直流電器測(cè)試控制設(shè)備研究

李 野，謝曉玲，謝豐琴

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶401120）

直流電器測(cè)試控制設(shè)備研究

李 野1，謝曉玲1，謝豐琴2

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶401120）

根據(jù)GB 14048.1－2012等標(biāo)準(zhǔn)的要求，研發(fā)了用于直流配電電器及控制電器的大容量檢測(cè)裝置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求在直流大容量試驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)中借鑒了調(diào)速控制的方式，用調(diào)速器來(lái)控制可控硅，實(shí)現(xiàn)了直流大容量試驗(yàn)的數(shù)字化控制，電壓的調(diào)節(jié)也更加簡(jiǎn)單。在直流大容量試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了電壓從0V－938V的平滑調(diào)節(jié)，提高了直流電器的測(cè)試水平。

直流電器；電器測(cè)試；控制設(shè)備

1 引言

21世紀(jì)被稱為可再生能源的世紀(jì)，預(yù)計(jì)可再生能源利用技術(shù)、新型發(fā)電技術(shù)將會(huì)有重大突破，其在工業(yè)應(yīng)用中的規(guī)模將有大幅度提高［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界有66%的能源被白白浪費(fèi)掉，因此能源的高效利用技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。節(jié)約技術(shù)、節(jié)能技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的重要技術(shù)，這些技術(shù)包括：聯(lián)合循環(huán)、聯(lián)電聯(lián)產(chǎn)、熱泵、高效節(jié)能燈、建筑節(jié)能技術(shù)、電力電子技術(shù)、能源效益審計(jì)等。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)目標(biāo)，最主要的是采用直流供電技術(shù)，它將在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展迎來(lái)了通訊電源、EPS、UPS等直流電源行業(yè)的大發(fā)展，直流斷路器作為直流電源中各級(jí)饋電回路中最重要的操作和保護(hù)元器件，以其可靠的選擇性分級(jí)配合對(duì)保護(hù)設(shè)備、限制事故范圍起著非常重要的作用。目前我國(guó)的城市軌道交通體系均采用直流系統(tǒng)供電，而其直流電源大多由大功率硅整流裝置提供，硅整流裝置元器件因過(guò)載能力低，對(duì)直流電網(wǎng)保護(hù)元器件的要求更高［2］。快速分?jǐn)嗟闹绷鲗Ｓ脭嗦菲魇擒壍澜煌ㄖ械闹匾骷?/p>

直流供電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，是電力系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，與之配套的直流電器產(chǎn)品種類會(huì)越來(lái)越多，電壓、電流的等級(jí)也會(huì)越來(lái)越多，因此，直流電器產(chǎn)品最終將成為電器產(chǎn)品的主要構(gòu)成部分。

2 總體思路

通斷能力試驗(yàn)是模擬性試驗(yàn)，主要模擬電路中發(fā)生各種過(guò)載或短路故障時(shí)，電路中安裝的開(kāi)關(guān)電器是否能及時(shí)可靠地接通和分?jǐn)啻斯收想娏鳎徊⑶议_(kāi)關(guān)電器除必須可靠通斷所有故障電流外，還要能頻繁地通斷正常的工作電流，即非故障電流［3］。

直流通斷能力試驗(yàn)是考核或研究用于直流電路中的開(kāi)關(guān)電器的接通和分?jǐn)嗄芰Φ摹Ｖ绷魍〝嗄芰υ囼?yàn)除電源和部分試驗(yàn)設(shè)備與交流通斷能力試驗(yàn)有所不同外，其它都很接近［4］。

3 直流通斷能力試驗(yàn)系統(tǒng)

直流通斷能力試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備包括電源、保護(hù)開(kāi)關(guān)和合閘開(kāi)關(guān)、控制和測(cè)量設(shè)備、負(fù)載阻抗等幾個(gè)部分。圖1所示給出了直流通斷能力試驗(yàn)的主電路原理圖。

圖1 直流通斷能力試驗(yàn)的主電路原理圖

3.1 試驗(yàn)電源設(shè)備

直流通斷能力試驗(yàn)的電源設(shè)備有三種：蓄電池組、直流發(fā)電機(jī)組和整流裝置。蓄電池組作為直流試驗(yàn)電源的優(yōu)點(diǎn)是電壓很穩(wěn)定，不會(huì)受外界的干擾和影響，且電壓和電流紋波系數(shù)都為零。缺點(diǎn)是蓄電池組需要反復(fù)充電、維修麻煩及使用壽命較短等［5］。因此，蓄電池組一般只在特殊情況下才采用。直流發(fā)電機(jī)組作為直流試驗(yàn)電源的優(yōu)點(diǎn)是電壓可以均勻調(diào)節(jié)，電壓的脈動(dòng)分量很小，電壓值比較穩(wěn)定，而且對(duì)電網(wǎng)影響小；直流發(fā)電機(jī)組作為直流試驗(yàn)電源的缺點(diǎn)是機(jī)組有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因此噪音大，維修也麻煩，而且過(guò)載能力也差。除上述兩種試驗(yàn)電源外，目前用得更普遍的是整流裝置。整流電源裝置的整流部分主要由硅整流二極管串并聯(lián)組成，并配有可變換電壓的整流變壓器。整流電源裝置的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也不必像蓄電池組那樣要經(jīng)常充電，維修和使用都比較方便。

