直流电压范文

直流电压范文（精选9篇）

直流电压 第1篇

天广 (天生桥至广州) 直流输电系统2001年6月建成投运, 2007年4月极Ⅰ直流线路电压开始出现波动现象, 广州换流站极Ⅰ直流线路电压波动范围约20 k V, 较正常值偏低, 天生桥换流站极Ⅰ直流线路电压波动范围约15 k V, 较正常值偏高。持续的电压波动造成系统运行不稳定, 并可能会引起相关保护或控制功能的误动[1]。近年来高肇直流输电系统极Ⅱ直流线路电压也出现了类似的电压波动现象[2]。天广直流输电系统和高肇直流输电系统使用的直流电压互感器均为进口产品, 参考文献[1]和参考文献[2]的研究表明直流电压互感器传感模块故障是引起直流线路电压波动的主要原因, 参考文献中同时提出了更换传感模块解决直流线路电压波动的措施。本文以天广直流输电系统极线直流电压互感器为例进行分析, 天广极线直流电压互感器配置了11个传感模块, 11个传感模块同时并接于直流分压器低压分压板的同一信号输出端, 当一个传感模块发生故障导致其输入阻抗变小时, 会引起其它传感模块的输出信号均产生异常, 使直流电压互感器的测量信号出现整体波动的异常现象。本文设计了一种二次阻容分压电路, 使多个传感模块的输入信号相对独立, 一个传感模块故障不会引起其它传感模块测量信号的波动, 较好地解决了天广直流电压互感器存在的多个传感模块采样信号相互影响的问题, 提高了直流电压互感器的稳定性。

1直流电压互感器的原理

天广直流输电系统使用的直流电压互感器为进口产品, 其原理如图1所示。直流电压互感器由直流分压器、二次分压板及传感模块等部件构成, 直流分压器将被测一次高电压V1变换为中压信号V2 (V2额定值为50 V) , 二次分压将中压信号V2变换为低压信号V3 (V3额定值为5 V) , 传感模块就地采集二次分压板的输出信号并将其转换为数字信号通过光纤输出给控制室的直流控保装置使用, 直流电压互感器根据直流控保装置的配置需求需要配置多个传感模块, 多个传感模块并接于二次分压板的同一个信号输出端。传感模块的工作电源由直流控保装置内的激光器提供, 激光器发送的激光通过光纤送至传感模块, 传感模块内的光电转换器将激光能量转换为电能给传感模块提供工作电源。

2缺陷分析

由图1可见, 多个传感模块并接于二次分压板的同一个信号输出端, 当一个传感模块故障引起其输入阻抗发生变化时, 必然会使二次分压板的输出信号V3发生变化, 从而使其它各传感模块的输出信号均发生波动, 使接至此直流电压互感器的所有直流控保装置得到的直流电压信号均出现异常波动, 这样不仅易引起直流保护或控制误动, 而且不利于快速定位故障原因。

下面以天广极线直流电压互感器为例进行具体分析, 如图2所示为天广极线直流电压互感器原理图, 极线直流电压互感器配置了11个传感模块, 其中5个模块的输出信号分别接至极Ⅰ直流控制和直流保护的5个装置, 还有5个模块的输出信号分别接至极Ⅱ直流控制和直流保护的5个装置, 传感模块的输入电阻为500 kΩ, 输入电容为2.5 n F。根据图2的器件参数, 假设直流分压器一次电压保持500 k V不变, 有1个传感模块发生故障, 其输入电阻在0~500 kΩ之间变化, 二次分压板的输出信号会随着故障模块输入电阻的变化而变化, 其变化关系如图3所示, 图中横坐标为故障传感模块的输入电阻, 纵坐标为二次分压板输出信号。由图3可见, 二次分压板的输出信号会随着故障传感模块输入电阻的降低而降低, 当故障模块输入电阻变至140 kΩ时, 各模块输出的直流电压测量值约475 k V (95%UN) , 当故障模块输入电阻变至75 kΩ时, 各模块输出的直流电压测量值约450 k V (90%UN) , 当故障模块输入电阻变至40 kΩ时, 各模块输出的直流电压测量值约为400 k V (80%UN) , 严重时, 当故障模块输入端短路, 则所有模块均无输出信号, 会导致直流控制保护误动。单一传感模块故障将导致所有传感模块输出值一同波动, 很难定位故障模块, 必须停电更换所有传感模块以解决单一模块损坏导致的电压波动问题。

3改进措施及分析

针对天广直流电压互感器的设计缺陷, 南京南瑞继保电气有限公司与南方电网超高压输电公司广州局联合对天广直流输电系统的直流电压互感器进行了改进。

为了解决单一传感模块故障导致各传感模块的测量值均出现异常波动的问题, 本文对直流电压互感器的二次分压板进行了改进设计, 将二次分压板设计为11个独立的阻容分压单元, 每个阻容分压单元的输出端只接一个传感模块, 如图4所示, 这样可使各传感模块的输入信号相对独立, 从而解决单一传感模块故障引起其它传感模块测量值均出现异常波动的问题。

阻容分压单元器件参数的选择一方面要保证传感模块的输入信号不变, 另一方面要保证二次分压板的等效输入电阻和等效输入电容不变, 同时阻容分压单元的高压臂和低压臂应具有相同的时间常数, 这样才能使改造后直流电压互感器的分压比及频率特性保持不变。

图5给出了改造后直流电压互感器单一传感模块输入电阻变化对故障传感模块输入信号及正常传感模块输入信号的影响, 图中横坐标为故障传感模块的输入电阻, 纵坐标为传感模块输入信号电压, 曲线1反映了故障传感模块输入电阻变化对其输入信号的影响, 曲线2反映了故障传感模块输入电阻变化对正常传感模块输入信号的影响。

由图5可见, 当故障传感模块的输入电阻在0~2 000 kΩ范围变化时, 故障传感模块的输入信号会随其输入电阻的变化而出现较大的波动, 相应的故障传感模块输出的测量值亦会出现较大的波动, 但正常传感模块的输入信号受故障传感模块的影响很小, 即使故障模块输入端短路, 其它正常模块的输出信号也不会出现明显变化, 不会导致直流控制保护误动。

改造后的直流电压互感器能够保证各传感模块相对独立, 避免了单一传感模块故障导致各模块输出的测量值均出现异常波动的问题, 同时可以快速定位故障。实际运行表明改进措施有效地解决了直流电压互感器的设计缺陷, 解决了系统直流电压异常波动的问题。

4结语

天广直流输电系统极线电压波动的异常现象暴露出进口直流电压互感器的设计缺陷, 本文对直流电压互感器的设计缺陷进行了分析, 并提出了改进措施。2010年4月, 南京南瑞继保电气有限公司对天广直流输电系统的直流电压互感器进行了全面改造, 改造后的直流电压互感器运行3年多来, 未再出现因单个传感模块故障导致系统电压异常波动的问题, 系统运行稳定性得到明显提高。天广直流电压互感器的缺陷及其造成的后果表明, 今后在直流电压互感器的设计及选型时应注意二次分压板的设计, 避免因单一传感模块故障引起其它正常传感模块测量值整体波动, 从而导致产生系统运行不稳定的异常现象。

参考文献

[1]张海凤, 朱韬析.天广直流输电系统极Ⅰ电压异常波动原因及其影响分析[J].电力系统自动化, 2007, 31 (24) :102-104.

直流数字电压表试行检定规程 第2篇

Verification Regulation of CD Digital Voltmeter 本检定规程经国家计量局于1983年4月19日批准，并自1984年3月1日起施行。

归口单位：中国计量科学研究院 起草单位：中国计量科学研究院 本规程技术条文由起草单位负责解释。

本规程主要起草人：

冯占岭(中国计量科学研究院)参加起草人：

魏德生(中国计量科学研究院)张春弟(中国计量科学研究院)郄家平(中国计量科学研究院)直流数字电压表试行检定规程

一、前言

本规程适用于新生产的、使用中和修理后的直流数字电压表(DC-DVM)，以及数字多用表和数字面板表中的直流电压测量部分的检定。本规程还适用于在将一些物理量变换为直流电压而进行数字测量的某些测量仪表，以及模/数变换器(A/D变换器)某些有关部分的检定。

随着数字技术的迅速发展和广泛使用，高性能的数字电压表(DVM)正被陆续普及。DC-DVM是DVM和数字仪表的主体和基本部分，鉴于这种状况，首先将DC-DVM的检定方法统一起来，逐步做到制造和使用两者的合理性，是制订本规程的基本出发点。

二、检定的技术要求和检定条件 1 检定概述

DC-DVM是高准确度仪表，为了正确使用并保证测量结果的准确一致，必须对各种DC-DVM进行检定。检定工作可分以下三种情况： 1.1 周期检定

这是一般精密仪表的例行检定。一般在标准条件下进行的周期检定内容应包括：基本误差、稳定误差、线性误差、分辨力、显示能力、输入电阻、零电流以及串、共模干扰抑制比等技术指标，周期检定的DC-DVM要给予定级。1.2 修理检定

这是对损坏的DVM修复后，为了保证仪器使用的可靠性，应按周期检定的项目进行一次检查。也可根据修理情况，增加一些必要的检定内容。1.3 验收检定

是对接受的新仪器(包括进口DVM)的检验工作。它比周期检定项目要多些，如温度系数、电源变化的影响、绝缘电阻、耐压试验、测量速度、响应时间、信息输出等技术指标。出厂检定、定型鉴定等可按验收检定中规定的项目进行。2 外观和通电检查

为了确定仪器能否正常工作，检定前应对仪器本身进行外观和通电检查。2.1 外观检查

2.1.1 外形结构完好，面板指示、读数机构、制造厂、仪表编号、型号等均应有明确标记。2.1.2 仪器外露件是否有松动、机械损坏等；仪器附件、输入线、电源线、接地端是否齐全；开关、旋钮等是否能正常转动。

2.1.3 仪器供电电压和频率、电源保险丝的熔断电流应符合要求，一般不得随意更换。尤其是输入交流220V和110V电源插头和地线连接应正确无误。2.2 通电检查

检查外观后，要通电进行功能检查。

2.2.1 各开关、旋钮放于正确位置，输入信号的种类(如直流电压、交流电压、电阻、电流)一定要和表的测量功能相对应。

2.2.2 按使用说明书通电进行预热，检查电气工作性能。

2.2.3 检查“调零”、“调满度值”、“调正、负校准”等功能是否正常工作。

2.2.4 按被检表的量程和测量范围，从低量程到高量程依次输入适当的直流电压信号，检查手动、自动量程切换和仪器工作是否正常。改变输入信号，观察显示读数是否连续，有无叠字、不亮等现象。

2.2.5 改变输入信号极性，检查能否作+、-极性显示。2.2.6 采样方式检查

观察能否进行手动、自动、连续定时采样。

被检表应在恒温室内放置24小时以上，再对其主要技术指示进行检定。3 检定点的选取原则

3.1 基本量程是衡量一台DC-DVM性能好坏的关键量程，应比较详细地检定，一般要求全检。3.2 考虑到DVM的线性误差，一般应均匀地选择基本量程的检定点。

3.3 要考虑量程复盖，即保证各量程测量误差的连续性，各量程中间不要有间断点。3.4 根据DC-DVM不同的工作原理，选取检定点的原则也要有些差异。3.5 其它非基本量程要考虑上下限及对应于基本量程最大误差的检定点。

综合上述要求，在基本量程内一般取不少于10个检定点，在非基本量程取3～5个检定点即可。3.6 正、负两种极性的电压值应分别测量一组对应数据。根据以上原则选好测试点数，即可进行检定工作。4 对标准仪器和其它设备的要求

4.1 整个标准装置系统的综合误差，应小于被检DC-DVM允许误差的1/3-1/5。

4.2 直流信号源电压的稳定度和调节细度，应小于被检DC-DVM允许误差的1/5～1/10。信号源要能做到连续可调或外加调节设备进行调节。信号源应为低内阻，其输出直流电压中的交流纹波和噪声尽可能小，不要带来使DC-DVM有跳字等附加误差。4.3 所使用的标准仪器及测量设备应经过定期计量并检定合格。

4.4 当标准的误差小于被检DC-DVM允许误差的1/5时，一般即可忽略。大于被检DC-DVM允许误差的1/5时，则不能忽略。这时应按下述原则处理。

若被检表的误差为±e%，标准的误差为±n%，则检定误差结果应保持在±(e-n)%以内。当用户使用误差为±m%的标准进行验收时，若检定结果的误差超过了±e%，但保持在±(e+m)%以内时，不能作为超差退货的依据。

4.5 整个测量电路系统应有良好的屏蔽、接地措施，以避免串模和共模干扰，要远离强电场、磁场，以避免电磁场感应、静电感应等。5 关于标准条件和额定工作条件

按IEC-485的规定，结合我国具体情况，要求DC-DVM的基本误差按表1所规定的标准条件进行检定、校验和使用。

为了确定额定工作条件，仪表按使用环境条件分为A、B、C三组。A组是在良好环境中使用的仪器仪表；B组是在一般环境中使用的仪器仪表；C组是在恶劣环境中使用的仪器仪表。DC-DVM的额定工作误差按表1所规定的额定工作条件进行检定、检验和使用。6 DC-DVM的误差和准确度等级 6.1 基本误差

DVM的基本误差公式用下列形式之一表示。6.1.1 用两项误差之和所表示的绝对误差表示：

式中：Ux--被检表的读数值(显示值)； Um--被检表的满刻度值； a--与读数值有关的误差系数； b--与满刻度值有关的误差系数。

6.1.2 用与DVM读数值之比的相对误差表示：

6.2 准确度等级

DC-DVM原理上属于电子式仪表，但其外特性属于电工测量仪表，故按直流电压表的规定分级是合理的。DC-DVM的准确度级别分为：0.0005、0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5和1.0，共十一个级别(见表2)。

表1 直流数字电压表所规定的标准工作条件和额定工作条件

续表

DC-DVM是多量程仪表，不同量程有不同的准确度。表2 直流数字电压表的级别

一般要求：

0.0005级、0.001级、0.002级，应有61/2位数字显示； 0.005级、0.01级，应有51/2位数字显示； 0.02级、0.05级，应有41/2位数字显示； 0.1级，应有31/2位数字显示。6.3 定级标准

准确度等级主要以DC-DVM基本量程误差系数(a+b)的大小和年稳定误差来划分。同时要适当考虑基本量程的输入电阻和零电流的大小。定级标准如下：

6.3.1 在标准条件下，经预热、预调和校准后的检定数据符合被检表的基本误差。

6.3.2 定期一年进行周期检定，要求定级的DVM在标准条件下，经预热、预调但不校准，检定其年稳定误差，此误差应符合±(a%Ux+b%Um)的要求；同时被检表的年变化量应小于或等于(a%Ux+b%Um)。式中a、b为被检表基本量程的年稳定误差系数(若被检表无一年的误差指标，可由计量部门按实际测试结果或按半年的误差指标确定被检表的准确度等级)。

