直流電器測試控制設備研究

李 野，謝曉玲，謝豐琴

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

直流電器測試控制設備研究

李 野1，謝曉玲1，謝豐琴2

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

根據GB 14048.1－2012等標準的要求，研發了用于直流配電電器及控制電器的大容量檢測裝置。根據標準要求在直流大容量試驗設備的開發中借鑒了調速控制的方式，用調速器來控制可控硅，實現了直流大容量試驗的數字化控制，電壓的調節也更加簡單。在直流大容量試驗中實現了電壓從0V－938V的平滑調節，提高了直流電器的測試水平。

直流電器；電器測試；控制設備

1 引言

21世紀被稱為可再生能源的世紀，預計可再生能源利用技術、新型發電技術將會有重大突破，其在工業應用中的規模將有大幅度提高［1］。據統計全世界有66%的能源被白白浪費掉，因此能源的高效利用技術將得到廣泛應用。節約技術、節能技術將是未來發展的重要技術，這些技術包括：聯合循環、聯電聯產、熱泵、高效節能燈、建筑節能技術、電力電子技術、能源效益審計等。隨著電力技術的發展，要實現節約型社會目標，最主要的是采用直流供電技術，它將在各個領域中發揮重要作用。

信息產業的蓬勃發展迎來了通訊電源、EPS、UPS等直流電源行業的大發展，直流斷路器作為直流電源中各級饋電回路中最重要的操作和保護元器件，以其可靠的選擇性分級配合對保護設備、限制事故范圍起著非常重要的作用。目前我國的城市軌道交通體系均采用直流系統供電，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載能力低，對直流電網保護元器件的要求更高［2］。快速分斷的直流專用斷路器是軌道交通中的重要元器件。

直流供電技術具有廣闊的應用前景，是電力系統未來的發展方向，與之配套的直流電器產品種類會越來越多，電壓、電流的等級也會越來越多，因此，直流電器產品最終將成為電器產品的主要構成部分。

2 總體思路

通斷能力試驗是模擬性試驗，主要模擬電路中發生各種過載或短路故障時，電路中安裝的開關電器是否能及時可靠地接通和分斷此故障電流；并且開關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］。

直流通斷能力試驗是考核或研究用于直流電路中的開關電器的接通和分斷能力的。直流通斷能力試驗除電源和部分試驗設備與交流通斷能力試驗有所不同外，其它都很接近［4］。

3 直流通斷能力試驗系統

直流通斷能力試驗的試驗設備包括電源、保護開關和合閘開關、控制和測量設備、負載阻抗等幾個部分。圖1所示給出了直流通斷能力試驗的主電路原理圖。

圖1 直流通斷能力試驗的主電路原理圖

3.1 試驗電源設備

直流通斷能力試驗的電源設備有三種：蓄電池組、直流發電機組和整流裝置。蓄電池組作為直流試驗電源的優點是電壓很穩定，不會受外界的干擾和影響，且電壓和電流紋波系數都為零。缺點是蓄電池組需要反復充電、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。直流發電機組作為直流試驗電源的優點是電壓可以均勻調節，電壓的脈動分量很小，電壓值比較穩定，而且對電網影響?。恢绷靼l電機組作為直流試驗電源的缺點是機組有機械轉動部分，因此噪音大，維修也麻煩，而且過載能力也差。除上述兩種試驗電源外，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組成，并配有可變換電壓的整流變壓器。整流電源裝置的優點是無機械轉動部分，也不必像蓄電池組那樣要經常充電，維修和使用都比較方便。

3.2 保護開關和合閘開關

保護開關有3個作用：一是經常用于空載接通或分斷試驗電源；二是在試驗過程中，如果試品不能分斷試驗電流時，可用保護開關及時切斷此電流；三是一旦試驗電路發生短路故障，保護開關可瞬時分斷此故障電流［6］。合閘開關只擔任“合閘”試驗電流的任務，它只要具備能可靠接通最大可能的試驗電流的能力即可。

3.3 測量設備

通斷能力試驗過程中必須測量的參數主要有電壓、電流、功率因數、燃弧時間等［7］。這些被測參數多是瞬變量。因此，除采用常規測量儀表外，還要有專用的示波器，即既要測量被測參數的量值，還要顯示和記錄被測參數的波形和瞬變過程。

3.4 負載阻抗

通斷能力試驗所用的負載阻抗由可調電抗器和可調電阻器二者串聯組成。它的作用是調節試驗電流大小和試驗電路功率因數大小。

4 直流電源系統研究

目前，國內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組的調壓和大功率晶閘管整流機組的調壓方式。目前國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的電源設備，需要對市場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 各種整流電路優缺點比較

從表1對比可以看出，直流通斷能力試驗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構，如圖2所示。

圖2 三相橋式電路結構模型

三相橋式電路結構采用晶閘管三相全控橋整流電路，由T1T3T5組成共陰極，T4T6T2組成共陽極。共陰極組和共陽極組的每兩個晶閘管相互換流，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）應導通的那兩個晶閘管同時有觸發脈沖［9］。其電路在工作時產生的整流電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 整流電路電壓、電流波形

