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        母線槽綜合特性測試系統(tǒng)

        2021-10-29 08:28:36柴龍董紀(jì)圣孫云龍金濤俞奕君
        電子制作 2021年18期
        關(guān)鍵詞:母線槽穩(wěn)流電抗

        柴龍,董紀(jì)圣,孫云龍,金濤,俞奕君

        (浙江方圓電氣設(shè)備檢測有限公司,浙江嘉興,314000)

        0 引言

        根據(jù)國標(biāo)GB/T 7251.6-2015《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6 部分:母線干線系統(tǒng)(母線槽)》定義[1],母線槽是為所有類型的負(fù)載配電和控制電能,適用于工業(yè)、商業(yè)和類似用途,導(dǎo)體系統(tǒng)形式的封閉成套設(shè)備。為保證電能安全可靠的輸送,設(shè)計(jì)人員和使用人員需要掌握母線槽每米的相導(dǎo)體特性參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在進(jìn)行母線槽電氣性能(相導(dǎo)體特性)試驗(yàn)時(shí)需要通以額定電流達(dá)到母線槽溫升穩(wěn)定時(shí)測量母線槽的電阻、電抗、阻抗等參數(shù),傳統(tǒng)的相導(dǎo)體特性測量時(shí)需要用到電流表、電壓表、功率表,分別進(jìn)行電流、電壓和功率的讀數(shù),然后根據(jù)換算公式計(jì)算出電阻(R)、電抗(X)、阻抗(Z)等參數(shù);在進(jìn)行母線槽電氣性能(故障零序阻抗)測量時(shí)同樣需要通以試驗(yàn)電流,在測量電流、電壓和功率基礎(chǔ)上,然后根據(jù)換算公式計(jì)算出電阻(R)、電抗(X)、阻抗(Z)等參數(shù)。

        上述的測量方法,存在兩個(gè)不足,一是電流表、電壓表、功率表數(shù)據(jù)在不同儀表上獲取,無法保證是同一時(shí)刻的數(shù)據(jù),而電壓、電流的數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)變化的,另一方面是通過讀取數(shù)據(jù),還需要后續(xù)的公式換算,才能得出電阻(R)、電抗(X)、阻抗(Z)等參數(shù),因此所得的數(shù)據(jù)精度和科學(xué)性都有待提高。

        針對上述不足,我們在移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,研制開發(fā)了母線槽綜合特性測試系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻,直接讀出電壓、電流、有功功率,并通過計(jì)算機(jī)軟件,按電阻、電抗、阻抗與電壓、電流、有功功率的相互關(guān)系的公式運(yùn)算,從而直接獲得電阻(R)、電抗(X)、阻抗(Z),提高了測試精度和測試效率。

        1 基本原理

        ■1.1 電壓、電流、有功功率的相互關(guān)系

        母線槽綜合特性測試系統(tǒng)直接測量每相電路的電壓、電流和功率因數(shù),采用下式:

        其中各相的功率因數(shù),通過測量電壓超前電流的相位角獲得。既可以計(jì)算出總功率,也可以計(jì)算出各相的功率。

        ■1.2 電阻、電抗、阻抗與電壓、電流、有功功率的相互關(guān)系[1]

        L 為母線槽的長度;θ 為周圍空氣溫度;Δθ 為相導(dǎo)體平均溫升;V12,V23,V31分別為相間電壓降的有效值;I1,I2,I3分別為各相電流的有效值;Zθ、Rθ分別為周圍空氣溫度為θ 時(shí)的單位長度阻抗、電阻;X 為單位長度電抗,其值與溫度無關(guān)的。

        Z(0)bθx和R(0)bθx分別為周圍空氣溫度為θ 時(shí),母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻;X(0)bx為母線槽故障回路的單位長度零序電抗,其值與溫度無關(guān);Z(0)b20x、R(0)b20x分別為不運(yùn)行且其導(dǎo)體溫度為20℃時(shí),母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻;Z(0)bx和R(0)bx分別為母線槽在周圍空氣溫度為35℃下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻。

        2 母線槽綜合特性測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

        母線槽綜合特性測試系統(tǒng)主要由移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置[2]和電量采集測量系統(tǒng)組成。

        移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置主要由人機(jī)界面觸摸屏、可編程控制器(PLC)、帶伺服系統(tǒng)的兩級調(diào)壓器、低壓大電流變壓器、電流采樣單元(電流互感器、電流變送器、A/D轉(zhuǎn)換器)等組成[2]。

        電量采集測量系統(tǒng)工作原理是先通過電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣,采用專用集成電路,對采樣電壓和電流信號進(jìn)行處理,并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出,然后通過單片機(jī)進(jìn)行處理、控制,把脈沖顯示為用電量并輸出。

        電量采集測量系統(tǒng)由電流采樣單元、電壓采樣單元、計(jì)量芯片及單片機(jī)等組成。電流采樣單元采用電流互感器,計(jì)量芯片采用ATT7022B,它集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路,是一個(gè)通用性強(qiáng)的計(jì)量芯片。單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型STM32F103xx。

