翟少磊，肖勇，廖耀華，錢斌，羅奕

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南省綠色能源與數(shù)字電力量測(cè)及控保重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(1)，昆明 650217；3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；4. 廣東省電網(wǎng)智能量測(cè)與先進(jìn)計(jì)量企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州510663)

0 引言

高壓直流輸電技術(shù)具有輸送容量大、可遠(yuǎn)距離輸電、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外輸電工程[1-4]。高壓直流電壓分壓器作為直流輸電系統(tǒng)中的重要測(cè)量裝置，為直流控制保護(hù)系統(tǒng)提供電壓測(cè)量信號(hào)，其測(cè)量準(zhǔn)確性及頻率響應(yīng)特性將直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5]。由于直流輸電系統(tǒng)中的直流側(cè)回路阻抗較小，發(fā)生故障時(shí)其電壓變化速度更快，需要控制保護(hù)信號(hào)具有更快的采樣速度和更寬的頻帶寬度[6]，因此對(duì)直流電壓測(cè)量裝置提出了更高的頻率響應(yīng)特性要求。直流電壓測(cè)量裝置主要分為電阻分壓器和阻容式分壓器2種[7]。當(dāng)受到?jīng)_擊電壓時(shí)，電阻分壓器上的電壓分布極不均勻，靠近高壓側(cè)的電阻可能因承受瞬時(shí)過電壓而損壞，因此現(xiàn)場(chǎng)使用的高壓直流電壓測(cè)量裝置一般為阻容式分壓器[8-10]。

嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高壓直流電壓測(cè)量裝置進(jìn)行出廠試驗(yàn)、例行試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。GB/T 26217—2019《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電壓測(cè)量裝置》[11]是現(xiàn)行高壓直流電壓測(cè)量裝置國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中明確要求產(chǎn)品在做型式試驗(yàn)時(shí)，需在高壓側(cè)分別施加頻率為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的正弦波試驗(yàn)電壓，其幅值誤差不得超過3%，時(shí)間誤差不得超過500 μs。由于缺乏滿足條件的頻率試驗(yàn)電源，目前高壓直流分壓器在出廠試驗(yàn)時(shí)，一般僅在工頻50 Hz條件下進(jìn)行高壓頻率響應(yīng)測(cè)試。實(shí)際投入運(yùn)行后，高壓直流分壓器一般不再進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗(yàn)[12-13]，這種現(xiàn)狀使得直流電壓測(cè)量裝置頻率響應(yīng)特性缺乏客觀的評(píng)定依據(jù)，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患[14-16]。

基于該現(xiàn)狀，本文提出了一種高壓直流分壓器頻率響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)源及試驗(yàn)方法，可在不同容性負(fù)載下，生成頻率50～3 000 Hz且幅值為0～10 kV，波形畸變系數(shù)小于5%的正弦試驗(yàn)電壓，滿足各類直流分壓器頻率響應(yīng)試驗(yàn)要求，使得高壓直流分壓器的現(xiàn)場(chǎng)頻率響應(yīng)測(cè)試成為可能。該方法的提出有助于完善直流分壓器現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)在運(yùn)行的直流分壓器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)頻率響應(yīng)測(cè)試，及早發(fā)現(xiàn)阻容分壓器電容元件故障等設(shè)備隱患，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 基于高壓功率放大器的高壓寬頻電源

澳大利亞國(guó)家測(cè)量所Ilya Budovsky設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)用于直流分壓器頻率響應(yīng)測(cè)試，其輸出試驗(yàn)電壓為1 kV，頻率可在40～200 kHz間調(diào)節(jié)[17]，但是該方案在1 kV試驗(yàn)電壓下的精度較低，無法滿足高等級(jí)分壓器頻率響應(yīng)誤差要求。文獻(xiàn)[18]采用交流穩(wěn)壓電源對(duì)不同型號(hào)的阻容式直流分壓器進(jìn)行了頻率響應(yīng)試驗(yàn)，該方法受交流穩(wěn)壓電源限制，僅能輸出300 Hz以下的正弦信號(hào)波形。文獻(xiàn)[19]通過信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)功率放大器得到高壓寬頻信號(hào)，再利用寬頻升壓器得到所需試驗(yàn)電壓，但是在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于功率放大器負(fù)載能力的限制，當(dāng)接入容性負(fù)載時(shí)，高壓輸出端的正弦信號(hào)波形會(huì)隨著信號(hào)頻率的增加產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。文獻(xiàn)[20]采用IGBT全橋逆變電路和脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸出電壓有效值320 V，功率16 kW的高壓大功率開關(guān)功率放大器。文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載的雙極性高壓功率放大器，該放大器驅(qū)動(dòng)等效電容為2.5 μF的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)單端到地-500～+500 V高壓輸出，這2種方案均因輸出電壓值不足，無法滿足頻率響應(yīng)測(cè)試要求。

