換流站高壓電容器組不平衡電流測量方法及裝置研發.pdf

換流站高壓電容器組不平衡電流測量方法及裝置研發吳鵬，張源，史磊國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011摘 要換流站高壓電容器組不平衡電流現場測試受復雜電磁場干擾比較嚴重，而且試驗過程中不平衡電流很小，難以直接準確測量。提出一種全新的測量方法，將高頻低壓交流信號施加于電容器組，通過采集橋臂不平衡電壓并采用二階高通濾波器濾除工頻干擾，根據電容器組等效阻抗，計算出不平衡電流值。給出測量裝置的實現原理并從電源紋波干擾、工頻干擾、放電干擾、器件熱噪聲干擾等方面采取措施，實現精準測試?，F場測試結果表明，新方法理論思路正確，不平衡電流值測量準確。關鍵詞電容器組；電磁干擾；不平衡電壓；不平衡電流；高頻中圖分類號 TM711 文獻標志碼 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018051740 引言高壓直流輸電在“ 西電東送、北電南供”、大氣污染防治、降低能源消耗強度等方面具有十分重要的作用。根據換流理論，直流輸電系統中無論是整流站還是逆變站，都需要大量的電容器無功裝置用于濾波、無功補償等用途[1-3]。高壓電容器組投運前及現場運行過程中很容易發生故障，故障跳閘檢修后需要對電容器組進行不平衡電流檢測，確保不平衡電流在極小范圍內，即橋臂配平。通常在現場采用在電容器組兩端施加400 V工頻電壓的方法測試不平衡電流，這種方法一方面受交直流系統運行方式及頻率的影響，變化范圍較大[2]；另一方面試驗所加工頻電壓較低，如施加400 V的工頻測試電壓，正常情況下所產生的不平衡電流也只有微安級，測量儀器難以準確測量。以上這兩個因素疊加，使不平衡電流的測量產生一倍以上的誤差，特別是若進行測試的電容器組旁存在其他正在運行的濾波器，則影響更大，更難準確測量不平衡電流的大小[4-5]。本文給出一種電容器組高頻低壓間接測試不平衡電流的方案，主要是從測試信號源、測量原理和抗干擾措施方面解決現場不平衡電流難以準確測量的問題。1 總體設計思路的提出1.1 不平衡電流傳統測試方法的不足換流站通常采用工頻加壓法測試不平衡電流，一般所加電壓為交流400 V，如圖1所示，給高壓電容器組外施400 V的較低工頻電壓, 橋臂間接一個精度為0.2級的微安表,再實測出400 V工頻電壓下電容器組橋臂的不平衡電流[2, 5]。當電容器組橋臂出現不平衡時，微安表電流值會隨著電容器組橋臂不平衡度的增加而增大，當增大到不平衡電流保護Ⅰ段報警值時，保護動作報警[6-7]。本文以國內某換流站不平衡電流測量為實例，采用調壓器對電容器組加壓400 V，微安表顯示電流值讀數范圍是50100 μA，數據基本以75 μA為中心來回變化。由于數據波動范圍過大，無法收稿日期2018?05?25； 修回日期2018?12?25?；痦椖繃译娋W公司科技項目5229CG15004T。自耦調壓器220 V 400 VμAVC2C4C1C3圖 1 實測電容橋臂不平衡電流原理接線Fig. 1 Unbalanced current principle diagram ofcapacitance tower bridge arm for field testing第 52 卷 第 8 期中國電力Vol. 52, No. 82019 年 8 月ELECTRIC POWER Aug. 201985確定不平衡電流真實值，也不能據此來判斷不平衡電流是否超過保護裝置報警值[8-9]。1.2 不平衡電流測試新方法的提出針對傳統不平衡電流測試方法難以準確測量的問題，本文從2方面提出解決方案。首先，針對不平衡電流現場測試環境存在的強電磁場干擾情況，采用異頻測試信號源。換流站內運行中的濾波器會產生各種頻率干擾，以工頻干擾最強，現場實測表明頻譜在50150 Hz造成的感應電流占90以上，其他頻段的干擾能量比較小。因此本文采用1 kHz測試信號源，通過功率放大至40 V有效電壓值，施加在電容器組的兩端，在不平衡電流測試設備的信號采集回路設置二階高通濾波器，濾除50150 Hz的干擾信號，解決了現場電磁干擾問題。其次，針對微安級不平衡電流難以準確測量的問題，本文提出測試橋臂不平衡電壓，再通過等效阻抗計算出不平衡電流方法。測量不平衡電流或不平衡電壓都能夠體現出電容器組的不平衡度，但測量不平衡電流可直觀反映出電容器組不平衡電流大小是否超標。當高頻低壓電壓信號施加到電容器組上后，在電容器組中間節點可以測量到毫伏級不平衡電壓，此信號相對于微安級的不平衡電流容易達到較高的測試精度。電容器組各橋臂的電容值可以用電橋測量，在已知測試頻率情況下，根據有源線性二端網絡定理，計算電容器組中間節點的總阻抗，如圖2所示。Cii14 阻抗值為Zi1/ωCi。C1和C3并聯阻抗為Z13 Z1 Z3Z1Z3 1[C1C3]（1）C2和C4并聯阻抗為Z24 Z2 Z4Z2Z4 1[C2C4]（2）電容器組橋臂中間節點總阻抗為ZC Z13Z24 C1C2C3C4[C1C3C2C4]（3）由測量到的不平衡電壓及總阻抗可以計算出不平衡電流為IO UOCZC（4）式中IO為不平衡電流；UOC為不平衡電壓。電容器組不平衡電流間接測試方案主要由測試信號源和不平衡電壓檢測電路2部分組成，如圖3所示。