王 龍，郭寅遠(yuǎn)，陳順芝

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450046；2.許昌開(kāi)普檢測(cè)研究院股份有限公司，河南許昌 461000）

直流電源是電力系統(tǒng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)操作及繼電保護(hù)的重要設(shè)備，其質(zhì)量和性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電力設(shè)備安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。近年來(lái)，由直流電源的質(zhì)量問(wèn)題造成的電力系統(tǒng)重大事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。該文采用先進(jìn)的充放電設(shè)備，研制了一套先進(jìn)的微機(jī)控制系統(tǒng)及微機(jī)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，建立了一種直流電源質(zhì)量檢測(cè)方法，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目及質(zhì)量控制策略。

1 充電機(jī)充放電設(shè)備

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配置滿足充放電實(shí)驗(yàn)、直流電源柜測(cè)試、蓄電池檢測(cè)實(shí)驗(yàn)要求的設(shè)備，充放電設(shè)備應(yīng)穩(wěn)定可靠且可平滑調(diào)節(jié)[1]。充放電設(shè)備應(yīng)具有自動(dòng)記錄和分析相關(guān)數(shù)據(jù)的功能，經(jīng)過(guò)充放電設(shè)備的工作數(shù)據(jù)分析和后期人工處理，以方便對(duì)直流電源設(shè)備的主要參數(shù)進(jìn)行比較分析。

1.1 充電設(shè)備

電源充電設(shè)備采用全自動(dòng)浮充電裝置，可用于蓄電池充電實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)均衡充電。直流電源電壓逐步升高至給定電壓時(shí)，設(shè)備電壓環(huán)輸出電壓逐漸降低，此時(shí)相當(dāng)于電流環(huán)的給定電流降低，從而起到電壓環(huán)經(jīng)電流環(huán)控制移相觸發(fā)器達(dá)到控制穩(wěn)壓的作用[2]。直流電源充電實(shí)驗(yàn)穩(wěn)流精度不大于2%，電源穩(wěn)壓精度不大于1%；電源的紋波系數(shù)不大于2%，工作噪聲不大于60 dB，電源設(shè)備主變壓器溫升不大于60 K；設(shè)備輸出電壓在0～320 V 之間；設(shè)備輸出電流在0～50 A 之間。設(shè)備工作時(shí)，緩慢平滑調(diào)節(jié)設(shè)備輸出電壓和電流，以免損壞設(shè)備。全自動(dòng)充電機(jī)電氣原理圖如圖1 示。

圖1 全自動(dòng)充電機(jī)電氣原理圖

1.2 放電設(shè)備

電阻性負(fù)載的放電設(shè)備主要用于調(diào)整充電機(jī)、蓄電池、直流屏等設(shè)備的放電電流。放電設(shè)備在一定程度上是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定器和安全閥，每次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前后都需對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行放電，放電的目的除了檢測(cè)相關(guān)設(shè)備性能外，還保護(hù)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人員[3]。放電設(shè)備主要由滑線電阻器組成，該實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)目標(biāo)電流為2 A、4 A、8 A、13 A、20 A、40 A。電阻可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的放電電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)沖擊電流在0～300 A 間調(diào)節(jié)，即電阻在0～10 Ω間可調(diào)[4]。將所有放電設(shè)備的電阻裝在一臺(tái)可移動(dòng)的小車上，將放電開(kāi)關(guān)及電流表、電壓表安裝在車前面板上，可通過(guò)移動(dòng)小車調(diào)節(jié)電阻（電流）值。

2 質(zhì)量控制系統(tǒng)

2.1 電源測(cè)量系統(tǒng)

電源測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集信號(hào)箱、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)分析軟件及A/D 模塊等組成。數(shù)據(jù)采集信號(hào)箱將待測(cè)信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 模塊可將轉(zhuǎn)變后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，其具備顯示信號(hào)、分析測(cè)量和打印圖形的功能[5]。該系統(tǒng)可直接測(cè)量高壓電源，使用差分輸入增強(qiáng)抗干擾能力并避免了由測(cè)量線接地或共地引起的短路故障；該系統(tǒng)具有多檔位、寬量程、分檔細(xì)等特點(diǎn)；該系統(tǒng)還配有LEM 系列的霍爾元件電流互感器，交直流電流均可測(cè)量[6]。該測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 電源測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

