儀器表計(jì)非標(biāo)電壓檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)制作

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司計(jì)量中心，四川 成都 610041)

儀器表計(jì)非標(biāo)電壓檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)制作

劉偉

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司計(jì)量中心，四川 成都 610041)

在計(jì)量檢測(cè)中，存在一個(gè)普遍問(wèn)題，不論是指針式、數(shù)顯式還是智能式儀器表計(jì)，基本都有“工作電壓220 V±10%”的技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)實(shí)質(zhì)為非標(biāo)準(zhǔn)電壓，一般校驗(yàn)儀器不具備該類(lèi)信號(hào)，給檢測(cè)工作帶來(lái)阻礙，甚至有些機(jī)構(gòu)放棄了該項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際驗(yàn)證。工作電壓涉及到儀器表計(jì)功能范圍和工作穩(wěn)定性，是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)護(hù)與運(yùn)行可靠性的重要保證，故進(jìn)行準(zhǔn)確校驗(yàn)是必須的。為此開(kāi)展了設(shè)計(jì)制作工作，并取了得圓滿成功，在計(jì)量檢測(cè)應(yīng)用中收到了良好效果。

非標(biāo)電壓；計(jì)量檢測(cè)；電壓提升；無(wú)級(jí)調(diào)壓

0 前 言

在電力網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流、頻率、通訊、電度表、繼電保護(hù)等計(jì)量、監(jiān)測(cè)設(shè)施中，普遍存在“工作電壓：220 V±10%”的技術(shù)指標(biāo)。該指標(biāo)關(guān)系到儀器表計(jì)的適用范圍和功效穩(wěn)定性，同時(shí)是電網(wǎng)監(jiān)護(hù)與運(yùn)行可靠的重要保證。由此可見(jiàn)，在計(jì)量工作中，對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確性校驗(yàn)檢測(cè)是非常必要的。

但是，現(xiàn)有電力計(jì)量中心和基層儀表班組，所設(shè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量室普遍采用交流穩(wěn)壓電源，而屬于非標(biāo)的220 V±10%電壓基本無(wú)設(shè)置，對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)很難進(jìn)行，不少地方便放棄了該項(xiàng)指標(biāo)的檢定，做出了并不完整的計(jì)量報(bào)告。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)室缺少220 V±10%非標(biāo)電壓和計(jì)量檢測(cè)不到位，如何彌補(bǔ)的問(wèn)題，開(kāi)展了相關(guān)儀器表計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)電壓檢測(cè)裝置的研究設(shè)計(jì)。

1 非標(biāo)電壓檢測(cè)分析

在廣泛應(yīng)用的低壓系統(tǒng)中，380 V為動(dòng)力電壓，220 V為民用電壓，36 V為安全電壓，這些都是國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。在工作、生活中采取的用電方式及其用電設(shè)備都是按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)制作。在電力行業(yè)的電能計(jì)量、繼電保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)等儀器表計(jì)中也包含這樣的電源體系。

但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電力網(wǎng)絡(luò)受諧波干擾、負(fù)荷沖擊、電動(dòng)機(jī)車(chē)啟停變化等影響，給電壓造成頻繁波動(dòng)，由此要求用電器具必須具備一定的適用范圍，這樣的適用范圍往往取為標(biāo)準(zhǔn)電壓值±10%，如在計(jì)量監(jiān)測(cè)中的頻率、功率、電度表，生活中的空調(diào)、冰箱等設(shè)施，都有“工作電壓：220 V±10%”的技術(shù)指標(biāo)，這樣的指標(biāo)擴(kuò)展了設(shè)備工作范圍，使適用面更寬更廣。但該技術(shù)指標(biāo)也衍生出了非標(biāo)準(zhǔn)電壓值，給計(jì)量工作帶來(lái)了檢測(cè)困難，甚至現(xiàn)有狀態(tài)不具備檢測(cè)條件。那么，220 V±10%的具體數(shù)字是多少呢？通過(guò)計(jì)算，可得到如下相關(guān)電壓值。