測試信號源輸出低壓高頻交流信號施加于電容器組兩端，測量電容器不平衡電壓，根據電容器等效阻抗，計算出不平衡電流值。雖然用1 kHz信號源所產生的不平衡電流為工頻下的20倍，但是不平衡電壓不變，將1 kHz條件下測得的不平衡電流折算到50 Hz即可。2 硬件設計系統硬件框圖如圖4所示，由高頻交流信號輸出電路、不平衡電壓測量電路和單片機控制電路3部分組成。單片機通過命令控制正弦信號發生電路產生1 kHz的正弦波信號，經功率放大至40 V，C1 C2C3 C4ZC圖 2 電容器組等效阻抗Fig. 2 Capacitor bank equivalent impedance不平衡電壓檢測電路C2C4C1C3測試信號源圖 3 不平衡電流測試接線Fig. 3 Unbalanced current test wiring diagram高頻交流信號輸出電路輸出輸出保護功率放大高頻正弦信號發生單片機控制電路WIFI模塊顯示屏按鍵單片機控制單元不平衡電壓測量電路BNC探頭不平衡電壓測量濾波有效值轉換圖 4 硬件總體框圖Fig. 4 Hardware overall block diagram中國電力第 52 卷86通過輸出接口加載在電容器組兩端，電容橋臂產生的不平衡電壓由BNC（一種用于同軸電纜的連接器）探頭引入到測量電路，經高通濾波器對低頻干擾信號進行衰減，然后進行有效值轉換，再經AD轉換器將不平衡電壓轉換成數字量，由單片機計算出不平衡電流的大小。2.1 不平衡電壓測量電路在電容器組兩端加有效值40 V交流電壓時，不平衡電壓一般在毫伏級，需要高精密的差分放大器獲取橋臂兩端的電壓，同時差分放大器的共模抑制比高，輸入阻抗大，對不平衡電壓測量不會產生影響。從差分放大器輸出的信號經濾波器濾除工頻干擾之后，再進行有效值的轉換。差分電路由精密運放組成，如圖5所示，R29根據實際不平衡電壓大小來取值決定電路的差模增益，該電路結構對稱有較高的共模抑制比。濾波電路采用二階高通濾波器，截止頻率設置在0500 Hz，使工頻干擾信號被濾除并使其他頻率的干擾信號衰減，從而使得高頻1 kHz信號的幅值具有平坦性。圖6為由AD736真有效值轉換芯片及其外圍電路構成的真有效值轉換電路，該電路也可對非正弦波形進行有效值變換，精度較高，輸出紋波小。其中Cav是平均電容（決定轉換時間及精度），Cf為輸出濾波電容，輸入端采用雙向限幅電路對芯片進行過壓保護。2.2 高頻交流信號輸出電路如圖7所示，高頻交流信號發生采用ML2036S芯片以及外部12 MHz晶振，可以產生的正弦波、三角波、矩形波中的任意波形，單片機通過4根串行接口數據線對ML2036S進行寫操作命令，以實現對輸出波形類型和頻率的軟件編程。由于從ML2036S輸出的信號較弱，需要將信號進一步放大，后級放大電路采用OP07組成增益可調放大電路，RP電位計用于控制輸出電壓的幅度。功放輸出保護電路如圖8所示，PTC為可恢復型熔絲，正常工作時為極低阻狀態，當功放輸出意外短路時，輸出端電流會急劇增大，PTC上的熱量增加，阻值迅速增大，使得短路電流迅速X2R29R32R39R28C1C2X1121220 kΩ20 kΩ281320 kΩ470.1 μF?12 V12 V0.1 μF?ININVosVs?VsVout 620 kΩ圖 5 差分放大電路Fig. 5 Differential amplifierR10CCCavCfC11C10 C12X3 D1D212 1 μF 20 kΩ12 V?12 V10 μF0.1 μFU3 AD73633 μF33 μF12 V0.1 μF12348765Cc COMVin VccCf VoVss Cav圖 6 有效值轉換電路Fig. 6 RMS conversion circuitC21C20C52C51C27R20R7 R8R1GNDGNDGNDGNDGNDGND0.1 μF U1012345678161514131211109CLKISCKSIDLATINCNSSPND-INHCLK1CLK2SCKSIDLATICLKINGAINNCDGNDAGNDVoutVrefVCCML2036S2 kΩ 1 kΩ 1012 V?1 2 V0.1 μF0.1 μF2813?IN?INVosVosVs?VsVout1 μF0.1 μF47VCC012 MHz圖 7 高頻信號發生電路Fig. 7 High-frequency signal generating circuitPTC GNDURL功放輸出功放輸出12121 kΩ 5 W圖 8 功放輸出保護電路Fig. 8 Amplifier output protection circuit第 8 期 吳鵬等換流站高壓電容器組不平衡電流測量方法及裝置研發87減小。圖8中的壓敏電阻和電阻RL主要消除高壓電容的殘余電荷放電，壓敏電阻將放電電壓鉗制到很小值，電阻RL用來消耗電容放電電荷。3 抗干擾措施整體設計裝置構架搭建完畢，此時的裝置因測量過程的干擾問題，仍無法達到精度要求。進入測量設備的干擾信號主要包含電源紋波干擾、工頻干擾、放電干擾、器件熱噪聲干擾，其耦合途徑主要為電磁耦合、公共地線阻抗耦合、傳導耦合的方式。電源的紋波干擾主要來源于DC-DC變換的開關噪聲，其諧波分量非常豐富，對測量系統的模擬電路會有很大的影響，工頻干擾來源于周邊的換流站濾波器運行時產生的高能量工頻諧波，放電干擾來源于周邊可能存在高壓放電設備產生的電火花等。