6.3.3 检定年稳定误差后，再进行检准并检定24小时基本误差，此数据应符合基本误差指标。6.3.4 被检表的输入电阻和零电流要满足表2所列指标。

满足以上规定的被检表给予定级。定级时要有上次送检的证书数据，首次送检不能定级。定级后投入使用的DC-DVM可以预调，但不允许校准。

新型的微处理器式数字电压表(μP-DVM)，一般按常规规定项目进行，并按上述标准定级。

三、误差的检定方法 DC-DVM的误差检定方法和标准设备种类很多，但从原理上一般可归纳为三大类： 直流标准电压发生器法： 直接比较法(标准数字表法)； 直流标准仪器法。

具体采用哪一种方法，可根据所具有的标准设备和被检表的级别选择一种最合适、最经济可靠而又简便的方法。下面给出的仅是一些典型的检定方法。

7.1 直流标准电压发生器法：这种方法如图1(a)所示。设直流标准电压发生器输出标准电压为UN，即实际值。被检DVM的显示读数为Ux，则被检表的误差为：

被检表的相对误差用百分数表示为：

当被检DVM的量程比标准电压发生器的最低量程小很多或两者量程对不上时，可采用标准分压箱，分压后再接到被检表，如图1(b)所示。

图1 直流标准电压发生器法

此时被检表的相对误差，用百分数表示为：

式中：K--标准分压箱的分压系数。

此法必须考虑被检表输入电阻和零电流的影响，最好选择低阻值的分压箱。这种方法简便、速度快，适合于工厂大量地校验DVM。

当标准电压源的准确度不能满足要求，而稳定度较高时，可把标准源作一般稳压源使用，配上标准DVM，用比较法检定DVM。7.2 直接比较法(标准数字表法)直接比较法的电路如图2(a)所示。一般情况下标准DVM的位数应比被检DVM多一位。用这种方法，一定要保证标准DVM准确可靠。为此，必须对标准表进行定期的检定和校准。

图2 直接比较法

当可调稳压电源输出一个电压，标准表的显示读数为UN，被检表的误差为Ux，被检表的相对误差用百分数表示：

如果标准表不满足被检表的量程，或有时标准表只有某一个量程符合准确度的要求时，可用标准分压箱来扩展量程，如图2(b),(c)所示。同理可得：

或者:

7.3 直流标准仪器法

该方法是用直流标准仪器和被检DVM测量同一电压，以直流标准仪器的读数为实际值，求出被检表的示值误差。直流标准仪器实质上是一个直流标准电压测量装置，种类繁多，检定线路的形式也多种多样，但基本原理是相同的，都是用直流电压比率标准由标准电池导出一系列的标准电压。比较典型的有以下几种： 7.3.1 电位差计法 这种方法如图3所示

图3 用电位差计检定DVM 用电位差计可以直接检定DVM。当在低量程进行检定时，DVM处于基本量程，其输入电阻很高。此时可把电位差计作为一个直流标准电压源，从其未知电压端(即x端)输出标准电压信号给被检DVM。图3中EN为标准电池，G为检流计。

当电位差计输出一个标准电压UN(用其读数盘读数)，被检表的显示读数为Ux，被检表的相对误差用百分数表示：

用电位差计直接检定DVM的基本量程，一般选择测量上限较高的电位差计是可以满足的。7.3.2 用电位差计和分压箱检定DVM 上述检定线路是在没有适当的直流信号源和电压调节器时的一种简便方法。当DVM的被检量程高于电位差计的测量电压时，就必须配上分压箱和稳压电源才能进行检定，如图4所示。

图4 用标准分压箱和电位差计检定DVM 当可调稳压电源输出一电压，用电位差计测定值为UN，被检表的显示读数为Ux，则被检表的相对误差用百分数表示：

此方法接线比较复杂，但装置准确度高且稳定、可靠，所以常用在标准计量室进行高准确度的DVM检定。7.3.3 差值法

上面的方法是检定高准确度DVM最基本的方法，但要求电位差计准确度很高。在同有高准确度电位差计时，可以用多挡分压箱，配上一般级别的电位差计测差值的方法，如图5所示。

图中EN2为标准电池的电动势值，可根据被测电压的大小选择一只或多只标准电池串联组成，使差值电压ΔU《EN2，再用电位差计测得差值ΔU。这种测量对电位差计要求不高，电位差计最好用低电势电位差计。则有：

若被检表的显示读数为Ux，则被检表的相对误差用百分数表示：

由上式可见，在这种检定方法中保证准确度的主要因素是电动势EN2和分压系数K。7.3.4 用多挡十进分压箱检定DVM

图6 用多挡分压箱检定DVM 如图6所示，一个多挡十进分压箱，原理上也可作为电位差计使用，如图6是将标准电池和多挡分压箱相配合，首先将开关K1掷向“1”侧，加电压使分压箱的示值等于标准电池的电动势EN。图中E为供电电源，调节电阻R使检流计G指零。然后将开关K1掷向“2”侧，则分压箱由其示值给出输出标准电压的大小。DVM显示值与分压箱示值之差即为DVM的误差。

另一种方式是用标准电压测量装置，将a、b两点的电压测准确并保持恒定，则多挡十进分压箱可连续输出标准电压，并加到DVM的输入端，这相当于一个标准电压源。8 稳定误差的检定

DC-DVM的稳定误差一般应在各个量程进行。检定方法与检定DC-DVM误差的方法相同，可任选一种。但这里要求信号源的长期稳定性要高，不然信号源的变化和DVM的漂移就分不清了。DC-DVM经预热、预调后，输入端短路，在不再调整仪表的情况下观察零位的变化。然后输入一标准信号，观察各测试点的电压变化。

按说明书的规定和被检表的要求，可测量某一规定时间间隔内的稳定误差。但定级检定的DVM必须做到24小时的短期稳定误差和一年的长期稳定误差。测量次数一般不少于三次。由记录值可找出最大偏差点按稳定误差公式指标判断DVM是否合格。9 线性误差的检定

线性误差是衡量DVM质量的一项重要指标，可结合基本误差的检定一起进行。该指标一般只在基本量程内测试，DVM误差的检定方法基本上也适用于线性误差的检定。

四、其它项目的检定和测试 10 显示能力的测试

可在通电检查时一起进行(一般只测基本量程)。由电压源供出直流电压信号，观察被检表能否作连续变化。现以20000序列为例说明如下：

也可以按下列规则进行。

被检点能一点不漏地作上述变化，其显示能力是好的，否则是有一定问题的。除此之外还要检查正、负极性(尤其注意正负零位是否交替出现)，小数点及过载显示能力等。11 分辨力的测试

一般只在最小量程测被检表的最高分辨力(灵敏度)，可采用具有高分辨力的测量装置进行测试。例如由信号源供给直流信号使被检DVM显示值为某一数值，同时读出测量装置的示值U1；然后微调使被检DVM读数在末位上变化一个字，再读出测量装置的示值U2。则两次示值之差ΔU=U2-U1即为被检表的分辨力。12 输入电阻和零电流的测试

将被检DVM投入工作状态，改变输入电压，DVM测量端子的输入电压变化量ΔU与其输入电流变化量ΔI之比为工作状态下的输入电阻，用Ri表示。依此定义可用图7接线按如下程序操作：

图7 输入电阻和零电流的测试

当K1、K2处在下列位置时，分别读取被检DVM的不同指示数： K1置于1，K2置于3时，指示值为U13 K1置于1，K2置于4时，指示值为U14 K1置于2，K2置于3时，指示值为U23 K1置于2，K2置于4时，指示值为U24。

根据上述读数，可以按下列公式计算出被检表的输入电阻和零电流： 输入电阻

其中

零电流

零电流也可以用微电流计进行测试。如图8是用检流计的方法测试零电流的大小。

`图8 用检流计测零电流

将检流计G接在DVM的输入端，R为一分流电阻，则零电流：

其中：α--检流计偏转格数； r--检流计内阻； C1--检流计灵敏度常数。13 串模干扰抑制比(SMR)的测试

SMR(NMR)测试电路如图9所示。图中T为隔离变压器，US为交流电源，V为交流电压表。一般应在最小值程进行测试，先在输入端加一直流电压E(如干电池等)，E的电压值接近满度的1/2～1/3，并保持不变。然后再叠加交流电压Us，逐渐加大，使被被检DVM有一个ΔUsm变化，记下此时所加的交流电压峰值Usm。串模干扰电压的大小应使被检表读数有明显变化，但不能超过允许电压值。则有：

测试中应注意：

13.1 交流干扰源不宜于50Hz电网电压，最好用音频信号发生器或交流电压源，但具有自动频率跟踪的DVM要使供电电源和干扰源为同一电源。

13.2 SMR值的大小与干扰电压的频率和相位有关。一般情况下，可取串模干扰源的频率与仪器说明书的规定值相一致。

13.3 若SMR与被测直流电压大小有关，应读取最不利的直流电压时的SMR值为测量结果。13.4 加上串模干扰后，若DVM的显示值不稳定，应取其中最大的偏差值。13.5 线路中电容C可用1μF左右的云母电容。13.6 没有抗干扰能力的DVM，可不进行测试。14 共模干扰抑制比(CMR)的测试 测试电路如图10所示。

图9 串模干扰抑制比的测试

图10 共模干扰抑制比的测试

输入端加上一个直流电压E(使DVM显示为满刻度的1/2～2/3)，然后加入共模干扰电压Uc(包括直流电压和交流电压两种情况)，逐渐增加Uc使DVM指示有一个明显的ΔUcm变化为止，电阻R为不平衡电阻，是模拟被测信号源与地之间有一定电阻所必须的。R=2KΩ是统一规定值。记下电压表的读数Uc，那么对交流和直流共模干扰抑制比分别为：

测试应注意：

14.1 交流共模干扰源的频率可按说明书中的规定选取。干扰电压的大小应使DVM有明显变化，但不要超过最大允许电压(包括所加点直流电压)。14.2 具有保护输入端G的DVM，应将G端接于A点。15 绝缘电阻和耐压试验

一般只测绝缘电阻，只有在用户提出要求时才进行耐压试验。15.1 绝缘电阻的测定

测定DVM的绝缘电阻可使用兆欧表(摇表)、兆兆欧表或伏特微安表等。试验电压按表3的规定，试验部位如表4的规定。表3

表4

所测的绝缘电阻数值应满足SJ947-75《电子测量仪器的安全要求》的规定或产品说明书的要求。15.2 耐压试验

试验部位与所列表4相同，试验电压按说明书的要求进行。

五、检定周期和检定结果的处理 16 检定周期

DC-DVM损坏修复后，应进行修理检定。新进口的或新接受的DC-DVM应首先进行验收检定，然后再投入使用。

作为标准表使用的DC-DVM应进行周期检定，检定周期一般规定为一年，但根据使用情况和实际可能性也可作适当的缩短或延长。17 有效数字和数据化整

DVM的检定和测试应有完整的原始记录，并对数据进行正确的计算和整理，得出被测仪表的测试结果。一般常用规则为：

17.1 记录测量数据时，一般只保留一位不可靠数字。

17.2 检定记录的数据应先计算后化整。化整的原则和有效数字保留的位数取决于被检表的误差和标准装置的误差。一般应使末位数与被检表的分辨力相一致。由于化整带来的误差一般不超过允许误差的1/5～1/3。最后一个“0”因与测量结果有关，不能随意省去。17.3 化整后的末位数(不可靠数)一般是如下三种情况之下：

末位数是1的整数倍(即0～9之间的任何数)；末位数是2的整数倍(即0～8之间的偶数)；末位数是5的整数倍(即只有0和5)。判断仪表是否超过允许误差时应以化整后的数据为准。18 检定结果的误差

根据DVM的检定数据计算出显示值Ux与实际值UN之差值，即为示值的绝对误差Δ，则

用此结果判断被检DC-DVM的检定数据是否合格。也可以用相对误差表示： 要求定级的送检表，计量部门按定级标准确定准确度等级并在检定证书上给予注明。定级的表要打上封印。凡不要求定级的送检表，如按部颁技术标准或工厂技术条件送检的表以及国外进口验收的表，计量部门均应进行检定并可按产品相应的技术条件判别检定数据是否合格。检定证书中要给出24小时的基本误差和一年的稳定误差，在送检单位要求下，也可给出其它期限的数据，并判断受检表是否满足技术指标 不合格的不能定级，但允许降级处理和使用。在降到下一级时，必须符合该级别的要求。23 送检的DC-DVM一般只给出实测数据，不给出更正值。除基本误差外，其它技术指标的测量数据，都可按前面的方法进行计算和化整。各项指标检定结果在检定证书上予以注明。按照规程检定合格的DC-DVM，发给检定合格证书并加盖公章。检定不合格的可根据具体情况发给检定结果通知书或不合格证书。证书上要给出检定日期或检定数据的有效期限。附录1 主要术语和定义 1 数字电压表

一种包含模拟/数字变换器(A/D变换器)并以十进制数字形式显示被测电压值的仪表。2 直流数字电压表

一种专门用于测量直流电压的数字显示式测量仪表。3 测量范围

指测量能够达到的被测量的范围。能满足误差极限的那部分测量范围称有效测量范围。4 基本量程

在多量程的DVM中测量误差最小的量程。一般是不加量程衰减器及量程放大器的量程。5 分辨力

能够显示的被测电压的最小变化值，也就是使显示器末位变化一个字所代表的输入电压值。通常在最低量程上，DVM具有最高的分辨力(也叫灵敏度)。6 满度值

各量程有效测量范围上限值的绝对值。7 标准条件

为了检定和校准试验，对影响量(必要时对影响特性)所规定的一组有允许偏差的数值或范围。8 额定工作条件

是影响量的额定工作范围和仪表各性能特性的有效范围的总和。在此条件下，应保证DVM的工作误差符合要求。9 基本误差

DVM处在标准条件下，经预热、预调和校准之后，仪表本身所固有的24小时的误差。10 附加误差

当影响量中的一个量(如温度、湿度、电源频率和电压等)偏离标准条件下的值(或范围)时所引起的仪表误差。11 工作误差

在额定工作条件下DVM所具有的误差极限。12 线性误差

表征DVM测量电压时是否均匀地反映被测电压的特性称为线性度，而实际变换曲线对理想直线的偏差称为线性误差。13 稳定误差

是指在规定时间内其它条件保持不变，DVM在某一校准点显示值的最大变化量，稳定误差包括波动和漂移两种变动量。根据不同的时间间隔，又有短期稳定误差(如7小时、24小时)和长期稳定误差(一个月、三个月、半年、一年)之分。14 预热时间

