直流分压器频率响应现场试验源及试验方法

翟少磊，肖勇，廖耀华，钱斌，罗奕

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2. 云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室(1)，昆明 650217；3. 南方电网科学研究院，广州510663；4. 广东省电网智能量测与先进计量企业重点实验室, 广州510663)

0 引言

高压直流输电技术具有输送容量大、可远距离输电、响应速度快等特点，目前被广泛应用于国内外输电工程[1-4]。高压直流电压分压器作为直流输电系统中的重要测量装置，为直流控制保护系统提供电压测量信号，其测量准确性及频率响应特性将直接关系到直流输电系统的安全稳定运行[5]。由于直流输电系统中的直流侧回路阻抗较小，发生故障时其电压变化速度更快，需要控制保护信号具有更快的采样速度和更宽的频带宽度[6]，因此对直流电压测量装置提出了更高的频率响应特性要求。直流电压测量装置主要分为电阻分压器和阻容式分压器2种[7]。当受到冲击电压时，电阻分压器上的电压分布极不均匀，靠近高压侧的电阻可能因承受瞬时过电压而损坏，因此现场使用的高压直流电压测量装置一般为阻容式分压器[8-10]。

严格依据相关试验标准对高压直流电压测量装置进行出厂试验、例行试验以及现场试验是保证电力系统安全稳定运行的重要基础。GB/T 26217—2019《高压直流输电系统直流电压测量装置》[11]是现行高压直流电压测量装置国家标准，标准中明确要求产品在做型式试验时，需在高压侧分别施加频率为50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz、900 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz，方均根值大于1 kV的正弦波试验电压，其幅值误差不得超过3%，时间误差不得超过500 μs。由于缺乏满足条件的频率试验电源，目前高压直流分压器在出厂试验时，一般仅在工频50 Hz条件下进行高压频率响应测试。实际投入运行后，高压直流分压器一般不再进行频率响应试验[12-13]，这种现状使得直流电压测量装置频率响应特性缺乏客观的评定依据，给电力系统的安全稳定运行带来隐患[14-16]。

基于该现状，本文提出了一种高压直流分压器频率响应现场试验源及试验方法，可在不同容性负载下，生成频率50～3 000 Hz且幅值为0～10 kV，波形畸变系数小于5%的正弦试验电压，满足各类直流分压器频率响应试验要求，使得高压直流分压器的现场频率响应测试成为可能。该方法的提出有助于完善直流分压器现行试验规程，对在运行的直流分压器进行现场频率响应测试，及早发现阻容分压器电容元件故障等设备隐患，具有一定的工程应用价值。

1 基于高压功率放大器的高压宽频电源

澳大利亚国家测量所Ilya Budovsky设计了一套标准系统用于直流分压器频率响应测试，其输出试验电压为1 kV，频率可在40～200 kHz间调节[17]，但是该方案在1 kV试验电压下的精度较低，无法满足高等级分压器频率响应误差要求。文献[18]采用交流稳压电源对不同型号的阻容式直流分压器进行了频率响应试验，该方法受交流稳压电源限制，仅能输出300 Hz以下的正弦信号波形。文献[19]通过信号发生器驱动功率放大器得到高压宽频信号，再利用宽频升压器得到所需试验电压，但是在实际试验中发现，由于功率放大器负载能力的限制，当接入容性负载时，高压输出端的正弦信号波形会随着信号频率的增加产生严重畸变。文献[20]采用IGBT全桥逆变电路和脉宽调制电路设计了一台输出电压有效值320 V，功率16 kW的高压大功率开关功率放大器。文献[21]设计了一种驱动大容性负载的双极性高压功率放大器，该放大器驱动等效电容为2.5 μF的压电陶瓷驱动器时，可以实现单端到地-500～+500 V高压输出，这2种方案均因输出电压值不足，无法满足频率响应测试要求。