另外器件的熱噪聲干擾來源于設備的內部，且多與工作溫度變化相關，實際工作中會產生溫漂，器件特性改變等。除上文提到的在不平衡電壓測量時采用濾波電路外，本文還采取了以下幾種措施。（1）系統中接地線的合理設計。正確接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法，不合理的接地會降低電路的工作精度，甚至導致電路無法正常工作。本裝置含有小信號放大器、功率放大器、數字開關電路、電源電路、高頻無線模塊等，需對每一類型電路的接地方式特別處理，模擬信號的地單獨接一起，最后通過磁珠或零歐電阻與數字電路接回電源，接地線盡量加粗，以免接地電位隨著地線電流變化而變化，引起干擾。（2）模擬電路加金屬屏蔽殼。放大器對干擾信號十分敏感，尤其是儀表放大器因其輸入阻抗高，輸入偏置電流極小，輸入回路易受射頻（Radio Frequency，RF）高頻信號的干擾，從而造成輸出信號偏差較大，因此對放大器和濾波器電路加上金屬屏蔽殼且殼體接地，可大大提升模擬信號處理電路對外部高頻輻射干擾的抑制能力。（3）采用屏蔽線作為傳輸線。屏蔽線的原理就是在導線的外面再編織一層金屬導電網，使用時將金屬網接地，從而使信號在傳輸的過程中不受外部干擾的影響。在本裝置中，功放輸出的高頻激勵電壓用屏蔽線與電容器組兩端進行連接，測量不平衡電壓采用BNC接頭，能有效抑制外部輻射信號對測量線路產生的感應干擾。（4）電源電路和芯片加濾波退耦。測量系統中的各路電源都是直流降壓變換而來，電源的開關噪聲比較嚴重，所以在電源輸出端加電感電容組成的濾波電路，能有效抑制開關噪聲對測量電路的影響，另外在靠近各芯片的電源引腳處加多個電容值的濾波電容以濾除不同頻帶的諧波干擾，又增強了芯片工作的穩定性。4 現場測試為驗證本文所述配平方法的有效性，以國內某換流站一次電容器更換為例說明測試過程，出現的問題是某一組高壓電容器組B相不平衡電流Ⅰ段告警，需要對電容器組橋臂進行平衡調整，在調整前和調整后需要現場實測不平衡電流，以驗證調整效果。圖9中有C1、C2，C3、C4 4個橋臂，每個橋臂由18支電容器組成，實測每個橋臂的電容值為C10.959 6 μF；C20.957 3 μF；C30.958 5 μF；C40.964 5 μF。不平衡電流保護Ⅰ段報警值60 mA，折算到40 V報警值為12.6 μA。根據上述實測橋臂電容值可計算出不平衡電流理論值為26.340 μA[1]（電容器組兩端施加50 Hz/40 V電壓）。（1）不平衡電流傳統測試方法。傳統測試方法是在高壓電容器組兩端施加400 V和40 V的交流工頻電壓（2種工頻電壓對比），在不平衡回路中串入微安表直接測量不平TAC2C4C1C3外施電壓UnI1 I2I3 I4圖 9 電容器組電氣結構Fig. 9 Capacitor bank electrical structure中國電力第 52 卷88衡電流，試驗結果見表1。由表1可以看出采用傳統測試方法，測試結果與理論值偏差較大。（2）不平衡電流傳統測試新方法。采用本文測試方法在電容器組兩端施加不同頻率的電壓信號，電壓維持在40 V不變，在不平衡回路接入按本文設計方案所研發的測試設備，現場試驗接線見圖10。測試結果如表2所示。從表1和表2可以看出，若使用工頻信號測量不平衡電流，測試結果與理論值偏離太大。采用的測試信號頻率越高，受現場電磁干擾的影響越小，測試精度越高。對各橋臂單只電容器測量發現編號6－3電容器超標（其值15.45 μF），更換為電容值為17.10 μF的新電容器。電容器組兩端施加1 000 Hz/40 V電壓信號，測試不平衡電壓值為27.45 mV，折算為50 Hz下的不平衡電流為8.38 μA，此測試條件下不平衡電流的理論計算值為8.25 μA，測量誤差為1.5。而40 V時不平衡電流報警值為12.6 μA，滿足要求。5 結語（1）針對電容器組現場試驗不平衡電流太小，難以準確測量的問題，本文提出一種由不平衡電壓間接測量不平衡電流的方法，操作簡單，不改變電容器組電路結構，測試精度較高。（2）針對現場測試工頻干擾比較嚴重的問題，采用高頻低壓交流信號施加于電容器組兩端，并用二階高通濾波器濾除工頻干擾，有效提高測量精度。（3）為提高不平衡電流現場測量精度，從電源紋波干擾、工頻干擾、放電干擾、器件熱噪聲干擾等方面采取措施，使測量值更接近理論值。（4）通過實例驗證可將不平衡電流測試誤差控制在±2，取得較好的現場試驗結果。參考文獻趙婉君. 高壓直流輸電技術[M]. 北京 中國電力出版社, 2004.[1]吳鵬. 交直流濾波器及并聯電容器裝置運行及維護[M]. 北京 中國電力出版社, 2013.[2]段濤, 張智勇, 李德建, 等. ±500 kV換流站交流濾波器組不平衡電流調整新策略[J]. 電力系統保護與控制, 2011, 396 135–139.DUAN Tao, ZHANG Zhiyong, LI Dejian, et al. The new unbalancedcurrent adjusting strategy of AC filter in ±500 kV converterstation[J]. Power System Protection and Control, 2011, 396135–139.[3]李梅, 李銀紅, 陳東, 等. HVDC工程交/直流濾波器高壓電容器不平衡保護的判據研究[J]. 