一種直流系統(tǒng)多功能測試平臺的研究

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

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一種直流系統(tǒng)多功能測試平臺的研究

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)多功能測試平臺的研究方法，通過該平臺可以模擬直流系統(tǒng)現(xiàn)場的實(shí)際工作環(huán)境，對直流系統(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)對直流系統(tǒng)核心裝置和主要儀器儀表的整體性能評估，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)行一段時間后性能下降的情況時有發(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，往往無法對設(shè)備性能的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評價。盡管有些分立檢測設(shè)備可以對直流系統(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，無法對直流系統(tǒng)進(jìn)行整體評估與分析。

1.3 直流系統(tǒng)多功能測試平臺的研究思想

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)多功能測試平臺對直流系統(tǒng)中的各類設(shè)備進(jìn)行測試與評估非常有意義。

本文重點(diǎn)介紹了該平臺下充電機(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)多功能測試平臺采用模塊化的設(shè)計思路，由充電機(jī)智能化測試模塊、直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測裝置測試和評估模塊、系統(tǒng)對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)計思路可以方便的在該平臺上添加其它測試模塊以對不同類型直流設(shè)備進(jìn)行檢測評估。

2.2.2 便于檢測設(shè)備的維護(hù)

各個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

各個檢測模塊內(nèi)部采用全隔離式設(shè)計，排除了相互之間可能引起的電磁干擾，保障了測評平臺的可靠性、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)計思想兼顧了便攜性與一體化的要求，測評平臺中的部分檢測模塊可以方便的從測試平臺取出，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 三相自動調(diào)壓模塊原理

3.1.1 三相自動調(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，三相自動調(diào)壓器的調(diào)壓模塊采用工頻調(diào)壓器，三相自動調(diào)壓器由模擬量采樣電路、直流電機(jī)驅(qū)動電路、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　三相自動調(diào)壓模塊結(jié)構(gòu)原理圖

3.1.2 三相自動調(diào)壓模塊特點(diǎn)

①工頻設(shè)計

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分級分時調(diào)壓控制技術(shù)

每相采用了四級PWM調(diào)速控制，且三相分時控制，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)時讀取該高速采集卡中的紋波有效值與峰峰值，且于計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

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)了大動態(tài)與高精度的控制。

③限時反饋控制技術(shù)

有限的反饋次數(shù)保證了對充電機(jī)進(jìn)行檢測時負(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)動陣列，阻容陣列，交流自動調(diào)壓模塊，控制器及人機(jī)觸控操作組成，可對直流系統(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，對絕緣檢測設(shè)備進(jìn)行全面測試評估。

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，配合獨(dú)有的分級調(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)險評估模型的建立

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

該測試平臺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地分布電容的情況下對中間繼電器是否動作進(jìn)行分析。

6 直流系統(tǒng)其它設(shè)備的檢測

上述對直流系統(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，在該平臺下還可以對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。該平臺還可通過擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對直流系統(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)計出的多功能測試平臺能夠滿足直流系統(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)對現(xiàn)役設(shè)備進(jìn)行檢測評估，同時也可用于直流設(shè)備生產(chǎn)廠家對自身設(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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