)階躍響應(yīng)延時(shí)分別為457.8μs及467.9μs，上升時(shí)間誤差分別為14.2μs及6.9μs。測(cè)試結(jié)果中響應(yīng)延時(shí)與試品所標(biāo)注的額定延時(shí)以及上升時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)上升時(shí)間之間誤差均小于15μs，證明測(cè)試方案切實(shí)可行。

表2 在300A階躍電流下系統(tǒng)階躍響應(yīng)各項(xiàng)參數(shù)Tab.2 Step response parameters of the system under step current condition of 300 A

5 結(jié)語(yǔ)

直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)特性直接影響直流控制保護(hù)的可靠性，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試具有重要意義。本文提出了一種基于閉環(huán)校驗(yàn)的直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)測(cè)試方法，在直流信號(hào)不包含相位信息的情況下，通過(guò)提高測(cè)試系統(tǒng)采樣速率對(duì)階躍響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)值分析，捕捉其突變過(guò)程的變化信息，利用廣義多項(xiàng)式對(duì)波形進(jìn)行擬合，精確計(jì)算出試品離散數(shù)據(jù)的階躍信息與時(shí)間信息，并最終獲得控制保護(hù)系統(tǒng)所關(guān)心的暫態(tài)響應(yīng)延時(shí)時(shí)間與上升時(shí)間誤差等關(guān)鍵響應(yīng)指標(biāo)。利用開(kāi)發(fā)的暫態(tài)階躍響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)在伊克昭特高壓換流站成功開(kāi)展了電子式互感器暫態(tài)特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果中響應(yīng)延時(shí)與試品所標(biāo)注的額定延時(shí)以及上升時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)上升時(shí)間之間誤差均小于15μs，達(dá)到了研制目標(biāo)，證明本文提出的測(cè)試方案切實(shí)可行。