張 平，韓晉思，許 才，鮑音夫

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特 010010；2.國網(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)的核心檢測設(shè)備，其良好的暫態(tài)響應(yīng)特性對于真實、快速地反映一次故障信號至關(guān)重要[1]，可使繼電保護裝置在故障暫態(tài)過程尚未結(jié)束前就精確動作于跳閘。因此，對其暫態(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，是高壓直流電流互感器（以下簡稱TA）領(lǐng)域研究的重點。GB/T 26216—2019《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測量裝置》對直流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)檢測試驗方法和設(shè)備，國內(nèi)很少進行直流TA的暫態(tài)特性試驗。目前進行直流互感器現(xiàn)場校驗主要面臨以下問題：（1）僅針對直流互感器的穩(wěn)態(tài)特性進行校驗試驗和計量校準，在穩(wěn)態(tài)交流下測得的時間只是一種間接測量結(jié)果，并不能真正代替暫態(tài)階躍響應(yīng)延時測試[3]；（2）直流階躍測試普遍采用開環(huán)試驗方法，這種方法對直流源穩(wěn)定性要求極高，受現(xiàn)場測試條件的影響（測試導線中的電感分量），現(xiàn)有試驗電源和技術(shù)手段難以滿足試驗要求[4]；（3）難以實現(xiàn)同步測量，導致測量結(jié)果不準確，需要探討實用的閉環(huán)測試方法。

本文通過對直流TA階躍特性進行研究，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)校驗的直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)測試方法，并對特高壓直流電子式互感器進行現(xiàn)場測試，驗證其可行性。

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)簡單、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點。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，分流器的輸出信號正比于被測直流電流，空心線圈的輸出信號正比于被測諧波電流的微分。通過分流器和空心線圈將一次電流轉(zhuǎn)換為小電壓信號輸入遠端模塊，遠端模塊對測量電信號進行A/D轉(zhuǎn)換處理后形成測量數(shù)字信號，送至合并單元（光接口板）進行相應(yīng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送至保護裝置[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量，是保證直流電子式TA測量精度的關(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。分流器是一個近似無感的電阻器，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（見圖2），用于傳感諧波電流[7]。空心線圈是一個纏繞于非磁性骨架上的空心螺線圈，因無鐵心不會飽和，具有很好的線性度及頻率特性，適合于諧波電流的測量。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，被測電流沿軸線通過空心線圈時，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，線圈兩端感應(yīng)出電動勢?？招木€圈具有很好的線性度，輸出信號是一次諧波電流的微分，根據(jù)空心線圈的輸出信號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為時間；μ0為真空磁導率；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（弱電壓信號）的積分便可求出各次諧波電流的大小。

1.3 遠端模塊

遠端模塊包括電阻盒（信號分配盒）與光電轉(zhuǎn)換模塊兩部分，遠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（信號分配盒）的作用是信號擴展，接收分流器及空心線圈輸出的小電壓信號，并將一路模擬信號轉(zhuǎn)換為多路信號輸出，傳送給多個光電轉(zhuǎn)換模塊進行處理。光電轉(zhuǎn)換模塊對接收的模擬量信號進行一系列處理，包括濾波及信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理等，最終輸出串行數(shù)字光信號，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。實際工程中，可根據(jù)工程需求配置多個完全相同的光電轉(zhuǎn)換模塊（多至10個），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，與遠端模塊之間用光纜連接，一方面為遠端模塊提供供能激光，另一方面接收并處理遠端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)按規(guī)定的協(xié)議（TDM總線或IEC 60044—8標準）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，對繼電保護快速性提出了要求，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)對控制保護信號有更快的響應(yīng)速度、更寬的動態(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)時間小于200μs。階躍響應(yīng)特性試驗可驗證直流TA在外部短時激勵條件下輸出跟蹤響應(yīng)時間，即最能體現(xiàn)系統(tǒng)暫態(tài)特性的性能指標[9]。

直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)特性主要受羅氏線圈、遠端模塊以及合并單元數(shù)據(jù)處理三方面的影響。其中，遠端模塊負責對本體輸出小電壓信號進行信號調(diào)理，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號編碼后發(fā)送，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

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

遠端模塊一般由三部分組成，信號調(diào)理回路負責對信號進行濾波處理，一般采用二階無源濾波設(shè)計。二階無源濾波線路由2個電阻與電容串并聯(lián)組成，當阻容參數(shù)完全一致時，其對于階躍響應(yīng)的等效回路是一個一階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為電路的時間常數(shù)，τ=RC=4R1C1。