直流通斷能力試驗系統中采用直流調速裝置6RA70，兩片高性能微處理器80C163和80C167，來完成電樞和勵磁回路所有從速度設定到觸發脈沖形成的各種調節、傳動控制功能，以及信息控制等各種輔助功能，是新一代高性能的全數字直流調速裝置［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系統中占據至關重要的位置，一旦由于過電流、過電壓而導致晶閘管被擊穿，就會造成重大的運行事故。因此，必須對整流主電路采取相應保護措施。本系統選用直流調速裝置6RA70，其控制方式采用可控硅觸發的控制，具有可控硅的保護、過電流保護等性能特點，能有效提高本直流通斷能力試驗系統的可靠性和穩定性。

5 回路阻抗設備

一般來說，電器試驗站的設計就是盡量減少回路固有阻抗而達到利用最小的成本出力最大的目的，所以試驗變壓器一般都放置于離通斷試驗室盡量近的地方，對于電路中的保護開關、合閘開關一般都在安裝在墻上以減小阻抗，而前級電感、前級電阻的出線端設置短路試驗工位，而在短路試驗工位旁設置帶有后級阻抗的通斷試驗工位，根據業務量或者用戶的需要設置通斷試驗工位的數量［11］。選相用的檢測設備主要采用的技術是通過機械式開關，靠人工操作來實現，傳統的機械式開關無法實現任意開通角度和輸出波形的控制。

6 開發特點及適用范圍

6.1 開發特點

為了適應行業電器產品發展的需要，建立了直流大容量試驗設備，在直流大容量試驗設備的開發中，借鑒調速控制的方式用調速器來控制可控硅。采用調速器來控制可控硅，實現了直流大容量試驗的數字化控制，電壓的調節也更加簡單，電壓輸出更為靈活。該系統有廣闊的發展前景，可以滿足交直流通斷能力、耐受電流能力等開關電器試驗，并可進一步擴充，其特點如下。

在直流大容量試驗設備的開發中借鑒了調速控制的方式用調速器來控制可控硅。

由于采用了調速器來控制可控硅，實現了直流大容量試驗的數字化控制，電壓的調節也更加簡單。在直流大容量試驗中實現了電壓從0V－938V的平滑調節。

根據電源及設備參數配置了高精度電阻器以及電抗器，既滿足了標準要求，也保證了電流調節的精度。

6.2 適用范圍

該設備電壓調節簡單，范圍靈活，在測試的可靠性與準確性、試驗方法的科學性和提高直流電器的測試水平等方面具有明顯優勢，在低壓電器試驗領域中，技術進步創新并帶來了明顯的社會效益。滿足電廠、變電站直流系統；工業、基礎設施等領域的直流系統；公商建直流監控系統等的應用要求，全面保證直流場合的供電及負載的安全穩定［12］。

7 結束語

在設備的開發中借鑒了調速控制的方式，采用調速器來控制可控硅。采用了調速器來控制可控硅，實現了直流大容量試驗的數字化控制，電壓的調節也變得更加簡單。在直流大容量試驗中實現了電壓從0V－938V的平滑調節。根據電源及設備參數配置了高精度電阻器以及電抗器，既滿足了標準要求，也保證了電流調節的精度。該成果使直流系統更加安全、可靠。同時，也以更全面、有效的解決方案服務于市場需求，滿足最苛刻的安全性、可靠性、能效及環境要求。電壓調節簡單，范圍靈活，在測試的可靠性與準確性、試驗方法的科學性和提高直流電器的測試水平等方面具有明顯效果。

［1］孫舒捷，邰能靈，薄志謙.高壓直流輸電工程中的直流斷路器設計及應用仿真［J］.華東電力，2009（03）.

［2］周宏宇，羅隆福，許加柱，董書大.改進型地鐵用直流斷路器［J］.電力系統及其自動化學報，2011（02）.

［3］榮命哲，楊 飛，吳 翊，孫 昊.直流斷路器電弧研究的新進展［J］.電工技術學報，2014（01）.

［4］姚廣平，王振剛，董 琦，溫家良.一種高壓直流斷路器的電路構成及其試驗方法［J］.水電能源科學，2011（07）.

［5］王儉樸.城市軌道車輛牽引仿真平臺的研究［J］.城市軌道交通研究，2011（11）.

［6］呂娜璽，杜連超.城軌車輛高速斷路器性能檢測系統的設計［J］.機車電傳動，2011（04）.

［7］張 驕.城市軌道交通車輛關鍵系統故障分類算法研究及診斷系統開發［D］.太原科技大學，2012.

［8］陳 帥，韓 芳，徐小軍.數字電路基本邏輯運算的硬件語言描述與應用［J］.自動化與儀器儀表.2009（04）.

［9］Ruan Aiwu，Li Wenchang，Xiang Chuanyin，Song Jiangmin，Kang Shi.Graph theory for FPGA minimum configurations［J］.Journal of Semiconductors.2011（11）.

［10］戴建華，李開成.基于Rogowski線圈的大電流測量［J］.高電壓技術，2002（01）.

［11］周良才.關于大容量電力電容器極間交流耐壓試驗的意見［J］.高電壓技術，2000（01）.

［12］林 浩，倪學鋒，張浩奮，賈申龍.電力電容器進行直流耐壓試驗的危害［J］.高電壓技術，2000（03）.

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，研究方向為電工電氣控制。

2017－05－01

1005—7277（2017）02—0019—04