袁欣雨，石振剛，孫 沖，張林浩，武超飛，李 涵

(1.天津大學(xué)，天津 300072；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

隨著直流配電網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，中低壓直流配網(wǎng)將成為未來配網(wǎng)不可缺少的重要組成部分，目前，直流配電網(wǎng)計量設(shè)備缺乏權(quán)威的檢測方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，各級計量機構(gòu)未建立完整的量傳體系和計量授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此有必要開展直流配電網(wǎng)計量設(shè)備計量特性研究[13]，提出不同應(yīng)用場景下直流傳感器選型方案，形成中低壓直流配電網(wǎng)計量設(shè)備典型配置導(dǎo)則。

1 直流互感器計量特性

1.1 分壓器式直流電壓互感器

直流配電系統(tǒng)所用的分壓器式直流電壓互感器，一般由一次電壓傳感器、一次轉(zhuǎn)換器、傳輸系統(tǒng)、二次轉(zhuǎn)換器組成，基本原理如圖1所示(圖中并非每一個部件均為必需的)。

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)中的一次直流高電壓施加在一次電壓傳感器的高壓端子上時，一次電壓傳感器輸出與一次端子施加電壓相對應(yīng)的模擬信號。該模擬信號經(jīng)一次轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成適合于傳輸系統(tǒng)信號后，再經(jīng)由傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)蕉无D(zhuǎn)換器。二次轉(zhuǎn)換器將傳輸過來的信號進一步轉(zhuǎn)換成測量儀器、儀表和控制保護裝置所需的量。

圖1 直流電壓測量裝置基本原理

分壓器式直流電壓互感器采用阻容分壓器作為一次電壓轉(zhuǎn)換器，是整套裝置的傳感器部分，要求具有較高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。一次電壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)絕緣一般采用變壓器油、氮氣或六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)。分壓器式直流電壓互感器的一次電壓傳感器原理如圖2所示。圖中，R13、C11分別為一次電壓傳感器的高壓臂電阻和高壓臂電容；R24、C22分別為一次電壓傳感器的低壓臂電阻和低壓臂電容。

圖2 一次電壓傳感器原理

阻容分壓器電阻部分的主要作用是測量直流電壓的大小，額定電流一般在m A數(shù)量級。高壓臂電阻R13的選擇不能太小，否則流過電阻的電流I1過大會增大電阻本身的熱損耗，以致電阻的阻值不穩(wěn)定而出現(xiàn)測量誤差；也不能選得太大，否則會由于流過電阻的電流I1太小而使電暈放電和絕緣支架泄露對測量的影響增大。一次電壓傳感器低壓臂的實際電阻大小等于低壓臂電阻R24與電子線路輸入電阻Rin的并聯(lián)電阻大小。當(dāng)測量的一次直流電壓為UHV時，一次電壓傳感器的輸出電壓US由公式(1)計算得到，一般US的大小在幾十伏數(shù)量級。

阻容分壓器電容部分的主要作用是均勻雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的分布。電阻分壓器在沖擊電壓作用下，由于受雜散電容的影響，分壓器電阻上的沖擊電壓分布極不均勻，靠近高壓側(cè)的電阻將承受很高的沖擊電壓，這極有可能使單個電阻因過電壓而損壞，從而導(dǎo)致整個分壓器的損壞。而并聯(lián)的補償電容能夠有效減小雜散電容的影響，有利于沖擊電壓的均勻分布。

電容還與電阻一起構(gòu)成阻容分壓器來測量諧波電壓。一次電壓傳感器低壓臂的實際電容大小等于低壓臂電容C22、電纜等效電容Cc以及電子線路輸入電容Cin的并聯(lián)電容大小。電容分壓比和電阻分壓比應(yīng)相等，則有:

分壓器式直流電壓互感器雖然體積、質(zhì)量大，但是由于穩(wěn)定性和可靠性相對較高，因此廣泛應(yīng)用于直流系統(tǒng)中。

1.2 光電式直流電壓互感器

某些物質(zhì)具有光電效應(yīng)，在外加電場的作用下，對透過它的光發(fā)生Pockels效應(yīng)，即其雙折射快慢軸之間的相位差角φ與外加電壓V之間呈線性正比關(guān)系:

