直流綜合測(cè)試儀的應(yīng)用

深圳供電局有限公司 周永光 熊理想 王 兵 郭海雄

關(guān)鍵字：電力安全；直流系統(tǒng)；維護(hù)；消缺

1 引言

如何確保供電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要從變電站的直流電源系統(tǒng)入手，因該系統(tǒng)可為整個(gè)電站提供穩(wěn)定、安全的電源。繼電保護(hù)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、通信裝置等二次設(shè)備主要依靠直流電源系統(tǒng)供電工作。直流電源發(fā)生故障，會(huì)致使繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)，遠(yuǎn)動(dòng)裝置、通信裝置功能失效，設(shè)備事故無(wú)法有效切除等事故，將導(dǎo)致不可估量的損失。

為保證直流電源系統(tǒng)的供電可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以?xún)陕方涣鬏斎氲某潆娧b置作為主要供電電源，然后將該系統(tǒng)中的蓄電池作為保障系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)正常運(yùn)行的裝置。另外，充電裝置以及蓄電池是能夠使該直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部分。目前，對(duì)直流電源系統(tǒng)的測(cè)試主要停留在采用輸出測(cè)量、帶負(fù)荷調(diào)試等。

DL/T 724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》對(duì)直流電源系統(tǒng)充電裝置穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)以及蓄電池等技術(shù)的參數(shù)都進(jìn)行了一定的限制。但目前為止，變電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的設(shè)備技術(shù)參數(shù)都是由廠家出廠測(cè)試時(shí)提供，由于制造工藝參差不齊以及隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的推移，設(shè)備難免發(fā)生技術(shù)參數(shù)下降的情況，站內(nèi)維護(hù)人員缺少專(zhuān)業(yè)設(shè)備，無(wú)法確認(rèn)設(shè)備是否滿(mǎn)足變電站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求。使得存在缺陷的設(shè)備對(duì)直流電源系統(tǒng)構(gòu)成潛在危害。

因此，研究一套便于檢修人員攜帶或搬運(yùn)的能夠測(cè)試充電裝置各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，以及蓄電池容量的綜合測(cè)試裝置，可有效發(fā)現(xiàn)充電裝置以及在蓄電池還存在這一些不足之處，特別是在蓄電池的技術(shù)含參數(shù)方面還存在一定問(wèn)題，解決這一問(wèn)題的辦法是盡可能地提升該系統(tǒng)的可靠性。

2 直流綜合測(cè)試裝置簡(jiǎn)介

直流綜合測(cè)試裝置正是針對(duì)上述問(wèn)題而研制的，因?yàn)槠淇梢暂敵鲇行У牟⑶沂强煽刂频娜嚯妷?，可以精?zhǔn)地測(cè)試穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度及紋波系數(shù)，有效測(cè)量蓄電池實(shí)際容量的綜合性測(cè)試儀器。

直流綜合測(cè)試裝置拓?fù)鋱D如圖1所示，其主要包含調(diào)壓模塊、電池巡檢模塊、控制模塊、測(cè)量模塊以及負(fù)載模塊[1]?？刂颇K采用工控主板作為硬件基礎(chǔ)，中文Windows操作系統(tǒng)作為硬件基礎(chǔ)，以及真彩液晶屏及觸摸屏作為人機(jī)交互屏幕，具有高可靠性和易操作性。

圖1 直流綜合測(cè)試裝置拓?fù)鋱D

綜合測(cè)試儀測(cè)量的基本功能是阻抗測(cè)量，首先應(yīng)保證阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確度，其次要保證測(cè)量速度，特別對(duì)于多線(xiàn)圈多參數(shù)的掃描測(cè)量，測(cè)量速度的快慢直接決定了自動(dòng)化測(cè)試線(xiàn)上的產(chǎn)能。參照同類(lèi)儀器，項(xiàng)目合同規(guī)定測(cè)試儀性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 綜合測(cè)試儀性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 負(fù)載模塊