電網技術, 2011, 3512 229–335.LI Mei, LI Yinhong, CHEN Dong, et al. Criteria of unbalanceprotection for high voltage capacitors in AC/DC filters of HVDCpower transmission projects[J]. Power System Technology, 2011,3512 229–335.[4]吳鵬, 擺親, 劉志遠, 等. 換流站高壓電容器不平衡電流離線測試方法[J]. 電力系統自動化, 2014, 261 132–135.WU Peng, BAI Qin, LIU Zhiyuan, et al. s of unbalanced[5]表 1 不平衡電流傳統法測試結果Table 1 Traditional test results of unbalanced current外施電壓/V不平衡電流/μA40 40.150.0400 320.2326.5表 2 不平衡電流新方法測試結果Table 2 Test results with unbalanced current new 信號頻率/Hz不平衡電壓/mV折算到50 Hz不平衡電流/μA50 95.2 59.56200 88.5 27.27500 87.4 26.711 000 87.3 26.50測試點測試設備圖 10 新方法現場測試Fig. 10 New field test chart第 8 期 吳鵬等換流站高壓電容器組不平衡電流測量方法及裝置研發89current off-line test for high voltage capacitors[J]. Automation ofElectric Power Systems, 2014, 261 132–135.吳方劼, 馬為民, 孫中明, 等. 特高壓換流站交流濾波器現場試驗的分析與探討[J]. 高電壓技術, 2010, 361 167–172.WU Fangjie, MA Weimin, SUN Zhongming, et al. Analysis anddiscussion on the field testing of AC filters in UHVDC convertstation[J]. High Voltage Engineering, 2010, 361 167–172.[6]梁天明, 李豹, 張薔, 等. 換流站交流濾波器電容器故障分析及探討[C]// 2012 年中國電機工程學會直流輸電與電力電子專委會學術年會論文集, 2012 598-605.[7]肖遙, 張晉寅, 楊曉峰, 等. 高壓濾波電容器不平衡保護的試驗研究[J]. 智能電網, 2016, 43 301–306.XIAO Yao, ZHANG Jinyin, YANG Xiaofeng, et al. Test research onunbalanced protection for HVDC filter capacitor bank[J]. Smart Grid,2016, 43 301–306.[8]黃金海, 馮雷, 李曼麗, 等. 糯扎渡送電廣東特高壓直流輸電工程直流濾波器C1不平衡保護研究[J]. 電力系統保護與控制, 2012,4015 46–51.HUANG Jinhai, FENG Lei, LI Manli, et al. Study of DC filter C1unbalance protection for Nuozhadu-Guangdong ultra HVDCtransmission project[J]. Power System Protection and Control, 2012,4015 46–51.[9]竇如婷, 李豹. 換流站交流濾波器C1電容器不平衡保護定值研究[J]. 電力電容器與無功補償, 2014, 356 19–23.DOU Ruting, LI Bao. Study on imbalance protection setting ofcapacitor C1 in AC filter at converter station[J]. PowerCapacitor 2. State Key Laboratory of Power Grid Safety andEnergy Conservation China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3. NationalElectric Power Dispatching and Control Center, Beijing 100031, ChinaAbstract With the rapid development of distributed resources DR recently, more attention has been paid to the research andulation of standards for interconnecting DR with grid, among which relay protection is an important part. Based on acomprehensive review of the relevant