在规定条件下，从接通DVM的供电电源算起到能够满足全部性能特性指标所需要的时间。15 预调整

指为达到制造者对DVM所规定的误差要求，不打开机器内部，利用仪表面板调节装置所进行的，不需使用外部标准或设备的调整过程。如“调零”、“调正、负”、“校准”等。这是预先调整程序的一部分。16 校准

在规定条件下，将标准产生的标准电压加到DVM，使仪表的显示值与校准电压进行比较，而对DVM的调整装置所进行的全部调整工作。DVM经一次校准后，能保证仪表准确度指标的最短期限称为校准周期。17 准确度

指测量结果与真值一致的程度。也就是在校准周期内，经预热、预调和校准后被测仪表的误差。按照不同的条件又有标准准确度(基本误差)和额定准确度(工作误差)之分。18 影响量

除仪表测量的量外，能导致仪表性能特性改变的量。19 接地输入

指输入电路的一个输入直接与测量地线相连接，此地线通常是公共端。20 浮置输入

DVM的一种输入方式。指输入电路的两端子与机壳、电源和输出电路的任何一端都隔离起来。一般情况下，在正向输入时输入电路的正端就是高端(H端)，负端就是低端(L端)。21 保护输入

DVM的另一种输入方式。装有浮置屏蔽盒的输入电路中，屏蔽与机壳及公共端都是隔离的。除去输入高端和低端两端子外，与屏蔽盒相接的端子称保护端子(G端)。将G接到测量电路的适当点，可以减少共模干扰的影响。22 输入电阻

对于DC-DVM来说，一般是指工作状态下从输入端看进去的输入电路的等效电阻。用输入电压的变化值和相应的输入电流的变化值之比表示。23 零电流

又称输入偏置电流。是指由仪表内部所引起的在输入电路中流入或流出的电流。其中流值与输入信号电压大小无关。24 串模干扰抑制比 表征DVM对串模(又称常模)干扰电压的抑制能力。用串模电压的峰值与由它引起的读数最大变化植之比以对数表示，即：

式中：SMR(或NMR)--串模干扰抑制比； Usm--串模干扰电压峰值；

ΔUsm--串模干扰电压引起的最大变化电压。25 共模干扰抑制比

表征DVM对共模电压的抑制能力，用共模电压的峰值与由它引起的读数最大变化值之比以对数表示，即

式中：CMR--共模干扰抑制比； Ucm--共模干扰电压峰值；

ΔUcm--共模干扰电压引起的最大变化电压。CMR又有交流和直流之分。26 显示能力

DVM的每一位数码管能够按照它的编码作连接变化的能力。27 显示位数

DVM的显示位数是以完整的显示数字(即能够显示0～9的十个数码的显示能力)的多少来确定。能够显示“9”的数字的位称为“满位”，否则“半位”或“1/2位”。显示数字的位置从左至右规定为第一位(首位)、第二位„„末位数。28 测量速度

在单位时间内，以规定的准确度完成的最大测量次数。按测量速度，DVM又可分为低速、中速、高速等。29 响应时间

从输入电压发生阶跃变化的瞬间到满足准确度的新的稳定显示值之间的时间间隔。响应时间又分为如下三种： 29.1 阶跃响应时间

在某量程上，在无极性变化时，由输入量以规定的幅度阶跃变化引起的响应时间。29.2 极性响应时间

由输入量以规定的幅度跃变使输出极性变化引起的响应时间。29.3 量程响应时间

在无极性变化时，由输入量以规定的幅度跃变引起转换到相邻量程的响应时间。30 信息输出

用于输出电压表的编码信息。如在后面板的信息输出插座上提供8-4-2-1或4-2-2-1等BCD(十-十进制)编码输送给专用打印机或计算机。新型的微处理器式数字电压表还配有1EEE-488或RS-232R/C等标准接口。

附录2 直流数字电压表检定系统 DC-DVM逐步取代电位差计和分压箱，与直流仪器的传递系统是并行的。2 按DC-DVM的不同等级，检定方向可采用标准源法、标准表法或直流标准仪器法。

附录3 直流数字电压表检定记录格式

送检单位 仪器型号 仪器编号 准确度等级 生产厂 检定日期 年 月 日 检定温度 湿度 检定员 核验员 批准(一)基本误差

(二)稳定误差(三)线性误差 附录4 其它技术指标的测试(一)显示能力(二)分辨力

(三)输入电阻和零电流

(四)抗干扰抑制能力

直流电压 第3篇

关键词：故障电流；AC故障；直流故障；负载改变；高压输电；VSC-HVDC；上升时间；GTO；电压源换流器；PSCAD

引言

高压直流（HYDC）输电是大部分电力传输未来的发展趋势。输电损耗和资本投资在超过一定距离的时候，将高于交流输电系统。高压直流输电系统对环境造成的影响与HVAC系统相比更低。在直流输电系统中，集成可再生能源将更广泛的应用于电网中。

1 直流电网保护

由于缺乏确定的理解和定于标准，目前的直流电网保护方案仍不成熟。因此，在目前的直流输电网络中只限于点对点连接。

正弦电压目前在交流与直流中的单向性的固有差异，建议这两个系统的保护装置都应该以不同的方式运行。现有的交流断路器都便捷的设计中断故障电流为零交叉，但这是不存在的直流系统。

2 直流模型

二端的HVDC的典型网络拓扑系，统一般情况下，模拟模型包括以下几部分：

2.1无源滤波器

每个电源都是伴随滤波器为了消除造成因为开关动作导致的不必要的滤波。脉冲宽度调整（PWM）技术产生一个非常高阶的谐波，因此简化了滤波器的设计。

变压器：接地的星形一三角形变压器加强适用于电压等级所需转换器。在星形中性点接地连接能够支持零序的环电流在初级绕组，从而防止进入当前系统。

2.2变换器/逆变器

有违常规的晶闸管只可打开但不可关闭，封闭可关断晶闸管（GTO）有更自由的控制。

2.3直流电容器

与具有最小波纹的恒定直流电压差不多，在直流电容器换流站可消除这种波动，导致平滑的直流电压。电容器的尺寸不应太大，只是为了确保当系统被干扰而中断时的稳定。

2.4换向器

换向器是指过程关断晶闸管。整流逆变是自然或强制来完成环流的。在自然换向中，换向器无需其他任何外部装置即可实现。它不能用于直流系统，因为其单向品质而强制换向通过外部回路实现。这有助于减少传输电流，使其低于正常维持电流。

3 控制策略

该模型的控制策略，采用脉宽调制（PWM）技术，通过与频率为30f的三角波的参考波形比较产生发射信号。这种技术负责控制两个独立参数：调制指数和相移。整流器和逆变器给予不同的控制模式。

4 故障模拟

我们评估了VSC-HVDC的动态特性在不同运行条件下的系统。因此，各种交流故障是在发送和接收端注入电力系统，并进行故障分析。为了确定交流系统的各种故障特征，模拟结果在PSCAD的帮助下进行。

4.1单相接地故障

单相接地故障是在改变电压的电力系统中常见的故障类型（约80%）并同时在当前场景中的发送端和接收端结束。这种故障是由用户电压波动引起的。它是观察到明显的单相接地故障发送在次级传输系统的一侧。单相接地故障发生在2.1s持续0.05s，当单相接地故障时，相电压和电流变为零。

4.2两相接地故障

系统两相接地故障使其相电压相等，而且提供严重不平衡的电压和电流给系统。在这个测试中，该故障是在变压器的次级侧注入。两相电压在发送端失真，影响了在直流输电侧变流器的输出。从电压恢复能力来看，直流输电线具有有效缓解电压骤降的优势。不同于单相接地，两相接地故障一旦故障清除之后，会出现电压骤升持续0.05s的清除，且系统在2.5s趋于平衡。逆变电压逐步降低至小于0.2p.u.。同样的故障分析是在接收端侧，其中所述故障是在变压器后注入。

4.3三相接地故障

三相接地故障是相比于其他两种故障最严重的。当发送三相接地故障时，三相电压为0。由于电容器的充放电，输出直流电压并不为零。在单相接地故障时，接收端电压所受影响不大。而三相接地故障中，接收端电压降低得很彻底。在系统的瞬时状态一直持续到2.45s之后，系统会变得平衡。

5 论述

在故障情况下，我们观察交流发送端和直流线路的电流与电压波形。直流电流的导数可以让我们看到在故障发生时电流如何快速的上升。对直流电流进行时间常数的求导，结果列于表1。

以下内容是引用的仿真结果：

保护方案并不在本文的讨论中，主要关注的是理解不同的故障特征。这反过来将有助于在今后的工作中发展一个强大的和量化的保护逻辑。

当交流故障时，直流电压突然下降到危险水平。这是由于附近的直流电容器在那个瞬间的反作用。直流电容器放电导致的电压下降，显然是直流电路的问题。为了保持同样的功率，随着电流的增加，应降低电压。这种效果显然在模拟结果内。

交流故障影响的大小取决于直流电容器的大小。直流电容器可以消除稳态运行时的直流纹波。在发生故障的高压直流输电系统中，直流电容器是产生最严重影响的因素。直流电容器在本文中介绍直流线路的积极影响中提及较多。

交流和直流部分之间的相互作用可以延伸到观察直流故障的影响。

6 结论

直流配电网电压等级序列研究 第4篇

不断增长的负荷需求，用户日益提高的电能质量要求以及大量分布式电源（DG）的接入，使得传统配电系统面临挑战。采用以直流（DC）为主导的配电制，在提高配电网运行效率、改善供电可靠性和电能质量、实现分布式发电灵活安全接入等方面显示出交流（AC）系统所不具备的优越性[1,2,3]。

目前，随着柔性直流输电技术的不断发展，直流变压器与直流断路器研制水平的不断提高，直流配电网技术可行性已显著提升[3]。《中国配电网发展战略相关问题研究》成果表明，中国现有配电网络只占未来新增网络的1/3[4]。因此，积极推进直流配电技术应用以解决现有配电模式的弊端具有广阔的前景。

与交流配电类似，直流配电未来发展方向也应该是多级配电网的相互配合和补充。因此，如何确定各级直流电网电压等级是一个关键问题。同时，电压等级序列的制定是电网规划的基础，需要具备高度前瞻性，既要满足不断增长的负荷需求，又要适应未来电网结构的变化。以交流配电系统为例，随着负荷的高速增长，其成熟的配电电压等级序列逐渐出现供电能力不足和低压级配电损耗过高等问题。部分地区已开始采用交流20kV作为中压配电电压等级，部分负荷密集地区（如上海）甚至出现了交流500kV直供电深入负荷中心。这带来了一系列安全和经济问题[2,3,4,5]。直流配电网作为未来配电网的一种模式，如何制定一套合理的直流配电电压等级序列是直流配电技术应用亟待解决的问题。

目前的文献主要研究系统末端的低压与超低压直流配电网电压等级问题。文献[6]认为400V作为数据中心供电系统的电压等级具有较高的效率。欧洲学者根据欧洲现有的230V交流配电网电压等级，分别采用截面积为1.5mm2和2.5mm2的交流导线，对326,230,120,48V这4种可能的直流电压等级进行研究。研究结果表明，电压降和电能损耗会随着直流配电网电压的降低而迅速升高，当电压下降到48V时，电压降及电流均超出限定值[7]。韩国学者结合韩国电网实际情况，分析了1.5kV和400V直流配电网的故障特性[8]。文献[9]推导了直流配电线损和换能损耗公式，并对中压±16kV和低压325V系统进行实例分析，得出在半导体器件损耗减半的情况下直流系统的效率高于交流系统的结论。

文献[10,11]重点探讨了国内用于远距离输电的高压直流输电电压等级问题，提出了建立±1 000，±800，±660，±500kV的输电网直流电压等级序列，并分析了其经济性。文献[12]研究了柔性直流输电输送容量与电压等级的关系，分析了±80kV与±150kV柔性直流输电的经济性。以上文献虽均未涉及配电系统的直流电压等级序列问题，但采用电网规划和设备制造水平等角度研究了直流电压等级相关问题，为本文的研究提供了思路。配电网与输电网在结构和功能上有明显不同。相比于直流输电网，直流配电网具有负荷波动大、供电灵活性强、分布式电源接入多和改造用地成本高等特点。因此，其直流电压等级序列需要专门展开研究。

不同于以往的直流输电研究，本文立足于配电网领域，从电压等级相互配合的角度，构建合理的直流配电电压体系，并分析其合理性。本文结合未来电网用户负荷密度大、分布式电源接入多和直流输配电技术发展快等实际情况，从负荷需求、电网结构、技术可行性与经济性等方面考虑，提出一套可行的直流配电网电压等级序列。

1 制定电压等级的原则

根据国际电工委员会电压标准[13]，在制定电压等级的过程中应注意两点：(1)相邻两级电压之比不小于2;(2)电压在50～150kV时相邻两级电压之比应大于5。纵观国内外电网电压等级分析研究，电压等级序列配置主要有“几何均值”和“舍二求三”原则。

“几何均值”规律可简化为：

式中：Ui,Uj,Ui+1分别为电压等级序列中的一组相邻电压值。

“几何均值”规律可以表述为：最佳电压等级序列中的各电压等级间应互为“几何均值”，只有这样，电压等级序列中每个电压才都是经济电压，可有效降低电网运行的综合费用[5]。

“舍二求三”原则可以表述为：在选择的电压等级序列中，各相邻电压等级间的倍数应力求接近或超过“3”，同时又要舍弃倍数接近或小于“2”的两级中的某一级（即各相邻电压等级间倍数应大于“2”）。这样既可避免级差过大造成的低压出线回路过多和送电距离长、损耗大的问题，又能避免级差过小引起的供电范围重叠、设备冗余的问题。

世界各国（地区）交流系统电压序列概况见附录A表A1。可以看出，各国在电压等级的设置上虽然具体数值略有不同，但电压等级间均满足“几何均值”规律和“舍二求三”规律。因此，在制定直流电压等级序列时，也应参考这些规则。

2 制定直流配电网电压等级的约束条件

除上述原则外，制定直流配电网电压等级还需考虑一些约束条件。如城市规模不断扩大导致部分地区负荷密度过大；在未来电网中，太阳能、风能、燃料电池等分布式能源大量接入电网，用户对用电量和电能质量的需求不断提升，电动汽车、不间断电源、轨道交通等与直流充、供电息息相关的事物进入社会生活，多级直流电网需要为其提供合理的接入电压等级。这些对直流配电网电压等级的选取提出了很多约束条件。

2.1 未来负荷需求

根据国内经济发展形势，文献[5]预测2020年国内经济发达城市饱和负荷密度为10～40MW/km2；中等发达城市饱和负荷密度为5～10MW/km2；欠发达城市饱和负荷密度为3～5MW/km2。

