廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 周 衛(wèi) 黃東山 王曉明

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一種直流系統(tǒng)多功能測試平臺(tái)的研究

廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 周 衛(wèi) 黃東山 王曉明

【摘要】本文介紹了一種直流系統(tǒng)多功能測試平臺(tái)的研究方法，通過該平臺(tái)可以模擬直流系統(tǒng)現(xiàn)場的實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)直流系統(tǒng)主要運(yùn)行及檢測設(shè)備（包括直流系統(tǒng)在線監(jiān)測裝置、充電模塊、便攜式直流接地查找儀、直流系統(tǒng)分布參數(shù)測試儀等）進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)核心裝置和主要儀器儀表的整體性能評(píng)估，解決直流系統(tǒng)主要設(shè)備及測試儀器儀表的入網(wǎng)檢測問題，同時(shí)解決目前國內(nèi)直流系統(tǒng)、測試儀器儀表等設(shè)備的檢測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范滯后或空白的問題。本文重點(diǎn)介紹了該平臺(tái)下充電機(jī)智能化測試模塊與絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)?zāi)K的實(shí)現(xiàn)方法。該平臺(tái)為直流系統(tǒng)科研項(xiàng)目開展、直流系統(tǒng)事故回放及分析試驗(yàn)等提供了檢測手段。

【關(guān)鍵詞】充電模塊；絕緣監(jiān)測裝置；分布電容；直流系統(tǒng)校驗(yàn)；開關(guān)偷跳

1 概述

1.1 直流系統(tǒng)主要運(yùn)行及檢測設(shè)備的運(yùn)行現(xiàn)狀

目前直流系統(tǒng)的主要運(yùn)行設(shè)備及測試儀器的性能指標(biāo)都是由廠家提供，運(yùn)行一段時(shí)間后性能下降的情況時(shí)有發(fā)生。其中包括充電模塊穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)超標(biāo)，絕緣監(jiān)測設(shè)備電壓測量精度電阻測量精度下降、功能不全、選線不準(zhǔn)等。這些問題如果長期得不到解決將嚴(yán)重危害到直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.2 直流系統(tǒng)運(yùn)行與檢測設(shè)備測試現(xiàn)狀

然而目前直流系統(tǒng)的主要運(yùn)行設(shè)備及測試儀器、儀表由于標(biāo)準(zhǔn)不全、現(xiàn)場運(yùn)行條件的復(fù)雜性等原因，往往無法對(duì)設(shè)備性能的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。盡管有些分立檢測設(shè)備可以對(duì)直流系統(tǒng)中的部分設(shè)備進(jìn)行檢測，但由于本身精度不夠，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行整體評(píng)估與分析。

1.3 直流系統(tǒng)多功能測試平臺(tái)的研究思想

為了解決直流系統(tǒng)測試儀器儀表等設(shè)備的檢測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范長期滯后甚至空缺，檢測設(shè)備無法滿足要求的問題，研究出一套直流系統(tǒng)多功能測試平臺(tái)對(duì)直流系統(tǒng)中的各類設(shè)備進(jìn)行測試與評(píng)估非常有意義。

本文重點(diǎn)介紹了該平臺(tái)下充電機(jī)智能化測試模塊與絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)?zāi)K的實(shí)現(xiàn)原理與方法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

直流系統(tǒng)多功能測試平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，由充電機(jī)智能化測試模塊、直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測裝置測試和評(píng)估模塊、系統(tǒng)對(duì)地電容測試儀檢測分析模塊、便攜式接地查找儀檢測分析模塊、直流系統(tǒng)分布參數(shù)測試模塊、直流系統(tǒng)多功能測試裝置后臺(tái)軟件組成五大部分組成。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1 具有優(yōu)良的可擴(kuò)展性

模塊化的設(shè)計(jì)思路可以方便的在該平臺(tái)上添加其它測試模塊以對(duì)不同類型直流設(shè)備進(jìn)行檢測評(píng)估。

2.2.2 便于檢測設(shè)備的維護(hù)