为满足高压直流电压互感器频率响应试验的测试需求，本文搭建了由信号发生器、功率放大器、可调电感装置组成的高压宽频电源，结构如图1所示。其中，信号发生器可以产生0～25 MHz频率的正弦波形，高压功率放大器可提供交流峰值0～±10 kV范围内的输出电压，其交流电流有效值输出范围为0～±40 mA，可调电感装置基于并联谐振原理补偿负载容性电流，以提高功率放大器高频输出电压下驱动容性负载的能力。

图1 高压宽频电源结构Fig.1 Structure of high voltage broadband power supply

所用高压功率放大器的技术原理如图2所示。输入信号通过低压运算放大级驱动后，推动功率放大级，得到快速跟随输入信号的高电压输出。整个系统通过220 V交流输入供能。高压输出信号通过负反馈通道构成闭环控制，作用在运算放大器上以提高功率放大器的输出稳定性。该功率放大器的有效带宽受放大器的输出电流能力限制，当负载电流大于40 mA时，功率放大器因无法提供更大的电流，此时输出电压波形开始畸变，具体表现为正弦波波峰变平，峰值因数变小，不再是理想的正弦波。当负载电流进一步超出其带负载能力时，功率放大器会自动跳闸以保护其内部电路。

图2 高压功率输出放大器的原理Fig.2 Principle of high-voltage power output amplifier

驱动容性负载时，高压宽频电源输出电流大小的理论计算公式为：

i=2πfCv

(1)

式中：C为负载电容值；f为输出波形所需频率；v为施加到负载上的电压有效值。

为验证高压宽频电源的带容性负载能力，本文模拟当前高压直流输电工程中常用的800 kV、400 kV、100 kV分压器，分别搭建了实物试验平台进行频率响应试验，其试验原理图如图3所示。

图3 试验原理图Fig.3 Test principle diagram

根据公式可以计算出该高压宽频电源输出电压为幅值为10 kV时(有效值7.07 kV)，驱动不同电压等级分压器时所能达到的理论带宽，如表1所示。

表1 驱动不同电压等级分压器时所能达到的理论带宽Tab.1 Theoretical bandwidth that can be achieved when driving the voltage divider of different voltage levels

1.1 带±800 kV直流分压器容性负载能力测试

经过工程产品手册查询与实物测定，±800 kV阻容式直流分压器的等效电容值约为200 pF，本次试验时所使用的等效电容参数经测定为202.0 pF。设定高压输出电压峰值为10 kV，调节高压信号的频率，通过校验系统采集电压波形信号。当频率从50 Hz变化到3 000 Hz的过程中，波形均无明显畸变。通过快速傅立叶变换分析，其50 Hz下的总谐波畸变率为0.98%，3 000 Hz下的谐波畸变率略有增加，为1.13%，如图4所示。由于现行国家标准、检定规程并未对直流分压器频率试验源的谐波畸变率指标作出要求，参照《JJG496—2016工频高压分压器检定规程》对电源谐波畸变率应不大于3%的要求[22]，可认为该高压宽频电源输出波形的谐波畸变率达标。

图4 电容负载为202 pF，频率为3 000 Hz时输出波形与谐波分析Fig.4 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 202 pF and the frequency is 3 000 Hz

1.2 带±400 kV直流分压器容性负载能力测试

±400 kV阻容式直流分压器的等效电容测定值约为400 pF，本次试验所使用的等效电容参数经测定为404.7 pF。采用相同的试验方法采集电压波形信号，发现频率在50～2 500 Hz范围变化时，波形无明显畸变，当频率上升至2 640 Hz时其波形发生明显畸变，通过快速傅立叶变换分析，测得其谐波畸变率为4.42%，如图5所示。该输出电压因谐波畸变率过高，无法满足频率响应试验要求需要。

图5 电容负载为404.7 pF，频率为2 640 Hz时输出波形与谐波分析Fig.5 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 404.7 pF and the frequency is 2 640 Hz

