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直流高电压测量技术研究综述

摘要：高压直流输电技术作为一种新型的输电方式，以其成本低、可靠性高等优点在世界范围内得到了广泛的应用。高压直流变压器是高压直流输电系统中最重要的设备之一。本文从高压直流变压器的应用出发，总结了直流电压互感器的主要工作原理和特点。分析了电阻以及电阻-电容分压器在实际应用中的一些关键问题。并且考虑到对于直流电压测量时使用光学传感原理时产生的问题，本文也对这一问题进行了一些研究。

关键词：直流高压变压器；电阻/电阻-电容分压器；光学传感原理

1引言

为了实现能源的合理配置，直流输电是世界各国解决应对高压、大容量、远距离输电和电网互联等问题的有效途径[1-3]。直流输电系统的电压是一个重要的参数，其测量精度直接关系到直流输电系统的安全、稳定和经济运行[4-6]。因此，如何快速、准确地测量直流高电压成为一个重要的问题。直流高压有三种测量方法。第一种时将直流电压转换为直流电流，然后利用电磁感应原理测量直流电流。第二种是通过电阻/电阻-电容(RC)分压器将高电压转换为较低的电压，再用一些电表等仪器就可以测得低电压。第三种是利用光学传感原理测量直流电压。对于第一种情况而言，在实际应用中没有相关的记载和报告。第二种方法在直流输电系统中得到了广泛的应用，但在实际应用中也反映出一定的局限性。第三种是基于光学传感原理的直流电压测量，具有绝缘简单、无热效应、良好的电气隔离性和安全性等优点，但仍有一些技术问题有待解决[7-8]。本文介绍了电阻/电阻-电容分压器的工作原理，并且分析了电阻分压器在实际测量中的不足。通过对于光学传感原理的阐述，也提出了一些对于问题的解决方案和未来研究方向。

2基于阻容分压器原理的直流高压变压器

A 测量原则

基于分压器的直流电压互感器由电阻和电容组成。RC分压器与被测直流母线并联，并将高压转换为低压。如图1所示，将转换后的电压传送到控制室进行相关处理，然后将测量结果提供给变电所的控制、保护和故障滤波系统。RC分压器由电容分频器和电阻分压器组成，并且并联连接在电路中，低压臂输出电压通过测量电缆传输到控制室并进行处理。低直流电压输出由R₁₁和R₂₂实现。C₁₁和C₁₂的作用是为了减少雷电冲击电压引起的不均匀分布。由于杂散电容的影响，雷电冲击电压会对高压臂的电阻产生很高的冲击电压，从而导致电阻的损坏，从而导致整个分压器的损坏。低压臂上的限压装置F₁的存在是为了保护电路不被过电压损坏。[9]

RC电压互感器在直流输电系统中有着广泛的应用。20世纪70年代，ABB，西门子，Schniewnidt，TRENCH等外国公司研究出测量精度为0.2%的直流变压器。

B阻容分压器的误差分析

阻容电压变压器由于输电线路的原理简单，其在直流领域有着广泛的应用，但仍存在一些缺点。(1)分压器的电阻随自身发热和环境温度的变化而变化，导致电压比不稳定[13]；(2)对于直流电阻分压器中的高电位电阻元件，形成电晕放电的可能性很大。而电晕电流不通过电阻，会引起测量误差；(3)绝缘阻抗产生的漏电流会引起测量误差[14]；(4)模拟信号在恶劣的电磁环境下，抗电磁干扰可能影响二次保护控制系统的正常运行[15-16]。

C 阻容分压器误差的解决方案

针对电阻自身发热的影响在环境温度条件下，可以选用具有温度系数低、电感小、电阻稳定、耐高压冲击电压等特点的合适电阻。电阻的额定功耗应大于分压器所需的功耗[17]。通过测量电阻的温度系数，并对数值相近、符号相反的电阻进行了串联匹配连接，可以提高分压器电压比的整体稳定性。此外，为了保持长期的稳定性，可以将所有的电阻都经过热老化处理.同时，可以将油作为绝缘介质填充。另外，该分压器采用5层结构，各结均由良好的导热材料组成，可显著降低其自身发热的影响。[18-19]

如图2所示，通过优化电场模拟结构，分压器顶部有一个双屏蔽环，每个结的屏蔽环大小不同。最大电位差为40026V，最小电位差为36630 V。最大误差为4.4%，测量不确定度可以达到1.310^-4，由于各分压器的电场均匀分布，最大电场强度远小于空气击穿电压，因此分压器的结构和屏蔽装置的设计合理。