为应对负荷增长，在交流配电系统中，上海已出现高压进城区，500kV进入配电环节的情况；苏州工业园也将交流中压配电电压等级提升至20kV。

负荷需求对制定直流配电电压等级的约束应注意以下两点。

1）同等对应电压等级下，直流比交流的配电容量大。直流配电无涡流损耗和集肤效应，故输送容量高于同等级的交流输电。以直流双极系统和三相交流输电系统为例，有

式中：Pdc和Pac分别为直流输送功率和交流输送功率；Udc和Uac分别为单极直流电压和交流相电压，且;Idc和Iac分别为直流电流和交流相电流，且Idc=Iac;a为相数；kI为直流配电容量增益系数，且kI=1.2;cosφ为交流系统的功率因数，且cosφ=0.9。

由式（2）可见，相同电缆绝缘强度和电流有效值下，直流双极系统可输送的功率是对应三相交流输电系统的1.25倍。

2）直流地下电缆比交流地下电缆的输送容量大。交流地下电缆由于受对地电容的影响，无功功率难以得到补偿，从而难以实现大容量、长距离的电能传输。直流电缆无此问题，在城市负荷集中地区，可通过直流低压大电流传输来满足需求。因此，直流地下电缆可实现中低压大容量传输，直流配电网的中压配电等级不必设置过高。

2.2 设备制造水平

基于电压源变换器的柔性直流输电技术可以给无源网络直接供电，无最低输送有功功率限制，可以给孤立负荷供电；在潮流反转时，柔性直流仅电流方向反转而直流电压极性不变，适用于多段直流连接；其换流站占地面积小，适建于土地紧张的城市；设备可采用模块化设计，生产调试周期短。配电网具有负荷变化大、多段连接、电能质量需求高等特点。因此，柔性直流输电技术特别适合于构建直流配电网。其当前的设备制造水平以及技术发展趋势对于制定直流配电网电压等级序列具有参考意义。典型的柔性直流输电工程概况见附录A表A2[14]。

文献[15]指出工业界已具备成熟生产±300kV直流线缆与换流站的能力。直流配电网中的其他关键设备，如直流变压器、直流断路器、直流保护装置等目前虽有一定发展，但总体水平有待进一步提高，部分尚在研发阶段。这给电压等级的制定和经济性评价带来了困难。目前，10kV的交流型电子电力变压器已进入工业试验阶段，该类变压器通过改造可作为大功率直流变压器使用。1.5kV船用直流断路器已研制成功[16],320kV电压等级的直流断路器也已研发出，可开断直流电流16kA[17]。

设备发展的方向是满足负荷需求，因此通过预测负荷和电网发展而制定的电压等级序列也将会对设备的研发具有指导意义。电压等级序列的制定应兼顾设备发展水平，但不局限于此。

2.3 电网结构优化

配电网中的直流负荷主要有轨道交通、电气化铁路、企业数据中心和部分家用电器（如电子设备、LED照明等）。在交流系统中，由此类负荷衍生的大量换流设备消耗了大量电能。文献[18]预测未来60%的低压负荷为直流负荷，应用直流配电网会有更高的电能利用效率。此外，分布式电源大多为直流或可简单转化为直流输出；储能设备和电动车蓄电池一般也工作在直流制下，因此应用直流配电网可以简化电网结构。直流配电网电压等级的制定应从有效减少换流环节出发，为这些负荷与电源提供合理的接入电压等级。

此外，直流地下电缆的应用能够减少负荷中心变电站的数量，节约土地资源。因此，在土地资源紧张的地区，采用地下电缆进行合理容量的长距离传输，可优化电网的结构，加强终端用电的安全性和可靠性[12]。

2.4 配电方式约束

直流输配电主要有单极传输和双极传输两种方式。单极传输的容量易受到入地电流大小的制约，但改造成本低；双极传输容量大，灵活性和可靠性高，但建设成本高。从长远角度考虑，直流配电网采用双极传输方式更为合理。此外，双极传输相当于提供了更多的电压等级选择，如±750 V可用作1.5kV，±325V可用作750V。这种等级设定可有效减少变压环节。

2.5 交流配电网的过渡改造

除新建的配电网络采用直流制外，还有将现有交流制配电改造成直流制配电的情况。这种情况下，直流系统将沿用原有的交流配电网线路，设定的直流电压等级对线路绝缘的要求不高于原有的交流配电。

利用原有交流线路的最大好处是可以节省线路投资与施工成本，尤其对于馈线回路数多的中压配电网（如交流10kV配电网），其线路成本占整个投资成本的比例较大。

3 电压等级序列构想

本文以多级直流配电网[3]的拓扑结构分析其电压等级序列及相互配合，如图1所示。

制定直流配电网电压等级序列的基本要求是满足负荷容量需求。因此，直流配电网电压等级序列研究应以分析负荷需求为出发点，借鉴交流电压等级序列设定，充分考虑直流相关设备制造水平和发展趋势。目前交流配电网电压等级与其送电容量、送电距离的关系如表1所示[19,20]。近年来，大部分城市和地区电网的电压层次已简化为500/220/110/10/0.4kV。

表1中，220kV及以上电压等级为输电网电压等级，由于负荷增长与城市规模扩大，高压配电电压已扩展至220kV，部分地区甚至采用500kV直接进入负荷中心。高压交流配电网（110～220kV）的配电容量为100MW以下，最大配送范围在100km级；中压交流配电网（10kV）的配电容量为几兆瓦，配送范围在10km级；低压交流配电网（0.4kV）的配电容量在100kW以下，配送范围为1km以内。

结合表1数据并考虑负荷的发展，本文构想的直流配电网各电压等级的供电目标如表2所示。

基于表2，结合负荷对供电电压水平要求及现有、在建柔性直流输电工程的电压等级情况，提出如下的直流配电网具体电压等级序列。

1）高压配电等级Ⅰ：±320kV

此电压等级的主要任务是为负荷率较大（大于40MW/km2）的城市或大型工业园区配电，与上级输电网络衔接，作为高压配电电压等级。±320kV是中国大连柔性直流输电工程所采用的电压等级，也是目前世界上在建的大容量柔性直流输电工程的首选电压等级，满足表2中高压等级Ⅰ的要求。其供电能力已与交流500kV等级相当，但电压较低，变电站占地面积小，从而突破了高压进城区的局限，又满足了负荷增长的需求。

2）高压配电等级Ⅱ：±150kV

此电压等级的主要任务是为负荷率不大于40MW/km2的地区配电，作为高压配电电压等级连接区域高压输电网。±150kV是柔性直流输电工程采用的比较典型的电压等级，相关技术及设备比较成熟。其输送容量范围为99～707 MW[15]，满足高压配电等级Ⅱ的要求。

3）中压配电等级Ⅰ：±30kV

此电压等级的主要任务是给各地区配电站和中压负荷供给电源，同时承担较大容量分布式电源和电气化铁路的接入任务。根据文献[13]，电压在50～150kV时相邻两级电压之比应大于5，而且±30kV是上海南汇工程采用的电压等级。因此，±30kV的选择较为合理。同时，在电气化铁路牵引电网中，目前采用25kV单相交流电网，可简单改造纳入直流30kV电压等级，也可根据容量并入更高电压等级[21]。由于改造后接触网结构形式的差异，30kV牵引直流电网的阻抗为原有的1/2[22]，供电距离为之前的2倍，可减小牵引变电站的个数以及线路损耗。

4）中压配电等级Ⅱ：±10kV

此电压等级的主要任务是给终端配电站或大型负荷供电，需要充分考虑其供电能力与经济性。±10kV供电能力与交流20kV相当，但对线路的绝缘要求却不超过交流10kV。因此采用直流±10kV配电，不仅可以利用原有交流配电网中10kV线路大幅度降低投资成本，又可实现配电能力的大幅提升。

5）低压配电等级：±750V,400V（±200V)

此电压等级的主要任务是为轨道交通、小型分布式能源提供合理的接口，是微网与大电网经济稳定连接的核心电压等级，同时也为大部分家用负荷供电。文献[23]在建模中指出，电动汽车充电站的母线电压约为直流690V，小型风机的出口电压为直流700V，可考虑接入直流750V电压级。因此±750V是可适应小容量分布式电源的合理电压等级。750V电压等级也可以满足主流的400V三相交流负载的供电需求，只需要一级DC/AC变换。

同时，750V与1 500V也是城市轨道交通的典型供电电压。如北京、天津、武汉的轨道交通采用750V的直流电压；广州和上海的轨道交通采用1.5kV直流电压[24]。其中750 V可直接由±750V电网单极供电，1.5kV电压等级则可由±750V通过改变接线方式得到。

400V是目前较规范的直流电压等级，也是各类终端用电设备能直接适用的电压等级，包括向220V交流负载供电。因此该电压等级可作为用户的入户电压。在企业数据中心等场合，采用此电压等级也较为合适。在某些特殊场合，为兼顾各类保安蓄电池构成的直流系统接入，也可将400V转化为±200V供电。

此外，对于电源或负荷直接接入单极的双极性直流供电网，需要合理规划以平衡各极性的负荷量。

6）超低压配电等级：48V

此电压等级主要为家用或商用负荷供电。家用配电具有供电距离短、负载功率小、安全性要求高的特点。绝大多数家用直流负荷的工作电压为48V及以下，且48V是无需保护措施可直接接触的安全电压等级，因此选用48V是合理的[25]。该电压等级为400 V入户后转换而获得的电压等级，与400V电压（负责向大功率负载供电）一起完成家用或商用室内供电。

综上所述，本文提出了±320kV，±150kV，±30kV，±10kV，±750V,400V（±200V),48V的直流配电网电压等级配置。在负荷率较高的城市，可采用±320/±150/±30/±0.75/0.4kV或±320/±150/±10/±0.75/0.4kV的序列；在负荷率不高且长期稳定的地区，可采用±150/±30/±10/0.4kV的序列。

4 供电能力分析

供电能力分析主要包括送电容量和送电距离的计算。直流双极配电线路的首末端电压差与供电电压的比值eU可表示为：

式中：eU为电压损耗率；ΔU为直流线路首末端电压差；U为供电电压；Rd为直流线路的等效电阻。

直流配电线路的线损率edc可表示为：

式中：ΔP为直流线路损耗的功率。

式（4）也可表示为：

式中：ρ为电导率；D为经济电流密度；L为配电距离。

可见，在直流配电网中，电压损耗率与线损率在数值上是一致的。假设线路首端电压为额定值，则末端电压偏差在数值上等于线路的电压损耗率。参照《电能质量供电电压允许偏差》（GB 12325—2008）中关于交流50Hz系统电压偏差规定：35kV及以上供电电压正负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%;20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%。对应于直流配电网，30kV及以上电压偏差不超过额定电压的10%;10kV及以下供电电压允许偏差为额定电压的±7%。再取30kV以上线路等效电阻为10Ω，30kV线路等效电阻为5Ω，30kV以下线路等效电阻为1Ω[18]，代入式（3）得到各电压等级的最大传输容量。根据文献[15]中给出的柔性直流输电电缆截面积数据，利用式（5）代入电阻计算公式可得出各电压等级的供电距离如表3所示。比较表2和表3可知，本文提出的电压等级可满足表2所提出的供电目标。

5 经济性与可靠性分析

与交流配电网相比，直流配电网具有变电站（换流站）占地面积小、线路建设成本低、线路损耗小、无需无功补偿装置等特点，理论上具备更好的经济效益。本节将依据部分文献提供的数据概算出多级直流配电网各电压等级相关设备的投资成本，确定各等级的供电损耗率（主要是变能损耗率和线损），最后通过具体算例分析，比较多级直流配电网和交流配电网的经济性。

关于直流配电网相关建设成本，文献[18]对±7.5kV和±15kV电压等级的相关设备投资成本进行了具体分析。多级直流配电网中主要设备（如直流变压器、断路器）一般采用模块化组合技术实现，因此其成本可粗略地认为与电压等级或容量呈线性关系。同时，30kV以上高压等级电缆单位造价依据文献[12]数据按比例关系得到；而30kV及以下电压等级，参考交流单相电缆进行估价。据此，直流配电各电压等级下设备投资成本估算单价如表4所示。

运行成本主要考虑维护成本和损耗成本，后者包括变能损耗和线路损耗。变能损耗主要是多级直流系统中直流变压损耗。目前直流变压器的效率约为90%左右，远远低于交流变压器。但研究者们已开发出效率高达99%的直流变换器[3]，而且随着宽禁带器件的成熟应用，直流变压器的效率有望大幅度提高。因此在损耗分析中，将直流变压器效率视为等同于交流变压器。

交流配电网的线损率eac可表示为：

式中：Rt为计及额外损耗的交流等效电阻，当交直流线缆材质、长度相等时，Rt=(1+k)Rd，额外损耗系数k=1[18];UL为交流线电压。

当交直流线缆材质相同、长度相等时，比较式（3）、式（4）和式（6）可得：

多级直流配电网总成本Fdc为：

式中：Fc为设备建设成本；c为上网电价；h为总利用小时数；es为变能损耗率；el为线损率；Fm为维护费用；Fs为变能年费用（含变电设备维护费用与变能损耗折算的费用）；Fl为线路年费用（含线路维护费用与线损折算的费用）；n为运行年数。

由于维护检修费用计算复杂，本文近似地认为变能年费用与线路年费用分别与相应损耗率成正比。下面用具体算例进行分析，比较多级直流配电网与交流配电网的经济性。

假设负荷均匀分布在一个圆形的供电区域内，区域面积100m2，远期负荷密度40W/km2，即在远期该区域负荷达到4 000MW。

文献[5]推荐的交流配电方案电压等级序列为220/20/0.4kV。其中220kV变电站22座，合计容量7 920 MVA，容载比1.98;20kV配电变压器3 732台，合计容量5 971 MVA，负荷率67%;20kV出线合计846km。其投资运行总成本约为：

现考虑采用直流配电方式进行供电。由于该区负荷密度未来将达到40 MW/km2，所以需要采用高压直流配电深入负荷中心，电压等级可取±150kV。因此，该地区利用直流供电时也采用三级网络配合实现，其中高压直流配电采用±150kV，中压直流配电采用±10kV，低压直流配电采用400V。考虑到选取的高压与中压直流配电的电压等级的配电能力分别与交流220kV与20kV的配电能力相当，为简化分析，假设直流变电站、直流配变以及出线回路数与交流方案的相同。因此直流配电的投资建造成本可概算如表5所示。

如前文所述，假设直流变压器与交流变压器效率相同，则交、直流配电网变能费用相同，即Fs=1.17亿元。同时根据式（7），若考虑交流配电网的功率因数为0.9，直流的线损约为交流的81%，得到多级直流配电网的投资总费用为：

比较式（9）和式（10）可知，由于直流配电的电压等级低于交流配电，因此其设备投资成本会略低于交流配电。而当假设直流变压器效率可达到交流变压器效率水平后，由于直流线损低，因此其运行费用也略低于交流。

