直流电压测量装置二次分压设计与研究

柏耀星，姜鹏飞，王群锋，周 飘，班中华，刘元东

（1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2.国网河南省电力公司 直流运检分公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

直流电压测量装置作为特高压直流输电工程中参与保护的重要设备，承担着测量电压并将测量结果传至直流控制保护设备的重要作用。其运行状态的好坏直接影响着整个输电系统的可靠性[1-3]。由于特高压直流电压经直流电压测量装置一次分压后，得到的仍然是一个较大的电压信号，非常不利于控制保护的使用，因此需研究直流电压测量装置的二次分压，以实现大电压信号转变为控制保护需要的较小电压信号。目前，人们对高压直流电压测量装置的一次分压部分的研究较多，对二次分压设计的研究较少。本文通过二次分压、二次防护以及信号调理等关键技术，研究高压直流电压测量装置的二次分压。

1 直流电压测量装置结构简介

直流电压测量装置分为高压信号的一次分压部分和低压信号的二次分压部分，主要包含一次本体内部的高压臂、低压臂、传输模拟信号用的同轴电缆以及控制室内的二次分压等。原理结构如图1所示。高压臂和低压臂由电阻和电容并联后再串联在一起组成，密封在高压绝缘套筒中，套筒内部充一定压力的SF6绝缘气体。一次本体高压臂高压端接线路电压，然后通过低压臂进行一次分压将高电压变为低电压，该低电压相对于控制保护需要的电压信号仍然是一个较大电压。一次分压后的电压通过同轴电缆进入控制室内后并联3路二次分压，分为3路额定电压信号进行输出，满足目前电网系统3取2要求，供控制保护设备使用。采用阻容分压，可避免电阻器件在遭受雷电冲击等暂态过程时，出现暂态电压分布不均匀的问题[4]。

图1 直流电压测量装置原理结构图

2 直流电压测量装置二次分压设计

2.1 阻容器件设计原则与选型

二次分压电路原理如图2所示。二次分压电路通过电阻R3和电容C3，电阻R4和电容C4分别并联后再串联分压组成。电阻R3和R4的阻值是由一次分压和二次输出信号的大小进行计算匹配的，电容C3和C4的容值是由整个系统电路的时间常数决定。高压臂、低压臂以及二次分压阻容值的选取应做到相互匹配，保证时间常数RC一致。在电阻的选型上，应选择温漂小、电压系数小、阻值精度高以及稳定性高的金属膜电阻。选用电阻的实际工作功率应远小于额定功率。此外，尽可能降低温升，尽量选择一致的电阻厂家、型号以及批次，从而保证电阻具有相同的特性。在电容器件的选择上，电容的额定电压需远大于其最大工作电压。优先选用聚丙烯膜电容，其介质损耗低，频率特性良好，很大程度上能够保证信号在传送时不会失真。

2.2 电路防护设计

为了充分保障二次分压的实现和后续信号的稳定处理，采用压敏电组和TVS管串联设计进行过电压保护。设计了如图2所示的2级防护措施。其中，第一级压敏电阻Y具有非线性特性。当过电压通过时，它可以将过电压降至安全的低电压值，以实现对后面电路及控制保护系统的的保护。压敏电阻能够承受高达6 000 A的过电流，而且其响应速度极快（ns级），反应极为灵敏。第二级采用瞬态电压抑制管TVS。当其两端承受过电压时，能够降为低阻抗且时间极短，其响应时间为ps级。而且其将电压控制为安全电压，以保证电路不被损坏。

图2 二次分压电路原理图

分析压敏电阻和TVS管的特性可知。由于压敏电阻存在泄漏电流，单独使用时二次分压输出会受泄漏电流影响，而且长时间带电情况下会极大缩短压敏电阻的使用寿命。单独使用TVS管时，过电压后TVS管瞬间导通并产生续流。由于受续流影响TVS管无法立马断路，因此无法满足直流工程保护的时效性。采用压敏电阻和TVS管串联的设计方案中，通过TVS管，避免了回路中的泄露电流。系统在产生过电压时，先导通TVS管，然后导通压敏电阻，避免电路受过电压而损坏。过电压结束后，压敏电阻不受续流影响率先断路，此时没有回路续流，TVS立马完成断路。由此可知，通过压敏电组和TVS管串联设计两级防护措施能充分保证直流测量装置二次分压电路的安全，进而有效避免直流工程因过电压而导致保护误动。

2.3 分压信号处理

直流输电系统中，极母线上存在一定比例的高次谐波电压，一般占系统总电压的1%～10%，所以需要处理测量装置所测量的电压信号，以减小电压的波动。电压信号主要包括直流和谐波两部分。其中，直流部分主要包括电压信号调整和滤波平滑处理等。电压信号调整采用电阻进行分压，选择温漂低、高精度以及性能稳定的电阻器件。为了防止二次分压时电位会抬升，可采取的措施是使用精度高和功率损耗小的INA128仪表放大器。滤波电路采用衰减很快且滤波效果非常好的二阶低通滤波器，减少高频分量，增加波形纯度。谐波部分主要包括信号提取、信号放大以及滤波等。谐波信号提取时采用低通滤波器，0.6 Hz的截止频率可以直接提取原有电压信号中的谐波信号。谐波信号放大是使用仪表放大器将谐波放大至合适的幅值范围内，从而能够更加有效地处理谐波。谐波信号处理与直流信号处理一样，通过滤波功能来限制最终电压信号的带宽[5]。

3 仿真分析

建立整个直流电压测量装置电路如图3所示。利用Multisim软件仿真分析电路方案的准确度和幅频特性。

图3 仿真电路图

设置电路中电阻电容的阻值精度、温漂以及容值精度等重要参数。电源采用交直流电压源，施加0.1～1.5 p.u.的直流电压信号进行仿真，进而得到如表1所示的电压测量信号的测量误差。

从表1中可以看出，测量信号施加从0.1～1.5 p.u.电压范围内，二次输出电压误差均小于0.1%，满足GB/T 26217—2019标准0.2级准确度要求。

表1 测量误差

在50～3 000 Hz下仿真幅频特性，得到幅值误差和相位误差如图4所示。

从图4可以看出，在50～1 200 Hz时，幅值误差随着频率的升高变化很小，在2 000～3 000 Hz幅值误差较差，但满足GB/T 26217—2019标准不大于3%的要求。相位误差最大为91 μs，最小为75 μs，也远小于GB/T 26217—2019标准不大于500 μs的要求。

图4 幅值误差及相位误差

4 结 论

本文通过研究直流电压测量装置的二次分压，详细介绍了电阻电容器件的影响因素、阻容的匹配原则与选型以及二次分压的防护设计，并提出了二次分压方案。通过仿真分析得出了该直流电压测量装置二次分压在0.1～1.5 p.u.电压下的测量误差在0.1%范围内。在频率50～3 000 Hz时，幅值误差小于3%，相位误差小于100 μs，准确度和幅频特性均满足GB/T 26217—2019标准要求。