另外还引入一个额外的电阻Rrsquo;保证电阻部分的绝缘，它与R并联连接，这将造成形成一定的漏电流。真空玻璃由于具有很大的绝缘电阻而被选择作为绝缘材料。这样可以减少漏电流，提高电压比的稳定性。

关于直流电压变压器也有一些问题值得讨论。

在运行的过程中。直流变压器对直流输电系统的影响与直流电压值有关，直流电压值被传送到主控制端和受保护端。直流电压故障主要包括：测量标和通信回路的故障；分压器与屏蔽柜之间线路的故障；变压器本身的故障。上述问题会引起直流电压测量的波动，不同的电压变量对控制系统和保护系统的影响也是不同的。例如，在一个800 kV特高压直流输电试验项目中，变压器的多个电阻放电，这会导致电压控制逻辑的异常运行[20]。在500 kV直流回路中，低压侧信号处理电路的故障引起监控系统工作电压的波动[21-22]。

虽然RC变压器的原理与技术工艺是可行的，但RC变压器的电阻在高压和高温下变化也会很大，电阻的突然变化将影响整个系统的测量精度，因此需要找到更多的方法来使其稳定可靠地工作。相比较而言，光电压变压互感器可以克服RC电压变压器的缺陷，具有广阔的应用前景。光电压变压互感器的研究一直是光学传感领域的研究热点，许多研究人员尝试了各种光学电压互感器，并取得了一些显著的成果。

3.基于光学传感原理的直流电压测量

A 测量原理

如图3所示，在电压或电场作用下，晶体的折射率将发生变化，从晶体发射出的两个本征光矢量将产生双折射相位延迟。[23]

光学电压传感器(OVS)通常采用BGO晶体组成。当光的方向沿BGO晶体的110方向传播，并且加入的电场E_k方向垂直于晶体的001表面时，由电光效应引起的双折射相位差为。式中delta;代表相位差，lambda;代表光的波长，l代表晶体的长度，n₀代表该晶体的折射率，y₄₁代表光的介电常数，E_k代表外部电场强度，V代表作用于OVS的测量电压，并且V=E_k*l。

从公式(1)来看，delta;与l无关，但它与V成正比。

PBS的输出光强为

在公式(2)中，I_i为入射光强，当delta;lt;lt;0 时，用xx取代xx，公式可以替换为。

这表明输出光的强度是受输入要测得的电压影响的。因此，在这种情况下，很容易进行一些信号的处理，并且得到的输出信号是理想的。

B 讨论

基于普克尔效应的OVS具有绝缘结构简单和高安全性的优点，也适用于交流高电压测量[25-26]。但OVS用于测量直流高压时，仍有一些技术问题有待解决。一方面，晶体中的移动电荷导致传感器输出漂移；另一方面，直流电压的调制信号很难与光强区分开来。

在文献[27-28]中，由于晶格存在缺陷，晶体中存在少量的电荷。当直流电压施加到晶体上时，由于静电场的作用，自由电荷载流子开始在晶体的边界上漂移和积累。自由载流子产生的内部电场将抵消被测直流电压产生的外部电场，从而屏蔽测量中的外电场，改变晶体中的电场分布。所以输出信号会失真。电荷弛豫时间常数tau;被定义为：

ε₀和ε_r代表真空介电常数和晶体相对介电常数，G表示晶体的电导率，晶体内部的电场衰减指数E可表示为：

由此可见，初始电场是由被探测到的外部电场强度决定。利用现有数据可以计算立方晶体的弛豫时间常数tau;。Bi₄Ge₃O₁₂的时间常数大约为1380秒，说明该晶体是一种适合于直流电压测量的晶体[27]。在文献[28]中，OVS是在直流电压下测试的。OVS的输出在12分钟后达到稳定状态，输出电压值从一开始就偏离了7%。证明晶格缺陷的存在会引起输出电压的偏差，因此测量结果不能反映实际电压。

在公式(3)中，输出强度分为两部分。一部分与光源有关，另一部分是（公式）被测电压的调制部分。这两个部分都是直流元件，与光源有关，因此很难区分要测量的调制信号和光强。

C 解决方案

为了消除空间电荷的影响，研究人员提出了各种方案。如图4所示，日本研究人员设想了一种能够克服直流电压测量的特殊问题的新方案。

在该方案中，被测直流电压被很大程度的减小，并应用于普克尔晶体。利用该方案研制了一种光直流电压互感器，并对其进行了测试。试验表明，在额定电压125 kV的100%和75%工作状态下，OVT样机的测量误差可小于1.0%。