然而，毕竟直流配电网的研究尚处于起步阶段，相关设备、线路等数据比较欠缺，现阶段很难对其具体方案进行较准确的经济性分析。本文只是利用部分文献提供的数据，参照交流配电网的相关计算方法对直流配电网的经济性进行了初步概算。单纯从供电接线模式而言，算例中采用与交流相同的线路配置，且考虑到大功率电力电子器件可靠性水平一直在提高，因此就本算例而言，采用±150/±10/0.4kV三级直流配电系统也将具有很高的供电可靠性。

6 结语

本文分析了直流配电网的电压等级制定的基本原则和影响因素。以实现配电功能为目标，较为系统地提出了多级直流配电网相互配合的建议的电压序列为：±320，±150，±30，±10kV和±750,400（±200),48V。其中±750V为小型分布式能源和轨道交通提供接口，±200V适用于供电距离短，负荷集中的场合，48V为家居和商用终端直流负荷供电。提出的配电系统直流电压等级序列兼顾考虑了配送能力要求、设备制造水平、未来负荷增长、分布式电源接入、电网改造成本以及与现有设备接口等实际问题。另外，对多级直流配电网电压等级的经济性进行了初步分析。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx）。

摘要：直流输电相关技术的发展使得构建一个多级直流网络配电系统成为可能。首先详细分析了直流配电电压等级序列制定的基本原则与主要约束条件。在分析各电压等级直流配电能力基础上,以负荷需求为基本出发点,综合考虑相关设备制造水平、电网结构优化需要等方面,提出了一套高压、中压、低压以及超低压相互配合的直流配电网电压等级序列。最后通过具体算例,简要分析了多级直流配电的经济性。

直流电压变换电路的分析与调试 第5篇

一、直流斩波的概念

直流斩波就是利用电子开关的通断使直流电时通时断, 通过改变电路通断的时间比例, 来可以改变其直流平均电压的大小, 如图1所示。将直流电压部分导通, 来实现有效值变化。由于这种控制方式好像是将直流电压波形斩去一些, 所以称为“斩波”。图 (1b) 导通时间为一个周期T的

1/2, 所示平均电压 (U为直流电压) 。

UUav21=图 (1c) 导通时间为一个周期T的1/4, 所以。

Uav=直U1流斩波波形的特点是方波脉冲的幅值相同, 而其宽度不同。取其有效值作为输出电压。

图1直流斩波电压波形及平均值 (Uav)

直流斩波输出电压变化规律:

0<α<1/2时为降压电路, 1/2<α<1时为升压电路。

二、直流斩波升压电路

(1) 图 (2a) 为直流斩波升压电路。

图中U为直流电源, 电压为U, L为储能电感, VT为开关管 (此处为双极晶体管, 也可以改用场效应管或IGBT管) , C为储能电解电容, VD为隔离二极管, 为负载。

(2) 由图可见, 直流电源通过L和VD向电容C充电, 直至电容电压升至U, 充电过程才结束。电容及负载上的电压极性为上正、下负。

(3) 当开关管VT导通时, 电流流过电感L, 使电感储存磁能。 (这时虽然VT管两端电压很小, 但因二极管VD的隔离作用, 电容不会对它放电) 。

(4) 当开关管VT突然截止 (关断) 时, 已储能的电感L, 将通过二极管VD对电容C充电 (电感释放能量) , 使电容电压在原来的基础 (=U) 上, 继续升高。由于开关管的触发脉冲电压频率较高, 因此电容C上将维持高于U的电压。整定触发脉冲波形的占空比, 即可调节电容电压 (亦为输出负载电压) 的大小。

三、直流斩波升、降压电路

对照图2b) 与图2a) , 不难发现:图中VT管与电感L的位置互换了, 而且二极管VD的极性也相反了。由图可见, 在初始情况下, 开关管VT不导通时, 电容C上是没有电压的。

(1) 当VT管导通后, 就有直流电流i通过电感L, 使电感储存磁能。此时, 由于二极管VD的阻断作用, 此时直流电源对电容C不构成通路。

(2) 当VT管截止时, 由于电感L的续流作用, 将有通过二极管VD向电容C充电。由图不难看出, 此时电容电压的极性已与电源电压相反。此时电容上的电压的大小, 将由开关管VT的触发脉冲的占空比来决定, 增加电感L的通电时间, 就会在电容上产生较高的电压, 此电压可以高于电源电压U, 也可以低于电源电压, 从而构成升、降电路。

4. 由DC-DC集成电压变换模块构成的电压变换电路

由于通常DC-DC变换电路所需元件较多, 电路较复杂, 因此, 在DC-DC变换电路中常使用专用的集成电路。专用集成DC-DC电压变换电路模块有多种, 如DC-DC变换器MC34063A就是其中常用的一种。

图3为MC34063A的内部结构组成示意图

MC34063A共有8个引脚, 内有开关管及激励管, 有带温度补偿的1.25V基准电压源, 有比较器和能限制电流及控制周期的振荡器。其主要参数为:最大电源电压40V, 比较器输入电压范围为-0.3~40V, 驱动管集电极电流为100mA, 开关电流为1.5A。

5. MC34063A的应用

(1) 升压式DC-DC变换器

图4所示是由MC34063A组成的升压式DC-DC变换电路。

图中电路的输入电压为+12V, 输出电压+24V, 输出电流可达80mA。图中, L1是储能电压, VD1是续流二极管, L1和VD1与VT1组成并联型升压它激式开关电源电路。升压变换原理如前所述:若开关管VT1饱和导通, 则电流线性增大, 电流方向如图中实线所示, 此时VD1截止, 储存磁场能量;若管截止, 则由于中的电流不能突变, 此时导通, 电流方向如图中虚线所示, L1释放磁场能量, C1被充电, 产生+24V直流电压。于是电路完成了12V和24V的变换。

图中C2是振荡定时电容。R4电阻为过流检测电阻, 过流检测信号从 (7) 脚输入, 通过控制芯片内部的振荡器, 可达到限制电流的目的。输出电压经RP和R2分压后, 反馈到 (5) 脚内部比较器的反相端, (参见图3) , 以保证输出电压的稳定性。本电路的效率可达89.2%。如果需要, 本电路在加入扩流管后, 输出电流可达1.5A以上。

(2) 电压极性反转式DC-DC变换器

图22-5所示是由MC34063A组成的电压极性反转式DC-DC变换电路。

图中电路的输入电压为4.5~6V, 输出电压为-12V, 输出电流可达100mA。图中L1和VD1及组成并联型反转它激式开关电源电路。反转变换原理如前所述:若开关管饱和导通, 则电流线性增大, 电流方向如图中实线所示, 储存磁场能量, 此时截止:若管截止, 则由于L1中的电流不能突变, 此时VD1导通, 电流方向如图中虚线所示, L1释放磁场能, C1被充电, 产生-12V直流电压输出。于是, 电路完成了电压极性的反转变换。

此电路外接扩流管可将输出电流增加到1.5A。电路效率为64.5%。

通过介绍直流变压的原理, 和通过直流变压电路的分析。让我们对直流电压的转换有了一个清晰的认识。为分析电子产品工作原理提供基础。

参考文献

[1]施良驹《集成电路应用集锦》电子工业出版社, 1988, 6

[2]何希才, 白广存《最新集成电路应用300例》科学技术文献出版社, 1995

高压直流输电系统开路电压的研究 第6篇

高压直流输电因其在远距离、大容量输电方面的优势,近年来在国内得到了大力发展。 截至2013年底,我国已建成超、特高压直流输电线路20余条, 高压直流输电正逐渐成为未来我国跨区域大容量输电的重要方式［1-6］。

直流开路试验OLT(Open Line Test)又称空载加压试验(以下简称开路试验),是检测换流阀及直流场设备、直流控制系统、直流输电线路能否正常工作的重要手段。 直流系统在设备检修或长时间停运后,都必须通过开路试验才具备正式送电条件［6-7］。 在开路试验过程中,操作人员通过控制换流器触发角,使测量电压(即开路电压)按一定变化率逐渐升高,并通过观察测量电压能否逼近预设的目标电压来判断各设备的工作状况是否正常。 开路试验目标电压根据开路电压理论值选定,因此,开路电压计算公式的准确性对于试验成功与否至关重要。

根据检测对象的不同,开路试验可分为不带直流线路和带直流线路2种。 从试验系统结构上看,2种开路试验的区别仅在于直流线路侧开路点位置不同,不带直流线路开路试验开路点设在直流线路首端,主要用于检测换流阀及直流控制系统的工作状况;带直流线路开路试验的开路点设在直流线路末端,除了检测换流阀及直流控制系统的工作状况外, 还可用于检测直流滤波器等直流场设备及直流线路的绝缘水平和耐压能力。 对于不带线路开路试验, ABB公司推导了其开路电压计算公式(以下简称为现有公式),并依此设计了开路试验电压差值保护, 保护动作于开路电压测量结果与计算结果之差大于动作门槛值(±500 k V系统的动作门槛值为150 k V)。 而对于带直流线路开路试验,由于目前尚未有机构或个人给出其开路电压的推导公式,因此,在实际试验中也是利用现有公式计算其目标电压。 但是根据实际试验结果,带直流线路开路试验的开路电压与不带线路时相比明显减小［9-10］,若利用现有公式计算其目标电压,则测量电压与目标电压之间将存在较大差值,可能造成电压差值保护误动,进而闭锁试验系统［11-13］。 文献[14 -15]结合实例,对带直流线路开路试验中测量电压较低的原因及现有公式的适用范围进行详细分析,但并未给出具体的带直流线路开路电压计算公式。 文献[16]通过对带直流线路开路试验中线路元件充放电过程进行讨论,给出了带直流线路开路电压计算公式。 但所提公式中需要利用线路对地电导等参数,其数值受气候环境影响大,很难应用于工程实际。

鉴于带/ 不带直流线路开路试验系统仅在是否包含直流线路上存在区别,本文借鉴不带直流线路开路电压公式的推导方法,通过分析直流设备及线路元件对开路电压的影响,确定带直流线路开路电压的稳定条件,并通过对现有不带直流线路开路公式进行修正,给出适用于带直流线路开路试验的开路电压计算公式。 利用PSCAD仿真软件搭建了直流输电系统的仿真模型,对改进公式进行了仿真验证,仿真结果验证了所提公式的准确性。

1不带直流线路开路试验开路电压公式的推导

超高压直流输电系统多采用12脉动换流器,12脉动换流器由2个6脉动换流器串联构成,在不带线路开路试验中其开路电压等于6脉动换流器的2倍,因此,为了简化分析过程,下面以6脉动整流器为研究对象进行不带直流线路开路试验开路电压公式推导,其开路试验系统示意图如图1所示［3］。

图中,EA、EB、EC为换流变压器阀侧三相感应电动势;UA、UB、UC为换流变压器阀侧三相端电压;Lγ为换相电抗;UDC为开路电压;UN为换流变压器阀侧中性点电压。 VT1— VT6为晶闸管换流阀,换流阀两端并接有RC缓冲电路;阀VT2、VT4、VT6阳极共点于Q点,称为共阳极阀组;VT1、VT3、VT5阴极共点于P点,称为共阴极阀组。

假设换流变压器阀侧交流系统三相对称,线电动势有效值为E,根据换流原理,换流器的自然换相点为交流线电压过零点,因此,为了方便描述换流器导通触发角,以线电动势ECA正向过零点为坐标原点建立坐标系,换流变压器阀侧各相交流相、线电动势的波形图如图2所示。

换流变压器阀侧各相感应电动势表达式为:

由图1可知,开路电压UDC可表示为:

由于Q点接地,UQ= 0,因此,UDC= UP。 又由于直流线路侧开路,UP幅值大小仅受换流阀通断状态的影响,在共阴极组任意换流阀导通时满足:

其中,x表示与导通阀相连的交流侧某相。 因此,为了求取UP表达式,以下对各换流阀通断期间UP的变化情况逐一进行分析。

先以VT1为例,在VT1首次导通前,在三相对称电压的作用下,P、Q 2点的初始电压UP、UQ及换流变压器阀侧中性点电压UN均等于0。 此时VT1的阴极电压等于0,阳极电压等于EA,忽略阀导通/ 关断固有时间的影响,结合图2可知,若换流阀触发角 α 小于150°,在VT1触发时刻有UA> 0,VT1导通,忽略阀上压降,在VT1导通后,根据式(3)有:

根据晶闸管导通条件,晶闸管在承受反压后关断,因此,VT1将导通至其阳极电压单调递减为止。 结合式(1),若 ωt ∈[0°,60°),EA递增,在此期间触发VT1,VT1导通至 ωt=60° 时关断,关断后VT1的阴极电压UP= EA(60°);若 ωt∈(60°,150°],UA递减,在此期间触发VT1,VT1会在导通后随即便因承受反压而关断,关断后VT1的阴极电压UP= EA(α)。

根据直流输电换相原理,VT2在VT1触发1 / 6工频周期后触发。 与VT1分析过程相同,若触发角小于150°,VT2导通。 VT2导通后,根据其阴、阳极电压相等有:

因此:

可见,在VT2导通之后,UN不再为0,且在VT2导通期间UN随EC变化。 根据图2,若 ωt∈[60°,120°), EC递减,在此期间触发VT2,VT2将导通至 ωt=120° 时关断,关断后UN= -EC(120°)= EA(60°);若 ωt∈(120°, 210°],EC递增,在此期间触发VT2,VT2会在导通后随即便因承受反压而关断,关断后UN= -EC(α + 60°) = EA(α)。 因此在VT3触发时其阳极电压等于UN+ EC(α + 60° ) = 2UP, 大于其阴极电压UP,VT3可导通,之后的分析过程与VT1相同,可推导出在VT3关断后UP表达式为:

VT4、VT6导通期间的分析过程与VT2相同,由于交流侧三相电压对称,各阀导通期间所确定的UN相等,UN波形近似为一条直线,但受换流变压器铁芯饱和等因素的影响,UN中含少量谐波,以3次谐波为主［17］。 图3为触发角 α=120° 时UN的仿真波形。

理想条件下,在VT3关断后,UP将保持不变,但是由于均压、缓冲电路的影响,UP实际呈缓慢衰减状态［10］(由于电压衰减速度很慢,在计算开路电压时可忽略),而根据换流原理,共阴极组各阀导通时刻对应的交流相电压瞬时值相等,大于此时VT5的阴极电压UP,VT5满足导通条件。 VT5通断期间的分析过程与VT3相同,UP的幅值和变化规律也均与式(7)相同,各阀不断重复以上过程,得到UP波形如图4所示。

将式(7)代入式(2)即得到不带直流线路条件下6脉动换流器开路电压计算公式,12脉动换流器开路电压等于6脉动换流器的2倍,因此,最终得到超高压直流输电系统不带直流线路开路试验开路电压公式(即现有公式)为:

