董雪禮， 安 平， 丁志東， 陳偉偉

1. 鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 江蘇鎮(zhèn)江 212132 2. 國(guó)家中低壓配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 江蘇鎮(zhèn)江 212132 3. 上海愛科測(cè)試設(shè)備有限公司 上海 200063

1 設(shè)計(jì)背景

我國(guó)電網(wǎng)投資近年來持續(xù)保持在高位，且變電、配電設(shè)備投資的占比呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的勢(shì)態(tài)。變電、配電等設(shè)備行業(yè)是電力行業(yè)中最具潛力的細(xì)分領(lǐng)域，電網(wǎng)的高速建設(shè)拉動(dòng)了變電、配電設(shè)備發(fā)展的市場(chǎng)需求。隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電的推廣應(yīng)用，以及高鐵和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，直流配電設(shè)備需求量急劇增長(zhǎng)[1]。

隨著國(guó)內(nèi)直流配電設(shè)備的大量使用，配套的直流產(chǎn)品檢測(cè)能力難以滿足現(xiàn)有市場(chǎng)的需求。據(jù)了解，現(xiàn)有具備低壓直流產(chǎn)品檢測(cè)能力的機(jī)構(gòu)包括上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司、蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司、山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院、浙江方圓電氣設(shè)備檢測(cè)有限公司、遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院。上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司早在2011年就已經(jīng)具備開展低壓直流開關(guān)設(shè)備的檢測(cè)能力，蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司和浙江方圓電氣設(shè)備檢測(cè)有限公司分別在2012年和2014年具備這類產(chǎn)品的檢測(cè)能力，山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院同樣在2014年具備直流產(chǎn)品的檢測(cè)能力，遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院在2015年具備直流產(chǎn)品的檢測(cè)能力。

直流通斷試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究以滿足各類生產(chǎn)企業(yè)試驗(yàn)的需求為主。筆者從設(shè)計(jì)原則、電氣設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式、回路端口試驗(yàn)?zāi)芰?、測(cè)量與控制等方面，闡述了六脈沖直流通斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著國(guó)家電網(wǎng)新能源需求的回暖，充電樁及各類軌道交通的投資需求旺盛，直流通斷試驗(yàn)系統(tǒng)屬于大型基礎(chǔ)性檢驗(yàn)設(shè)備，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力[2]。

2 設(shè)計(jì)原則

安全是電氣試驗(yàn)的關(guān)鍵問題，因?yàn)樯婕拜^多的高電壓大電流測(cè)試設(shè)備，所以應(yīng)該在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理等各環(huán)節(jié)充分考慮安全問題，主要包括設(shè)備安全、試驗(yàn)人員安全、外來客戶安全、樣品安全、數(shù)據(jù)安全等。

隨著我國(guó)低壓電氣設(shè)備的發(fā)展，檢測(cè)結(jié)果的一致性和有效性受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，提高測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化水平、自動(dòng)采集和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)、通過數(shù)據(jù)接口程序解決試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)交互問題成為關(guān)注的焦點(diǎn)。采用數(shù)字化可通信測(cè)試設(shè)備，同時(shí)借助基于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法定制的專業(yè)設(shè)備操作軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析、處理、保存、檢索等功能[3]。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3 電氣設(shè)計(jì)

3.1 綜合能力

六脈沖直流通斷系統(tǒng)主要用于檢驗(yàn)直流開關(guān)的通斷和壽命試驗(yàn)，其主回路的試驗(yàn)?zāi)芰殡妷?30～1295V，最大電流120kA。有1個(gè) 10kA～120kA 短路試驗(yàn)端口、1個(gè)10kA～50kA短路試驗(yàn)端口和1個(gè)0.5kA～10kA短路和壽命試驗(yàn)端口。130～1295V電壓有級(jí)可調(diào)，通過阻抗前級(jí)和后級(jí)的調(diào)整，可以完成直流開關(guān)的通斷和壽命試驗(yàn)。

3.2 紋波因數(shù)

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)下屬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室委員會(huì)CTL201A決議，紋波因數(shù)應(yīng)≤5%[4]。本系統(tǒng)采用兩臺(tái)交流沖擊變壓器供電，交流電源在晶閘管整流裝置內(nèi)經(jīng)過三相橋式整流，在一個(gè)交流周期內(nèi)輸出六個(gè)半波，稱為六脈沖整流。一般采用六脈沖整流后的紋波因數(shù)理論值為4.2%，離5%的標(biāo)準(zhǔn)要求較為接近，但是由于回路結(jié)構(gòu)和阻抗的不平衡，導(dǎo)致紋波因數(shù)有可能會(huì)大于理論值。調(diào)整紋波因數(shù)主要依靠交流側(cè)高壓阻抗調(diào)節(jié)線路平衡，進(jìn)而使紋波因數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 電路說明