為滿足高壓直流電壓互感器頻率響應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)試需求，本文搭建了由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、可調(diào)電感裝置組成的高壓寬頻電源，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生0～25 MHz頻率的正弦波形，高壓功率放大器可提供交流峰值0～±10 kV范圍內(nèi)的輸出電壓，其交流電流有效值輸出范圍為0～±40 mA，可調(diào)電感裝置基于并聯(lián)諧振原理補(bǔ)償負(fù)載容性電流，以提高功率放大器高頻輸出電壓下驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的能力。

圖1 高壓寬頻電源結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of high voltage broadband power supply

所用高壓功率放大器的技術(shù)原理如圖2所示。輸入信號(hào)通過低壓運(yùn)算放大級(jí)驅(qū)動(dòng)后，推動(dòng)功率放大級(jí)，得到快速跟隨輸入信號(hào)的高電壓輸出。整個(gè)系統(tǒng)通過220 V交流輸入供能。高壓輸出信號(hào)通過負(fù)反饋通道構(gòu)成閉環(huán)控制，作用在運(yùn)算放大器上以提高功率放大器的輸出穩(wěn)定性。該功率放大器的有效帶寬受放大器的輸出電流能力限制，當(dāng)負(fù)載電流大于40 mA時(shí)，功率放大器因無法提供更大的電流，此時(shí)輸出電壓波形開始畸變，具體表現(xiàn)為正弦波波峰變平，峰值因數(shù)變小，不再是理想的正弦波。當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)一步超出其帶負(fù)載能力時(shí)，功率放大器會(huì)自動(dòng)跳閘以保護(hù)其內(nèi)部電路。

圖2 高壓功率輸出放大器的原理Fig.2 Principle of high-voltage power output amplifier

驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，高壓寬頻電源輸出電流大小的理論計(jì)算公式為：

i=2πfCv

(1)

式中：C為負(fù)載電容值；f為輸出波形所需頻率；v為施加到負(fù)載上的電壓有效值。

為驗(yàn)證高壓寬頻電源的帶容性負(fù)載能力，本文模擬當(dāng)前高壓直流輸電工程中常用的800 kV、400 kV、100 kV分壓器，分別搭建了實(shí)物試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)原理圖Fig.3 Test principle diagram

根據(jù)公式可以計(jì)算出該高壓寬頻電源輸出電壓為幅值為10 kV時(shí)(有效值7.07 kV)，驅(qū)動(dòng)不同電壓等級(jí)分壓器時(shí)所能達(dá)到的理論帶寬，如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)不同電壓等級(jí)分壓器時(shí)所能達(dá)到的理論帶寬Tab.1 Theoretical bandwidth that can be achieved when driving the voltage divider of different voltage levels

1.1 帶±800 kV直流分壓器容性負(fù)載能力測(cè)試

經(jīng)過工程產(chǎn)品手冊(cè)查詢與實(shí)物測(cè)定，±800 kV阻容式直流分壓器的等效電容值約為200 pF，本次試驗(yàn)時(shí)所使用的等效電容參數(shù)經(jīng)測(cè)定為202.0 pF。設(shè)定高壓輸出電壓峰值為10 kV，調(diào)節(jié)高壓信號(hào)的頻率，通過校驗(yàn)系統(tǒng)采集電壓波形信號(hào)。當(dāng)頻率從50 Hz變化到3 000 Hz的過程中，波形均無明顯畸變。通過快速傅立葉變換分析，其50 Hz下的總諧波畸變率為0.98%，3 000 Hz下的諧波畸變率略有增加，為1.13%，如圖4所示。由于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程并未對(duì)直流分壓器頻率試驗(yàn)源的諧波畸變率指標(biāo)作出要求，參照《JJG496—2016工頻高壓分壓器檢定規(guī)程》對(duì)電源諧波畸變率應(yīng)不大于3%的要求[22]，可認(rèn)為該高壓寬頻電源輸出波形的諧波畸變率達(dá)標(biāo)。