各個(gè)檢測模塊之間相互獨(dú)立，維護(hù)方便。

2.2.3 有利于提高了檢測儀器的可靠性、穩(wěn)定性，保證檢測精度

各個(gè)檢測模塊內(nèi)部采用全隔離式設(shè)計(jì)，排除了相互之間可能引起的電磁干擾，保障了測評(píng)平臺(tái)的可靠性、穩(wěn)定性與檢測精度。

2.2.4 兼顧了便攜性與一體化的要求

模塊化的設(shè)計(jì)思想兼顧了便攜性與一體化的要求，測評(píng)平臺(tái)中的部分檢測模塊可以方便的從測試平臺(tái)取出，以便拿到現(xiàn)場測試分析，分析更加全面。

3 充電機(jī)智能化測試模塊原理

充電機(jī)綜合測試模塊由三相自動(dòng)調(diào)壓模塊、紋波高速采樣模塊及直流可調(diào)負(fù)載組成，三部分在測試軟件的控制下，可完成充電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試，充電機(jī)綜合測試模塊組成如圖1所示。

3.1 三相自動(dòng)調(diào)壓模塊原理

3.1.1 三相自動(dòng)調(diào)壓模塊結(jié)構(gòu)

為了模擬充電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行情況，三相自動(dòng)調(diào)壓器的調(diào)壓模塊采用工頻調(diào)壓器，三相自動(dòng)調(diào)壓器由模擬量采樣電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、大功率變壓器線包、觸屏控制顯示電路、RS485上位機(jī)通信電路組成，其組成結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖1　充電機(jī)智能化測試模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2　三相自動(dòng)調(diào)壓模塊結(jié)構(gòu)原理圖

3.1.2 三相自動(dòng)調(diào)壓模塊特點(diǎn)

①工頻設(shè)計(jì)

采用工頻調(diào)壓器，完全模擬充電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。②電壓調(diào)節(jié)范圍寬

在輸入380V+-10%范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)輸出380V+-15%范圍內(nèi)的三相電壓調(diào)整，完全滿足測試要求。

③三相獨(dú)立調(diào)整

每相采用獨(dú)立的全隔離控制電路與電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓控制，即使在三相輸入不平衡狀態(tài)下也可實(shí)現(xiàn)輸出的精確控制。

④分級(jí)分時(shí)調(diào)壓控制技術(shù)

每相采用了四級(jí)PWM調(diào)速控制，且三相分時(shí)控制，兼顧了調(diào)壓控制的快速與準(zhǔn)確。

3.2 紋波采樣模塊原理

為了能準(zhǔn)確的測量出充電機(jī)的紋波有效值系數(shù)和紋波峰峰值系數(shù)，充電機(jī)智能化測試模塊配置了高速采樣板，可通過USB接口與上位機(jī)相連，充電機(jī)智能測試軟件可實(shí)時(shí)讀取該高速采集卡中的紋波有效值與峰峰值，且于計(jì)算被測充電模塊的紋波系數(shù)。

3.3 直流可調(diào)負(fù)載原理

3.3.1 直流可調(diào)負(fù)載模塊結(jié)構(gòu)

為了防止在測試過程中因?yàn)樨?fù)載變化對(duì)測量結(jié)果造成影響，在該模塊中采用純電阻負(fù)載。直流可調(diào)負(fù)載由電壓電流采樣電路、IGBT負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路、直流負(fù)載及顯示控制電路及RS485上位機(jī)通信電路組成，其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　直流可調(diào)負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 直流可調(diào)負(fù)載模塊特點(diǎn)

①純阻性材料設(shè)計(jì)

負(fù)載材料采用鎳鉻絲Cr20Ni80電阻絲，抗氧化性好，高溫下不變脆。

②16路開關(guān)管控制

16路IGBT管控制負(fù)載輸出，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)與高精度的控制。

③限時(shí)反饋控制技術(shù)

有限的反饋次數(shù)保證了對(duì)充電機(jī)進(jìn)行檢測時(shí)負(fù)載沒有任何變化，從而確保檢測分析的有效性。

④高精度電壓電流采樣

采用高精度低溫漂分壓電阻配合24位ADS1232 AD轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)了0.1級(jí)以上的測量精度，滿足檢測要求。

4 絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)?zāi)K原理

4.1 絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)?zāi)K組成結(jié)構(gòu)