如圖1所示，六脈沖直流通斷系統(tǒng)電路通過高壓開關(guān)8AH、9AH、10AH、11AH配合201HK、301HK合閘開關(guān)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)流程控制，電壓部分原通過1TM、2TM交流沖擊試驗(yàn)變壓器，1A、2A、3A與5A、6A、7A串并聯(lián)轉(zhuǎn)換裝置，4A、8A Y/△轉(zhuǎn)換裝置，201GL、202GL整流裝置后得到110～1100V直流電壓，通過S/P21和S/P22開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩套電源的串聯(lián)、并聯(lián)及獨(dú)立使用。電流部分通過低壓阻抗201R、202R、201L、202L、203R、203L、203R′、203L′的前后級(jí)組合，在2ET1、2ET2和3ET1端口實(shí)現(xiàn)短路和接通分?jǐn)嘣囼?yàn)[5]，試驗(yàn)?zāi)芰M足 0.5kA～120kA的電流試驗(yàn)范圍。

表1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

圖1 六脈波直流通斷系統(tǒng)原理圖

4 運(yùn)行方式

4.1 兩臺(tái)變壓器并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行

交流電源通過201GL、202GL整流后，通過 S/P22 切換至并聯(lián)位置，并通過S/P21實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)變壓器電源的串聯(lián)和并聯(lián)，此時(shí)只能在2ET1、2ET2端口上進(jìn)行短路或壽命試驗(yàn)。

通過8AH、9AH、10AH、11AH和201HK的合分操作，并通過201R、202R、201L、202L可以在2ET1端口實(shí)現(xiàn)132～1295V、10kA～100kA的極限短路試驗(yàn)、短路保護(hù)裝置保護(hù)配合試驗(yàn)和分?jǐn)嘣囼?yàn)等。通過201R、202R、201L、202L和2ET2上端口短接，可以在2ET1端口實(shí)現(xiàn)132～1295V、0.5kA～10kA的短路試驗(yàn)、過載試驗(yàn)、額定接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)、壽命試驗(yàn)等[6]。通過201R、202R、201L、202L和2ET1上下端口短接，可以在2ET2端口實(shí)現(xiàn) 132～1295V、0.5kA～10kA的極限短路試驗(yàn)、短路保護(hù)裝置保護(hù)配合試驗(yàn)、短路接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)等[6]。

4.2 兩臺(tái)變壓器獨(dú)立運(yùn)行

交流電源通過201GL、202GL整流后，通過 S/P22 切換至獨(dú)立位置，可實(shí)現(xiàn)2TM電源的獨(dú)立使用，此時(shí)可以在3ET1端口實(shí)現(xiàn)短路類試驗(yàn)。通過S/P21切換至并聯(lián)位置，可實(shí)現(xiàn)1TM電源的獨(dú)立使用，此時(shí)可以在2ET1、2ET2端口進(jìn)行短路或壽命試驗(yàn)。

通過10AH和201HK的合分操作，再通過201R、201L，可以在2ET1端口實(shí)現(xiàn)132～1295V、10kA～55kA的極限短路試驗(yàn)、短路保護(hù)裝置保護(hù)配合試驗(yàn)和分?jǐn)嘣囼?yàn)等。通過201R、203R、201L、203L和2ET2上端口短接，可以在2ET1端口實(shí)現(xiàn)132～1295V、0.5kA～10kA的短路試驗(yàn)、過載試驗(yàn)、額定接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)、壽命試驗(yàn)等[6]。通過201R、203R、201L、203L和2ET1上下端口短接，可以在2ET2端口實(shí)現(xiàn)132～1100V、0.5kA～10kA的極限短路、短路保護(hù)裝置保護(hù)配合試驗(yàn)、短路接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)等[7]。

通過11AH和301HK的合分操作，再通過202R、202L，可以在3ET1端口實(shí)現(xiàn)130～1100V、10kA～55kA的極限短路試驗(yàn)、短路保護(hù)裝置保護(hù)配合試驗(yàn)和分?jǐn)嘣囼?yàn)等。

5 各端口試驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

5.1 2ET1端口

對(duì)于前級(jí)阻抗201R、202R、201L、202L，110V時(shí)為5kA～40kA，250V時(shí)為10kA～60kA，440～647V 時(shí)為10kA～120kA，647～1295V時(shí)為10kA～65kA。

對(duì)于后級(jí)阻抗203R、203L，110V時(shí)為 0.5kA～5kA，250V時(shí)為0.5kA～10kA，440～647V時(shí)為0.5kA～10kA，647～1295V時(shí)為0.5kA～10kA。

5.2 2ET2端口

對(duì)于前級(jí)阻抗201R、203R、201L、203L，110V時(shí)為0.5kA～5kA，250V時(shí)為0.5kA～10kA，440～647V時(shí)為0.5kA～10kA，647～1295V時(shí)為0.5kA～10kA。

5.3 3ET1端口

對(duì)于前級(jí)阻抗202R、202L，110V時(shí)為5kA～30kA，250V時(shí)為10kA～40kA，440～647V時(shí)為10kA～65kA，647～1000V時(shí)為10kA～40kA。