直流充電裝置和蓄電池都是大容量電源設(shè)備，負(fù)載作為測(cè)試過(guò)程中電力承受的主體，必須具備優(yōu)良的耐負(fù)荷能力、散熱能力，同時(shí)為保證測(cè)量精度，還要求負(fù)載在高熱環(huán)境下保持良好線(xiàn)性度。

直流綜合測(cè)試儀的負(fù)載采用新型PTC材料制作，與其他材料相比，新型PTC材料的負(fù)載能力更加強(qiáng)大，而且這種材料的線(xiàn)性度也更加的優(yōu)越；除此之外，這種材料還具有精度高的特點(diǎn)；因這種材料的體積比較小、重量相對(duì)來(lái)說(shuō)較輕，因此方便攜帶；總之，這種材料有其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此是目前蓄電池放電熱門(mén)材料。負(fù)載模塊將多個(gè)電阻塊通過(guò)排列組合的方式連接，可通過(guò)控制模塊任意調(diào)節(jié)負(fù)載大小。

2.2 調(diào)壓模塊

由于維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)缺少監(jiān)測(cè)手段和設(shè)備，目前測(cè)試條件只能采用市電來(lái)進(jìn)行測(cè)試，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電壓在85%～115%進(jìn)行測(cè)試，但是目前要采取的市電無(wú)法滿(mǎn)足這個(gè)條件，這樣也就無(wú)法按照原定的設(shè)想進(jìn)行測(cè)試。因此，對(duì)充電裝置的測(cè)試需要提供穩(wěn)定的、可調(diào)的交流輸入電壓，才能實(shí)現(xiàn)在規(guī)定輸入電壓范圍內(nèi)對(duì)充電裝置進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試。

直流綜合測(cè)試儀為此專(zhuān)門(mén)研究了交流調(diào)壓模塊，調(diào)壓模塊采用AC-DC-AC連接結(jié)構(gòu)，利用觸點(diǎn)調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電壓，同時(shí)使輸入與輸出實(shí)現(xiàn)電氣隔離。如圖2所示，交流電輸入經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)式隔離變壓器調(diào)節(jié)電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離輸出。隔離變壓器輸出電壓經(jīng)過(guò)整流橋整流，再通過(guò)半橋逆變?cè)韺?shí)現(xiàn)相位調(diào)整，輸出波形完整，幅值穩(wěn)定的交流電壓。

圖2 調(diào)壓模塊原理圖

3 直流綜合測(cè)試裝置的應(yīng)用

3.1 穩(wěn)壓精度及紋波系數(shù)測(cè)試

穩(wěn)壓精度代表了充電裝置輸入時(shí)的穩(wěn)定性，波紋系數(shù)代表了充電裝置輸出時(shí)的穩(wěn)定性，總之，只有這兩個(gè)數(shù)值正常，電壓才能穩(wěn)定。紋波系數(shù)過(guò)高，容易產(chǎn)生有害諧波，對(duì)電子設(shè)備、數(shù)字信號(hào)等造成干擾，損壞蓄電池質(zhì)量。為了保證數(shù)值的精準(zhǔn)度，穩(wěn)壓精度應(yīng)≤±（0.1%～0.5%），紋波系數(shù)應(yīng)≤（0.2%～0.5%）。

當(dāng)交流輸入電壓在額定電壓±10%范圍內(nèi)數(shù)值進(jìn)行不斷的波動(dòng)時(shí)，與此同時(shí)負(fù)荷電流也會(huì)在0～100%額定值這個(gè)區(qū)間內(nèi)不斷的波動(dòng)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差值，一個(gè)整定值，誤差值為電壓誤差值，穩(wěn)定值為電壓穩(wěn)定值。這兩個(gè)數(shù)值之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比值，這個(gè)比值為穩(wěn)壓精度：

式中，δu為穩(wěn)壓精度，UM為輸出電壓波動(dòng)極限值，UZ為輸出電壓整定值。

將直流電壓的最大值與最小值相減，再取二分之一，然后再將這個(gè)數(shù)值與直流輸出電壓平均值相比，會(huì)得到一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值就是波紋系數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中，δ為紋波系數(shù)，Uf為輸出電壓波動(dòng)峰值，Ug為輸出電壓壓波動(dòng)谷值，Up為輸出電壓平均值。