1.3 带±100 kV直流分压器容性负载能力测试

±100 kV阻容式直流分压器的等效电容值测定值约为1 500 pF，本次试验所使用的等效电容参数经测定为1 527 pF。采用相同的试验方法采集电压波形信号，发现调节频率超过1 000 Hz时，波形变成三角波。进一步分析发现频率在50～700 Hz范围变化时，波形无明显畸变，当频率上升至760 Hz时其波形开始发生明显畸变，测得其谐波畸变率为2.67%，如图6所示。

图6 电容负载为1 527 pF，频率为760 Hz时输出波形与谐波分析Fig.6 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 1 527 pF and the frequency is 760 Hz

由上述试验结果可知，受功率放大器带容性负载能力限制，在输出电压峰值为10 kV时，当前高压宽频电源驱动400 pF级的电容时的实际有效带宽约为2 600 Hz，驱动1 500 pF级的电容时的实际有效带宽约为750 Hz，与表1的理论计算值相近。试验结果表明，该公式可用在工程中实际估算该高压宽频电源在不同容性负载时的有效带宽。

尽管1.1节的试验结果表明该高压宽频电源驱动200 pF级的电容，有效带宽能够达到4 500 Hz，满足标准所要求的3 000 Hz。然而对于800 kV级的高压直流分压器，峰值10 kV的交流电压输出只达到其额定量程的1.25%，并不能反映实际工况。若要进一步提高输出电压，其有效带宽会等比例下降。因此高压直流分压器频率试验源的试验能力离相关标准要求仍有进一步提升空间。

2 高压宽频电源容性负载能力提升措施及验证

经研究发现，限制高压功率放大器输出性能的主要因素是不同电容负载下的容性电流大小。为进一步提升高压宽频试验电源的性能，满足频率响应测试的需要，本文从减少负载电流大小的角度出发，提出了一种在高压功率放大器的输出端并联可调电感的措施以提升高压宽频电源的有效带宽。

补偿模型如图7所示。用ATP等仿真分析软件可以计算出在本文3个典型电容负载下交流电压输出幅值为10 kV，功率放大器的容性输出电流不超过40 mA，各个输出频率所需的补偿电感值计算结果如表2所示。

图7 补偿模型图Fig.7 compensation model diagram

表2 电容负载在各个频率下所需并联电感值Tab.2 The required parallel inductance values of capacitor loads at each frequencyH

考虑到现场试验设备的便携性要求，所设计的可调电感在具备宽电容负载调节能力的前提下，其设备质量应尽量小，故选用的可调电感调节范围为0～98.7 H。本文设计的可调电感装置由线圈与磁芯2部分构成，如图8所示。线圈共有5个输出端口，磁芯上方具有手摇式调节旋钮，可调节磁芯进入线圈的长度。通过调节线圈接入的节数和磁芯进入线圈长度来调节电感量。每一节端口空磁芯与满磁芯时的电感值如表3所示。针对不同电压等级的阻容式直流电压互感器，根据表2选择适当的补偿电感值，可以使输出电流保持在功率放大器输出电流限制以内，输出峰值10 kV频率在50～3 000 Hz范围内的标准正弦波。

图8 可调电感装置Fig.8 Adjustable inductance device

表3 不同端口空磁芯与满磁芯时的电感值Tab.3 Inductance value of different ports with empty core and full core

为验证上述所计算的并联电感补偿措施的有效性，本文搭建了如图9所示模拟试验平台。

图9 试验原理与试验平台Fig.9 Test principle and test platform

2.1 ±400 kV直流分压器典型容性负载

对于±400 kV直流分压器典型容性负载，当未并联补偿电感装置时，频率增加至3 000 Hz时功率放大器内部保护装置动作，无法产生指定的电压波形。在功率放大器输出侧并联可调电感，测量其在3 000 Hz下的输出电压波形，发现当电感从24.4 H调节到3.88 H时，输出波形均无明显畸变。计算得到并联24.4 H负载时的总谐波畸变率为2.48%，并联3.88 H负载时的总谐波畸变率为1.91%，波形如图10所示，均能满足试验要求。