2.2 測(cè)量控制系統(tǒng)

測(cè)量控制系統(tǒng)選用微機(jī)可編程序控制器，其輸出接點(diǎn)可啟動(dòng)直流接觸器，直接進(jìn)行沖擊電流實(shí)驗(yàn)。微機(jī)程控器具有16 路的輸出，可設(shè)置的時(shí)間范圍為0～9 999 ms，可實(shí)現(xiàn)限時(shí)控制、條件控制、計(jì)數(shù)控制、定次數(shù)自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作和單次動(dòng)作等，必要時(shí)還可以通過(guò)編輯程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控和容錯(cuò)功能。檢測(cè)前可根據(jù)控制需求進(jìn)行簡(jiǎn)單地編程，通常采用梯形圖編程形式[7]。

3 直流電源檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)前，一方面，要對(duì)產(chǎn)品的銘牌進(jìn)行核驗(yàn)，主要核驗(yàn)生產(chǎn)廠家、參數(shù)、產(chǎn)品型號(hào)、編號(hào)、生產(chǎn)日期等信息；另一方面，要檢查設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)（構(gòu)建）形式、加工質(zhì)量（精度）等；最后對(duì)設(shè)備的圖紙、操作手冊(cè)、養(yǎng)護(hù)說(shuō)明等技術(shù)文件和隨機(jī)資料等進(jìn)行檢查。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行檢查，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前需進(jìn)行絕緣檢查實(shí)驗(yàn)，絕緣檢查合格后方可進(jìn)行下一步。實(shí)驗(yàn)檢查有兩種操作：一是人工設(shè)置絕緣水平不高于規(guī)定值，絕緣檢查裝置應(yīng)通過(guò)聲光信號(hào)和相關(guān)動(dòng)作能正確顯示絕緣狀態(tài)；二是人為調(diào)整控制電源母線電壓，電壓監(jiān)視繼電器通過(guò)相關(guān)動(dòng)作、聲光信號(hào)能正確顯示絕緣狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要隨機(jī)檢查產(chǎn)品試后情況，檢查設(shè)備、儀表、儀器等情況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理[8]。

直流電源性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可分為3 個(gè)組合實(shí)驗(yàn)，即直流電源充電機(jī)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、電池組容量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和電池組基本性能曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其中上述第1 項(xiàng)為充電機(jī)組合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，第1～2 項(xiàng)為直流電源柜組合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，第2～3 項(xiàng)為蓄電池組組合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.1 直流電源充電機(jī)實(shí)驗(yàn)

直流電源充電機(jī)組合實(shí)驗(yàn)主要含絕緣實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)流穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)、紋波系數(shù)測(cè)量及溫升等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。首先，要開(kāi)展絕緣實(shí)驗(yàn)，電源母線對(duì)地50 Hz/2 kV 實(shí)驗(yàn)電壓持續(xù)1 min，試品未出現(xiàn)閃絡(luò)及擊穿情況視為合格。因絕緣設(shè)備通常具有一定的電容，在絕緣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行的前后，必須對(duì)設(shè)備實(shí)施充分放電，以保證人員和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全。在進(jìn)行試品工頻耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，在變壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加在變壓器兩端的額定電壓值要大于實(shí)驗(yàn)設(shè)備兩端的電壓值，并且額定電壓的大小必須滿足容量大小的要求[9]。實(shí)驗(yàn)變壓器的最小容量計(jì)算公式如式（1）所示。

其中，Cz為實(shí)驗(yàn)設(shè)備電容值，U為變壓器的額定電壓，f為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電源的工作頻率。

其次，絕緣實(shí)驗(yàn)合格后可開(kāi)展穩(wěn)流精度實(shí)驗(yàn)：在充電裝置處于恒流充電狀態(tài)下，采用調(diào)壓器調(diào)整輸入的交流為其額定電流值的110%、100%和90%，調(diào)整負(fù)載直流為其額定電流值的20%、50%及100%。調(diào)整輸出電壓處在最低檔、額定檔、浮充電壓檔及最高檔，分別測(cè)量輸出的相應(yīng)電流值，篩選出上述情況的充電電流的極值。測(cè)量出的穩(wěn)流精度不應(yīng)大于±5%[10]。上述電流穩(wěn)流精度計(jì)算公式如式（2）所示。

