换流站高压电容器组不平衡电流测量方法及装置研发吴鹏，张源，史磊国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011摘 要换流站高压电容器组不平衡电流现场测试受复杂电磁场干扰比较严重，而且试验过程中不平衡电流很小，难以直接准确测量。提出一种全新的测量方法，将高频低压交流信号施加于电容器组，通过采集桥臂不平衡电压并采用二阶高通滤波器滤除工频干扰，根据电容器组等效阻抗，计算出不平衡电流值。给出测量装置的实现原理并从电源纹波干扰、工频干扰、放电干扰、器件热噪声干扰等方面采取措施，实现精准测试。现场测试结果表明，新方法理论思路正确，不平衡电流值测量准确。关键词电容器组；电磁干扰；不平衡电压；不平衡电流；高频中图分类号 TM711 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018051740 引言高压直流输电在“ 西电东送、北电南供”、大气污染防治、降低能源消耗强度等方面具有十分重要的作用。根据换流理论，直流输电系统中无论是整流站还是逆变站，都需要大量的电容器无功装置用于滤波、无功补偿等用途[1-3]。高压电容器组投运前及现场运行过程中很容易发生故障，故障跳闸检修后需要对电容器组进行不平衡电流检测，确保不平衡电流在极小范围内，即桥臂配平。通常在现场采用在电容器组两端施加400 V工频电压的方法测试不平衡电流，这种方法一方面受交直流系统运行方式及频率的影响，变化范围较大[2]；另一方面试验所加工频电压较低，如施加400 V的工频测试电压，正常情况下所产生的不平衡电流也只有微安级，测量仪器难以准确测量。以上这两个因素叠加，使不平衡电流的测量产生一倍以上的误差，特别是若进行测试的电容器组旁存在其他正在运行的滤波器，则影响更大，更难准确测量不平衡电流的大小[4-5]。本文给出一种电容器组高频低压间接测试不平衡电流的方案，主要是从测试信号源、测量原理和抗干扰措施方面解决现场不平衡电流难以准确测量的问题。1 总体设计思路的提出1.1 不平衡电流传统测试方法的不足换流站通常采用工频加压法测试不平衡电流，一般所加电压为交流400 V，如图1所示，给高压电容器组外施400 V的较低工频电压, 桥臂间接一个精度为0.2级的微安表,再实测出400 V工频电压下电容器组桥臂的不平衡电流[2, 5]。当电容器组桥臂出现不平衡时，微安表电流值会随着电容器组桥臂不平衡度的增加而增大，当增大到不平衡电流保护Ⅰ段报警值时，保护动作报警[6-7]。本文以国内某换流站不平衡电流测量为实例，采用调压器对电容器组加压400 V，微安表显示电流值读数范围是50100 μA，数据基本以75 μA为中心来回变化。由于数据波动范围过大，无法收稿日期2018−05−25； 修回日期2018−12−25。基金项目国家电网公司科技项目5229CG15004T。自耦调压器220 V 400 VμAVC2C4C1C3图 1 实测电容桥臂不平衡电流原理接线Fig. 1 Unbalanced current principle diagram ofcapacitance tower bridge arm for field testing第 52 卷 第 8 期中国电力Vol. 52, No. 82019 年 8 月ELECTRIC POWER Aug. 201985确定不平衡电流真实值，也不能据此来判断不平衡电流是否超过保护装置报警值[8-9]。1.2 不平衡电流测试新方法的提出针对传统不平衡电流测试方法难以准确测量的问题，本文从2方面提出解决方案。首先，针对不平衡电流现场测试环境存在的强电磁场干扰情况，采用异频测试信号源。换流站内运行中的滤波器会产生各种频率干扰，以工频干扰最强，现场实测表明频谱在50150 Hz造成的感应电流占90以上，其他频段的干扰能量比较小。因此本文采用1 kHz测试信号源，通过功率放大至40 V有效电压值，施加在电容器组的两端，在不平衡电流测试设备的信号采集回路设置二阶高通滤波器，滤除50150 Hz的干扰信号，解决了现场电磁干扰问题。其次，针对微安级不平衡电流难以准确测量的问题，本文提出测试桥臂不平衡电压，再通过等效阻抗计算出不平衡电流方法。测量不平衡电流或不平衡电压都能够体现出电容器组的不平衡度，但测量不平衡电流可直观反映出电容器组不平衡电流大小是否超标。当高频低压电压信号施加到电容器组上后，在电容器组中间节点可以测量到毫伏级不平衡电压，此信号相对于微安级的不平衡电流容易达到较高的测试精度。电容器组各桥臂的电容值可以用电桥测量，在已知测试频率情况下，根据有源线性二端网络定理，计算电容器组中间节点的总阻抗，如图2所示。Cii14 阻抗值为Zi1/ωCi。C1和C3并联阻抗为Z13 Z1 Z3Z1Z3 1[C1C3]（1）C2和C4并联阻抗为Z24 Z2 Z4Z2Z4 1[C2C4]（2）电容器组桥臂中间节点总阻抗为ZC Z13Z24 C1C2C3C4[C1C3C2C4]（3）由测量到的不平衡电压及总阻抗可以计算出不平衡电流为IO UOCZC（4）式中IO为不平衡电流；UOC为不平衡电压。