1、柔性直流输电系统直流电压互感器阶跃响应试验电源研究 冯 亮 技术交流 91 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.01.018 柔性直流输电系统直流电压互感器阶跃响应试验电源研究 冯 亮 摘 要：直流电压互感器是直流输电系统中测量直流侧一次电压的重要设备，柔性直流输电系统要求控制保护信号具有更快的响应速度，这对直流电压互感器的阶跃响应特性提出了更高的要求。为有效开展直流电压互感器的阶跃响应特性试验，本文开展直流电压互感器阶跃响应试验技术研究，提出柔性直流输电系统直流测量装置阶跃响应试验电源的关键指标，研究阶跃试验用电压源的技术方案，并提出电压源的基本电路结构和波形控制方
2、法。仿真结果表明：阶跃试验用电压源满足相关标准和技术规范要求的陡前沿、长脉宽、高幅值电流输出特性。关键词：柔性直流输电；直流电压互感器；试验电压源；阶跃响应 Abstract:DC voltage transformer is an important equipment for measuring the primary voltage at the DC side in the DC transmission system.The flexible DC transmission system requires the control protection signal to have a
3、 faster response speed,which puts forward higher requirements for the step response characteristics of DC voltage transformer.In order to effectively carry out the step response characteristic test of DC voltage transformer,the paper carries out the studies on the step response test technology of DC
4、 voltage transformer,proposes the key indicators of the step response test power supply of DC measuring device in flexible DC transmission system,studies the technical scheme of voltage source for the step test,and proposes the basic circuit structure and waveform control method of voltage source.Th
5、e simulation results show that the voltage source for the step test meets the requirements of relevant standards and technical specifications with steep front,long pulse width and high amplitude current output characteristics.Key words:flexible DC transmission;DC potential transformer;test voltage s
6、ource;step response 中图分类号：TM835 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2023)01-0091-06 0 引言 随着大功率全控型电力电子器件的快速发展，以及直流电网制造水平的不断提高，柔性直流输电技术在高压直流输电领域的关注度愈发提高，应用也愈发广泛，将成为直流电网中最主要的输电方式之一1-2。相比于交流系统，直流系统线路阻抗低，当发生短路故障时，线路电流迅速上升，故障发展速度更快，这就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。直流电压互感器作为柔性直流控制保护系统中核心测量设备，也面临着更高的阶跃响应特性要求，因此直流电压互感器的阶跃响应特性
7、试验对柔性直流输电系统安全运行具有重要意义3-4。现有试验设备和技术手段主要是针对直流测量装置稳态特性和频响特性的测试，国家标准和IEC 国际标准明确规定了直流测量装置的阶跃响应特性，但由于相关理论研究和检测设备的缺乏，作者简介：冯 亮.中国铁建股份有限公司中原区域总部，高级工程师。针对直流电压互感器的暂态特性试验仍无法有效开展1。近年来，直流测量装置的暂态特性研究主要集中在频率响应和暂态响应两个方面，其中对暂态响应试验技术的研究多集中在直流电流测量装置试验技术方面1。中国电力科学研究院研制了基于扫频方法的直流测量装置频率响应特性试验方法和标准装置5。国网电力科学研究院对保护用电流互感器暂态特
8、性试验电源及检测系统开展了研究，装置最大峰值电流达 40 kA，时间常数为 40120 ms可调6-7。柔性直流输电用直流电流测量装置的暂态响应特性技术研究也在此基础上开展，所研制的额定电流暂态响应试验电源及检测系统解决了直流电流测量装置无法依据标准进行暂态响应评价的难题8-9。以上均是关于直流电流测量装置的暂态特性试验技术研究，而关于直流电压测量装置暂态响应的试验方法与试验装置研究的文献较少。阶跃电源属于脉冲功率技术范畴，主要技术难点是储能技术和开关技术10。高陡度电压发生器一技术交流 电气化铁道 2023年第1期 92 般采用电容作为储能元件，采用多级冲击电压发生器（Marx 发生器）结构