式中:K為常數(shù)，與晶體材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)。

因此對電壓V的測量可以轉(zhuǎn)化為對相位差角φ的測量，其測量原理如圖3所示。

圖3 光電式直流電壓互感器測量原理

整個系統(tǒng)由三部分組成:光發(fā)射部分、光纖傳感部分、信號接收處理部分(模擬信號處理和數(shù)據(jù)采集)。系統(tǒng)工作時，光源發(fā)出的光(PO)經(jīng)光纖傳到互感器，光纖互感器在外加直流電壓(實際為外加直流電壓所激勵的磁場)作用下，發(fā)生Pockels效應(yīng)，分解為2束光Px和Py，其光強由馬呂斯定理可知:

由式(4)、(5)可以看出:當(dāng)外加電壓V時，產(chǎn)生了1個與V呈正比的相位差角φ，同時φ又影響出射光Px、Py的光強。

由于φ比較小，故sin2φ≈2φ。結(jié)合式(4)、(5)可得測量電壓的最終表達式:

式(6)表明，只需測出光纖互感器輸出的2束光Px、Py的強度或相對強度，通過定標(biāo)求得比例系數(shù)K，就可以得到被測電壓的大小。

光電式直流電壓互感器與分壓器式直流電壓互感器相比，具有體積小、質(zhì)量輕、瞬變響應(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強、安全難燃、智能化等優(yōu)點，應(yīng)用前景十分樂觀。但是，由于光電式直流電壓互感器的光學(xué)器件制作和加工難度大，易受溫度、震動等影響，導(dǎo)致光電式直流電壓互感器的穩(wěn)定性、可靠性較差，阻礙了光電式直流電壓互感器的實用化進程。

1.3 零磁通式直流電流互感器

零磁通式直流電流互感器是一個用于測量中性線上的直流電流和諧波電流的寬頻帶電流測量裝置。它由安裝于復(fù)合絕緣子上的一次載流導(dǎo)體、鐵心、繞組和二次控制箱(室內(nèi)部分)組成。一次載流導(dǎo)體和鐵心、繞組之間的絕緣介質(zhì)為SF6氣體。

互感器模型的電路部分主要由振蕩器和調(diào)制檢測繞組的激勵電源組成。它將正弦激勵信號通過功率放大器A2進行功率放大，并將激勵電流輸入調(diào)制檢測繞組W1和W2。峰差解調(diào)器，將調(diào)制檢測繞組檢測出的有用峰差信號，轉(zhuǎn)換成一個直流控制電壓。反饋放大器A1，將解調(diào)器輸出的直流電壓信號進行放大，供給二次繞組，形成反饋電流，實現(xiàn)原副方安匝平衡。電壓輸出單元，運算放大器A4將采樣電阻上的電壓信號放大并輸出。

峰差調(diào)制是零磁通式直流互感器的核心，其原理如圖4所示，振蕩器把1個正弦波電壓施加于2個反向串接的調(diào)制檢測繞組上，使調(diào)制鐵心每周期進入適當(dāng)飽和狀態(tài)。被測直流電流和反饋放大器輸出電流在每1個檢測鐵心內(nèi)將建立1個合成直流磁勢，稱之為凈直流磁勢。凈直流磁勢代表了零磁通直流電流互感器的誤差分量。在任一瞬間，如1個檢測鐵心上的合成磁勢由凈直流磁勢和激勵電流建立的磁勢(激勵磁勢)相加，則在另1個鐵心上則一定是相減。

圖4 互感器電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)凈直流磁勢為零時，由于2個調(diào)制檢測鐵心的對稱性，每個調(diào)制解調(diào)繞組采樣電阻上的電壓相等，峰差解調(diào)器中A3的輸入差分電壓為零。當(dāng)凈直流磁勢不為零時，依據(jù)之前的分析，相對于2個調(diào)制解調(diào)繞組中激勵磁勢，凈直流磁勢的方向是相反的。調(diào)制解調(diào)繞組采樣電阻上的電壓一個變大，另一個變小。運算放大器A3輸入差分電壓變大，該電壓控制反饋放大器A1的輸出電流使得凈直流磁勢變小，進而A3的輸入差分電壓變小，直到達到1個平衡狀態(tài)。在該平衡狀態(tài)下，存在1個微小的凈直流磁勢，該凈直流磁勢使得峰差解調(diào)器產(chǎn)生1個控制電壓，這個控制電壓維持著反饋電流。因此，零磁通式直流電流互感器測量直流電流時，必然存在著三要素:被測直流電流、二次反饋電流和凈直流磁勢(由凈直流安匝產(chǎn)生)，凈直流安匝構(gòu)成了直流電流測量的誤差。