220×10%=22 V

+10%為：

220+22=242 V

-10%為：

220-22=198 V

毫無(wú)疑問(wèn)，242 V、198 V是非標(biāo)準(zhǔn)電壓，但卻是儀器表計(jì)普遍制定的技術(shù)參數(shù)。這樣的參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中如果不出問(wèn)題，即被認(rèn)為工作正常；但當(dāng)出現(xiàn)燒損、停運(yùn)等故障后，去查找原因，卻往往是設(shè)備老化、絕緣薄弱等狀況造成，即相關(guān)設(shè)施已承受不起電壓波動(dòng)的干擾襲擊了，因此這是很危險(xiǎn)的。

那么，對(duì)已經(jīng)存在卻尚未暴露的問(wèn)題，可否通過(guò)檢測(cè)手段來(lái)查找，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取有力措施，排除危險(xiǎn)隱患呢？通過(guò)校驗(yàn)檢測(cè)是可以做到，而且是必須做到的。

具體工作可以在現(xiàn)場(chǎng)每年定期送檢的電度表、周波繼電器、通訊儀表、高頻保護(hù)等校驗(yàn)過(guò)程中完成。如果在校驗(yàn)中對(duì)高出和低于10%的電壓工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析，觀察被檢儀器計(jì)量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、功能作用有無(wú)變化等，才能作出是否合格的判斷。

經(jīng)校驗(yàn)檢測(cè)，合格的產(chǎn)品允許返回現(xiàn)場(chǎng)，使之在電壓±10%的波動(dòng)范圍中能夠正常工作；而對(duì)不合格的產(chǎn)品提出維修處理意見(jiàn)，經(jīng)改進(jìn)后再做檢定，直到合格后放行。否則堅(jiān)決淘汰，以避免問(wèn)題儀器回到現(xiàn)場(chǎng)，帶著隱患工作，造成燒損、跳閘等電網(wǎng)事故的發(fā)生。

綜上，看到了對(duì)非標(biāo)電壓檢測(cè)的重要性和必要性。但是，由于計(jì)量檢測(cè)部門(mén)普遍使用220 V交流穩(wěn)壓電源，以上非標(biāo)電壓數(shù)值難于獲取，特別是242 V，是電壓升高，現(xiàn)有條件基本無(wú)法滿足。為此，需要做出進(jìn)一步的探索研究，開(kāi)展電路設(shè)計(jì)，制作出所需非標(biāo)電壓裝置，以能提供檢測(cè)信號(hào)，完整地開(kāi)展校驗(yàn)工作。

2 裝置結(jié)構(gòu)

242 V和198 V是非標(biāo)準(zhǔn)電壓，為滿足諸多儀器表計(jì)關(guān)聯(lián)涉及和計(jì)量部門(mén)對(duì)其技術(shù)指標(biāo)的檢定測(cè)試，下面將分別予以介紹有關(guān)電壓產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)制作。

圖1為非標(biāo)電源裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，主要分為3部分。

圖1 非標(biāo)電壓主體結(jié)構(gòu)

在圖1中3部分的功能作用如下：

1)交流穩(wěn)壓器：這是一般計(jì)量檢測(cè)室都安裝配備有的設(shè)施，在本裝置中，它將作為基本電源，進(jìn)行引接利用。

2)升壓變壓器：根據(jù)前面220 V±10%指標(biāo)計(jì)算數(shù)值，上端電壓為242 V，超過(guò)了現(xiàn)有條件，故需做電壓提升。對(duì)于交流電源，目前采用電壓提升的方法仍是以升壓變壓器為主，該技術(shù)成熟可靠。

3)無(wú)極調(diào)壓器：為減少負(fù)荷沖擊和磁場(chǎng)干擾等問(wèn)題，實(shí)際電壓設(shè)計(jì)會(huì)高于±10%，如初擬為300 V。那么，要取得242 V、198 V兩項(xiàng)非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試參數(shù)，則需采用調(diào)節(jié)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，選擇了以可控硅為中心的無(wú)極調(diào)壓技術(shù)，既運(yùn)行可靠，又方便靈活。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電路原理

根據(jù)前面結(jié)構(gòu)體系實(shí)施了電路設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2。