3.2 保護(hù)開(kāi)關(guān)和合閘開(kāi)關(guān)

保護(hù)開(kāi)關(guān)有3個(gè)作用：一是經(jīng)常用于空載接通或分?jǐn)嘣囼?yàn)電源；二是在試驗(yàn)過(guò)程中，如果試品不能分?jǐn)嘣囼?yàn)電流時(shí)，可用保護(hù)開(kāi)關(guān)及時(shí)切斷此電流；三是一旦試驗(yàn)電路發(fā)生短路故障，保護(hù)開(kāi)關(guān)可瞬時(shí)分?jǐn)啻斯收想娏鳎?］。合閘開(kāi)關(guān)只擔(dān)任“合閘”試驗(yàn)電流的任務(wù)，它只要具備能可靠接通最大可能的試驗(yàn)電流的能力即可。

3.3 測(cè)量設(shè)備

通斷能力試驗(yàn)過(guò)程中必須測(cè)量的參數(shù)主要有電壓、電流、功率因數(shù)、燃弧時(shí)間等［7］。這些被測(cè)參數(shù)多是瞬變量。因此，除采用常規(guī)測(cè)量?jī)x表外，還要有專用的示波器，即既要測(cè)量被測(cè)參數(shù)的量值，還要顯示和記錄被測(cè)參數(shù)的波形和瞬變過(guò)程。

3.4 負(fù)載阻抗

通斷能力試驗(yàn)所用的負(fù)載阻抗由可調(diào)電抗器和可調(diào)電阻器二者串聯(lián)組成。它的作用是調(diào)節(jié)試驗(yàn)電流大小和試驗(yàn)電路功率因數(shù)大小。

4 直流電源系統(tǒng)研究

目前，國(guó)內(nèi)外大功率整流電源輸出直流電壓的控制方式有兩種，即大功率二極管整流機(jī)組的調(diào)壓和大功率晶閘管整流機(jī)組的調(diào)壓方式。目前國(guó)外大功率整流電源中，采用6英寸硅片的大功率整流二極管或晶閘管，如 ABB、FUJI等公司［8］。那么，選用合適的直流通斷能力試驗(yàn)的電源設(shè)備，需要對(duì)市場(chǎng)上常用的整流電路和電源輸出方式作比較，比較情況如表1所示。

表1 各種整流電路優(yōu)缺點(diǎn)比較

從表1對(duì)比可以看出，直流通斷能力試驗(yàn)可采用電容濾波的三相不可控整流電路，在電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 三相橋式電路結(jié)構(gòu)模型

三相橋式電路結(jié)構(gòu)采用晶閘管三相全控橋整流電路，由T1T3T5組成共陰極，T4T6T2組成共陽(yáng)極。共陰極組和共陽(yáng)極組的每?jī)蓚€(gè)晶閘管相互換流，為了形成電流回路，必須使兩組中（正組晶閘管T1T3T5和反組晶閘管T4T6T2）應(yīng)導(dǎo)通的那兩個(gè)晶閘管同時(shí)有觸發(fā)脈沖［9］。其電路在工作時(shí)產(chǎn)生的整流電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 整流電路電壓、電流波形

直流通斷能力試驗(yàn)系統(tǒng)中采用直流調(diào)速裝置6RA70，兩片高性能微處理器80C163和80C167，來(lái)完成電樞和勵(lì)磁回路所有從速度設(shè)定到觸發(fā)脈沖形成的各種調(diào)節(jié)、傳動(dòng)控制功能，以及信息控制等各種輔助功能，是新一代高性能的全數(shù)字直流調(diào)速裝置［10］，其硬件模板按圖4所示的接線方式邊連接。

圖4 6RA70硬件模板連接示意圖

晶閘管作為整流電路的核心，在本直流通斷能力試驗(yàn)系統(tǒng)中占據(jù)至關(guān)重要的位置，一旦由于過(guò)電流、過(guò)電壓而導(dǎo)致晶閘管被擊穿，就會(huì)造成重大的運(yùn)行事故。因此，必須對(duì)整流主電路采取相應(yīng)保護(hù)措施。本系統(tǒng)選用直流調(diào)速裝置6RA70，其控制方式采用可控硅觸發(fā)的控制，具有可控硅的保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)等性能特點(diǎn)，能有效提高本直流通斷能力試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 回路阻抗設(shè)備