2带直流线路开路试验开路电压的建立过程分析及公式推导

2.1带直流线路开路电压的建立过程分析

以上分析了不带直流线路开路电压的推导过程,对于带直流线路开路试验,由于换流系统结构及控制方式与不带直流线路时完全相同,因此,可以借鉴以上推导思路用于带直流线路开路电压的分析。 仍以6脉动系统为研究对象,将图1所示系统开路点从线路首端移至线路末端即为带线路开路试验系统,6脉动换流器带直流线路开路实验系统示意图如图5所示。

在接入直流线路后,换流器与直流线路及直流滤波器(DCF)支路可以通过大地构成回路,带直流线路开路试验系统等效示意图如图6所示。

根据仿真实验结果,线路模型采用集中参数或分布参数对开路电压基本无影响,因此,为了简化分析过程,本文采用输电线路集中参数。 图6中,R、L、 G、C分别为直流线路的电阻、电感、电导、电容;Ls为平波电抗器;DCF为三调谐直流滤波器;Re为接地极线路阻抗;IDC为开路电流;IDCF为直流滤波器支路电流;Iline为直流线路电流;UDC为开路电压;UDCF为直流滤波器支路电压,由图可知UDC= UDCF。

根据之前的分析,在开路试验过程中换流阀导通时间很短,在试验中的任意时刻换流器至多有1个阀导通。 在所有换流阀均关断时,交流线路通过各换流阀的缓冲电路与直流线路侧相连,由于交流系统对称,所以开路电流IDC约等于0;而在某一换流阀导通时,系统对称被打破,换流阀直流侧出口线路上有电流流过,电流持续时间等于换流阀的导通时间,在阀关断后系统恢复对称状态,IDC再次衰减至0,之后IDC以换流阀触发间隔为周期不断重复上述过程。

在阀导通阶段,IDC中的直流分量只能通过对地电导支路,而对地电导支路的阻值极大,所以IDC中直流分量所占的比例很小。 又根据换流原理,6脉动换流器仅在直流侧产生6 n(n=1,2,3,…)次谐波［2］, 因此,此时的IDC主要由6 n次谐波构成。 如图6所示,DCF支路与直流线路并联,根据IDC的频率特性, 对于IDC而言,DCF支路的阻抗比直流线路小得多,因此,IDC≈IDCF。 带直流线路开路试验触发角 α = 120° 时的开路电流IDC、直流滤波器支路电流IDCF、直流线路电流Iline仿真波形如图7所示,图中t1— t6、 t′1— t′6分别对应6个换流阀的触发和关断时刻。

图7反映了直流线路侧各支路电流在开路电压稳定后某一工频周期内的变化情况,如图所示,IDC与IDCF波形近似重合,两者均在换流阀导通时突然正向增大并随着换流阀的关断再逐渐衰减为0。 由于开路电压已经趋于稳定,故Iline波形近似为一条直线且幅值很小,仿真结果与之前的分析相吻合。

根据上述的直流线路侧电流分布特征,在换流阀导通阶段由交流侧向直流侧注入的能量只会有少部分以热能的形式消耗在对地电导上,而绝大部分能量将流入DCF支路为其支路电容充电,UDCF随之逐渐升高。 在换流阀关断后,IDC反向且幅值逐渐衰减为0,交流系统不再向直流线路侧输送能量,DCF支路电容开始向对地电导支路放电,UDCF下降,至下一个换流阀导通为止。 由于触发角固定,DCF支路电容在每周期内的充放电时间固定,在试验开始阶段,由于UDCF较低,对地电导支路在阀关断期间消耗的能量小于DCF支路电容在阀导通期间吸收的能量, UDCF不断升高,如图8(a)所示。 但随着UDC的升高, DCF支路电容每周期内吸收的能量越来越少而对地电导支路消耗的能量却不断增多,UDC升高的速度逐渐放缓,当UDCF在每周期内升降的幅值相等后,UDCF达到稳态,如图8(b)所示。

根据图6,UDCF= UDC。 因此,由上所述,在带直流线路开路试验中,开路电压从建立到稳定之间存在暂态变化过程,当DCF支路电容在开路电压单个变化周期内充放电能量达到平衡时开路电压趋于稳定。 相比于不带直流线路开路试验,因为在换流阀关断期间存在降压过程,所以,带直流线路开路试验开路电压的稳态值比不带直流线路开路试验中的开路电压小。

2.2带直流线路开路试验开路电压公式推导

2.2.1 6脉动换流器带直流线路开路电压公式的推导

根据2.1节的分析,计算开路电压最直接的方法就是利用电压稳定后DCF支路电容在单个电压变化周期内充放电能量平衡这一结论,列写关系式以求解开路电压。 但是由于直流系统的非线性特征,换流器的等效模型难以确定,且无法应用相关电路原理。 同时换流阀导通期间的直流线路电流为冲击电流,很难写出其具体表达式,而对地电导参数又极易受环境影响,因此,利用单个电压变化周期内充放电能量平衡特征推导开路电压计算公式是不可行的。

值得注意的是,对于带直流线路开路试验,在换流阀导通阶段,仍有式(2)、(3)成立,即:

因此,可以通过求解UN确定UDC。 在不带直流线路试验中,UN波形近似为一条直线,如图3所示。 在带直流线路开路试验中,共阳极组阀导通时UN变化情况与不带直流线路时相同,而在共阴极组阀导通时,由于开路电压比不带线路时小,UN也比不带直流线路时小,所以在带直流线路开路试验中UN波形近似为矩形波。 对于6脉动换流器,UN变化周期为1 / 3工频周期,在每个周期内UN跳变2次,跳变时刻对应于换流阀导通时刻,共阳极组阀导通时UN由低电位跳变至高电位,共阴极组阀导通时UN由高电位跳变至低电位。

带直流线路开路试验触发角 α=120° 时的UN仿真波形如图9所示,图中tc1— tc 6分别对应6个换流阀的触发时刻。

综上所述,2种开路试验中开路电压幅值不等的原因也可以理解为:对于2种开路试验,在共阴极组阀导通时刻,换流变压器阀侧中性点电压并不相等。

因为在换流阀交流侧,UN满足:

所以,可以利用交流侧三相相电压求解UN。 如图9所示,共阴极组阀导通时UN跳变至低电平,因此,对于矩形波UN,求解开路电压需要利用的是其极小值UNmin。 在本文中,UNmin的求取方法为:以UN变化周期为采样窗长,取交流侧三相相电压数据代入式(10)计算UN,并由低电压采样数据的平均值求取UN min。 在确定了UNmin后,带直流线路开路试验中开路电压可以表示为:

2.2.2 12脉动换流器带直流线路开路电压公式的推导

对于12脉动换流器,其系统示意图如图10所示。

根据系统结构,Umid即为桥2的输出电压,因此, 下面以其为研究对象,分析在12脉动系统中6脉动换流器的输出电压特征。

根据前文的分析可知,无论带直流线路与否,在开路试验过程中,受触发角大小影响,换流阀的导通时间均很短,当触发角大于60° 时,换流阀在导通后随即便会因承受反压而关断。 因此,在试验任意时刻,换流系统中至多有1个换流阀导通,且在试验的绝大多数时间内,系统中的所有换流阀均处于关断状态,在此期间,由于换流系统结构对称,交直流系统间无能量传递,开路电压保持不变。 而在有换流阀导通期间,由于系统对称结构被破坏,交直流系统间可能出现能量传递。

对于不带直流线路开路试验,由于直流线路侧开路,即使在换流阀导通期间,交直流系统间仍基本无能量传递,开路电压仅由换流阀触发时刻的交流相电压决定。 在所有换流阀均关断期间,开路电压仅存在缓慢的衰减过程,幅值基本保持不变。 在某一换流阀导通期间,若换流阀位于桥2,则桥1各阀均关断,桥2与直流侧只能通过桥1换流阀的缓冲电路相连接,桥1等效于1个RC串联支路,此时的12脉动开路系统等效于在6脉动开路系统的开路端串联进1个RC串联支路, 但由于直流侧开路,RC支路显然对开路电压无影响,Umid与6脉动带直流线路开路试验中开路电压值相等。

若导通的换流阀位于桥1,由于此时系统中仍无能量变化,所以桥1中某一阀导通,仅相当于改变了串联RC元件的数值,对Umid无影响。 同理可得,另一个6脉动换流器的输出电压也与6脉动开路试验时相等。 综上,在12脉动不带直流线路开路试验中,2个6脉动换流器的输出电压与6脉动不带直流线路开路试验中的开路电压相等,因此,12脉动不带直流线路开路试验的开路电压可以按6脉动换流器开路电压的2倍近似进行计算。

而对于带直流线路开路试验,当桥2中某一阀导通时,桥1等效为RC支路,串接于桥2与直流线路之间,如图11(a)所示。 由于此时换流阀通过线路及换流阀的接地点构成回路,所以此时RC上存在一定压降,造成Umid比6脉动带直流线路开路电压小, 两者的差值受RC参数影响。

当桥1中某一阀导通时,桥2各阀均处于开路状态,相当于将RC支路串接在桥1与接地点之间,如图11(b)所示。 此时的Umid等于RC支路上的压降, 根据换流器结构,显然2种情况下得到的Umid的幅值大小并不相等。

综上所述,对于12脉动换流器,在直流线路进行开路试验时,桥2的输出电压波形不再近似为直线型,而是变为矩形波,输出电压每隔30° 跳变一次, 下降沿对应桥1中换流阀导通时刻,上升沿对应于桥2中换流阀导通时刻。 触发角 α = 120° 时的Umid仿真波形如图12所示,图中1— 6表示桥1中各阀的导通时刻,1′ — 6′ 表示桥2中各阀导通时刻。

图12验证了上述分析的正确性,由于桥1和桥2仅在换流变压器接法上有区别,其他结构完全相同, 所以桥1的输出电压波形与桥2相同,仅在相位上相差30°。 由于2个输出电压之间的相位差与输出电压的跳变间隔相同,因此,其中一桥的输出电压为高时另一桥的输出电压为低,如图13所示,其中UDC1表示桥1输出电压,UDC2表示桥2输出电压。 又由于12脉动换流器的开路电压等于两桥输出电压之和, 所以,测得的12脉动换流系统开路电压约等于Umid的高电压和低电压之和。

根据前文的分析,桥1、桥2中换流阀导通时刻的Umid幅值不同,设桥2中换流阀导通时的Umid幅值用Umid_h表示,桥1中换流阀导通时的Umid幅值用Umid_l表示。如图12所示,由于桥2中各阀导通时得到的高电压均相等,因此,任意选取其中一阀作为研究对象,以阀V′T1为例,在阀V′T1导通时有:

其中,UNdn=(U′A+ U′B+ U′C) / 3为桥2换流变压器阀侧等值中性点电压。

同理,对于桥1取阀2为对象,设桥1换流变阀侧中性点电压为UNup,则在阀2导通时有:

因此,12脉动带直流线路开路试验的开路电压计算公式为:

将式(1)代入式(14)得:

根据仿真结果,用UNup_min表示UNup的极小值;用UNdn_max表示UNdn的极大值,则12脉动带直流线路开路试验的开路电压等于:

超高压直流输电系统带直流线路开路试验的开路电压可以按式(16)进行计算,UNup_min和UNdn_max的求解过程与2.2.1节中UNmin的求解过程相同。

3仿真验证

为了验证所提公式在实际带直流线路开路试验中的计算准确性,参照高坡—肇庆 ±500 k V超高压直流输电系统,利用PSCAD搭建超高压直流输电系统仿真模型对所提公式进行了仿真验证。 模型参数依据高坡— 肇线实际参数设定,线路长度取891 km, 单位长度线路参数根据架空线参数求得,对地电导参数为皮克公式推算结果,具体参数如表1所示,参数定义与图5相同。

仿真中E=233.3 k V,开路电压仿真结果取电压平均值。 表2为超高压直流输电系统带直流线路开路试验开路电压的仿真及计算结果,其中现有公式和修正公式的计算结果分别由式(8)和式(16)计算得到,计算误差为对应计算结果与仿真结果之差的绝对值。

通过对表2的仿真结果进行分析可知:在带直流线路试验中,现有开路电压公式的计算结果与测量结果之间存在较大差值,且随着触发角的减小,差值逐渐增大;当触发角小于120° 时,计算结果与测量结果之间的差值已超过开路试验电压差值保护的启动门槛值(150 k V),而修正公式的计算结果准确度明显更高。

4结论

a. 在带直流线路开路试验中, 受直流设备及线路元件充放电过程的影响,开路电压稳态值比不带直流线路时小得多,若利用现有不带直流线路开路电压公式计算带直流线路开路试验的开路电压,计算结果准确性较差,可能造成开路试验电压差值保护误动,导致试验极闭锁等问题。

b. 对于带直流线路开路试验, 由于直流输电系统的非线性特征,通过电压暂态过程分析推导开路电压计算公式的难度很大。 利用换流器交流侧三相相电压求解换流变压器阀侧中性点电压,对现有公式计算结果进行修正可以极大地提高开路电压计算结果的准确性。

摘要：针对现有高压直流输电系统开路电压公式不适用于计算带直流线路开路试验开路电压的问题,分别对带/不带直流线路开路试验的试验原理及开路电压建立过程进行分析,解释了带直流线路开路试验中开路电压较小的原因,并通过对现有开路电压计算公式进行修正,给出了适用于带直流线路开路试验的开路电压计算公式。所提公式可用以修正直流开路试验电压差值保护整定值,避免了带线路开路试验中电压差值保护的误动。利用PSCAD仿真软件搭建±500 k V高压直流输电系统仿真模型,对所提公式进行了仿真验证。仿真结果证明所提公式具有较高的准确性。

直流电压 第7篇

关键词：电压源型换流器,多端直流,电压裕度控制,电压降控制,多端直流/交流潮流

0 引言

基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电技术近年得到了广泛关注和研究,与传统的基于电流源型换流器(CSC)的直流输电相比,其有功和无功功率可独立控制,不存在换相失败问题[1],潮流翻转控制灵活,在多端直流(MTDC)输电中易于扩展,对交流电网系统强度要求较低,尤其适合向偏远地区供电以及消纳孤岛风电或海上风电[2,3]。1997年建成并运行的赫尔斯扬工程是世界首个VSC-HVDC输电工程,此外,瑞典的哥特兰工程、美国的Cross Sound Cable直流工程、挪威的Troll A工程等相继投运。国外在建的多端柔性直流工程有美国的Super Station、瑞典—挪威的South-West Southern工程等[4]。国内南汇柔性直流示范工程、南澳风电四端柔性直流输电工程、舟山五端柔性直流输电工程已投运[1,5]。目前投运的VSC-HVDC输电工程多为点对点连接,而基于VSC的MTDC(简称VSC-MTDC)输电工程还为数不多。