        基于移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置,采用的是低電壓恒流工作方式,其電壓是毫伏級或僅幾伏,因此,電壓采樣采用直接輸入方法。電量采集測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

        圖1 電量采集測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

        3 母線槽綜合特性測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        母線槽綜合特性測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由兩大部分組成:穩(wěn)流控制系統(tǒng)軟件和電量采集測量系統(tǒng)軟件組成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框見圖2。

        圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

        ■3.1 穩(wěn)流控制系統(tǒng)軟件

        穩(wěn)流控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法,由試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊、特性參數(shù)計(jì)算模塊、動(dòng)作控制模塊組成。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊的設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定,包含電流互感器參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)定、時(shí)間設(shè)置等項(xiàng)目;特性參數(shù)計(jì)算模塊包含電量參數(shù)計(jì)算和通電時(shí)間計(jì)算,通過對電流、時(shí)間等參數(shù)比較、運(yùn)算,由動(dòng)作控制模塊控制輸入側(cè)的電源電壓,自動(dòng)調(diào)整輸出電流,達(dá)到穩(wěn)定輸出電流。

        測試系統(tǒng)采用威綸通WEINVIEW MT6070iE型觸摸屏,應(yīng)用 EasyBuilder Pro 威綸通觸摸屏軟件,設(shè)計(jì)上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)。設(shè)置顯示界面見圖3;穩(wěn)流顯示界面見圖4。

        圖3 設(shè)置顯示界面

        圖4 穩(wěn)流和通電顯示界面

        ■3.2 電量采集測量系統(tǒng)軟件

        將電流電壓采集信號,通過電量采集測量系統(tǒng),將各相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等數(shù)據(jù),通過RS485RTU 傳輸送到位機(jī)。

        特性參數(shù)計(jì)算模塊采用本文基本原理的相應(yīng)計(jì)算公式,通過輸入冷態(tài)環(huán)境溫度、熱態(tài)環(huán)境溫度、母線槽溫升θ△、母線槽最高溫度θ 及母線槽長度等,選擇試驗(yàn)?zāi)J剑瑢?shí)現(xiàn)同一時(shí)刻采集的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、頻率等電性能參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算和顯示,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出相應(yīng)的功率、電阻(R)、電抗(X)、阻抗(Z)。母線槽綜合特性測試系統(tǒng)顯示界面見圖5。

        圖5 母線槽綜合特性測試系統(tǒng)顯示界面

        4 實(shí)際應(yīng)用與數(shù)據(jù)比對

        ■4.1 實(shí)際應(yīng)用

        通過對300A 母線槽在母線槽綜合特性測試系統(tǒng)試驗(yàn),直接獲得以下數(shù)據(jù)。見圖6。

        說明:圖 6 為300A 母線槽實(shí)際測量數(shù)據(jù)。其中顯示屏上部分的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、頻率為實(shí)際動(dòng)態(tài)測量顯示數(shù)值,顯示屏中間部分是根據(jù)實(shí)際測量數(shù)值和人工輸入值計(jì)算得出的結(jié)果值,顯示屏左下部分為人工輸入數(shù)值,包含冷態(tài)環(huán)境溫度和熱態(tài)環(huán)境溫度為周圍空氣溫度,θΔ表示為母線槽的溫升,θ1表示為母線槽的溫升加上基準(zhǔn)環(huán)境溫度(一般為35℃),L 和LPN為母線槽的長度。

        圖6 300A 母線槽測試數(shù)據(jù)

        ■4.2 數(shù)據(jù)比對

        為了分析本裝置的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,我們在母線槽通電試驗(yàn)時(shí),在采用本試驗(yàn)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的同時(shí),分別采用傳統(tǒng)表頭法和日本橫河WT1804E 高精度功率分析儀(0.5 級)測量電壓、電流和功率,并根據(jù)本文基本原理中的公式進(jìn)行電阻、阻抗、電抗計(jì)算。具體數(shù)據(jù)見表1。

        表1 不同測試裝置的數(shù)據(jù)結(jié)果比較

        由表1 可見,本試驗(yàn)系統(tǒng)和日本橫河WT1804E 高精度功率分析儀獲得的數(shù)值比較接近,而與傳統(tǒng)的電壓表、電流表、功率表表頭獲得的數(shù)據(jù)比較,數(shù)值的誤差比較大,但在5%以內(nèi)。

        5 結(jié)語

        母線槽綜合特性測試系統(tǒng)將低壓大電流穩(wěn)流系統(tǒng)和測量系統(tǒng)主要功能集成一體,為母線槽溫升試驗(yàn)的恒流條件及其相導(dǎo)體特性參數(shù)(電阻、電抗、阻抗)的測量精度提供保障;本系統(tǒng)通過同一時(shí)刻實(shí)時(shí)測量電壓、電流、有功功率的方案,彌補(bǔ)了不同電表無法同一時(shí)刻測量數(shù)據(jù)的不足。同時(shí),可以通過采集的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)算并集中顯示在人機(jī)界面上,自動(dòng)化程度提高,測量結(jié)果更加科學(xué)可靠。該測試系統(tǒng)將操作方便,有效提高檢測效率。

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