6 測(cè)量與控制

測(cè)量與控制系統(tǒng)原理如圖2所示，選用SATURN系統(tǒng)，通過插入SATURN主機(jī)的板卡進(jìn)行測(cè)量與控制。

6.1 測(cè)量

測(cè)量系統(tǒng)由各擋位變送器、電壓傳感器及SATURN系統(tǒng)構(gòu)成，完成對(duì)試驗(yàn)電流和試驗(yàn)電壓的測(cè)量。

SATURN系統(tǒng)采用Flat SATURN主機(jī)、SATURN Data模塊和Tesesto 3M-16-8板卡，

圖2 測(cè)量與控制系統(tǒng)原理圖

同時(shí)增加直流測(cè)量用光纖模擬接收和發(fā)送模塊，型號(hào)為BELINK-INSR-3001-1和BELINK-INST-3001-1，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓和電流的采集[8]。

電壓采集采用分壓板和CV3-1000型電壓傳感器，進(jìn)行隔離電壓變送，該傳感器參數(shù)為1000V/10V，相對(duì)采樣精度為0.2%。

電流采集采用分流器和霍爾電流傳感器。

6.2 控制

控制系統(tǒng)由接觸器、繼電器等器件，以及可編程序控制器數(shù)字量輸入輸出模塊構(gòu)成，由數(shù)字量模塊控制相應(yīng)的執(zhí)行器件完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

控制系統(tǒng)的主要功能如下： 從人機(jī)界面接收試驗(yàn)設(shè)定和操作指令；按試驗(yàn)人員設(shè)定，根據(jù)試驗(yàn)流程完成試驗(yàn)電源的接通、分?jǐn)?；控制電壓回路接觸器，按要求順序合分，完成試驗(yàn)；讀取接觸器反饋，保證正常動(dòng)作；控制氣缸動(dòng)作，完成試品的斷開和閉合。

6.3 人機(jī)界面

人機(jī)界面以西門子可編程序控制器和SATURN主機(jī)的顯示器為輸出設(shè)備，以鍵盤、鼠標(biāo)為輸入設(shè)備，以軟件的顯示界面為操作界面，與測(cè)量控制功能合為一體。

可編程序控制器人機(jī)界面完成以下功能： ① 登錄，操作人員在此界面輸入用戶名、密碼，進(jìn)入操作界面；② 試驗(yàn)設(shè)置，操作人員可以設(shè)置短路試驗(yàn)控制方式、壽命試驗(yàn)控制方式，選擇試驗(yàn)端口、短路試驗(yàn)類型、壽命試驗(yàn)類型，設(shè)置試驗(yàn)通電時(shí)間、試驗(yàn)周期、試驗(yàn)頻率等；③ 電源狀態(tài)監(jiān)視，操作人員可以監(jiān)視電源回路中各個(gè)隔離刀開關(guān)、斷路器等器件的狀態(tài)；④ 電源設(shè)置，操作人員可以設(shè)置電源的配置，包括單臺(tái)變壓器單獨(dú)運(yùn)行、兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行，以及每臺(tái)變壓器的低壓刀開關(guān)組別等；⑤ 輔助電源設(shè)置，操作人員可以設(shè)置輔助電源的直流電壓、交流電壓、試品控制方式、故障判斷類型、試驗(yàn)室排風(fēng)控制等，輔助電壓調(diào)節(jié)可以選擇交流或直流；⑥ 整流裝置狀態(tài)監(jiān)視，操作人員可以查看整流裝置的狀態(tài)、報(bào)警、故障等；⑦ 故障信息顯示，操作人員可以查看所發(fā)生的故障、報(bào)警，以及錯(cuò)誤記錄；⑧ SATURN系統(tǒng)功能，包括試驗(yàn)電壓和電流波形采集、數(shù)據(jù)分析、報(bào)告生成等，可對(duì)電流和電壓的有效值、峰值、峰峰值，以及通電時(shí)間、燃弧時(shí)間、熔斷值、功率因數(shù)等進(jìn)行分析，并可根據(jù)客戶需要編輯報(bào)告格式。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著低壓電氣設(shè)備行業(yè)，以及光伏和太陽(yáng)能新能源行業(yè)的飛速發(fā)展，直流電氣設(shè)備的研發(fā)和測(cè)試投入都大大增加。結(jié)合低壓電氣設(shè)備發(fā)展規(guī)劃及智能電網(wǎng)的發(fā)展，將有大批直流電氣設(shè)備被開發(fā)和應(yīng)用于充電樁等新能源項(xiàng)目中。直流電氣設(shè)備的研究開發(fā)需要檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的技術(shù)支撐，六脈沖直流通斷系統(tǒng)可以服務(wù)于直流電氣設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，為企業(yè)提供產(chǎn)品檢測(cè)和技術(shù)服務(wù)[9]。

這一六脈沖直流通斷系統(tǒng)在原有交流通斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，六脈沖整流后的紋波因數(shù)理論值為4.2%，滿足CTL201A決議對(duì)空載條件下電源電壓紋波因數(shù)不應(yīng)超過5%的要求。系統(tǒng)建成后，對(duì)于華東地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、構(gòu)建檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)具有重要意義。

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