6kA高穩(wěn)定度直流電流源技術(shù)研究

胡呂龍　任民

摘 要：本文結(jié)合當(dāng)前直流輸電系統(tǒng)全面推廣的背景，基于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的試驗(yàn)的研究熱點(diǎn)下，分析了直流電流互感器現(xiàn)狀，并提出了6kA高穩(wěn)定度直流電流源的工作原理以及部件組成，旨在更好的推動(dòng)高壓直流電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，提升電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：6kA高穩(wěn)定度直流電流源；工作原理；部件組成

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.157

高壓直流輸電用于遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離輸電，因?yàn)樗鄬?duì)傳統(tǒng)的交流輸電更經(jīng)濟(jì)。目前在直流大電流精確測(cè)量方面的研究，國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展，但由于實(shí)際操作過(guò)程中，部分的直流電流互感器經(jīng)常性會(huì)發(fā)生測(cè)量不準(zhǔn)確等現(xiàn)象，使得繼電保護(hù)以及電能計(jì)量等相關(guān)工作均受到了影響，從而引起通道間數(shù)據(jù)差異較大、輸出零點(diǎn)過(guò)大等問(wèn)題，為此，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的試驗(yàn)成為了研究熱點(diǎn)[1]。直流電流互感器的誤差校準(zhǔn)核心在于容量大、穩(wěn)定度高的直流恒流源，研究對(duì)高壓直流電流互感器進(jìn)行校準(zhǔn)的6kA高穩(wěn)定度直流電流源十分必要。

1 直流電流互感器現(xiàn)狀

在對(duì)直流大電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，飽和電抗式直流電流傳感器、分流器法、直流電流比較儀以及霍爾直流傳感器等均是較常應(yīng)用的方法，在超/特高壓換流站中，直流互感器在其中占據(jù)了非常重要的作用，當(dāng)前國(guó)內(nèi)所采用的直流輸電系統(tǒng)，普遍來(lái)自于Siemens公司（德國(guó)）、ABB公司（瑞典）以及Hitech公司（荷蘭）等。就當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，部分的直流電流互感器經(jīng)常性會(huì)發(fā)生測(cè)量不準(zhǔn)確等現(xiàn)象，使得繼電保護(hù)以及電能計(jì)量等相關(guān)工作均受到了影響，從而引起通道間數(shù)據(jù)差異較大、輸出零點(diǎn)過(guò)大等問(wèn)題。

以往因受限于試驗(yàn)條件匱乏、缺乏相關(guān)監(jiān)督規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等原因的影響，針對(duì)直流電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，通常對(duì)其實(shí)施出廠校準(zhǔn)，關(guān)于其投運(yùn)前和運(yùn)行期間均未采取相應(yīng)的試驗(yàn)和校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)注流也往往只能夠在10%的額定電流環(huán)境下開(kāi)展，從而很難非常準(zhǔn)確的掌握直流電流互感器的實(shí)際運(yùn)行情況。同時(shí)也缺乏具有較高準(zhǔn)確性、操作簡(jiǎn)單方便的現(xiàn)場(chǎng)全量程范圍內(nèi)的校準(zhǔn)儀器。在時(shí)代發(fā)展的影響下，直流輸電的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其使用也更加廣泛，也促進(jìn)直流電流互感器的誤差檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，直流電流互感器檢測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程都在編制中。2018年6月1日即將實(shí)行DL/T1788-2017《高壓直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)規(guī)范》，所以對(duì)于直流電流互感器按規(guī)范進(jìn)行校驗(yàn)迫在眉睫[2]。

2 6kA高穩(wěn)定度直流電流源的工作原理

基本工作原理：當(dāng)設(shè)備供電時(shí)，變壓器將交流電壓380V變壓為符合整流需要的交流電壓10V，整流器把交流電壓整流成單向脈動(dòng)的電壓，濾波穩(wěn)壓電路通過(guò)電容和穩(wěn)壓器將整流出的電壓濾波穩(wěn)壓成直流輸出，單片機(jī)在對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)功率放大電路進(jìn)行控制，使其向負(fù)載輸出的電流得到更好的控制，并且借助串流回路的直流電流對(duì)比儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流信號(hào)的采集，運(yùn)用誤差放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)與電壓信號(hào)的相互比較放大，同時(shí)在放大后及時(shí)對(duì)偏差給予校正補(bǔ)償，從而確保輸出電力能夠控制在給定范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)備有故障時(shí)單片機(jī)調(diào)動(dòng)故障保護(hù)程序，停止執(zhí)行并報(bào)警。