9、，可实现 ns 级上升时间、百 kV 级的输出电压。Marx 发生器的缺点主要是结构复杂、建设和维护成本较高，并且作为点火开关的球间隙无法关断，杂散参数的存在会使阶跃电压出现剧烈振荡，波形控制难度较大，难以实现阶跃电压脉宽的 ms 级维持时间11。采用全固态开关替换球间隙则需考虑触发回路与高压电路的隔离，同时保证开关同步触发，需要重点考虑电磁兼容问题，这在高压复杂的电磁环境下难度较大11。因此，由于缺乏高陡度、长脉宽的暂态响应试验电源，柔性直流输电用电压测量装置的暂态响应试验难以在满足标准认定的试验条件下进行，限制了直流电压测量装置的等效性验证和有效考核。本文针对柔性直流输电系统用直流电压互感
10、器阶跃响应试验需求，开展高陡度、长脉宽、大功率试验电源技术方案和基本电路结构的研究，并搭建直流电压互感器阶跃响应试验仿真电路，研究回路负载情况、杂散参数和元件参数偏差等关键参数对阶跃响应试验波形的影响，并提出阶跃响应试验电源的波形调控技术。1 直流电压互感器及其阶跃响应 目前，国内应用的直流电压互感器主要有电子式电压互感器和全光纤电压互感器。运行中的柔性直流电子式电压互感器通常采用阻容分压原理，一般由阻容分压传感器、二次分压电路、信号调理电路、光纤以及合并单元等组成，分压传感器利用精密电阻分压器将一次直流高电压转换为二次直流低电压，并利用并联电容分压器均压保证频率特性。直流低压经二次分压电路实
11、现多路独立信号输出，该模拟电信号经信号调理电路转换为数字光信号，并经合并单元输出至直流控制保护系统。电子式电压互感器绝缘结构简单可靠、线性度好、动态范围大，可实现对高压直流电压的可靠监测12。高压直流输电系统直流电压测量装置（GB/T 262172019）中规定，直流电压测量装置的暂态响应试验是针对二次电压对一次电压暂态变化的响应试验，应通过阶跃电压响应进行测定，在直流电压测量装置的高压端施加测量范围 10%以上的一个阶跃电压，在输出端测量输出电压曲线。标准要求常规直流输电用直流电压测量装置的暂态响应时间应不大于 250 s，柔性直流输电用直流电压测量装置的暂态响应时间应不大于 100 s13
12、。IEC 61869-15-2018 要求施加直流电压测量装置暂态响应的阶跃电压上升时间不大于其额定标称响应时间的 0.1 倍，趋稳时间小于电压发生装置输出电压阶跃响应时间的 10 倍14，即柔性直流输电用直流电压测量装置的阶跃响应试验装置对电源本身输出的阶跃响应时间应不大于 10 s，趋稳时间不大于 100 s。直流输电用直流电压互感器暂态试验导则（DL/T 21842020）在此基础上规定电压过冲幅度小于 5%，脉宽不小于 5 ms15。综合以上标准和相关技术规范，柔性直流输电系统直流电压测量装置阶跃响应试验电压源关键技术指标如表 1 所示，其中 Us为直流电压互感器额定一次直流电压，趋稳
13、时间定义中的瞬态值允差满足 2is3%。表 1 阶跃响应试验电压源关键技术指标 参数 指标要求 上升时间 tr/s 10 脉宽 tw/ms 5 幅值 U 0.1Us 电压过冲幅度/%5 趋稳时间 ts/s Cr=25 pF，Rs=30 M(Cs/Cr)，可取 C1=C2=100 nF。根据电流上升时间tr10 s确定放电电阻Rc：2src2s2.3C CtRCC+（1）取 Rc=1 k。考虑开关导通时的暂态过程，电压上升时间小于 10 s，等效频率 33 kHz，负载阻抗近似为电容阻抗与 Rs并联，约为 707，回路中电流 59 A，10 s 内 Rc产热 34 J，考虑散热条件，可不考虑电阻
14、暂态过程发热，此时输出电压为 2soCC2scsCRUUUCC RR=+（2）式中：UC为 C2的充电电压。开关阻件导通后 6 ms 断开，1KR和2KR为均压电阻，(12KKRR+)Rs，1KR和2KR均可取 1 G。3 电路仿真与结果分析 3.1 电路仿真 根据设计参数采用 Matlab Simulink 软件对阶跃响应试验用电压源电路进行仿真计算，C2充电电压波形如图 2 所示，阶跃电压源放电电压波形如技术交流 电气化铁道 2023年第1期 94 图 3 所示。仿真结果表明，8.839 s 后 C2两端电压达到 100 kV，电压幅值 102.9 kV，上升沿 4.066 s10 s，脉
15、宽 9.417 ms5 ms，过阻尼回路无过冲，趋稳时间 5.587 s100 s，满足技术指标要求。经约 0.6 s 后，负载两端电压下降 98.5%。246810020406080100U/Vt/s 图 2 C2充电电压波形 2468100204060801000.10.20.30.40.5020406080100Uo/VUo/Vt/mst/st=0.5 st=10 ms（a）电压整体波形 5101520020406080100Uo/Vt/s（b）上升沿波形 图 3 阶跃电压源输出电压波形 3.2 波形关键影响因素研究 3.2.1 负载情况 阶跃响应试验用电压源阻容分压器负载电容Cs和电阻
16、 Rs按20%+100%变动考虑，不同负载下的阶跃电流源放电电流波形如图 4 所示，放电电压幅值大于 100 kV，上升沿 3.529.37 s，均小于10 s，脉宽 7.439.79 ms，均大于 5 ms；过阻尼回路无过冲；趋稳时间5.1115.7 s，均小于100 s，满足技术指标要求。仿真结果表明：（1）负载电阻 Rs的增大使放电电压波形脉宽tw延长，这是由于开关断开后负载电容通过自身电阻放电，放电时间常数与 Rs和 Cs的乘积呈正比，负载电阻 Rs使 Cs放电减慢，因此脉宽延长；而负载电阻的变化对放电电压幅值、波形上升时间和趋稳时间基本无影响，这是由于以上参数主要与放电电阻 Rc和负载电容 Cs有关。（2）负载电容Cs的增大使放电电压幅值减小，波形上升时间 tr、脉宽 tw和趋稳时间 ts延长。放电电压幅值减小可以由式（2）进行解释；波形上升时间、脉宽和趋稳时间延长可以通过充电/放电时间常数与 Cs呈正比得到解释。246810020406080100t/msUo/V 0.8C 0.8R 1.0C 1.0R 1.2C 1.2R 1.4C 1.4R 1.6C 1.6R 1.8C