二階無源濾波部分構(gòu)成暫態(tài)階躍響應(yīng)的物理延時，進入AD采樣后的延時與信號本身已經(jīng)無關(guān)，是由數(shù)字測量系統(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，影響階躍響應(yīng)的跟蹤特性，如圖5所示。

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

3 電子式直流TA閉環(huán)測試系統(tǒng)

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

圖6 直流TA暫態(tài)階躍測試系統(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)利用階躍電流信號源施加測試量，該測試量通過無感分流器變成小幅值階躍電壓信號，該小電壓信號作為時間測試的標準源信號接入測試系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過信號調(diào)理后進行高速采樣，捕捉階躍信號的準確時間并記錄波形。對被測直流電子式互感器輸出的FT3數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)在統(tǒng)一時序模塊的控制下，進行同步接收解析，由此測試系統(tǒng)獲取了標準源階躍信號和經(jīng)過被試品傳變的階躍信號，通過系統(tǒng)內(nèi)部延時時間測試模塊進行處理計算，從而得到被測TA的暫態(tài)階躍響應(yīng)特性[10-16]。

測試系統(tǒng)通過高達1MHz的采樣率高速采集標準源的小幅值階躍電壓信號，采集間隔時間1μs，對于10μs左右上升時間的階躍信號記錄和ms級互感器延時測試而言具有足夠的時間分辨率。直流電子式互感器輸出10 kHz的FT3離散數(shù)據(jù)幀，時間分辨率為100μs，對于上升時間和延時時間計算而言誤差太大，為了提高測試精度，對采樣值進行曲線擬合和插值處理，數(shù)值處理過程如圖7所示。

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

廣義多項式擬合，見式（5）表示的多項式函數(shù)：

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

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

由此，可以計算出被測互感器階躍響應(yīng)各項指標，如上升時間（TR）=階躍終止時刻（t1）-階躍起始時刻（t2），延時時間（Tε）=被試互感器階躍終止時刻（t1）-標準源階躍終止時刻（t3），其中，階躍起始時刻為信號從低到高穿越階躍幅值10%處的時刻，階躍終止時刻為信號從低到高穿越階躍幅值90%處的時刻。

4 現(xiàn)場試驗驗證

為驗證實際測試效果，對伊克昭特高壓換流站電子式直流TA進行現(xiàn)場測試。通過階躍電流源產(chǎn)生階躍電流，分流器將電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號，通過前置單元完成模擬信號的高速轉(zhuǎn)換。按照上文所述的測試方法搭建暫態(tài)階躍測試系統(tǒng)并進行試驗，連接示意圖見圖8。

圖8 現(xiàn)場測試連接示意圖Fig.8 Diagram of field test connection

階躍電流信號源施加0～200 A的階躍電流，測試結(jié)果見表1、圖9。

圖9 200A階躍試驗波形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)各項參數(shù)Tab.1 Parameters of step response system under 200A step current

階躍電流信號源施加0～300 A的階躍電流測試結(jié)果見表2、圖10。

圖10 300 A階躍試驗波形Fig.10 Step test waveform at 300A current

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

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

5 結(jié)語

直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)特性直接影響直流控制保護的可靠性，開展現(xiàn)場性能測試具有重要意義。本文提出了一種基于閉環(huán)校驗的直流TA暫態(tài)階躍響應(yīng)測試方法，在直流信號不包含相位信息的情況下，通過提高測試系統(tǒng)采樣速率對階躍響應(yīng)信號進行數(shù)值分析，捕捉其突變過程的變化信息，利用廣義多項式對波形進行擬合，精確計算出試品離散數(shù)據(jù)的階躍信息與時間信息，并最終獲得控制保護系統(tǒng)所關(guān)心的暫態(tài)響應(yīng)延時時間與上升時間誤差等關(guān)鍵響應(yīng)指標。利用開發(fā)的暫態(tài)階躍響應(yīng)時間測試系統(tǒng)在伊克昭特高壓換流站成功開展了電子式互感器暫態(tài)特性現(xiàn)場測試驗證，測試結(jié)果中響應(yīng)延時與試品所標注的額定延時以及上升時間與標準源側(cè)上升時間之間誤差均小于15μs，達到了研制目標，證明本文提出的測試方案切實可行。