3 6kA高穩(wěn)定度直流電流源的部件組成及介紹

3.1 基準(zhǔn)電路

恒流源的幅值調(diào)節(jié)在本項(xiàng)目中采用的是美國(guó)BURR-BROWN公司生產(chǎn)的16位高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC702KH作為主控調(diào)節(jié)直流基準(zhǔn)電壓，雙級(jí)性輸出±10V，最大增益溫度漂移為10ppm，最大非線性誤差±0.0015%。它作為主控調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)電壓，該芯片具有低增益漂移小和高精度等優(yōu)點(diǎn)。DAC702芯片是雙級(jí)性輸出±10V，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在研制中當(dāng)基準(zhǔn)電壓為6V，此時(shí)最高調(diào)節(jié)細(xì)度為0.005%，而此調(diào)節(jié)細(xì)度在量程低端（10%）將下降為0.05%。設(shè)置了粗、中、細(xì)3檔調(diào)節(jié)，分別為滿度的1%、0.1%、0.01%；更細(xì)的調(diào)節(jié)通過(guò)回路中的精密多圈電位器（10圈）實(shí)現(xiàn)，范圍為3%。

3.2 直流電流比較儀電路

恒流源的采樣環(huán)節(jié)是本項(xiàng)目研制的難點(diǎn)。在環(huán)節(jié)用電阻采樣過(guò)程中，傳統(tǒng)的采樣方法非常容易因電阻耗散溫升而導(dǎo)致不穩(wěn)定性，而電阻采樣穩(wěn)定性<10-4數(shù)量級(jí)，要想達(dá)到更高的精度和穩(wěn)定度則幾乎不可能。所以，要想達(dá)到更高的穩(wěn)定度，在采樣環(huán)節(jié)使用磁調(diào)制式直流電流比較儀，它是一種高精度的電流檢測(cè)裝置，其轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到10-5～10-6數(shù)量級(jí)。

3.3 直流反饋電路

恒流源的反饋信號(hào)是由直流電流比較儀采樣輸出的信號(hào)，將其與反饋信號(hào)Uf進(jìn)行對(duì)比，即可獲得電壓信號(hào)Vs，即通過(guò)DAC702HK芯片來(lái)獲得一個(gè)具有較高精度的基準(zhǔn)電壓。為此，可將U3視為一個(gè)對(duì)比放大器，并通過(guò)可調(diào)直流基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vs與反饋信號(hào)Uf在G點(diǎn)做對(duì)比后的和來(lái)表示。因兩者本身表現(xiàn)為極性相反，故當(dāng)其大小一致時(shí)就會(huì)兩兩抵消，并不會(huì)給功放單元造成較大的影響，可更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出直流電流的穩(wěn)定。

3.4 功放電路

功率放大電路也是該課題研制的難點(diǎn)，設(shè)備要求輸出400A大電流。功率放大使得工作電流、電壓也會(huì)隨之增大，從而使得功率也相應(yīng)的增加，使得功率管出現(xiàn)較為嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，容易損害，所以，選用耐壓較高的達(dá)林頓管（MJ11032G）作為功率放大器件，同時(shí)除了采用并聯(lián)管以擴(kuò)大輸出電流并采用鋁板散熱片和風(fēng)洞式一體化散熱器進(jìn)行散熱，在實(shí)際電路中，通常會(huì)要求放大電路的輸出級(jí)（即末級(jí)）輸出一定的功率，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

3.5 供電電源電路

恒流源所需要電壓主要為四部分：5V、15V、10V、30V。其中，5V為顯示模塊提供電壓，15V為控制電路提供電壓，10V為功率三極管輸出400A檔提供電壓，30V為功率三極管輸出100A檔提供電壓，檔位切換通過(guò)直流接觸器控制。為了能夠達(dá)到更穩(wěn)定的信號(hào)，可運(yùn)用橋式整流電流電容來(lái)實(shí)施濾波處理。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)研究和分析，搭建試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头抡嬗?jì)算，盡可能減小紋波，提高電源輸出的穩(wěn)定性，增大電源輸出容量。經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)果符合預(yù)期。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的恒流源能為超/特高壓直流換流站直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)提供容量大、穩(wěn)定度高的直流恒流電源，為準(zhǔn)確校驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)互感器提供助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]占清，朱自科，陳勇等.超高穩(wěn)定度大直流恒流源的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2017，40（03）：607-611.

[2]李亞維，謝敏，藍(lán)欣等.200kV低紋波高穩(wěn)定度直流高壓電源[J].強(qiáng)激光與粒子束，2016，28（01）：120-124.