絕緣裝置校驗(yàn)?zāi)K由直流程控電源，阻容驅(qū)動(dòng)陣列，阻容陣列，交流自動(dòng)調(diào)壓模塊，控制器及人機(jī)觸控操作組成，可對(duì)直流系統(tǒng)絕緣裝置、便攜式接地故障查找儀、直流系統(tǒng)分布參數(shù)測試儀等設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4　絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)框圖

4.2 絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)?zāi)K特點(diǎn)

4.2.1 完備的檢測功能

配備兩路直流電源，兩路電阻陣列、電容陣列及調(diào)壓模塊，可模擬各類絕緣檢測設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)絕緣檢測設(shè)備進(jìn)行全面測試評(píng)估。

4.2.2 高性能程控直流電源

采用隔離RS485控制的程控直流電源，與電壓控制或電流控制式電源相比，具有輸出穩(wěn)定，精度高， 控制方便等優(yōu)點(diǎn)。

4.2.3 全隔離 阻容驅(qū)動(dòng)模式

每一路電阻或電容均采用TLP521光電隔離器配合MC1413繼電器專用驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制，保障了檢測 準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，為測試評(píng)估有效性提供了保障。

4.2.4 連續(xù)可調(diào)的交流竄入電壓設(shè)置

交流竄入電壓中從10V—264V進(jìn)行設(shè)置，交流調(diào)壓采用全隔離電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合獨(dú)有的分級(jí)調(diào)節(jié) 技術(shù)及高精度測量保障了交流大范圍與精確的輸出。

4.2.5 精確的測試電阻

電阻陣列由0.1K到512K的電阻按8421排列模式組合，可實(shí)現(xiàn)0.1K—999.9K范圍內(nèi)電阻的模擬測試，每路電阻均采用高精度低溫漂電阻，且配置了精密多圈電位器校準(zhǔn)。

4.2.6 適應(yīng)不同檢測原理的裝置的檢測

提供了高速采樣模式和低速采樣模式進(jìn)行曲線顯示，可對(duì)不同工作原理的絕緣監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行檢測。

5 直流系統(tǒng)分布電容引起開關(guān)偷跳的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立

由于直流系統(tǒng)中存在分布電容，傳統(tǒng)的一點(diǎn)接地不會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)的觀念得以改變，分析直流系統(tǒng)中分布電容大小、絕緣電阻大小與保護(hù)動(dòng)動(dòng)作之間的關(guān)系對(duì)于避免直流系統(tǒng)由于分布電容的存在引起保護(hù)誤動(dòng)作有很大意義。

該測試平臺(tái)提供的阻容陣列可以模擬直流系統(tǒng)在各種接地電阻與對(duì)地分布電容的情況下對(duì)中間繼電器是否動(dòng)作進(jìn)行分析。

6 直流系統(tǒng)其它設(shè)備的檢測

上述對(duì)直流系統(tǒng)中的充電模塊檢測原理、絕緣監(jiān)測裝置校驗(yàn)原理進(jìn)行了詳細(xì)描述，在該平臺(tái)下還可以對(duì)便攜式接地故障查找儀，直流系統(tǒng)分布參數(shù)測試儀等設(shè)備進(jìn)行檢測。該平臺(tái)還可通過擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)中蓄電池維護(hù)設(shè)備進(jìn)行檢測。

7 總結(jié)

本文通過對(duì)直流系統(tǒng)多功能測試裝置組成原理進(jìn)行分析，為直流系統(tǒng)中的各類運(yùn)行檢測設(shè)備提供了有效的檢測分析手段，在該研究方案下設(shè)計(jì)出的多功能測試平臺(tái)能夠滿足直流系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的檢測需求，可廣泛應(yīng)用于電力科學(xué)研究機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)役設(shè)備進(jìn)行檢測評(píng)估，同時(shí)也可用于直流設(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)自身設(shè)備的出廠性能測試。

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周衛(wèi)（1984—），男，湖北荊門人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究、開發(fā)及技術(shù)監(jiān)督與技術(shù)檢查工作。

黃東山（1971—），男，廣西柳州人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，長期從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)檢修、研究、開發(fā)及技術(shù)監(jiān)督與技術(shù)檢查工作。

王曉明（1984—），男，山西平遙人，助理工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

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