一種直流系統多功能測試平臺的研究

廣西電網公司電力科學研究院 周 衛 黃東山 王曉明

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一種直流系統多功能測試平臺的研究

廣西電網公司電力科學研究院 周 衛 黃東山 王曉明

【摘要】本文介紹了一種直流系統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現場的實際工作環境，對直流系統主要運行及檢測設備（包括直流系統在線監測裝置、充電模塊、便攜式直流接地查找儀、直流系統分布參數測試儀等）進行測試，實現對直流系統核心裝置和主要儀器儀表的整體性能評估，解決直流系統主要設備及測試儀器儀表的入網檢測問題，同時解決目前國內直流系統、測試儀器儀表等設備的檢測標準和規范滯后或空白的問題。本文重點介紹了該平臺下充電機智能化測試模塊與絕緣監測裝置校驗模塊的實現方法。該平臺為直流系統科研項目開展、直流系統事故回放及分析試驗等提供了檢測手段。

【關鍵詞】充電模塊；絕緣監測裝置；分布電容；直流系統校驗；開關偷跳

1 概述

1.1 直流系統主要運行及檢測設備的運行現狀

目前直流系統的主要運行設備及測試儀器的性能指標都是由廠家提供，運行一段時間后性能下降的情況時有發生。其中包括充電模塊穩壓精度、穩流精度、紋波系數超標，絕緣監測設備電壓測量精度電阻測量精度下降、功能不全、選線不準等。這些問題如果長期得不到解決將嚴重危害到直流系統的安全運行。

1.2 直流系統運行與檢測設備測試現狀

然而目前直流系統的主要運行設備及測試儀器、儀表由于標準不全、現場運行條件的復雜性等原因，往往無法對設備性能的技術指標進行準確評價。盡管有些分立檢測設備可以對直流系統中的部分設備進行檢測，但由于本身精度不夠，標準不統一，無法對直流系統進行整體評估與分析。

1.3 直流系統多功能測試平臺的研究思想

為了解決直流系統測試儀器儀表等設備的檢測標準和規范長期滯后甚至空缺，檢測設備無法滿足要求的問題，研究出一套直流系統多功能測試平臺對直流系統中的各類設備進行測試與評估非常有意義。

本文重點介紹了該平臺下充電機智能化測試模塊與絕緣監測裝置校驗模塊的實現原理與方法。

2 系統結構

2.1 結構組成

直流系統多功能測試平臺采用模塊化的設計思路，由充電機智能化測試模塊、直流系統絕緣在線監測裝置測試和評估模塊、系統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、直流系統分布參數測試模塊、直流系統多功能測試裝置后臺軟件組成五大部分組成。

2.2 結構特點

2.2.1 具有優良的可擴展性

模塊化的設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備進行檢測評估。

2.2.2 便于檢測設備的維護

各個檢測模塊之間相互獨立，維護方便。

2.2.3 有利于提高了檢測儀器的可靠性、穩定性，保證檢測精度

各個檢測模塊內部采用全隔離式設計，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，以便拿到現場測試分析，分析更加全面。

3 充電機智能化測試模塊原理

充電機綜合測試模塊由三相自動調壓模塊、紋波高速采樣模塊及直流可調負載組成，三部分在測試軟件的控制下，可完成充電機各項性能指標的測試，充電機綜合測試模塊組成如圖1所示。

3.1 三相自動調壓模塊原理

3.1.1 三相自動調壓模塊結構

為了模擬充電機的真實運行情況，三相自動調壓器的調壓模塊采用工頻調壓器，三相自動調壓器由模擬量采樣電路、直流電機驅動電路、大功率變壓器線包、觸屏控制顯示電路、RS485上位機通信電路組成，其組成結構框如圖2所示。

