直流電子式電壓互感器延時特性分析與現場測試

朱夢夢，王 登，廖耀華，曹璞璘，束洪春，楊 博，段銳敏

直流電子式電壓互感器延時特性分析與現場測試

朱夢夢1,2,3，王 登3，廖耀華1，2，曹璞璘3，束洪春3，楊 博3，段銳敏1

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.云南省綠色能源與數字電力量測及控保重點實驗室， 云南 昆明 650217；3.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650051)

直流電子式電壓互感器因受到分壓器、遠端模塊參數改變及合并單元等數字鏈路因素影響會出現延時，現場準確測試標定該延時特性不易實現。首先，建立了直流電壓互感器等效電路模型，分析了直流分壓器、低通濾波器等被動元件對直流電子式電壓互感器延時時間的影響。在此基礎上，提出一種基于暫穩態信號的延時等效測試方法，并研制出直流電壓互感器延時特性現場試驗系統。通過標準暫穩態信號與被測直流電壓互感器的反饋時差精確測量延時時間。最后，采用所提出的試驗方案在某直流工程現場進行直流電壓互感器延時測試，驗證了該方法有效性。

延時特性；暫穩態信號；低通濾波器；測試系統；等效；絕對延時

0 引言

直流電壓互感器作為直流輸電系統換流站最為重要的高壓設備之一，負責將整個站的一次電壓量傳遞到測控、保護與計量等單元，是所有二次系統的“眼睛”[1-8]。尤其是直流電壓互感器測量性能的好壞，直接關乎直流控保系統的精準性、實時性和可靠性。一旦測量不夠精準或出現測量裝置異常情況，輕則導致控保誤判誤告警、二次系統失效，重則導致直流閉鎖等重大安全事故或隱患[9-15]。

文獻[16-17]提出了異地同步檢測方法，開展了常規直流和柔性直流工程的直流電流互感器現場測試關鍵技術研究。文獻[18]研究了適用于直流電壓測量裝置的暫態階躍響應現場測試技術，并進行了試驗驗證。文獻[19]開展了數字量輸出型的電子式電壓互感器暫態特性測試技術研究。但是對于阻容分壓型的直流電壓互感器而言，一次低壓分壓臂的額定輸出一般為幾十伏，需要通過二次分壓和驅動，將其變換成多路可以進行采集的多個遠端模塊。二次分壓可以設計為多個并接的阻容分壓回路，各阻容分壓回路的高壓臂與低壓臂具有相同的時間常數。每個輸出信號連接一個遠端模塊，從而使得多個遠端模塊的采樣信號相互獨立，每一支路不受其他支路遠端模塊阻抗變化的影響。因整體遠端模塊在戶外運行，其可靠性和穩定性是工程中最為關注的，在國內投運直流工程中，也出現過因遠端模塊分壓設計不合理、器件性能在運行條件下發生改變等原因引起的直流測量異常及導致的事故事件。同時，若系統中保護裝置所用互感器的延時不一致，易造成保護不能正確動作。另外，直流系統在諧振時，延時時間是控制系統抑制寬頻振蕩、進行快速準確調節控制的重要參數。

由于現場直流電子式電壓互感器離地高，與之聯結的管母不易拆除，且缺乏檢測方法和工程實現技術，固有延時檢測標定方面的研究一直未能有效開展。針對以上問題，本文建立直流電子式電壓互感器等效電路模型，分析了直流分壓器和低通濾波器對延時的影響。提出了基于暫穩態信號的延時等效測定方法，并在實際工程中進行了應用，驗證了方法有效性。

1 直流電子式電壓互感器延時特性分析

1.1 傳輸鏈路及延時影響環節

直流電子式電壓互感器的數字化傳輸鏈路及延時環節如圖1所示。

圖1 直流電子式電壓互感器的傳輸鏈路及延時環節

其一次傳感器帶來的相移和模擬電壓信號調理回路、抗混疊濾波器回路等帶來的相移共同構成了直流電子式互感器的額定相位偏移，數據處理延時時間和構成了時域上的絕對延時。

絕對延時是指直流電子式電壓互感器一次側模擬量出現某一量值的時刻，到互感器合并單元輸出口將該模擬量對應的數字采樣值送出的時刻，這兩個時刻之間的間隔時間。該時間是電子式互感器將一次側電量信息傳變到間隔層控保設備消耗的客觀時間。直流電子式互感器絕對延時時間關系到控保系統感受到一次側信息的早晚，進而影響反應速度和動作快慢[20-22]。目前國家標準GB/T 26217-2019中規定直流電子式電壓互感器的傳輸延時時間不大于500 μs，這一指標一般由互感器制造方給出，但值得注意的是，直流電子式互感器從廠家運輸到換流站現場，經過現場安裝、調試等環節，其所處環境與出廠前大不相同，有必要在現場進行絕對延時的測試標定和確認把關，以確定延時特性是否依然和出廠前一致。