圖4 電容負(fù)載為202 pF，頻率為3 000 Hz時(shí)輸出波形與諧波分析Fig.4 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 202 pF and the frequency is 3 000 Hz

1.2 帶±400 kV直流分壓器容性負(fù)載能力測(cè)試

±400 kV阻容式直流分壓器的等效電容測(cè)定值約為400 pF，本次試驗(yàn)所使用的等效電容參數(shù)經(jīng)測(cè)定為404.7 pF。采用相同的試驗(yàn)方法采集電壓波形信號(hào)，發(fā)現(xiàn)頻率在50～2 500 Hz范圍變化時(shí)，波形無明顯畸變，當(dāng)頻率上升至2 640 Hz時(shí)其波形發(fā)生明顯畸變，通過快速傅立葉變換分析，測(cè)得其諧波畸變率為4.42%，如圖5所示。該輸出電壓因諧波畸變率過高，無法滿足頻率響應(yīng)試驗(yàn)要求需要。

圖5 電容負(fù)載為404.7 pF，頻率為2 640 Hz時(shí)輸出波形與諧波分析Fig.5 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 404.7 pF and the frequency is 2 640 Hz

1.3 帶±100 kV直流分壓器容性負(fù)載能力測(cè)試

±100 kV阻容式直流分壓器的等效電容值測(cè)定值約為1 500 pF，本次試驗(yàn)所使用的等效電容參數(shù)經(jīng)測(cè)定為1 527 pF。采用相同的試驗(yàn)方法采集電壓波形信號(hào)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率超過1 000 Hz時(shí)，波形變成三角波。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)頻率在50～700 Hz范圍變化時(shí)，波形無明顯畸變，當(dāng)頻率上升至760 Hz時(shí)其波形開始發(fā)生明顯畸變，測(cè)得其諧波畸變率為2.67%，如圖6所示。

圖6 電容負(fù)載為1 527 pF，頻率為760 Hz時(shí)輸出波形與諧波分析Fig.6 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 1 527 pF and the frequency is 760 Hz

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，受功率放大器帶容性負(fù)載能力限制，在輸出電壓峰值為10 kV時(shí)，當(dāng)前高壓寬頻電源驅(qū)動(dòng)400 pF級(jí)的電容時(shí)的實(shí)際有效帶寬約為2 600 Hz，驅(qū)動(dòng)1 500 pF級(jí)的電容時(shí)的實(shí)際有效帶寬約為750 Hz，與表1的理論計(jì)算值相近。試驗(yàn)結(jié)果表明，該公式可用在工程中實(shí)際估算該高壓寬頻電源在不同容性負(fù)載時(shí)的有效帶寬。

盡管1.1節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果表明該高壓寬頻電源驅(qū)動(dòng)200 pF級(jí)的電容，有效帶寬能夠達(dá)到4 500 Hz，滿足標(biāo)準(zhǔn)所要求的3 000 Hz。然而對(duì)于800 kV級(jí)的高壓直流分壓器，峰值10 kV的交流電壓輸出只達(dá)到其額定量程的1.25%，并不能反映實(shí)際工況。若要進(jìn)一步提高輸出電壓，其有效帶寬會(huì)等比例下降。因此高壓直流分壓器頻率試驗(yàn)源的試驗(yàn)?zāi)芰﹄x相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求仍有進(jìn)一步提升空間。