由于基于CSC的直流输电技术较为成熟,以往对MTDC输电潮流计算方法的研究中对基于CSC的潮流求解方法的研究较多,对VSC-MTDC输电的潮流方法的研究在国内外也有不少报道。 对VSC-MTDC输电的潮流方法中常将直流注入到交流系统公共连接点(PCC)的功率作恒功率处理,从而简化MTDC潮流求解方法[6]。文献[7]建立了基于VSC的换流器损耗简易模型和二次型模型,文献[8-9]提出了考虑换流器损耗的MTDC输电潮流求解方法,但没有考虑换流器容量限制。文献[10]提出了考虑交流滤波器和换流器容量限制的MTDC输电潮流求解方法。

交直流潮流求解中通常采用统一迭代法或者顺序或交替迭代法[7,11,12],统一迭代法收敛快,迭代次数少,顺序或交替迭代法将交流电网潮流和直流电网潮流分别迭代求解,易于扩展[13,14,15,16]。针对统一迭代法和交替迭代法的不足,文献[17]利用双向迭代法改善了潮流收敛问题。

本文对基于VSC的多端直流/交流系统潮流求解考虑了电压控制的影响,提出了一种考虑换流器损耗、换流器容量限制以及交流滤波器的多端直流/交流系统通用潮流计算方法。

1 VSC-HVDC的电压控制特性

VSC的电压降控制特性如图1所示,为了VSC的控制灵活性,可预留一定的电压死区。当换流器功率达到功率极限或在电压死区控制范围时换流器切换为定功率控制模式。

以带电压死区控制的电压控制特性为例,其电压/功率的关系为:

式中:P*和V*分别为直流给定功率和电压;VH和VL分别为死区电压的上下限;kH和kL分别为电压功率线性上段区间和下段区间的控制斜率;K为控制区间段。

其中,控制斜率表达式为:

式中:ΔPdc和 ΔVdc分别为直流换流变压器的功率和电压微变量。

P*和V*的选取需根据实际柔性直流系统工程的站级控制参数和控制策略,由此形成控制方程并决定潮流方法。直流电压水平根据实际电网的设计决定,功率水平根据交流系统和负荷水平决定。MTDC输电的控制策略如式(1)所示,调度系统可根据各换流器容量和系统负荷水平等因素确定电压水平和功率分配,使得直流电网潮流分布达到平衡。

VSC直流控制特性可表示为:

式中:Pζ为直流功率给定值;kζ为VSC直流控制灵敏度系数,在直流系统潮流迭代计算中,kζ根据运行场景可调整为电压功率线性控制上段kH、下段kL以及正常段kv。

电压裕度控制为电压降控制的一种特殊方式,当1/kH以及1/kL均为0时,即为电压裕度控制特性。控制区间K为2和4段时,控制器为定电压控制方式。对于无死区的电压降控制特性,式(1)也同样适用描述其特性,此时V1和V2相等。

电压控制特性中控制斜率反映了电压调节功率的能力[18],当其较大时,意味着电压调节功率能力强。当1/k为0时,换流器为恒电压模式,此时对直流电网的电压支撑能力也最强。因此,对控制优先级较高的换流器可采用较大的控制斜率,设置不同的控制斜率可有效协调各个换流器间的电压控制能力。

2 多端直流/交流系统潮流模型

2.1 直流系统潮流模型

直流电网的注入功率为:

式中:Ydc,ik为直流电网的导纳矩阵元素;ndc为VSC个数。

直流电网的功率平衡方程为:

式中:f(Vdc,V*,P*)为VSC的电压控制函数;Idc为直流电流。

直流电网潮流平衡方程的雅可比矩阵的元素为:

对于电压降控制方式,当控制段K为线性控制区间(2,4)时,则雅可比矩阵的元素为:

当控制段K为2和4时,ki分别为ki,H和ki,L,当控制段K为1,3,5时,为0。

直流方程中雅可比矩阵可由式(7)和式(8)计算,潮流计算中若换流器控制区段越限,则需要更新换流器的电压控制区段后更新雅可比矩阵重新计算潮流。

2.2 基于VSC的多端直流/交流系统模型

VSC-HVDC输电通过换流站与交流系统进行功率交换,如图2所示。

换流器在PCC处注入交流系统的电流为:

式中:Pdc,pcc和Qdc,pcc分别为换流器注入PCC处的有功和无功功率;(·)*表示取共轭。

Pdc,pcc由换流器的电压控制特性和换流站损耗确定。若换流器为PQ节点类型,则Qdc,pcc为已知量;若换流器为PV节点类型,该节点接入的直流系统相当于虚拟发电机,Qdc,pcc可由下式计算:

式中:Qac,pcc为PCC处注入无功功率;QD,pcc为负荷无功功率;QG,pcc为发电机注入无功功率。

若PV类型换流器无功功率越限,则需将其转换为PQ类型。

交流滤波器侧的节点电压为:

式中:VF为交流滤波器接入点电压;ZT为换流变压器阻抗;Idc,pcc为直流注入PCC处的电流;Vpcc为PCC处电压。

则可得到直流系统换流器侧电流为:

式中:BF为交流滤波器导纳。

换流站损耗主要包括换流变压器损耗、换流电抗损耗和换流器损耗:

式中:Ploss,T为换流变压器损耗;Ploss,L为换流电抗损耗;Ploss,conv为换流器损耗。

其中,换流变压器损耗为:

式中:rTi为换流变压器i电阻。

换流电抗损耗为:

式中:rLi为换流电抗i的电阻。

换流器损耗的模型主要有简单模型和二次型模型[7],分别如式(17)和式(18)所示,本文采用二次型换流器损耗模型。

式中:βconvi为换流器i的损耗常数;ra为换流器空载损耗;rb和rc分别为换流器的线性损耗因子和二次损耗因子。

直流系统注入交流系统的功率为:

多端直流/交流系统的功率平衡方程为:

式中:PD,QD,PG,QG分别为负荷和发电机有功和无功功率,交流侧注入功率可由附录A式(A1)计算;前两式为交流侧的功率平衡等式,在PCC处计入直流注入功率的影响;第三式为直流电网的功率平衡等式,可由式(1)和式(5)计算。

直流潮流求解中的雅可比矩阵中的元素可由式(7)和式(8)计算。

2.3 换流器容量限制

VSC容量将受到直流接入点输出电压Vc的影响,换流器容量需要满足下面的条件[19]:

式中:Pc和Qc分别为直流输出有功和无功功率;Vc和Ic分别为直流接入点电压和电流;Xc为交流滤波器的电抗。

本文电流上限设为1.05(标幺值),电压上限和下限分别设为0.85(标幺值)和1.20(标幺值)。

VSC控制方式主要有定直流电压定交流无功控制、定直流电压定交流电压控制、定交流有功定交流无功控制、定交流有功定交流电压控制方式[18]。当采用定直流电压定交流无功控制或定直流电压定交流电压控制时,可通过Pdc=f(Vdc,V*,P*)计算出直流的功率分布,然后间接得到直流系统接入点的注入有功功率进行潮流迭代计算。因此,容量越限后可降低有功或无功功率进行调节。

2.4 多端直流/交流潮流求解收敛性的改善

潮流计算收敛性影响因素主要有潮流算法和潮流迭代中VSC切换控制策略问题。

1)潮流算法的改进

交直流潮流求解中交替迭代法的收敛性问题可通过双向迭代法、改进交替迭代法等方法进行改善,本文采用改进交替迭代法以增强潮流求解的鲁棒性。

交直流潮流计算中对耦合变量作为常数迭代计算可能导致不收敛,为此,可对交流部分潮流中的雅可比矩阵中的和进行修正。基于式(12)—式(19)可推导得出:

式中:XT为换流变压器电抗;XL为平波电抗器电抗。

采用修正后的雅可比矩阵可有效减小交替迭代次数,并有效改善交直流潮流计算中的收敛性问题。

2)VSC切换控制策略

由于VSC具有电压调节控制特性,为防止潮流迭代中控制特性反复切换的问题,VSC的切换控制策略如下。

步骤1:潮流初始化中,将Vdc初始值设为给定值V*,带死区的VSC控制器灵敏度系数kζ初始值设置为3。

步骤2:根据控制区间计算直流控制特性方程,然后对直流系统潮流进行计算,得到Vdc,并根据式(3)计算Pdc。

步骤3:根据Pdc和Vdc判断控制特性是否在设定的控制区间kζ内,若是,则迭代结束;反之,则找出不在设定控制区间的m个直流端,将灵敏度最高的直流端一次调节一个控制区间段,其他直流端控制区间保持不变,转入步骤2继续潮流迭代计算。

为防止第i个VSC控制区间在多次潮流迭代计算中来回切换,可设置切换次数为2,当出现来回切换问题时,可将控制区间固定,并根据灵敏度排序调整次高优先级的直流端控制区间重新迭代求解。

3 多端直流/交流系统潮流求解流程

基于VSC的多端直流/交流系统潮流采用牛顿迭代法顺序迭代求解,潮流求解流程如下。

步骤1:确定VSC的初始控制方式,可将直流控制电压和功率设置为P*和V*,此时控制区段K为3。

步骤2:判断直流换流器的控制区段,当VSC为电压线性控制区段(K为2或4)时,根据式(7)—式(9)更新直流方程组的雅可比矩阵,根据直流电网的功率偏差计算直流电压偏差。

步骤3:更新Vdc并判断换流器的电压控制区段,根据式(1)更新Pdc。

步骤4:若更新后的直流功率误差大于设定精度时,则转入步骤2继续迭代求解。否则,根据直流电压和功率分别检测换流器是否在合理的电压控制区段内,若超出本次迭代过程的电压控制区段时,按照换流器的控制优先级更新电压控制区段K,转入步骤2重新进行直流迭代计算。

步骤5:计算换流器损耗Ploss,conv、换流电抗损耗Ploss,L和换流变压器损耗Ploss,T,根据式(19)计算直流电网注入PCC处的有功功率Pdc,pcc。 根据式(22)、式(23)对交流部分雅可比矩阵进行修正和更新。

步骤6:根据交流电网的功率偏差迭代计算和更新交流侧节点电压Vac和θac,更新发电机和换流器无功功率,计算平衡节点的有功功率。

步骤7:判断交流电网功率偏差是否达到收敛精度,若没达到收敛精度则转步骤5继续迭代求解,否则,检测发电机或换流器是否发生无功功率越限,若发生越限,则将越限的节点类型修正为PQ节点类型,并转入步骤5重新迭代计算,若无越限发生,则潮流计算结束。

当运行状况改变后,直流系统潮流分布可根据其电压控制特性进行调节,该潮流计算方法能够更接近实际情况。

4 算例分析

4.1 基于IEEE 9节点系统的扩展系统算例

基于IEEE 9 节点系统的MTDC扩展系统如图3所示,直流电网消纳风电功率,换流器WF1和WF2初始时为整流侧,运行于定功率模式,VSC1,VSC2,VSC3 为逆变侧,VSC1 为电压裕度控制模式,VSC2和VSC3为电压降控制模式。

算例中所使用的控制参数和线路参数如表1所示,其中:换流器损耗参数ra=0.016 8,rb=0.005 5,rc=0.002 82;损耗电阻rT=rL=0.000 2(标幺值);控制参数P1= -1.0,P2=0.3,V*=1.05,Q*=0.5,均为标幺值;WF2风电注入功率为1.0(标幺值)。

直流电网外来电的变化会引起换流器电压控制区段的改变,图4为随WF1的变化各换流器的功率和电压变化情况。当WF1在逆变器模式下输出功率大于0.85(标幺值)时,此时VSC1和VSC2为整流器模式,VSC1的直流电压较低,其换流器的电压控制区间K为5,VSC1 的注入功率达到最大,VSC2和VSC3的电压控制区间K =4,处于电压功率线性控制区段内。随着WF1 的输出功率减小,VSC1,VSC2,VSC3 均进入逆变器模式,其直流电压逐渐升高,VSC1 进入定电压控制模式(K =4),VSC3进入定功率控制模式(K =3)。当WF1进入整流器模式后,随着其注入直流电网的功率增加,当功率在0.30~0.65(标幺值)范围时,VSC1 进入定功率控制模式,此时控制区段K =3,而VSC3从定功率控制模式转为电压功率线性控制模式,其控制区段K由3变为2。当WF1的注入功率大于0.65(标幺值)时,VSC1转入定电压控制模式,其控制区段K为2。由于VSC2的电压功率控制斜率较为平坦,而且控制区段K为3时的控制电压范围较窄,因此其主要工作在电压线性控制区间内。

MTDC系统在N -1 故障下的潮流(PWF1=PWF2=0.5(标幺值))如表2所示,分别给出了换流器故障、外接风电故障和线路故障的潮流情况。在基态时,VSC1,VSC2,VSC3均工作于逆变器模式。当VSC1故障后,则其原有的输入功率将会转移到VSC2和VSC3,故其直流电压会升高。当WF2故障后,由于外部注入到直流电网的功率减少,直流电网的电压将降低,此时VSC1VSC2,VSC3的电压控制区段均进入第4段。与一般线路故障相比,换流器故障对直流电网造成的影响较为严重。

4.2 基于IEEE 118节点系统的扩展系统算例

基于IEEE 118 节点系统的多端直流/交流扩展系统如图5所示,图中只表示出了IEEE 118节点系统的部分节点,该系统中共有5个VSC,其中WF换流器用以消纳外来电,VSC1 至VSC4 分别从IEEE 118节点系统的节点5,38,63,79接入。

本算例中VSC1 为电压裕度控制,VSC2,VSC3,VSC4为电压降控制,控制电压Vcon均为1.03(标幺值),VSC4给定功率P*为0.2(标幺值),WF1为定功率控制,其注入功率为1.0(标幺值),其他主要控制参数如表1 所示。扩展系统的潮流如表3所示。

考虑VSC的电压控制特性后的多端直流/交流潮流算法的迭代次数和时间如表4所示,直流系统潮流和交流系统潮流的迭代次数均较少。以基于IEEE 9节点系统的扩展系统为例,采用本文的改进交替迭代法,迭代次数由7次减小为5次,有效提高了潮流收敛速度。 因此,本文所提的考虑VSC-MTDC系统电压控制特性的交直流潮流算法具有快速和高效的特点。

5 结论

基于VSC的多端直流/交流系统潮流常见求解方法将直流电网注入交流电网的直流功率在换流器交流侧或PCC处以定功率的方式简化处理,本文研究了基于电压控制特性的多端直流/交流系统潮流求解方法。

1)建立了考虑VSC-MTDC系统电压控制特性下的潮流模型,模型中考虑了交流滤波器、换流器损耗和换流器容量限制的影响。

2)对换流器的电压控制特性建立了模型,对单一电压控制模式或混合电压控制模式下的多端直流电网潮流求解均具有适用性。本文基于VSC的多端直流/交流系统潮流算法通用性较强,算法扩展简易,而且算法求解速度快。