一般來(lái)說(shuō)，電器試驗(yàn)站的設(shè)計(jì)就是盡量減少回路固有阻抗而達(dá)到利用最小的成本出力最大的目的，所以試驗(yàn)變壓器一般都放置于離通斷試驗(yàn)室盡量近的地方，對(duì)于電路中的保護(hù)開(kāi)關(guān)、合閘開(kāi)關(guān)一般都在安裝在墻上以減小阻抗，而前級(jí)電感、前級(jí)電阻的出線端設(shè)置短路試驗(yàn)工位，而在短路試驗(yàn)工位旁設(shè)置帶有后級(jí)阻抗的通斷試驗(yàn)工位，根據(jù)業(yè)務(wù)量或者用戶的需要設(shè)置通斷試驗(yàn)工位的數(shù)量［11］。選相用的檢測(cè)設(shè)備主要采用的技術(shù)是通過(guò)機(jī)械式開(kāi)關(guān)，靠人工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意開(kāi)通角度和輸出波形的控制。

6 開(kāi)發(fā)特點(diǎn)及適用范圍

6.1 開(kāi)發(fā)特點(diǎn)

為了適應(yīng)行業(yè)電器產(chǎn)品發(fā)展的需要，建立了直流大容量試驗(yàn)設(shè)備，在直流大容量試驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)中，借鑒調(diào)速控制的方式用調(diào)速器來(lái)控制可控硅。采用調(diào)速器來(lái)控制可控硅，實(shí)現(xiàn)了直流大容量試驗(yàn)的數(shù)字化控制，電壓的調(diào)節(jié)也更加簡(jiǎn)單，電壓輸出更為靈活。該系統(tǒng)有廣闊的發(fā)展前景，可以滿足交直流通斷能力、耐受電流能力等開(kāi)關(guān)電器試驗(yàn)，并可進(jìn)一步擴(kuò)充，其特點(diǎn)如下。

在直流大容量試驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)中借鑒了調(diào)速控制的方式用調(diào)速器來(lái)控制可控硅。

由于采用了調(diào)速器來(lái)控制可控硅，實(shí)現(xiàn)了直流大容量試驗(yàn)的數(shù)字化控制，電壓的調(diào)節(jié)也更加簡(jiǎn)單。在直流大容量試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了電壓從0V－938V的平滑調(diào)節(jié)。

根據(jù)電源及設(shè)備參數(shù)配置了高精度電阻器以及電抗器，既滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，也保證了電流調(diào)節(jié)的精度。

6.2 適用范圍

該設(shè)備電壓調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，范圍靈活，在測(cè)試的可靠性與準(zhǔn)確性、試驗(yàn)方法的科學(xué)性和提高直流電器的測(cè)試水平等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在低壓電器試驗(yàn)領(lǐng)域中，技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)新并帶來(lái)了明顯的社會(huì)效益。滿足電廠、變電站直流系統(tǒng)；工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的直流系統(tǒng)；公商建直流監(jiān)控系統(tǒng)等的應(yīng)用要求，全面保證直流場(chǎng)合的供電及負(fù)載的安全穩(wěn)定［12］。

7 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)備的開(kāi)發(fā)中借鑒了調(diào)速控制的方式，采用調(diào)速器來(lái)控制可控硅。采用了調(diào)速器來(lái)控制可控硅，實(shí)現(xiàn)了直流大容量試驗(yàn)的數(shù)字化控制，電壓的調(diào)節(jié)也變得更加簡(jiǎn)單。在直流大容量試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了電壓從0V－938V的平滑調(diào)節(jié)。根據(jù)電源及設(shè)備參數(shù)配置了高精度電阻器以及電抗器，既滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，也保證了電流調(diào)節(jié)的精度。該成果使直流系統(tǒng)更加安全、可靠。同時(shí)，也以更全面、有效的解決方案服務(wù)于市場(chǎng)需求，滿足最苛刻的安全性、可靠性、能效及環(huán)境要求。電壓調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，范圍靈活，在測(cè)試的可靠性與準(zhǔn)確性、試驗(yàn)方法的科學(xué)性和提高直流電器的測(cè)試水平等方面具有明顯效果。

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Research on test control device of DC electric appliance

LI Ye1，XIE Xiao－ling1，XIE Feng－qin2
（1.Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；2.Chongqing Rail Transit（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China）

According to the requirements of standards such as GB 14048.1－2012，a large capacity test device for DC distribution appliance and control device is developed.According to the standard requirements，in the development of DC large capacity test device，the speed control method is used for reference and the SCR is controlled by governor to realize digital control for DC large capacity test，and voltage adjustment is also simpler.The voltage smooth adjustment from 0 V to 938 V is realized in the DC large capacity test，and the test level of DC electric appliance is improved.

DC electric appliance；appliance test；control device

TM301.2

A

李 野（1973－），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)殡姽る姎饪刂啤?/p>

2017－05－01

1005—7277（2017）02—0019—04