电容器组不平衡电流间接测试方案主要由测试信号源和不平衡电压检测电路2部分组成，如图3所示。测试信号源输出低压高频交流信号施加于电容器组两端，测量电容器不平衡电压，根据电容器等效阻抗，计算出不平衡电流值。虽然用1 kHz信号源所产生的不平衡电流为工频下的20倍，但是不平衡电压不变，将1 kHz条件下测得的不平衡电流折算到50 Hz即可。2 硬件设计系统硬件框图如图4所示，由高频交流信号输出电路、不平衡电压测量电路和单片机控制电路3部分组成。单片机通过命令控制正弦信号发生电路产生1 kHz的正弦波信号，经功率放大至40 V，C1 C2C3 C4ZC图 2 电容器组等效阻抗Fig. 2 Capacitor bank equivalent impedance不平衡电压检测电路C2C4C1C3测试信号源图 3 不平衡电流测试接线Fig. 3 Unbalanced current test wiring diagram高频交流信号输出电路输出输出保护功率放大高频正弦信号发生单片机控制电路WIFI模块显示屏按键单片机控制单元不平衡电压测量电路BNC探头不平衡电压测量滤波有效值转换图 4 硬件总体框图Fig. 4 Hardware overall block diagram中国电力第 52 卷86通过输出接口加载在电容器组两端，电容桥臂产生的不平衡电压由BNC（一种用于同轴电缆的连接器）探头引入到测量电路，经高通滤波器对低频干扰信号进行衰减，然后进行有效值转换，再经AD转换器将不平衡电压转换成数字量，由单片机计算出不平衡电流的大小。2.1 不平衡电压测量电路在电容器组两端加有效值40 V交流电压时，不平衡电压一般在毫伏级，需要高精密的差分放大器获取桥臂两端的电压，同时差分放大器的共模抑制比高，输入阻抗大，对不平衡电压测量不会产生影响。从差分放大器输出的信号经滤波器滤除工频干扰之后，再进行有效值的转换。差分电路由精密运放组成，如图5所示，R29根据实际不平衡电压大小来取值决定电路的差模增益，该电路结构对称有较高的共模抑制比。滤波电路采用二阶高通滤波器，截止频率设置在0500 Hz，使工频干扰信号被滤除并使其他频率的干扰信号衰减，从而使得高频1 kHz信号的幅值具有平坦性。图6为由AD736真有效值转换芯片及其外围电路构成的真有效值转换电路，该电路也可对非正弦波形进行有效值变换，精度较高，输出纹波小。其中Cav是平均电容（决定转换时间及精度），Cf为输出滤波电容，输入端采用双向限幅电路对芯片进行过压保护。2.2 高频交流信号输出电路如图7所示，高频交流信号发生采用ML2036S芯片以及外部12 MHz晶振，可以产生的正弦波、三角波、矩形波中的任意波形，单片机通过4根串行接口数据线对ML2036S进行写操作命令，以实现对输出波形类型和频率的软件编程。由于从ML2036S输出的信号较弱，需要将信号进一步放大，后级放大电路采用OP07组成增益可调放大电路，RP电位计用于控制输出电压的幅度。功放输出保护电路如图8所示，PTC为可恢复型熔丝，正常工作时为极低阻状态，当功放输出意外短路时，输出端电流会急剧增大，PTC上的热量增加，阻值迅速增大，使得短路电流迅速X2R29R32R39R28C1C2X1121220 kΩ20 kΩ281320 kΩ470.1 μF−12 V12 V0.1 μF−ININVosVs−VsVout 620 kΩ图 5 差分放大电路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图 6 有效值转换电路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图 7 高频信号发生电路Fig. 7 High-frequency signal generating circuitPTC GNDURL功放输出功放输出12121 kΩ 5 W图 8 功放输出保护电路Fig. 8 Amplifier output protection circuit第 8 期 吴鹏等换流站高压电容器组不平衡电流测量方法及装置研发87减小。图8中的压敏电阻和电阻RL主要消除高压电容的残余电荷放电，压敏电阻将放电电压钳制到很小值，电阻RL用来消耗电容放电电荷。3 抗干扰措施整体设计装置构架搭建完毕，此时的装置因测量过程的干扰问题，仍无法达到精度要求。进入测量设备的干扰信号主要包含电源纹波干扰、工频干扰、放电干扰、器件热噪声干扰，其耦合途径主要为电磁耦合、公共地线阻抗耦合、传导耦合的方式。电源的纹波干扰主要来源于DC-DC变换的开关噪声，其谐波分量非常丰富，对测量系统的模拟电路会有很大的影响，工频干扰来源于周边的换流站滤波器运行时产生的高能量工频谐波，放电干扰来源于周边可能存在高压放电设备产生的电火花等。另外器件的热噪声干扰来源于设备的内部，且多与工作温度变化相关，实际工作中会产生温漂，器件特性改变等。除上文提到的在不平衡电压测量时采用滤波电路外，本文还采取了以下几种措施。（1）系统中接地线的合理设计。正确接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法，不合理的接地会降低电路的工作精度，甚至导致电路无法正常工作。