2 高壓寬頻電源容性負(fù)載能力提升措施及驗(yàn)證

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，限制高壓功率放大器輸出性能的主要因素是不同電容負(fù)載下的容性電流大小。為進(jìn)一步提升高壓寬頻試驗(yàn)電源的性能，滿足頻率響應(yīng)測(cè)試的需要，本文從減少負(fù)載電流大小的角度出發(fā)，提出了一種在高壓功率放大器的輸出端并聯(lián)可調(diào)電感的措施以提升高壓寬頻電源的有效帶寬。

補(bǔ)償模型如圖7所示。用ATP等仿真分析軟件可以計(jì)算出在本文3個(gè)典型電容負(fù)載下交流電壓輸出幅值為10 kV，功率放大器的容性輸出電流不超過40 mA，各個(gè)輸出頻率所需的補(bǔ)償電感值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖7 補(bǔ)償模型圖Fig.7 compensation model diagram

表2 電容負(fù)載在各個(gè)頻率下所需并聯(lián)電感值Tab.2 The required parallel inductance values of capacitor loads at each frequencyH

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備的便攜性要求，所設(shè)計(jì)的可調(diào)電感在具備寬電容負(fù)載調(diào)節(jié)能力的前提下，其設(shè)備質(zhì)量應(yīng)盡量小，故選用的可調(diào)電感調(diào)節(jié)范圍為0～98.7 H。本文設(shè)計(jì)的可調(diào)電感裝置由線圈與磁芯2部分構(gòu)成，如圖8所示。線圈共有5個(gè)輸出端口，磁芯上方具有手搖式調(diào)節(jié)旋鈕，可調(diào)節(jié)磁芯進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度。通過調(diào)節(jié)線圈接入的節(jié)數(shù)和磁芯進(jìn)入線圈長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)電感量。每一節(jié)端口空磁芯與滿磁芯時(shí)的電感值如表3所示。針對(duì)不同電壓等級(jí)的阻容式直流電壓互感器，根據(jù)表2選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電感值，可以使輸出電流保持在功率放大器輸出電流限制以內(nèi)，輸出峰值10 kV頻率在50～3 000 Hz范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖8 可調(diào)電感裝置Fig.8 Adjustable inductance device

表3 不同端口空磁芯與滿磁芯時(shí)的電感值Tab.3 Inductance value of different ports with empty core and full core

為驗(yàn)證上述所計(jì)算的并聯(lián)電感補(bǔ)償措施的有效性，本文搭建了如圖9所示模擬試驗(yàn)平臺(tái)。

圖9 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Test principle and test platform

2.1 ±400 kV直流分壓器典型容性負(fù)載

對(duì)于±400 kV直流分壓器典型容性負(fù)載，當(dāng)未并聯(lián)補(bǔ)償電感裝置時(shí)，頻率增加至3 000 Hz時(shí)功率放大器內(nèi)部保護(hù)裝置動(dòng)作，無法產(chǎn)生指定的電壓波形。在功率放大器輸出側(cè)并聯(lián)可調(diào)電感，測(cè)量其在3 000 Hz下的輸出電壓波形，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電感從24.4 H調(diào)節(jié)到3.88 H時(shí)，輸出波形均無明顯畸變。計(jì)算得到并聯(lián)24.4 H負(fù)載時(shí)的總諧波畸變率為2.48%，并聯(lián)3.88 H負(fù)載時(shí)的總諧波畸變率為1.91%，波形如圖10所示，均能滿足試驗(yàn)要求。

圖10 并聯(lián)電感值為3.88 H，電容負(fù)載為1 527 pF，頻率為760 Hz時(shí)輸出波形與諧波分析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直流分壓器典型容性負(fù)載

對(duì)于±100 kV直流分壓器典型容性負(fù)載，當(dāng)未并聯(lián)補(bǔ)償電感裝置時(shí)，增加頻率至760 Hz時(shí)其輸出波形已發(fā)生明顯畸變。當(dāng)頻率在800 Hz及以上時(shí)，可采用表2所計(jì)算的補(bǔ)償電感值進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償電感值與理論計(jì)算存在差異，實(shí)際補(bǔ)償電感值與諧波畸變率計(jì)算結(jié)果如表4所示。