其中，δI為穩(wěn)流的精度，IZ為交流輸入電壓是額定電壓且電壓處于中間值時(shí)的充電電流，IM為電源充電電流的極限值。測(cè)試接線圖如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)流精度測(cè)試接線圖

穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)：當(dāng)充電裝置為穩(wěn)壓充電時(shí)，采用調(diào)壓設(shè)備調(diào)整輸入交流電壓為額定電壓值的110%、100%和90%，調(diào)整負(fù)載直流為其額定值的0%、20%、50%和100%。當(dāng)直流輸出電壓處于調(diào)整范圍的最低值、額定值、浮充電壓值和最高值時(shí)，分別測(cè)量出相應(yīng)的輸出電壓值，篩選出上述范圍內(nèi)充電裝置輸出電壓的極限值[11]。測(cè)量出的穩(wěn)壓精度不應(yīng)大于±2%。測(cè)試接線圖同圖2。

穩(wěn)壓精度的計(jì)算公式如式（3）所示。

其中，δU為穩(wěn)壓的精度，UZ為輸入額定電壓時(shí)在負(fù)載電流為50%的額定電流時(shí)，輸出的電壓值。UM為直流電源輸出電壓的極值。

再次在示波器頻帶寬為20 MHz 和水平掃描速度在0.5 s/DIV 條件下，測(cè)量紋波系數(shù)。即在充電裝置處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，用調(diào)壓設(shè)備調(diào)整輸入交流電壓為額定電壓值的110%、100%和90%，調(diào)整控制母線的負(fù)載直流電流為額定電流值的0%、50%和100%，調(diào)整控制母線的直流輸出電壓為額定值的90%、100%和125%，同時(shí)分別測(cè)量充電裝置輸出電壓U、輸出電壓交流分量峰峰值UPP（示波器顯示值）及交流分量有效值Urms（電壓表顯示值）。測(cè)出的紋波系數(shù)應(yīng)不大于±2%。測(cè)試接線圖同圖2。

紋波有效值系數(shù)及紋波峰值系數(shù)計(jì)算公式如式（4）所示。

其中，Xrms為紋波有效值系數(shù)，XPP為紋波峰值系數(shù)，Urms是輸出電壓交流分量的有效值，UPP是輸出電壓交流的分量峰峰值，UDC是直流輸出電壓的平均值。

最后，還需進(jìn)行直流電源溫升檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)調(diào)整輸出充電浮充電裝置至額定電流值時(shí)，每60 min 對(duì)變壓器（電抗器）鐵芯、整流管及降壓硅堆外殼溫升測(cè)量一次，當(dāng)溫升穩(wěn)定時(shí)即可停止測(cè)量。通過(guò)觀察溫度計(jì)、點(diǎn)溫計(jì)檢測(cè)熱電偶測(cè)量變壓器鐵芯、晶閘管外殼、降壓硅堆外殼等元部件的溫度變化?；蚶秒娮璺y(cè)量電抗器及變壓器線圈溫升來(lái)檢測(cè)溫升變化情況[12]。

線圈的溫升計(jì)算公式如式（5）所示。

其中，k為線圈的溫升，R1為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)量線圈的冷態(tài)電阻，T1為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前環(huán)境的溫度，R2為實(shí)驗(yàn)后測(cè)量線圈的熱態(tài)電阻，T2為實(shí)驗(yàn)后環(huán)境的溫度。各部件允許溫升值k見(jiàn)表2。

表2 各部件允許的溫升值k

3.2 直流電源柜實(shí)驗(yàn)

使用前除了必須做上述充電機(jī)系列檢測(cè)實(shí)驗(yàn)外，直流電源柜還需開(kāi)展噪聲測(cè)量、負(fù)荷實(shí)驗(yàn)和電源事故放電能力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)等。

噪聲測(cè)量試驗(yàn)開(kāi)始前，調(diào)整母線的輸出電流為額定電流，在噪聲小于40 dB 的環(huán)境下，距電源柜外圍不小于1 m，在1～1.5 m 的高處，使用聲壓計(jì)在四周8（2×4 均勻布置）個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)出平均噪聲值小于60 dB 時(shí)，認(rèn)為噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)合格。