圖1　充電機智能化測試模塊結構圖

圖2　三相自動調壓模塊結構原理圖

3.1.2 三相自動調壓模塊特點

①工頻設計

采用工頻調壓器，完全模擬充電機的實際運行情況。②電壓調節范圍寬

在輸入380V+-10%范圍內可實現輸出380V+-15%范圍內的三相電壓調整，完全滿足測試要求。

③三相獨立調整

每相采用獨立的全隔離控制電路與電機進行調壓控制，即使在三相輸入不平衡狀態下也可實現輸出的精確控制。

④分級分時調壓控制技術

每相采用了四級PWM調速控制，且三相分時控制，兼顧了調壓控制的快速與準確。

3.2 紋波采樣模塊原理

為了能準確的測量出充電機的紋波有效值系數和紋波峰峰值系數，充電機智能化測試模塊配置了高速采樣板，可通過USB接口與上位機相連，充電機智能測試軟件可實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。

3.3 直流可調負載原理

3.3.1 直流可調負載模塊結構

為了防止在測試過程中因為負載變化對測量結果造成影響，在該模塊中采用純電阻負載。直流可調負載由電壓電流采樣電路、IGBT負載驅動電路、直流負載及顯示控制電路及RS485上位機通信電路組成，其組成結構框圖如圖3所示。

圖3　直流可調負載結構圖

3.3.2 直流可調負載模塊特點

①純阻性材料設計

負載材料采用鎳鉻絲Cr20Ni80電阻絲，抗氧化性好，高溫下不變脆。

②16路開關管控制

16路IGBT管控制負載輸出，實現了大動態與高精度的控制。

③限時反饋控制技術

有限的反饋次數保證了對充電機進行檢測時負載沒有任何變化，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轉換芯片實現了0.1級以上的測量精度，滿足檢測要求。

4 絕緣監測裝置校驗模塊原理

4.1 絕緣監測裝置校驗模塊組成結構

絕緣裝置校驗模塊由直流程控電源，阻容驅動陣列，阻容陣列，交流自動調壓模塊，控制器及人機觸控操作組成，可對直流系統絕緣裝置、便攜式接地故障查找儀、直流系統分布參數測試儀等設備的各項性能指標的測試。其組成結構如圖4所示：

圖4　絕緣監測裝置校驗模塊結構框圖

4.2 絕緣監測裝置校驗模塊特點

4.2.1 完備的檢測功能

配備兩路直流電源，兩路電阻陣列、電容陣列及調壓模塊，可模擬各類絕緣檢測設備的運行環境，對絕緣檢測設備進行全面測試評估。

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，具有輸出穩定，精度高， 控制方便等優點。

4.2.3 全隔離 阻容驅動模式

每一路電阻或電容均采用TLP521光電隔離器配合MC1413繼電器專用驅動芯片進行控制，保障了檢測 準確性與穩定性，為測試評估有效性提供了保障。

4.2.4 連續可調的交流竄入電壓設置

交流竄入電壓中從10V—264V進行設置，交流調壓采用全隔離電機驅動，配合獨有的分級調節 技術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，可實現0.1K—999.9K范圍內電阻的模擬測試，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。

4.2.6 適應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行曲線顯示，可對不同工作原理的絕緣監測設備進行檢測。

5 直流系統分布電容引起開關偷跳的風險評估模型的建立

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

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行分析。

6 直流系統其它設備的檢測

上述對直流系統中的充電模塊檢測原理、絕緣監測裝置校驗原理進行了詳細描述，在該平臺下還可以對便攜式接地故障查找儀，直流系統分布參數測試儀等設備進行檢測。該平臺還可通過擴展實現對直流系統中蓄電池維護設備進行檢測。

7 總結

本文通過對直流系統多功能測試裝置組成原理進行分析，為直流系統中的各類運行檢測設備提供了有效的檢測分析手段，在該研究方案下設計出的多功能測試平臺能夠滿足直流系統運行設備的檢測需求，可廣泛應用于電力科學研究機構對現役設備進行檢測評估，同時也可用于直流設備生產廠家對自身設備的出廠性能測試。

參考文獻

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周衛（1984—），男，湖北荊門人，工程師，工學碩士，主要從事電力系統繼電保護研究、開發及技術監督與技術檢查工作。

黃東山（1971—），男，廣西柳州人，高級工程師，工學碩士，長期從事電力系統繼電保護檢修、研究、開發及技術監督與技術檢查工作。

王曉明（1984—），男，山西平遙人，助理工程師，工學碩士，主要從事電力系統繼電保護工作。

作者簡介：