1.2 延時特性等效模型及分析

圖2 直流分壓器等效電路

則直流分壓器的電壓傳遞函數為

圖3 相頻特性曲線

圖4 改變低壓臂電阻參數時直流分壓器延時特性

圖5 直流電子式電壓互感器等效結構圖

其中低通濾波器的傳遞函數可寫為

基于式(5)—式(7)可以推導出直流電子式電壓互感器整體的傳遞函數為

綜上分析，圖6展示了在考慮一次直流分壓器和低通濾波情況下整體的相頻特性曲線。

由圖6可見，不同頻率下延時特性不一致，但仍然在高頻段相位發現明顯滯后或超前。而圖1中的數字信號發送及合并單元處理經歷的時間是不受電路參數影響的，因此直流電子式電壓互感器的延時主要受直流分壓器參數和遠端模塊信號調理回路、抗混疊濾波參數影響，其存在約100 μs的時延。經與設備生產廠家確認，該類直流電壓電子式互感器數據處理延時時間約為300 μs，兩者共同作用下的絕對時間約為400 μs。

圖6 考慮直流分壓器和低通濾波器的相頻特性曲線

2 延時特性現場等效測試方法及系統設計

2.1 直流電子式電壓互感器延時等效測試方法

考慮到現場試驗安全性和復工難度，不可能大規模拆除管母等一次設備。若現場試驗中無需拆解一次管母，僅拆除一次引線，且不必施加額定電壓開展直流電子式電壓互感器延時測試不失為一種工程實現方法。通過上文分析，一次電壓大小不影響直流電子式電壓互感器延時特性。此外，直流系統正常運行時是以直流分量為主并疊加相應的諧波分量，而發生故障時是電壓跌落引起的暫態響應特性。鑒于以上實際工況，本文提出一種基于暫穩態信號的直流電子式電壓互感器延時等效測試方法。

圖7 基于暫態信號的延時測試示意圖

綜合以上穩態法和暫態法測試延時的分析，可以得出計算直流電子式電壓互感器的延時統一表達式為

2.2 暫穩態延時現場測試系統

一般來說，換流站直流電壓互感器本體與保護控制室中合并單元相距較遠，且合并單元采用FT3數字通信協議，加之合并單元也無法提供接收和輸入的同步信號端口。在現場測試中標準器二次小電壓信號傳輸易受干擾，且現場高壓試驗一次和二次難以隔離。鑒于以上考慮，提出如圖8所示的基于暫穩態信號的延時等效測試系統，系統主要由暫穩態電壓源、標準器和直流互感器暫穩態校驗儀等構成。

為了解決標準器信號就地高精度采集以及一次與二次設備之間的隔離，本文將互感器校驗儀的高精度AD采集單元進行前置，使得AD采集單元輸出的數據序列通過光纖傳輸至互感器校驗儀前置單元輸入接口?，F場具體測試過程：暫穩態電壓源產生所需的試驗電壓信號同時施加給被測直流電壓互感器和標準器。前置單元就地將標準器的二次信號進行高精度轉換并通過光纖傳輸給互感器校驗儀，在同步模塊的驅動下互感器校驗儀同時接收被測互感器合并單元輸出的數字信號，通過標準暫穩態信號與被測直流電壓互感器的反饋時差精確測量延時時間。

圖8 直流互感器暫穩態延時特性測試原理

3 現場測試與結果分析

課題組在某500 kV直流輸電工程中開展了極1中性母線的直流電子式電壓互感器的絕對延時現場試驗，其中額定一次電壓為75 kV，合并單元采樣頻率為10 kHz。本文建立了直流電壓互感器現場延時測試系統，其中直流互感器暫態校驗儀的采樣頻率為500 kHz，階躍響應特性測量誤差不超過4 μs。標準器采用阻容分壓器，方波響應小于10 μs。