图10 并联电感值为3.88 H，电容负载为1 527 pF，频率为760 Hz时输出波形与谐波分析Fig.10 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 1 527 pF and the frequency is 760 Hz and the parallel inductance value is 3.88 H

2.2 ±100 kV直流分压器典型容性负载

对于±100 kV直流分压器典型容性负载，当未并联补偿电感装置时，增加频率至760 Hz时其输出波形已发生明显畸变。当频率在800 Hz及以上时，可采用表2所计算的补偿电感值进行补偿。实际试验中发现补偿电感值与理论计算存在差异，实际补偿电感值与谐波畸变率计算结果如表4所示。

受实际试验环境中的杂散电容参数影响，实际使用的补偿电感范围与理论计算得到的电感范围存在细微差别。补偿后输出信号的总谐波畸变率基本很难达到1%以下，但是均能够控制在2.5%以内。在实际工作中，可以在试验前计算出实际补偿所需的电感范围表，然后在尽量大的频率范围内选择固定的电感参数。以表4为例，可以在800～1 000 Hz内使用相同的电感值18 H，无需完全补偿也可以满足试验要求，以减轻现场测试时频繁调整电感所带来的额外工作量。

表4 并联补偿电感后，输出信号的总谐波畸变率Tab.4 Total harmonic distortion rate of the output signal after the inductance is compensated in parallel

上述试验证明了文中所提出的电感补偿措施以及补偿电感计算方法的有效性，解决了高压功率放大器驱动容性负载能力不足的问题，满足实际工程中阻容式分压器频率响应试验对高压宽频电源的实际需求。

3 直流分压器频率响应特性测试

利用前文介绍的频率响应现场试验方法对一台100 kV阻容式直流分压器开展频率响应特性测试，试验原理图如图11所示。该阻容式直流分压器的高低压臂参数经过测定为：R1=312 MΩ，R2=29.64 kΩ，C1=209.4 pF，C2=2.046 μF。

图11 频率响应测试原理图Fig.11 Schematic diagram of frequency response test

测试过程中调节高压宽频电源依次输出频率为50～3 000 Hz、电压幅值为10 kV的试验电压，10 kV标准高压探头连接在100 kV阻容式直流分压器的高压侧测量高压宽频电压的实际输出电压。电子式电压互感器校验仪同步测试标准高压探头与被试阻容直流分压器二次电压，并计算各频率试验电压下该直流分压器的比差和相角差。在50 Hz、3 000 Hz频率试验电压下直流电压互感器校验仪频率响应测试结果如图12所示，幅频误差特性和相频误差特性测试结果如图13所示。

图12 直流电压互感器校验仪频率响应测试结果Fig.12 Test result of frequency response of DC voltage transformer calibrator

图13 直流分压器频率响应测试结果Fig.13 Test results of DC voltage divider frequency response

试验结果表明本文提出的高压宽频电源能够为被试阻容分压提供3 000 Hz范围内的10 kV标准正弦电压波形，可以对实际阻容分压器开展频率响应测试，测量直流分压器在不同频率下的比差和角差。

4 结语

本文基于高压功率放大器和任意波形信号发生器搭建了轻便式高压宽频电源，通过并联电感补偿措施提升了高压宽频电源驱动容性负载的能力。

试验结果表明，该宽频电源及其补偿装置可在不同电压等级直流分压器等效容性负载条件下，产生频率50～3 000 Hz且幅值高达10 kV的试验电压，总谐波畸变率指标可满足各类直流分压器频率响应试验要求。

本文设计的现场用频率响应试验电源提升了当前直流分压器频率响应试验电压的频率范围和电压范围，有助于推进直流分压器频率响应特性试验的现场开展，以便掌握在运直流分压器的频率响应实际运行特性，及时发现阻容器件的运行缺陷。