測(cè)試時(shí)，環(huán)境選擇在110kV變電站內(nèi)，采用直流綜合測(cè)試儀在220V直流電源系統(tǒng)備用充電裝置中展開(kāi)。受測(cè)充電裝置于2019年投運(yùn)，投運(yùn)前廠家出示專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)結(jié)果中穩(wěn)壓精度≤±0.5%，紋波系數(shù)小于±0.5%。測(cè)試調(diào)節(jié)輸入電壓從342V到418V分5級(jí)設(shè)置，負(fù)荷從0到5A分5級(jí)設(shè)置，測(cè)量結(jié)果如圖3所示，受測(cè)充電裝置穩(wěn)壓精度為-0.047%，紋波系數(shù)為-0.274，測(cè)試結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定[2]。

圖3 蓄電池本地控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 穩(wěn)流精度及輸出電流誤差試驗(yàn)

當(dāng)交流輸入電壓額定電壓在±10%區(qū)間內(nèi)不斷波動(dòng)時(shí)，輸出的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)值，當(dāng)然這個(gè)數(shù)字也是有范圍的，這個(gè)范圍在20%～100%，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差值與設(shè)定值，這個(gè)誤差值是輸出電流的誤差值，而這個(gè)設(shè)定值為輸出電流的設(shè)定值，誤差值與設(shè)定值之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比值，這個(gè)比值也就是穩(wěn)定精度。穩(wěn)流精度應(yīng)＜±（0.5%～1%）。如下式：

其中，δ為穩(wěn)壓精度，IM為輸出電流波動(dòng)極限值，IZ為輸出電流整定值。

測(cè)試過(guò)程將充電裝置輸入電壓設(shè)定為342V到418V,分5級(jí)輸入，輸出電壓設(shè)定為198V到230V，分5級(jí)輸出。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，受測(cè)充電裝置的穩(wěn)流精度為-0.133%，輸出電流誤差為-0.550，符合相關(guān)規(guī)定，充電裝置狀態(tài)良好。

3.3 蓄電池核容測(cè)試

蓄電池本地控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，在本地控制系統(tǒng)中，放電控制裝置起到母線(xiàn)開(kāi)關(guān)切換功能，在蓄電池放電儀的控制下，完成本地放電過(guò)程。

蓄電池的作用在整個(gè)直流電源系統(tǒng)中較為重要，因其是該系統(tǒng)的后備電源，蓄電池的作用還體現(xiàn)在當(dāng)電源系統(tǒng)斷電時(shí)，可以保證電量的正常供應(yīng)，因此蓄電池可成為電源系統(tǒng)的后備電源，以備不時(shí)之需。所有的蓄電池組都需要進(jìn)行核對(duì)性試驗(yàn)，但是檢驗(yàn)的時(shí)間是不一樣的，新的檢測(cè)年限需要在2～3年內(nèi)完成，如老舊的（時(shí)間超過(guò)6年），檢測(cè)時(shí)間就需要一年一次[3]。蓄電池的容量、單體內(nèi)阻、單體電壓等方面也是不能忽視的，也需要定期地進(jìn)行檢測(cè)，一旦任何一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問(wèn)題，都需要進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，只有保證這些數(shù)據(jù)的正常范圍值，才能進(jìn)一步的確保蓄電池正常運(yùn)行。

直流綜合測(cè)試裝置不僅具備蓄電池組核容放電功能，還能自動(dòng)測(cè)量蓄電池容量，自動(dòng)生成蓄電池放電特性曲線(xiàn)圖。通過(guò)分析每個(gè)單體蓄電池放電特性曲線(xiàn)，可以預(yù)估蓄電池運(yùn)行狀態(tài)。

本次測(cè)試的#2蓄電池組額定容量為300Ah，單體電壓為2V的蓄電池組。先通過(guò)均充電將蓄電池充滿(mǎn)，退出蓄電池后，將蓄電池接入直流綜合測(cè)試儀，以0.1C10放電率對(duì)蓄電池進(jìn)行核容放電。