首先，現場進行直流電壓互感器暫態延時試驗時，將高壓一次引線與管母進行斷開，在現場施加-20 kV暫態信號。圖9展示了現場基于暫態信號的延時特性測試波形，延時時間計算采用被試品和標準電壓信號達到穩態值90%所對應的時刻，其延時時間結果為468ms，若按照達到穩態值10%所對應的時刻計算，延時時間為390ms。

圖9 暫態延時測試波形

圖10 延時現場測試接線

現場絕對延時試驗波形如圖11所示，其中絕對延時的最小值為449.2ms，最大值為450.6ms，平均值為450.1 μs。若從直流電壓互感器50 Hz時的頻率響應規定要求來看，絕對延時是滿足規程小于500ms要求。對換流站的4臺直流電壓互感器的進行了測試標定，試驗結果如表1所示。

圖11 絕對延時現場試驗波形

表1 試驗結果

從表1中可以看出，4臺直流電子式電壓互感器延時均在410~450 μs。為了驗證施加一次電壓對直流電子式電壓互感器延時的影響，對極2中性母線直流電子式電壓互感器分別在一次施加7.5 kV、15 kV、50 kV穩態電壓，其延時分別為408 μs、407 μs、410 μs，穩態情況下，電壓大小對互感器延時并無明顯的影響。實質上，穩態法和暫態法對延時時間的測試相互補充，從不同視角檢測直流電子式互感器的延時。但是，直流電子式電壓互感器設備在現場運行中參數發生改變則會影響延時特性，運維人員應結合換流站預試定檢計劃進行周期檢測，而年度預試定檢時間短、工作任務緊湊，試驗人員不需大規模拆除一次管母，一般通過現場施加10%以下的額定電壓信號即可完成現場檢測。

4 結論

本文根據直流電子式電壓互感器傳輸鏈路及延時環節，建立了延時特性等效電路分析模型，分析了直流分壓器元件參數變化和低通濾波器對直流電子式電壓互感器延時時間的影響。結合工程現場試驗安全性和效率，提出了一種基于暫穩態信號的延時等效測試方法，通過被校直流電壓互感器和標準器對暫穩態信號的反饋時差，實現了在不拆解管母工況下進行直流電壓互感器絕對延時的精確測量。在某±500 kV直流工程換流站年度預試定檢中，通過施加10%以下的額定電壓信號，進行了直流電壓互感器現場延時測試，比較分析了施加暫穩態信號兩種不同方法下的延時差異，其延時時間小于500 μs。

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Field test and analysis of delay characteristics of a DC electronic voltage transformer

ZHU Mengmeng1, 2, 3, WANG Deng3, LIAO Yaohua1, 2, CAO Pulin3, SHU Hongchun3,YANG Bo3,DUAN Ruimin1

(1. Yunnan Power Grid Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 2. Yunnan Key Laboratory of Green Energy, Electric Power Measurement Digitalization, Control and Protection, Kunming 650217, China; 3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China)

Because of the influence of digital link factors such as the voltage divider, remote module parameter change and merging units, a DC electronic voltage transformer will have time delay. Thus it is difficult to accurately test and calibrate this time delay characteristic on site. First, the equivalent circuit model of a DC voltage transformer is established. Then the influence of passive components such as the DC voltage divider and low-pass filter on the delay time of the transformer is analyzed. Then a delay equivalent test method based on a transient steady state signal is proposed, and a field test system for the transient delay characteristics of the DC voltage transformer is developed. The delay time is accurately measured by the feedback time difference between the standard transient step signal and the measured DC voltage transformer. Finally, using the test scheme proposed, the time delay test is carried out on a DC project site to verify the effectiveness of the method.

delay characteristic; transient steady state signal; low-pass filter; test system; equivalent; absolute time delay

10.19783/j.cnki.pspc.220479

國家自然科學基金項目資助(52037003)；云南省技術創新人才培養對象項目資助(202205AD160005)；云南省基礎研究計劃項目資助(202001AT070096)；云南省“青年人才托舉工程”項目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52037003).

2022-04-06；

2022-05-10

朱夢夢(1986—)，男，博士，高級工程師，研究方向為交、直流互感器檢測與故障診斷技術；E-mail: 396923800@qq.com

王 登(1996—)，男，碩士，研究方向為新型繼電保護與故障測距；

廖耀華(1992—)，男，碩士，工程師，研究方向為電能計量裝置現場檢測技術。

(編輯 魏小麗)