圖2 非標(biāo)電壓電路原理

在計(jì)量檢測(cè)工作中，已經(jīng)具備恒溫恒壓條件即試驗(yàn)室已經(jīng)有了220 V交流穩(wěn)壓電源，為此，無(wú)須再另外設(shè)計(jì)頻率和失真度等都要符合標(biāo)準(zhǔn)要求的工頻振蕩儀，將直接在穩(wěn)壓源中引用。

實(shí)施電路如圖2所示，從①端子、②端子引入220 V交流穩(wěn)壓電源，經(jīng)K1開(kāi)關(guān)、BX保險(xiǎn)傳送給變壓器B的原邊。由此，即得到了基本電壓值，又使電路大為簡(jiǎn)化。

3.2 升壓變壓器設(shè)計(jì)制作

但要實(shí)現(xiàn)242 V電壓的輸出，必須做電壓提升，為此設(shè)計(jì)了升壓變壓器B。考慮電源或負(fù)載工作中難免會(huì)有負(fù)荷沖擊、磁場(chǎng)干擾和需留有充分裕度等，決定將電壓做300 V設(shè)計(jì)。

在儀器表計(jì)中，一般使用的是降壓變壓器，這里將要采用的是升壓變壓器，其特點(diǎn)是副邊電壓U2高于原邊電壓U1，根據(jù)所要設(shè)計(jì)的電壓值計(jì)算變比K為

K=U2/U1=300/220=1.36

相對(duì)匝數(shù)也是副邊多于原邊，從漆包線絕緣強(qiáng)度考慮，設(shè)計(jì)每匝電壓為0.25 V，則原、副邊匝數(shù)為：

Za1=220/0.25=880匝

Za2=Za1·K=880×1.36=1 197 匝

根據(jù)匝伏數(shù)值，漆包線線徑選為0.1 mm即可，并因漆包線絕緣層可以達(dá)到數(shù)千上萬(wàn)伏，所以線圈繞制中注意不要刮傷外漆和排列整齊即可，無(wú)需另加絕緣層，使其工藝簡(jiǎn)潔方便。

升壓變壓器再采用高導(dǎo)磁冷軋矽鋼片為鐵心，并做好機(jī)械緊固，有條件的地方再采用絕緣油侵泡24 h，然后烘干，以增加絕緣強(qiáng)度和穩(wěn)定性，則變壓器制作完成。

3.3 無(wú)極調(diào)壓

在電壓提升到300 V后，如何取得高端指標(biāo)242 V和低端指標(biāo)198 V的準(zhǔn)確數(shù)值呢？這尚需方便靈活的調(diào)節(jié)手段，為此，采用了以可控硅KG為中心的無(wú)極調(diào)壓電路來(lái)完成。

在圖2中，變壓器B的副邊300 V電壓分兩路傳送，一路直接送往可控硅KG陽(yáng)極，作為等待；另一路經(jīng)電阻R2、電位器W、電容C1相互串聯(lián)的支路，與可控硅KG的陰極相連，形成RC振蕩器。振蕩脈沖由雙向二極管D引向可控硅控制極，作導(dǎo)通角控制。如果改變電位器便可改變振蕩頻率，改變頻率將改變導(dǎo)通角，改變導(dǎo)通角便改變可控硅輸出電壓。其間，無(wú)繼電器結(jié)點(diǎn)等控制方式，所以形成的是無(wú)極調(diào)壓。

經(jīng)調(diào)節(jié)后，在可控硅陰極與變壓器副邊另一側(cè)的端子③、端子④送出包括242 V和198 V在內(nèi)的校驗(yàn)電壓值，電壓表V作為觀察監(jiān)測(cè)用，使數(shù)字更加準(zhǔn)確可靠。