当普克尔晶体旋转时[29]，直流电场可以看做是交流电场，如图5所示，由放电产生的带电粒子在旋转运动期间均匀地附着在表面上。附加的电荷在普克尔晶体中不产生任何额外的电场。这意味着由附加电荷产生的电场分量可以完全消除，不需要校正。当电场强度小于55 kV/m时，其相对误差为3.3%[30]。在光纤传感器中，传感器的旋转带来了设置上的困难，特别是在户外测量中，对电机和支撑平台等设备提出了更高的要求。此外，为了保证异步电动机的正常运行，需要额外的电源，这会带来一些额外的成本，因此它是不节能的。此外，由于该系统占用了很大的空间，在智能变电站中难以得到广泛的应用。

上述两种方案的调制方式均为横向调制，目的是将直流电场转变为交流电场。但这两种类型都需要辅助装置，因此在电力系统中的应用比较少。

近年来，。参照光纤陀螺仪技术的数字闭环检测技术应运而生，已用于OVS[31-36]。如图6所示，中国学者提出了一种基于普克尔效应的光电压传感器闭环检测方法。该系统采用方形调制和阶跃调制，其原理类似于光

纤陀螺的信号解调，因此传感器的输出可以反映被测电压值。

经测试，测量电压低于19.5kV时，相对误差为5%[36]。

然而，在实际应用中，虽然很容易实现传输部分的光的线路，但在测量部分，两级的光纤很难达到理想的一致性和均匀性，制作光纤时的切割长度也不一样。因此，在实际应用中很难实现测量元件的全补偿，这也是阻碍该元件结构发展的最重要原因。

4总结和未来期望

由于直流输电系统在电力系统中起着重要的作用，直流电压互感器的广阔前景将吸引更多的人继续从事研究和发展。电阻电容变压器的测量方法和光学传感原理各有优缺点，目前都在不断的发展中。

由于原理简单，电阻电容分压器得到了广泛的应用，但低压臂的低压在传输过程中容易受到干扰，也不便于电气隔离。低电压转换成数字信号，然后通过电缆传输，容易受到干扰，因此抗干扰性能也是一个关键因素。低压部分工作时要求供电，不够方便，而且经济效益低。最重要的是，分压器的电阻随其自热而变化很大.在实际运行中，采集模块的异常工作可能会造成大量故障，在暂态过电压情况下，电阻会被烧毁。

相比较而言，光电压传感器不需要任何电源及信号，是在不受电磁干扰的情况下通过光纤传输的，有绝缘性好、结构简单、安全性好等优点，因此可以克服传统电压传感器的一些缺点，但也存在着移动电荷的影响和信号解调等问题。此外，光学电压传感器的每一个元件都是由容易受到环境温度干扰的光学晶体组装而成的，这会使这些元件产生漂移和误差，因此环境温度是一个重要的因素。总而言之，未来直流光电压测量的研究和利用纵向调制消除移动电荷影响的理论研究还需要更多的努力发展和研究。闭环信号检测系统特别适用于高压测量，在此基础上，进一步研究该闭环系统在直流电压测量中信号解调的理论和方法也是未来发展的一个重点。

解决这些问题，促进OVS应用的实践仍是未来努力研究的一个方向。

参考文献

[1]梁旭明，张平，张勇

高压直流输电及其发展潜力，“电力系统技术”，第36卷，第4页，第1至9页，2012年4月。

[2]梁旭明，吴金科。“经营业绩分析

SGCC高压直流工程的控制和保护系统，“电力系统技术”，第29卷，第23卷，第7至17号，12月12日。

[3]梁旭明，张平，张勇

高压直流输电及其发展潜力，“电力系统技术”，第36卷，第4号，第1-9页，2012年4月。

[4]舒银标，刘泽红，高立阳，等，“初审”

plusmn;800 kV特高压直流输电工程设计探讨

6400 MW，“电力系统技术，第30卷，1号，1-8，2006年1月”。

[5]黄英，徐征，“纯直流输电方案研究”

“未来从中国西部向华东的输电”，“电力系统技术”，第28卷，第19卷，第1-4卷，2004年10月。

[6]尚春，“超高压输电技术的发展”

南方电网技术，“高压工程”，第32卷，第1卷，第35-37页，2006年1月。

[7]李昌盛，崔翔，李宝书，廖艳彪，“评”

光学电压传感器，“高压工程”，第26卷，第2卷，第40-44卷，2000年4月。

[8]杨淑莲，“新型光电直流电压传感器”

工程，第34卷，第3期，123-126，2007年3月。

[9]张曙-韩，周怡-Fe，李登云，张曙，

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