一种直流分压器二次分压设备快速检测装置研究

梁秉岗 杨学广

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东广州510405）

1 直流分压器典型结构介绍

高压直流输电工程中一般采用直流分压器来对高压直流母线电压进行测量，其原理如图1所示，直流分压器由高压臂、低压臂、二次分压板、远端模块4部分组成。其中高压臂与低压臂串联组成阻容分压的电路，将直流高压转换为较低的直流电压，二次分压板进一步将低压臂输出的电压进行转换，送各远端模块（Sensor）进行采样，远端模块将采集的电压转换为数字量，通过光纤送到相应的直流测量系统，再通过测量总线送给控制保护系统。

图1 直流分压器电气原理图

2 直流分压器异常情况的典型表现形式

目前直流分压器主要故障表象为直流电压测量异常，从直流分压器的原理结构可知，各组成元件（高压臂、低压臂、二次分压板、远端模块）的阻抗出现异常均有可能导致直流分压器输出的电压测量值异常。

高压臂故障以内部放电、外绝缘闪络等不可恢复性故障为主，其故障特征明显，一般可通过现场高压试验进行判别。

二次分压板、远端模块的故障多半表现为直流分压器某一通道输出值与其余通道不一致。故障录波继电保护测试仪均为电压电流源，现场可通过在直流分压器的低压臂两端进行二次加压试验，定位出故障元件。

低压臂故障，主要特征为分压器各测量通道输出的电压一致，但与实际值存在偏差。现场一般通过理论计算直流电压值与直流测量系统电压值不一致来判断出现电压测量异常，但对于检修后异常是否消除缺乏有效检测手段。若开展分压比试验，由于现场条件限制所施加的电压低、精度不高，结果参考意义不大；通过直流系统开展OLT试验，则需直流系统复电，不便于现场运维。综上，亟需研制一款能对低压臂故障进行快速测试的检测装置。

3 二次分压设备快速检测装置的设计要求

根据前文对特高压直流分压器异常情况典型表现形式的分析，此次对电子式直流分压器二次分压设备快速检测装置的研制要求如下：

（1）设备主功能：该设备留有两个接线处，只需将接线处与低压臂两端相接，即可得到其阻抗大小，包括等效并联电容与等效并联电阻大小，电阻测量范围为10 kΩ～10 MΩ，电容测量范围为100 nF～10 μF，预期精度可达0.1%。

（2）自动存储测试数据及自动识别功能：能够设定时间间隔自动记录存储测试结果，能够根据测试结果自动甄别直流分压器的二次板卡部分是否正常，并关联告警指示灯或告警音响。

（3）便携性：自带LCD显示屏，能显示测试结果及电池电量等信息；使用电池供电；体积不宜超过常规万用表体积。

4 二次分压设备快速检测装置的设计方案选择

根据上述电子式直流分压器二次分压设备快速检测装置需满足的设计要求，此次研制的电子式直流分压器二次分压设备快速检测装置的测量系统整体框图如图2所示，包括激励信号源、测试网络、24位高精度ADC、整形电路、逻辑门电路、LCD显示模块、无线收发模块、主控制器模块和上位机等部分。

为更好地适应现场的测试环境及结果，在设计之初，有以下两个方案供选择考虑，下面将从原理上以及工程现场的实际情况来分析两个方案的利弊。

方案一：系统给一固定交流信号激励源，根据被测网络值的大小，选择给10 Hz交流激励信号，测量交流信号幅值和相位的变化，计算阻抗大小。由图1中测量网络可得输入、输出关系如式（1）所示：

图2 电子式直流分压器二次分压设备快速检测装置整体方案框架

由式（1）可得相位与幅值关系如式（2）和式（3）所示：

其中幅值关系可通过24位高精度ADC采集得到，相位关系可通过整形电路、逻辑门电路得到一与相位相关的电平，控制器捕捉电平宽度得到相位变化大小。通过列方程组（式（2）与式（3）），解方程组得到Cx和Rx大小。

方案二：系统首先选择激励源为直流激励源，通过测量输入、输出大小变化，计算被测网络直流条件下阻抗，即等效电阻Rx大小，此时输入、输出关系如式（4）所示，输入、输出大小通过24位高精度ADC采集得到，然后代入式（4）计算得到Rx大小。

得到电阻值Rx大小后，将激励源换为10 Hz交流激励，测量输入、输出端的相位差，将Rx电阻值大小和相位差θ代入式（2）即可得Cx大小：

上述两种方案各有优缺点：方案一优点是测量速度快，每一个周期即100 ms可测量一次。缺点是测量精度差，由于相位变化与电容电阻变化的非线性关系，在一定范围内，很大的电容和电阻变化才能引起一定的相位变化，这导致了测量精度无法提高；而整个测量系统精度下降。方案二与方案一相反，缺点是测量速度慢，激励源每切换一次需要等待信号达到稳态，需要几秒才能完成一个测量周期，但却保证了测量精度，在测电阻大小时，由于采用的是直流激励，可忽略电容的影响，测量精度大大提高，保证了电阻的精度，只要能精确测量相位变化，就能很好地测量电容的大小。针对本研究目的，最关心的是低压臂和二次分压板的直流阻抗特性和整体测量精度，结合以上两个方案的优缺点，本项目采用方案二。

5 结语

本文介绍了一种直流分压器二次分压设备快速检测装置的研制，其在工程现场应用简单快捷，只需将装置测试表笔与直流分压器的低压臂两端连接，并实现了与上位机的通信功能，能自动保存低压臂的长时间连续监测和测试数据，该装置的研制极大地方便了现场运维工作的开展。