定義零磁通式直流開環(huán)增益為反饋放大器A1輸出的直流電壓與凈直流安匝的比值，也稱該開環(huán)增益為磁調(diào)制器的靈敏度。如果整個系統(tǒng)的開環(huán)增益相當(dāng)大時，1個微小的凈直流安匝即可維持系統(tǒng)的平衡，達到精確的安匝平衡，開環(huán)增益越大，直流電流測量誤差越小。本系統(tǒng)的開環(huán)增益G，按式(7)計算:

式中:h1為磁調(diào)制器的靈敏度，或變換電阻，Ω，h1正比于調(diào)制鐵心的匝數(shù)、凈截面積、微分導(dǎo)磁率、激勵頻率f，反比于鐵心的平均周長l；h2為磁調(diào)制器中放大器的電壓增益；r2為二次繞組的導(dǎo)線電阻，Ω；ws為二次繞組的匝數(shù)。

與任何自控系統(tǒng)相同，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，零磁通式直流電流互感器的開環(huán)增益，即磁調(diào)制器的靈敏度應(yīng)盡量的大。要獲得較高的磁調(diào)制器靈敏度，應(yīng)提高鐵心的磁導(dǎo)率，所以本樣機采用高磁導(dǎo)率低矯頑力的坡莫合金；激勵電源的頻率適當(dāng)選高一些，但不宜過高，頻率太高增加鐵心渦流(有去磁作用)，使鐵心不易達到充分飽和，設(shè)計中的激勵電源頻率為500 Hz；激勵交流電壓適當(dāng)選高一點，使鐵心達到充分飽和，這樣不僅可以提高靈敏度，而且可以提高零點的穩(wěn)定性。零磁通式直流電流互感器二次反饋部分采用大功率運放作為反饋驅(qū)動，最大輸出功率240 W。

1.4 有源光電式直流電流互感器

有源光電式直流電流互感器的原理示意如圖5所示。

圖5 有源光電式直流電流互感器原理

高壓側(cè)傳感頭部分含有分流器和Rogowski繞組，分流器用于測量直流電流，Rogowski繞組用于測量諧波電流。分流器和Rogowski繞組輸出的信號經(jīng)過高壓側(cè)電路板的信號調(diào)理、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換得到光信號，經(jīng)過光纖傳輸至低壓側(cè)控制箱，低壓側(cè)處理模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，進一步D/A轉(zhuǎn)化為模擬電信號輸出。低壓側(cè)的激光模塊通過光纖發(fā)射激光至高壓側(cè)，轉(zhuǎn)化為電能供給高壓側(cè)電路板。利用分流器測量直流電流的方法的優(yōu)點是不受外磁場影響，結(jié)構(gòu)簡單。設(shè)計的分流器的額定電流為4 500 A，額定輸出電壓為75 m V。誤差影響因素有:溫度系數(shù)的影響、電流分布不均勻造成的誤差及熱電勢的誤差。

1.5 全光纖直流電流互感器

全光纖直流電流互感器的基本原理是基于Faraday磁光效應(yīng)，當(dāng)一束線偏振光入射至磁光介質(zhì)后，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與外加的磁場強度成正比，即:

式中:V為光學(xué)介質(zhì)的Verdet常數(shù)；H為磁場強度；L為光在介質(zhì)中的傳播的距離。

全光纖電流傳感器則是以具有Faraday磁光效應(yīng)的特殊光纖為傳感介質(zhì)，圖6所示的是一種反射式的全光纖電流傳感器原理框圖。

圖6 反射式全光纖電流傳感器原理

典型的反射式全光纖電流傳感器基本原理為:由光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后由光纖偏振器起偏，形成線偏振光。線偏振光以45°注入保偏光纖后，被等幅注入保偏光纖的X軸和Y軸傳輸。當(dāng)這2束正交模式的光經(jīng)過波片后，分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進入傳感光纖。在傳感光纖中由于被測電流產(chǎn)生磁場的Faraday效應(yīng)，這2束圓偏振光以不同的速度傳輸。在由傳感光纖端面的鏡面反射后，2束圓偏振光的偏振模式互換(即左旋光變?yōu)橛倚猓倚庾優(yōu)樽笮?，再次穿過傳導(dǎo)光纖，并再次與電流產(chǎn)生的磁場相互作用，使產(chǎn)生的相位加倍。這2束光第2次通過波片后，恢復(fù)為線偏振光，并在光纖偏振器處發(fā)生干涉。最后，攜帶相位信息的光由耦合器耦合進探測器。由于發(fā)生干涉的2束光，在光路的傳輸過程中，分別經(jīng)歷了保偏光纖的X軸和Y軸及傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時間上略有差別，因此返回探測器的光只攜帶了由于Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差。其表達式為:

式中:φ0為調(diào)制相位；Kloss為光路損耗；I0為光源輸出光強；N為傳感光纖的匝數(shù)；I為導(dǎo)線中的電流。

2 計量設(shè)備典型配置方案

為實現(xiàn)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中光伏側(cè)、線路側(cè)、負(fù)荷側(cè)及儲能側(cè)等直流電能計量，用于貿(mào)易結(jié)算，需在源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)設(shè)置直流計量點。目前直流配電網(wǎng)常見典型電壓為±20 k V、±10 k V、±375 V及±48 V等，即直流計量點需分別設(shè)置在±20 k V、±10 k V母線側(cè)、±375 V母線側(cè)、儲能出線側(cè)、新能源發(fā)電出線側(cè)及直流負(fù)荷側(cè)。

±20 k V和±10 k V中壓母線側(cè)采用電壓、電流互感器加直流電能表的計量方案。國內(nèi)尚未發(fā)布針對直流配網(wǎng)用直流計量器具的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。參考DL/T 448—2016《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》，確定中壓母線側(cè)直流計量裝置的準(zhǔn)確度等級:額定電壓為±20 k V和±10 k V，屬于Ⅲ類電能計量裝置，建議配置0.5 S級直流電能表、0.5級直流電壓互感器及0.5S級直流電流互感器。根據(jù)母線額定電壓值，確定直流電壓互感器的額定電壓為20 k V和10 k V，考慮到電壓互感器量值溯源要求，二次輸出電壓設(shè)計建議為10 V或100 V。根據(jù)母線額定電流值，確定直流電流互感器的額定電流為50 A，額定電壓為20 k V和10 k V。測量直流電流可采用全光纖、零磁通、分流器及霍爾4種原理，綜合考慮設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟性要求，擬采用零磁通電流互感器。中壓母線側(cè)直流電能表的電壓及電流輸入接口應(yīng)與配置的直流電壓、電流互感器相匹配。

針對低壓計量配置方案，參照DL/T 448—2016《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》:額定電壓為±375 V或±48 V，屬于Ⅳ類電能計量裝置，應(yīng)配置1級直流電能表、0.5級直流電壓互感器及0.5S級直流電流互感器。參照GB/T 29318—2012《電動汽車非車載充電機電能計量》:低壓側(cè)計量擬采用直流電能表加分流器的計量方案，建議配置1級直流電能表，0.2級分流器。

同時，為了確保直流計量系統(tǒng)與保護系統(tǒng)相互獨立、互不影響。應(yīng)將中壓計量點的直流計量裝置安裝在直流斷路器與能量路由器之間，低壓計量點的直流計量裝置安裝在直流斷路器與低壓直流母線之間，儲能設(shè)備的直流計量裝置安裝在直流斷路器與直流儲能之間，新能源發(fā)電的直流計量裝置安裝在直流斷路器與新能源設(shè)備之間，負(fù)荷側(cè)直流計量裝置安裝在直流斷路器與直流負(fù)荷之間。

3 結(jié)束語

以上介紹了各類直流互感器基本原理及特性，分析了各設(shè)備的應(yīng)用特點，并根據(jù)互感器特性提出不同應(yīng)用場景下直流互感器典型配置方案，形成中低壓直流配電網(wǎng)計量設(shè)備典型配置導(dǎo)則，為直流配電網(wǎng)電能計量點設(shè)置和計量器具配置提供統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和技術(shù)支撐。