測(cè)試結(jié)果顯示，放電時(shí)間為9.85h，終止條件為#40蓄電池電壓達(dá)到終止電壓。核容放電前蓄電池組電壓為230.31V，放電后191.58V。核算容量為額定容量的98.5%，容量符合相關(guān)規(guī)定要求。蓄電池放電曲線(xiàn)如圖4所示，蓄電池的放電曲線(xiàn)均呈現(xiàn)相對(duì)平滑下降，#40號(hào)蓄電池初始電壓較低，且率先達(dá)到終止放電電壓1.8V，但放電曲線(xiàn)平滑正常。經(jīng)測(cè)量，該蓄電池內(nèi)阻為0.133Ω，相對(duì)其他蓄電池平均內(nèi)阻高約80mΩ。后經(jīng)過(guò)對(duì)該蓄電池進(jìn)行活化處理，內(nèi)阻恢復(fù)正常。

圖4 蓄電池核容放電試驗(yàn)結(jié)果

3.4 蓄電池核容放電試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

如果能運(yùn)用并聯(lián)型直流電源屏，可進(jìn)一步將電池的使用壽命延長(zhǎng)，因?yàn)樵撾娫雌辆哂兄С蛛姵鼗旌鲜褂谩⒃诰€(xiàn)核容、在線(xiàn)放電試驗(yàn)、蓄電池內(nèi)阻在線(xiàn)測(cè)量等功能。與常見(jiàn)的串聯(lián)的相比，并聯(lián)設(shè)備可以自己進(jìn)行維護(hù)，不需要人為地去修正，這樣可以節(jié)約成本。參照《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）》、TB/T2892—2018《電氣化鐵路用直流電源裝置》、DLT1074—2019《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行修檢[4]。蓄電池要保證使用的前6年內(nèi)每?jī)赡赀M(jìn)行相應(yīng)的檢查，6年之后，要每年都對(duì)蓄電池進(jìn)行全核對(duì)性充放電試驗(yàn)；在進(jìn)行放電試驗(yàn)時(shí)，必須提前準(zhǔn)備好電池內(nèi)阻測(cè)試儀、放電儀、備用電池等器材。因?yàn)閷?duì)于蓄電池的全核對(duì)性試驗(yàn)時(shí)間，一般情況下相對(duì)較長(zhǎng)，并且試驗(yàn)時(shí)不可中斷，如果中斷，需要重新進(jìn)行核融。

4 結(jié)語(yǔ)

本次直流綜合測(cè)試儀的應(yīng)用，主要將重點(diǎn)放在穩(wěn)壓精度以及穩(wěn)流精度這兩個(gè)方面，而本次測(cè)試的主要對(duì)象為110kV變電站內(nèi)220V直流電源系統(tǒng)，進(jìn)行這一系列測(cè)試的主要原因是，對(duì)于該系統(tǒng)#2蓄電池組容量進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了存在單體蓄電池內(nèi)阻過(guò)高現(xiàn)象，內(nèi)阻高的蓄電池長(zhǎng)期充放電會(huì)導(dǎo)致容量及電壓越來(lái)越低，隨著電壓變得越來(lái)越低，就會(huì)對(duì)蓄電池產(chǎn)生一定的影響，如果電壓持續(xù)降低，最終會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的開(kāi)路，而一旦蓄電池組開(kāi)路，則會(huì)對(duì)直流電源整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生消極影響，因?yàn)殡姵亟M開(kāi)路，蓄電池也就不會(huì)再有后備電源得的作用，最后導(dǎo)致功能供電系統(tǒng)的癱瘓。

直流綜合測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確測(cè)試充電模塊穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度以及紋波系數(shù)，除了可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)之外，還可以進(jìn)行相應(yīng)的核對(duì)性試驗(yàn)。同時(shí)，能夠記錄測(cè)試結(jié)果，生成測(cè)試記錄和相關(guān)波形。在變電站直流電源系統(tǒng)中應(yīng)用，可發(fā)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)充電機(jī)、蓄電池的故障或缺陷，并可及時(shí)維護(hù)和消缺，對(duì)確保直流電源系統(tǒng)供電可靠，甚至保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行都有良好的社會(huì)效益[5]。