直流电压互感器阶跃响应试验方法及应用

翟少磊 许博文，2 魏 龄

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院；2.昆明理工大学信息工程与自动化学院）

在直流输电系统中，直流互感器测量的信号主要用于控制保护，相对于交流输电系统，直流输电系统对保护信号有更快的采样速度、更宽的频带宽度的要求，这在柔性直流输电系统中表现得尤为突出。 柔性直流输电系统直流侧故障时的回路阻抗非常小，容易在瞬时产生很大的故障电流，同时，柔性直流输电系统的调控能力要求较高， 所以为了提高柔性直流系统的响应速度，抑制故障电流，提高电力系统的安全稳定性，需要使保护信号采样具有更快的采样速度和更宽的频带宽度， 如在±500 kV柔性直流输电系统中要求直流电流互感器信号传输延时小于100 μs，采样频率达到50 kHz［1，2］。 总体来说，若直流互感器不满足暂态特性的要求，将造成直流控制保护系统稳定性变差，严重影响直流系统的安全运行［3，4］。

根据GB/T 26217—2010 《高压直流输电系统直流电压测量装置》的要求，直流电压互感器在型式试验、例行试验中应开展阶跃响应试验。 目前国内缺乏试验手段和试验设备［5］，笔者将开展直流电压互感器阶跃响应试验方法的研究。

1 直流电压互感器原理与阶跃响应要求

根据DL/T 2184—2020《直流输电用直流电压互感器暂态试验导则》3.2节阶跃响应定义， 直流电压互感器阶跃响应时间定义如图1所示。

直流电压互感器阶跃响应时间为：对于阶跃响应， 从一个输入变量发生阶跃变化的时刻起，到输出变量第1次到达最终稳态值与初始稳态值之差的一个规定百分数的时刻为止的持续时间间隔，即图1的Tsr。根据GB/T 26217—2010《高压直流输电系统直流电压测量装置》的要求，在直流电压互感器的高压端施加测量范围10%以上的一个阶跃电压，在输出端测量暂态响应特性，阶跃响应时间Tsr≤250 μs［6，7］。

图1 直流电压互感器阶跃响应时间定义

2 直流电压互感器阶跃响应试验系统

2.1 直流电压互感器阶跃响应试验系统组成

为测试直流电压互感器的阶跃响应时间，笔者提出一种基于闭环比较法的直流电压互感器阶跃响应试验系统，其原理如图2所示［8］。 试验系统主要由方波电压源、标准暂态分压器及被校直流电压互感器等组成，其中方波电压源为被校直流电压互感器和标准暂态分压器提供阶跃输入信号，两者的输出信号分别经数字信号转换单元和模拟信号转换单元传输至直流电压互感器校验仪， 计算得到直流电压互感器阶跃响应时间。为满足直流电压互感器阶跃响应时间Tsr≤250 μs， 方波电压源和标准暂态分压器的阶跃响应时间应小于被校直流电压互感器额定阶跃响应时间的1/5，即Tsr≤50 μs。

图2 基于闭环比较法的直流电压互感器阶跃响应试验系统

2.2 基于电容储能的方波电压源

为满足直流电压互感器阶跃响应时间Tsr≤250 μs的要求， 方波电压源和标准暂态分压器的阶跃响应时间应不大于50 μs，方波电压源上升时间应不大于20 μs且过冲幅度vm≤5%。 根据该要求，本试验电源需要有陡峭的上升沿，因此方波电压源选用电容作为储能元件。 笔者设计了一种直流电压互感器阶跃响应试验方波电压源， 其原理如图3所示。 方波电压源主要由200 kV直流电压源、电容储能组件和200 kV开关组件组成。200 kV直流电压源能为后一级电路提供稳定的直流电压。 脉冲形成电路包括200 kV储能组件和200 kV开关组件。储能组件由电容组成，在充电时储存电能，放电时作为下一级的输入电源，开关组件是该系统的关键部分，具有控制充放电周期、调整脉冲宽度的作用［9，10］。 负载由阻容性负载构成。

图3 方波电压源原理

2.3 标准暂态分压器设计

200 kV标准暂态分压器的结构如图4所示，分压器设计为阻容分压器。 方波电压源施加方波电压至标准暂态分压器，两者总阶跃响应时间不大于50 μs。

图4 标准暂态分压器结构示意图

2.4 阶跃响应校验算法

直流电压互感器阶跃响应时间测量原理如图5所示。

图5 直流电压互感器阶跃响应时间测量原理

标准采样序列和试品采样序列平均值分别为y0、y0′，对应的时间分别为t0、t0′，标准采样序列均值前后两个采样点分别为（t1，y1）和（t2，y2），试品采样序列均值前后两个采样点分别为（t1′，y1′）和（t2′，y2′），标准和试品采样间隔分别为Δt和Δt′。假设标准采样序列和试品采样序列曲线在上升沿50%位置处近似为直线，即斜率不变，则标准和试品采样序列在上升沿50%处的时间计算式为：

其中，Δt=1/f0，Δt′=1/f0′，f0和f0′分别为标准和试品采样频率。

根据式（1）、（2）即可求出标准与试品上升至50%阶跃电压时，试品的阶跃响应时间t0′-t0。

3 试验分析

直流电压互感器阶跃响应试验系统由方波电压源、标准暂态分压器和模拟被校直流电压互感器组成，通过改变系统输入试验电压和负载电容值，测试阶跃响应试验系统的输出性能。

3.1 试验电压100 kV、负载电容2 000 pF

方波电压源施加100 kV阶跃电压，负载电容为2 000 pF，测试结果见表1，测试波形如图6所示。

图6 电压100 kV、负载电容2 000 pF时标准暂态分压器输出波形

表1 电压100 kV、负载电容2 000 pF时系统阶跃响应技术指标

3.2 试验电压200 kV、负载电容1 250 pF

方波电压源施加200 kV阶跃电压， 负载电容为1 250 pF，测试结果见表2，测试波形如图7所示。

表2 电压200 kV、负载电容1 250 pF时系统阶跃响应技术指标

图7 电压200 kV、负载电容1 250 pF时标准暂态分压器输出波形

上述试验表明，方波电压源和标准暂态分压器的阶跃响应上升时间不大于50 μs，满足小于直流电压互感器阶跃响应时间250 μs的1/5的时间要求。

4 结束语

目前国内在直流电压互感器阶跃响应方面缺乏有效的试验方法和装备，为提高直流电压互感器的使用，提出了一种直流电压互感器阶跃响应试验方法，并通过改变系统输入试验电压和负载电容值测试阶跃响应试验系统的输出性能。 试验结果得出阶跃响应上升时间不大于50 μs，满足DL/T 2184—2020《直流输电用直流电压互感器暂态试验导则》3.2节阶跃响应定义的要求， 对电力行业的发展意义重大。