本装置含有小信号放大器、功率放大器、数字开关电路、电源电路、高频无线模块等，需对每一类型电路的接地方式特别处理，模拟信号的地单独接一起，最后通过磁珠或零欧电阻与数字电路接回电源，接地线尽量加粗，以免接地电位随着地线电流变化而变化，引起干扰。（2）模拟电路加金属屏蔽壳。放大器对干扰信号十分敏感，尤其是仪表放大器因其输入阻抗高，输入偏置电流极小，输入回路易受射频（Radio Frequency，RF）高频信号的干扰，从而造成输出信号偏差较大，因此对放大器和滤波器电路加上金属屏蔽壳且壳体接地，可大大提升模拟信号处理电路对外部高频辐射干扰的抑制能力。（3）采用屏蔽线作为传输线。屏蔽线的原理就是在导线的外面再编织一层金属导电网，使用时将金属网接地，从而使信号在传输的过程中不受外部干扰的影响。在本装置中，功放输出的高频激励电压用屏蔽线与电容器组两端进行连接，测量不平衡电压采用BNC接头，能有效抑制外部辐射信号对测量线路产生的感应干扰。（4）电源电路和芯片加滤波退耦。测量系统中的各路电源都是直流降压变换而来，电源的开关噪声比较严重，所以在电源输出端加电感电容组成的滤波电路，能有效抑制开关噪声对测量电路的影响，另外在靠近各芯片的电源引脚处加多个电容值的滤波电容以滤除不同频带的谐波干扰，又增强了芯片工作的稳定性。4 现场测试为验证本文所述配平方法的有效性，以国内某换流站一次电容器更换为例说明测试过程，出现的问题是某一组高压电容器组B相不平衡电流Ⅰ段告警，需要对电容器组桥臂进行平衡调整，在调整前和调整后需要现场实测不平衡电流，以验证调整效果。图9中有C1、C2，C3、C4 4个桥臂，每个桥臂由18支电容器组成，实测每个桥臂的电容值为C10.959 6 μF；C20.957 3 μF；C30.958 5 μF；C40.964 5 μF。不平衡电流保护Ⅰ段报警值60 mA，折算到40 V报警值为12.6 μA。根据上述实测桥臂电容值可计算出不平衡电流理论值为26.340 μA[1]（电容器组两端施加50 Hz/40 V电压）。（1）不平衡电流传统测试方法。传统测试方法是在高压电容器组两端施加400 V和40 V的交流工频电压（2种工频电压对比），在不平衡回路中串入微安表直接测量不平TAC2C4C1C3外施电压UnI1 I2I3 I4图 9 电容器组电气结构Fig. 9 Capacitor bank electrical structure中国电力第 52 卷88衡电流，试验结果见表1。由表1可以看出采用传统测试方法，测试结果与理论值偏差较大。（2）不平衡电流传统测试新方法。采用本文测试方法在电容器组两端施加不同频率的电压信号，电压维持在40 V不变，在不平衡回路接入按本文设计方案所研发的测试设备，现场试验接线见图10。测试结果如表2所示。从表1和表2可以看出，若使用工频信号测量不平衡电流，测试结果与理论值偏离太大。采用的测试信号频率越高，受现场电磁干扰的影响越小，测试精度越高。对各桥臂单只电容器测量发现编号6－3电容器超标（其值15.45 μF），更换为电容值为17.10 μF的新电容器。电容器组两端施加1 000 Hz/40 V电压信号，测试不平衡电压值为27.45 mV，折算为50 Hz下的不平衡电流为8.38 μA，此测试条件下不平衡电流的理论计算值为8.25 μA，测量误差为1.5。而40 V时不平衡电流报警值为12.6 μA，满足要求。5 结语（1）针对电容器组现场试验不平衡电流太小，难以准确测量的问题，本文提出一种由不平衡电压间接测量不平衡电流的方法，操作简单，不改变电容器组电路结构，测试精度较高。（2）针对现场测试工频干扰比较严重的问题，采用高频低压交流信号施加于电容器组两端，并用二阶高通滤波器滤除工频干扰，有效提高测量精度。（3）为提高不平衡电流现场测量精度，从电源纹波干扰、工频干扰、放电干扰、器件热噪声干扰等方面采取措施，使测量值更接近理论值。（4）通过实例验证可将不平衡电流测试误差控制在2，取得较好的现场试验结果。参考文献赵婉君. 高压直流输电技术[M]. 北京 中国电力出版社, 2004.[1]吴鹏. 交直流滤波器及并联电容器装置运行及维护[M]. 北京 中国电力出版社, 2013.[2]段涛, 张智勇, 李德建, 等. 500 kV换流站交流滤波器组不平衡电流调整新策略[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 396 135–139.DUAN Tao, ZHANG Zhiyong, LI Dejian, et al. 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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页作者简介吴鹏1980，男，通信作者，硕士，高级工程师，从事超、特高压运维、检修技术管理与研发工作，E-。（责任编辑 张重实）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 王增平等继电保护相关的国内外分布式电源并网标准119