standards of relay protection for interconnecting DR with grid both at home and abroad, theimportant provisions and updates of the standards are analyzed in detail. Selecting North America, Europe, Australia and China asrepresentative countries, a study is made on the voltage deviation, frequency deviation, island protection and low voltage ride-through, and some suggestions are given for standard revision. The results can be used as references for further improvement of therelevant regulations and standards of relay protection for interconnecting DR with grid in China.This work is supported by National Key R interconnection standard; relay protection; abnormal response; standard revision上接第90頁作者簡介吳鵬1980，男，通信作者，碩士，高級工程師，從事超、特高壓運維、檢修技術管理與研發工作，E-。（責任編輯 張重實）Research on and Device for Measuring Unbalanced Current of HighVoltage Capacitor Bank in Converter StationWU Peng, ZHANG Yuan, SHI LeiMaintenance Company of State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd., Yinchuan 750011, ChinaAbstract Complex electromagnetic field in converter station poses a serious interference to the field test of unbalanced current ofhigh voltage capacitor bank, and the unbalanced current is too small to be accurately measured directly during the test. This paperproposes a new measurement that the high frequency low voltage AC signal is applied to the capacitor bank, and the powerfrequency interference is removed through collecting the unbalanced voltage between the bridge arms and by use of the second-orderhigh-pass filter, and then the unbalanced current value is calculated based on the equivalent impedance of the capacitor bank. Thepaper also presents the principle for developing measuring devices, and the measures taken for removing such interferences as powerripple interference, power frequency interference, discharge interference, thermal noise of the devices so as to achieve accuratetesting results. The field test results show that the new is correct in theoretical thinking and accurate in measuring theunbalance current.This work is supported by the Science and Technology Project of SGCC No.5229CG15004T.Keywords capacitor bank; electromagnetic interference; unbalanced voltage; unbalanced current; high frequency第 8 期 王增平等繼電保護相關的國內外分布式電源并網標準119