圖3 電壓調(diào)節(jié)面板

當(dāng)無(wú)極調(diào)壓裝置安裝好后，相關(guān)面板部分如圖3所示，電位器W旋鈕可以在0～300 V之間來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，非常方便靈活。盡管如此，基于所需的只是198 V和242 V兩個(gè)非標(biāo)電壓值，為此，用紅線、紅字做出特殊標(biāo)記，使之更加醒目。更進(jìn)一步的是，若儀器不做其他用途，便可將電位器停留在相關(guān)位置，則開(kāi)機(jī)不用調(diào)節(jié)，即可輸出所需電壓數(shù)值，使校驗(yàn)工作更加快速準(zhǔn)確。

3.4 高頻濾波

可控硅為半導(dǎo)體非線性器件，工作中可能對(duì)220 V正弦波削頂，即產(chǎn)生直流分量和高次諧波。為此，電路中設(shè)計(jì)了濾波電路。

在圖2的可控硅KG陰極和輸出端子③、端子④間，串聯(lián)了耐壓在500 V以上、容量為2 200 μF的電解電容C2，還并聯(lián)了耐壓500 V以上、容量0.01 μF以下的獨(dú)石或云母電容C3，以阻擋直流分量和濾去高次諧波；同時(shí)讓50 Hz工頻電壓順利通過(guò)，由此減少電壓的失真度，使輸出正弦波平穩(wěn)光滑。

變壓器B原邊的電阻R1與發(fā)光二極管Fg構(gòu)成指示電路，發(fā)光管點(diǎn)亮表示電源工作正常。

以上電路對(duì)升壓、調(diào)節(jié)、波形質(zhì)量等做了較為完善的設(shè)計(jì)處理，故再將各元器件進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)加工、安裝調(diào)試等，即可圓滿制作出所需的非標(biāo)準(zhǔn)電壓校驗(yàn)儀器，投入計(jì)量檢測(cè)室使用。

3.5 功能擴(kuò)展

在滿足上述兩電壓調(diào)節(jié)輸出中，利用調(diào)壓變壓器還可擴(kuò)大功能，如JJG603-2006頻率表校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電壓變化影響的檢驗(yàn)規(guī)定。首先選定被校表計(jì)的刻度值；然后經(jīng)過(guò)無(wú)極調(diào)壓結(jié)構(gòu)中的電位器W,將電壓從最低值往上調(diào)節(jié)或最高值往下調(diào)節(jié)，直到指針或數(shù)字穩(wěn)定，方讀數(shù)，由此確定“最低輸入電壓”和“最高輸入電壓”兩項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了功能擴(kuò)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)若干儀器儀表具有220 V±10%工作電壓的指標(biāo)，在計(jì)量檢測(cè)時(shí)須對(duì)相關(guān)電壓值進(jìn)行校驗(yàn)。在電路設(shè)計(jì)中，實(shí)施變壓器作電壓提升后，再采用無(wú)極調(diào)壓控制，配套完成了242 V和198 V校驗(yàn)值的提供，解決了該項(xiàng)指標(biāo)不能全面檢測(cè)的問(wèn)題，使校驗(yàn)檢定工作更加全面完善，準(zhǔn)確可靠。

該裝置具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、新穎獨(dú)特、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，可在計(jì)量檢測(cè)中廣泛推廣應(yīng)用。

[1] 程樹(shù)森.154 kV非標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)節(jié)能改造[J].有色冶金節(jié)能，1994(4)：21-24.

[2] 陳智文,王漢生. 高穩(wěn)定度變壓器式交流無(wú)極調(diào)壓電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1992(12)：17-19.

In the measurement detection, there is a general problem, whether the pointer type, digital display or intelligent instrument meter, they basically have the technical indicators as "working voltage 220 V±10%", but this indicator is essentially nonstandard voltage, the general calibration instrument does not have this kind of signal, which hinders the detection work and even makes some institutions abandon the actual verification of this index. Working voltage is related to the metering function range and working stability, and is the important guarantee for monitoring and operational reliability of the site equipment, so the accurate calibration is necessary. The design and manufacturing work are carried out which achieves complete success, and it receives good results after being applied to the measurement detection.

nonstandard voltage; measurement detection; voltage enhancement; stepless voltage regulation

TH71

A

1003-6954(2017)06-0061-03

劉 偉(1965)，工程師，主要從事計(jì)量檢查工作。

2017-08-11)