負(fù)荷實(shí)驗(yàn)主要含沖擊電流實(shí)驗(yàn)及控制母線的連續(xù)供電實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行沖擊電流實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整母線輸出電流為額定電流值的1/2，調(diào)整動(dòng)力母線的電壓為浮充電壓值，動(dòng)力母線輸出500 ms 的沖擊負(fù)荷，同步測(cè)量控制母線電壓，使控制母線電壓值不低于198 V[13]。在進(jìn)行控制母線連續(xù)供電實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整母線輸出電流為額定電流值的1/2，同時(shí)中斷交流電源，并測(cè)量控制母線電壓，使控制母線電壓值不低于198 V。連續(xù)供電實(shí)驗(yàn)電路如圖3 所示。

圖3 連續(xù)供電實(shí)驗(yàn)電路圖

進(jìn)行電池組容量實(shí)驗(yàn)時(shí)，用恒流充電方式對(duì)鎘鎳蓄電池組充電，控制充電電流為0.2CA（C為電池組的容量）。用均衡充電方式對(duì)鉛酸蓄電池組充電，控制充電電流為0.1CA，充電均壓為2.35n（n為電池的單體個(gè)數(shù)）。在實(shí)驗(yàn)電池組進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制鎘鎳蓄電池組放電電流（180 只）0.2CA，放電終壓為180 V，容量不低于銘牌額定容量[14]。進(jìn)行鉛酸蓄電池組放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制放電電流為0.1CA，放電終壓為33.25 V，容量應(yīng)不小于額定容量的90%。電池組容量測(cè)試接線及充放電曲線如圖4 示。

圖4 電池組容量實(shí)驗(yàn)接線及充放電曲線圖

進(jìn)行事故放電能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制鎘鎳蓄電池組事故放電電流為0.5CA，控制鉛酸蓄電池組事故放電電流為0.2CA。鎘鎳蓄電池組要求沖擊電流為0.5C+4.5C=5CA，鉛酸蓄電池組要求沖擊電流則為0.2C+2.2C=2.4CA（僅限于100 Ah 及以下）。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，事故電流If要持續(xù)放電1 h以上，且要在不斷電狀態(tài)下進(jìn)行沖擊合閘，每次沖擊電流持續(xù)時(shí)間不低于500 ms，連續(xù)重復(fù)不少于10 次，兩次實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間保持2 s 為宜[15]。實(shí)驗(yàn)程序控制器動(dòng)作時(shí)間整定表如表3 所示，測(cè)試接線圖及電壓、電流波形圖如圖5 所示。

表3 程序控制器動(dòng)作時(shí)間整定表

圖5 電池組事故放電能力實(shí)驗(yàn)接線圖及電壓、電流波形圖

3.3 電池組性能曲線實(shí)驗(yàn)

電池組的性能曲線實(shí)驗(yàn)主要含多倍率放電曲線實(shí)驗(yàn)及多倍率放電1 h 后的沖擊放電曲線實(shí)驗(yàn)。電池組測(cè)試接線與事故放電能力實(shí)驗(yàn)一致，測(cè)試的程序可參照容量實(shí)驗(yàn)及事故放電能力實(shí)驗(yàn)的程序。同一電流狀態(tài)下放電的曲線實(shí)驗(yàn)及放電1 h 后沖擊放電的曲線實(shí)驗(yàn)可在同一平臺(tái)分步進(jìn)行。當(dāng)電池組放電1 h 后，可選擇不同沖擊負(fù)載電阻來(lái)進(jìn)行沖擊放電實(shí)驗(yàn)[16-18]。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的沖擊縱坐標(biāo)，繪制出相應(yīng)的沖擊放電曲線，電池組不同倍率放電曲線見(jiàn)圖6。

圖6 電池組不同倍率放電曲線

4 結(jié)論

文中介紹了一種直流電源裝置檢測(cè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)手段完整、檢測(cè)項(xiàng)目齊全、自動(dòng)化水平高、測(cè)量精度符合計(jì)量規(guī)定，可開(kāi)展多種直流電源檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析了它能開(kāi)展的主要質(zhì)檢項(xiàng)目。介紹了直流電源檢測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量控制策略，對(duì)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)及關(guān)鍵部分做了分析說(shuō)明?？偨Y(jié)了主要直流電源檢測(cè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的實(shí)施要點(diǎn)，對(duì)部分電源關(guān)鍵參數(shù)給出參考值，對(duì)進(jìn)一步提升直流電源綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量有一定參考意義。