受實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境中的雜散電容參數(shù)影響，實(shí)際使用的補(bǔ)償電感范圍與理論計(jì)算得到的電感范圍存在細(xì)微差別。補(bǔ)償后輸出信號(hào)的總諧波畸變率基本很難達(dá)到1%以下，但是均能夠控制在2.5%以內(nèi)。在實(shí)際工作中，可以在試驗(yàn)前計(jì)算出實(shí)際補(bǔ)償所需的電感范圍表，然后在盡量大的頻率范圍內(nèi)選擇固定的電感參數(shù)。以表4為例，可以在800～1 000 Hz內(nèi)使用相同的電感值18 H，無需完全補(bǔ)償也可以滿足試驗(yàn)要求，以減輕現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)頻繁調(diào)整電感所帶來的額外工作量。

表4 并聯(lián)補(bǔ)償電感后，輸出信號(hào)的總諧波畸變率Tab.4 Total harmonic distortion rate of the output signal after the inductance is compensated in parallel

上述試驗(yàn)證明了文中所提出的電感補(bǔ)償措施以及補(bǔ)償電感計(jì)算方法的有效性，解決了高壓功率放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載能力不足的問題，滿足實(shí)際工程中阻容式分壓器頻率響應(yīng)試驗(yàn)對(duì)高壓寬頻電源的實(shí)際需求。

3 直流分壓器頻率響應(yīng)特性測(cè)試

利用前文介紹的頻率響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)一臺(tái)100 kV阻容式直流分壓器開展頻率響應(yīng)特性測(cè)試，試驗(yàn)原理圖如圖11所示。該阻容式直流分壓器的高低壓臂參數(shù)經(jīng)過測(cè)定為：R1=312 MΩ，R2=29.64 kΩ，C1=209.4 pF，C2=2.046 μF。

圖11 頻率響應(yīng)測(cè)試原理圖Fig.11 Schematic diagram of frequency response test

測(cè)試過程中調(diào)節(jié)高壓寬頻電源依次輸出頻率為50～3 000 Hz、電壓幅值為10 kV的試驗(yàn)電壓，10 kV標(biāo)準(zhǔn)高壓探頭連接在100 kV阻容式直流分壓器的高壓側(cè)測(cè)量高壓寬頻電壓的實(shí)際輸出電壓。電子式電壓互感器校驗(yàn)儀同步測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)高壓探頭與被試阻容直流分壓器二次電壓，并計(jì)算各頻率試驗(yàn)電壓下該直流分壓器的比差和相角差。在50 Hz、3 000 Hz頻率試驗(yàn)電壓下直流電壓互感器校驗(yàn)儀頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖12所示，幅頻誤差特性和相頻誤差特性測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖12 直流電壓互感器校驗(yàn)儀頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.12 Test result of frequency response of DC voltage transformer calibrator

圖13 直流分壓器頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results of DC voltage divider frequency response

試驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的高壓寬頻電源能夠?yàn)楸辉囎枞莘謮禾峁? 000 Hz范圍內(nèi)的10 kV標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓波形，可以對(duì)實(shí)際阻容分壓器開展頻率響應(yīng)測(cè)試，測(cè)量直流分壓器在不同頻率下的比差和角差。

4 結(jié)語

本文基于高壓功率放大器和任意波形信號(hào)發(fā)生器搭建了輕便式高壓寬頻電源，通過并聯(lián)電感補(bǔ)償措施提升了高壓寬頻電源驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該寬頻電源及其補(bǔ)償裝置可在不同電壓等級(jí)直流分壓器等效容性負(fù)載條件下，產(chǎn)生頻率50～3 000 Hz且幅值高達(dá)10 kV的試驗(yàn)電壓，總諧波畸變率指標(biāo)可滿足各類直流分壓器頻率響應(yīng)試驗(yàn)要求。

本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)用頻率響應(yīng)試驗(yàn)電源提升了當(dāng)前直流分壓器頻率響應(yīng)試驗(yàn)電壓的頻率范圍和電壓范圍，有助于推進(jìn)直流分壓器頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)開展，以便掌握在運(yùn)直流分壓器的頻率響應(yīng)實(shí)際運(yùn)行特性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)阻容器件的運(yùn)行缺陷。