在直流电网注入功率改变或N -1故障后,本文的潮流方法可检测换流器的电压控制特性的变化并进行调整,更加符合实际电网的潮流控制特点,具有更好的合理性。

积分式直流数字电压表的设计 第8篇

在电量的测量中,电压、电流和频率是最基本的三个被测量,电压表就成为一种必不可少的测量仪器。传统的指针式刻度电压表功能单一,容易引起视差和视觉疲劳。随着科技的发展,传统的电压表已满足不了时代的需求,数字电压表 [1] ( 简称DVM) 也就应运而生,它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的一种仪表。由于数字式仪器具有读数准确、精度高、误差小、测量速度快等特点而得到广泛应用。本文基于STC12C5A60S2单片机开发了一种的积分式直流数字电压表。

1方案论证与比较

1.1积分式直流电压的测量方法

方案一 :如图1所示,当电容器上的电压Uc比待检测的信号电压Vin低时,从比较器 [2] 的输出端就可以检测到高电平 ;当电容器上的电压Uc比待检测的信号电压高时,从比较器的输出端就可以检测到低电平,也就是在比较器输出端出现下降沿的瞬间Vin和Uc正好相等,即 :

该方案对电阻和电容器的精确度、稳定性以及单片机的时钟要求比较高,Vcc的变化对对充电时间t的影响非常大,在测量小信号和大信号时,精度会下降。被测电压的值与时间是非线形 [3] 的,计算处理较为困难。

方案二 :双积分A/D转换电路,如图2所示。

先将被测电压加到积分电路上,对电容充电一段固定时间 ( 定时积分 ),然后使电容对基准电源放电(反向充电),当电容上的电荷放完,比较器翻转,给单片机中断信号。从而检测出充电和放电时间。运放采用的是集成块ICL7650,

它具有很好的斩波稳零 [4] 作用。通过充电时间和放电时间,可以计算出被测电压。公式 :

综合以上几种方案,我们选择方案二。

2系统方案设计

系统以STC单片机为核心,通过控制电路控制信号调理电路和积分电路,使信号稳定,精确的完成积分过程,最后通过对积分过程的检测,计算出被测电压信号。系统方案如图3所示 :

3系统核心电路设计

3.1信号采集电路设计

信号采集电路由运放OP07以及电阻电容组成,电容C1是为了消除被测电压Ux交流分量的,OP07反相输入与输出相接够成了电压跟随器。由于输入电压信号很微弱,需要很大的输入阻抗,才能不衰减地传输到下一级电路,而电压跟随器最显著的特点就是输入阻抗高,而输出阻抗低。

3.2信号放大与量程自动转换电路设计

在整个系统中默认量程为2V,所以测量电压信号通过电压跟随器后,直接送入双积分电路了,然后由单片机计数并运算为电压值,再与单片机内部设定的值比较,由单片机决定量程的转换。单片机同时控制74HC4066中的两个模拟开关,实现量程转换。运放OP07在这里与外围电路组成了一个10倍的正相比例放大器,即

3.3双积分A/D转换及自动校零电路设计

积分电路中的集成运放选择LM324集成运放。

主要由集成运放LM324与外围电路组成的积分器和电压比较器组成。如图4所示。

3系统程序设计

系统软件主要完成的功能有硬件模拟开关控制、计数采样、量程转换、电压值计算、数值显示等。系统主程序流程图如图5所示 :

4系统调试

将实物的线连接好进行系统测试,分别在1.0~200m V间取3组数据,再在0.2~2V间取3组数据进行电压值的测量,同时用标准数字万用表作为校准设备再进行测试,并对测试结果进行比较。

通过系统 测量数据 分析,本文设计的积分直流数字电压表的测量误差0.05%,电压表量程可以自动转换。

5结论

本文设计的直流数字电压表利用双积分转换原理,测量范围为0 ~ 2V,测量误差±0.05%,测量分辨率达到0.01m V,能得到比较理想的测量精度,较好地抑制了工频干扰,并能实现自动校零和量程转换功能。

摘要：本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心,研究通过积分运算实现了直流数字电压表的一种设计方案。本系统由单片机最小系统、双积分A/D转换电路、自动校零电路、量程自动转换电路与按键显示电路组成,利用精密电容的充放电过程将被测电压转化为积分时间,通过对该时间的精密测量实现对电压的检测。同时,系统加入了软件滤波、误差修正以及工频影响消除的功能,提高了的系统抗干扰性与可靠程度。

直流电压 第9篇

关键词：直流耐压试验,绝缘缺陷,交联聚乙烯

0 引言

泄漏电流电力电缆作为一种输电设备, 不但具有占地少、供电可靠性高、运行和维护简便、可保密等优点, 而且有利于提高电力系统功率因数, 有利于美化城市。在城市配网及城网改造和新兴的现代化企业中的作用正日益突出, 由于进行直流耐压试验的方法种类较多, 接线方式各异, 试验结果差别很大。随着交联电缆的广泛使用, 对油浸纸绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆都采用直流耐压试验是否合适, 如何正确判断电缆的试验结果, 能否投入运行, 这些都是我们在工作中遇到的实质性问题, 需要我们正确地判断并得出正确的结论, 为电缆的安全运行提供可靠的依据。

1 直流耐压试验对发现纸绝缘电缆缺陷的有效性

直流耐压试验可判断纸绝缘电缆的好坏, 并可获取其内部缺陷的可靠数据。避免交流高电压对纸绝缘的永久性破坏作用。在直流电压的作用下, 电缆绝缘中的电压按绝缘电阻分布, 当电缆绝缘存在发展性局部缺陷时, 直流电压将大部分加在与缺陷串联的未损坏的部分上, 所以直流耐压试验比交流耐压试验更容易发现电缆的局部缺陷。电缆直流耐压试验时, 电缆导体接负极。这时电缆绝缘中有水分存在, 将会因电渗透作用使水分子从表层移向导体, 发展成为贯穿性击穿缺陷, 易于在试验电压下击穿, 因而有利于发现电缆绝缘缺陷。在直流电压下, 绝缘介质中的电压按电阻系数分布, 当介质有缺陷时, 电压主要由与缺陷部分串联的未损介质的电阻承受, 使缺陷更容易暴露。电缆纸绝缘在直流电压下的击穿强度约为交流电压下的2倍以上, 所以可施加更高的直流电压对绝缘介质进行耐压强度的考验。在许多情况下, 用遥表测量电缆的绝缘良好, 而电缆的绝缘在直流耐压试验中被击穿。因此, 直流耐压试验是检验电缆耐压强度、发现纸绝缘介质受潮、机械损伤等局部缺陷的有效手段。

2 直流耐压试验对交联聚乙烯绝缘电缆的局限性

交联聚乙烯绝缘电缆电性能优良、制造工艺简单、安装方便, 被广泛采用, 已成为纸绝缘电缆的替代品。按高压试验的通用原则, 被试品上所施加的试验电压场强应模拟高压电器的运行状况。这对检验交联聚乙烯绝缘电缆效果不明显, 而且还可能产生负作用, 主要表现在以下几个方面:

2.1 交联聚乙烯绝缘电缆在交、直流电压下的电场分布不同。交联聚乙烯绝缘层是采用聚乙烯经化学交联而成, 属整体型绝缘结构, 其介电常数小于2.3, 受温度变化的影响较小。在交流电压下, 交联聚乙烯电缆绝缘层内的电场分布是由介电常数决定的, 即电场强度是按介电常数反比例分配的, 这种分布比较稳定。在直流电压作用下, 其绝缘层中的电场强度是按绝缘电阻系数正比例分配的, 而绝缘电阻系数分布是不均匀的。这是因为交联聚乙烯电缆在交联过程中不可避免地溶入一定量的副产品, 它们具有相对小的绝缘电阻系数, 但在绝缘层径向分布是不均匀的, 所以在直流电压下交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场分布不同于理想的圆柱体绝缘结构, 与材料的不均匀性有关。

2.2 交联聚乙烯绝缘电缆在直流电压下会积累单极性电荷, 释放由直流耐压试验引起的单极性空间电荷需要很长时间。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行, 直流电压便会叠加在工频电压峰值上, 电缆上的电压值将远远超过其额定电压。这会导致电缆绝缘老化加速, 使用寿命缩短, 严重的会发生绝缘击穿。

2.3 交联聚乙烯绝缘电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷, 但如果在试验时电缆终端接头发生表面闪络或电缆附件击穿, 会造成电缆芯线中产生波振荡, 危害其他正常的电缆和接头的绝缘。交联聚乙烯绝缘电缆一个致命弱点是绝缘内容易产生水树枝, 在直流电压下, 水树枝会迅速转变为电树枝, 并形成放电, 加速了绝缘水劣化, 以致于在运行工频电压作用下形成击穿。

2.4 直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下电缆的某些缺陷。如在电缆附件内, 在交流电压下, 绝缘机械损伤等缺陷处最易发生击穿, 在直流电压下则不会。直流耐压试验模拟高压交联电缆的运行状况, 其试验效果差, 并且有一定的危害性。

3 交流耐压试验

直流耐压试验模拟交联聚乙烯绝缘电缆的运行场强状态不能达到所期望的试验效果, 可以考虑用交流耐压试验来检测电缆敷设和附件的安装质量。

3.1 0.1Hz超低频电压 根据试验容量 (试验容量公式S=w CU s 2=2∏f Us 2 kVA, 式中的C为被试电缆电容量;Us为试验电压;f为工频频率) , 0.1Hz交流电压与50Hz电压相比, 前者需要的功率相当于后者的1/500。因此, 原来为大型旋转式电机进行试验而开发的超低频电压设备可为塑料绝缘电缆直流电压试验所用。在基础调查研究中, 首先针对各种模拟配置求出在0.1Hz和50Hz时试验电压 (U0的2倍) 等值的对绝缘施加的电压负荷。在经电缆现场试验试用后, 开始考虑在现行的关于中压电缆的VDE标准中采纳超低频技术。0.1Hz的推荐试验电平为3U0。与用50Hz的试验相比, 引发在薄弱点上的击穿明显变快。60min的试验持续时间是必要的, 以便在试验中使可能存在的薄弱点发生击穿。由此可见, 超低频试验设备是可行有效的。

3.2 振荡电压脉冲 振荡电压脉冲源于国际大电网21-09/2工作组的推荐标准, 该组在20世纪80年代进行可替代塑料绝缘高压电缆设施直流电压试验选择方案的调查研究。按照有无极性变换的电路变形, 这种电压波形因其随时间的变化避免了空间电荷效应。此外, 采用这种电压波形, 在现场可用相对比较简单的方法产生很高的试验电平。与低频方法不同, 它适用于高压电缆设施。目前, 这些试验方法在我国还没有普及, 无论硬件还是软件, 尚处于研究阶段。为了掌握电缆各部分的绝缘状况并减少对交联聚乙烯电力电缆的直流耐压试验, 可按照《电力设备预防性试验规程》中电力电缆线路的橡塑绝缘电力电缆试验项目进行: (1) 测量电缆主绝缘电阻; (2) 电缆外护套绝缘电阻; (3) 电缆内衬层绝缘电阻; (4) 铜屏蔽电阻和导体电阻比; (5) 电缆主绝缘直流耐压试验。为了交联聚乙烯绝缘电力电缆做以上测量, 必须改变电缆附件安装工艺中金属层的接地方法。终端的铠装层和铜屏蔽层应分别用带绝缘的绞合导线单独接地, 铜屏蔽层接地线的截面不得小于25m m2, 铠装层接地线截面不应小于10mm2。中间头内铜屏蔽层的接地线不得和铠装层连在一起, 接头两侧的铠装层必须用另一根接地线相连, 而且还必须与铜屏蔽层绝缘。连接铠装层的地线外部必须有外护套, 而且具有与电缆外护套相同的绝缘和密封性能。主绝缘交流耐压试验的电压波形应为正弦波形, 频率应为20~300Hz。当电抗器固定时, 谐振频率的平方与电容量成反比, 其表达式为:W2C=1/L。即当电源频率变化n倍时, 试品的电容量变化n2倍;选用频率为45~65Hz段, 频率可以变化1.44倍, 在电抗器个数或者电感量不变时, 试品电容量最大可以变化2.07倍;选用频率为20~300Hz段, 频率可以变化十几倍, 在电抗器个数或者电感量不变时, 试品电容量最大可以变化100倍。试验电压按照中国南方电网公司《电力设备预防性试验规程》修编说明的规定, 试验时间为1h;或者试验电压采用电缆U0值, 试验时间为24h, 两者任选一种。 (注:对于曾经运行过的电缆或其附件设备, 在重新安装、部分更新或重新制作后, 可采用较低的试验电压或缩短试验时间。试验电压值应经协商确定, 此时考虑电缆运行年数、环境条件、过去击穿历史以及此次试验目的等因素。)

4 试验结果的分析与判断

一般可认为通过直流耐压试验而未被击穿的电缆的绝缘是合格的, 该电缆可以投入系统运行。但并不是说, 通过直流耐压试验的电缆质量就是好的。具有优良质量的电缆线路应在合理运用及无外力损伤的情况下安全运行数十年无事故。判断电力电缆线路绝缘优劣的标准如下: (1) 电缆经直流耐压试验后绝缘击穿者, 不能投入系统运行, 应立即测寻故障点并进行抢修。 (2) 泄漏电流随试验电压的增高而急剧上升者, 或者电缆在试验电压稳定后泄漏电流急剧上升, 不能投入系统运行, 应人为提高试验电压将电缆击穿, 然后测寻故障点并进行抢修。 (3) 若泄漏电流值很不稳定 (排除电源电压波动等外界因素) , 则可能是电缆绝缘内部微小气隙的局部放电引起的。这时可延长耐压持续时间或提高试验电压, 观察泄漏电流的变化情况。如果在延时或提高电压的情况下, 泄漏电流恶化趋势不大, 可以投入系统运行, 3个月后再复试。 (4) 泄漏电流不平衡系数超过规定的标准时 (不平衡系数不大于2) , 应首先排除外界因素造成的影响, 当确认是由电缆绝缘内部缺陷引起的泄漏电流不平衡时, 应采取上述第 (3) 条中的延时或提高试验电压的方法进行考核、判断与处理。 (5) 泄漏电流随时间延长有上升趋势, 且泄漏电流值比上次显著增大时, 可采取上述第 (3) 条中的延时或提高试验电压的方法进行考核、判断与处理。 (6) 短电缆或其他有微弱缺陷的电缆的泄漏电流偏大而泄漏电流值稳定、平衡时, 可投入系统运行。但应在6个月后进行复试。 (7) 直流耐压试验中有少数闪络现象, 但在延时或提高试验电压情况下, 闪络现象不再出现者, 允许投入系统运行, 但需6个月后复试;如果仍有闪络现象出现, 一般应找出故障点并予以排除。

以上各条中, 需做复试并且复试结果无明显恶化趋势的电缆, 均可投入系统运行, 并不再列入复试范围;如果复试结果具有明显恶化趋势, 则应找出原因并予以修复。

5 结束语