6kA高穩定度直流電流源技術研究

胡呂龍　任民

摘 要：本文結合當前直流輸電系統全面推廣的背景，基于現場校準的試驗的研究熱點下，分析了直流電流互感器現狀，并提出了6kA高穩定度直流電流源的工作原理以及部件組成，旨在更好的推動高壓直流電流互感器的現場校準，提升電網運行穩定性和安全性。

關鍵詞：6kA高穩定度直流電流源；工作原理；部件組成

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.157

高壓直流輸電用于遠距離或超遠距離輸電，因為它相對傳統的交流輸電更經濟。目前在直流大電流精確測量方面的研究，國內外都在開展，但由于實際操作過程中，部分的直流電流互感器經常性會發生測量不準確等現象，使得繼電保護以及電能計量等相關工作均受到了影響，從而引起通道間數據差異較大、輸出零點過大等問題，為此，對其進行現場校準的試驗成為了研究熱點[1]。直流電流互感器的誤差校準核心在于容量大、穩定度高的直流恒流源，研究對高壓直流電流互感器進行校準的6kA高穩定度直流電流源十分必要。

1 直流電流互感器現狀

在對直流大電流進行測量時，飽和電抗式直流電流傳感器、分流器法、直流電流比較儀以及霍爾直流傳感器等均是較常應用的方法，在超/特高壓換流站中，直流互感器在其中占據了非常重要的作用，當前國內所采用的直流輸電系統，普遍來自于Siemens公司（德國）、ABB公司（瑞典）以及Hitech公司（荷蘭）等。就當前實際情況來看，部分的直流電流互感器經常性會發生測量不準確等現象，使得繼電保護以及電能計量等相關工作均受到了影響，從而引起通道間數據差異較大、輸出零點過大等問題。

以往因受限于試驗條件匱乏、缺乏相關監督規程和技術標準等原因的影響，針對直流電流互感器的現場校準，通常對其實施出廠校準，關于其投運前和運行期間均未采取相應的試驗和校準，現場注流也往往只能夠在10%的額定電流環境下開展，從而很難非常準確的掌握直流電流互感器的實際運行情況。同時也缺乏具有較高準確性、操作簡單方便的現場全量程范圍內的校準儀器。在時代發展的影響下，直流輸電的應用范圍不斷擴大，其使用也更加廣泛，也促進直流電流互感器的誤差檢測技術不斷發展，直流電流互感器檢測的行業標準、檢定規程都在編制中。2018年6月1日即將實行DL/T1788-2017《高壓直流互感器現場校驗規范》，所以對于直流電流互感器按規范進行校驗迫在眉睫[2]。

2 6kA高穩定度直流電流源的工作原理

基本工作原理：當設備供電時，變壓器將交流電壓380V變壓為符合整流需要的交流電壓10V，整流器把交流電壓整流成單向脈動的電壓，濾波穩壓電路通過電容和穩壓器將整流出的電壓濾波穩壓成直流輸出，單片機在對基準電壓進行調節輸出的過程中，通過對功率放大電路進行控制，使其向負載輸出的電流得到更好的控制，并且借助串流回路的直流電流對比儀器來實現對輸出電流信號的采集，運用誤差放大器來實現對基準信號與電壓信號的相互比較放大，同時在放大后及時對偏差給予校正補償，從而確保輸出電力能夠控制在給定范圍內，當設備有故障時單片機調動故障保護程序，停止執行并報警。

3 6kA高穩定度直流電流源的部件組成及介紹

3.1 基準電路

恒流源的幅值調節在本項目中采用的是美國BURR-BROWN公司生產的16位高速數/模轉換芯片DAC702KH作為主控調節直流基準電壓，雙級性輸出±10V，最大增益溫度漂移為10ppm，最大非線性誤差±0.0015%。它作為主控調節的基準電壓，該芯片具有低增益漂移小和高精度等優點。DAC702芯片是雙級性輸出±10V，通過多次實驗測試，在研制中當基準電壓為6V，此時最高調節細度為0.005%，而此調節細度在量程低端（10%）將下降為0.05%。設置了粗、中、細3檔調節，分別為滿度的1%、0.1%、0.01%；更細的調節通過回路中的精密多圈電位器（10圈）實現，范圍為3%。

3.2 直流電流比較儀電路

恒流源的采樣環節是本項目研制的難點。在環節用電阻采樣過程中，傳統的采樣方法非常容易因電阻耗散溫升而導致不穩定性，而電阻采樣穩定性<10-4數量級，要想達到更高的精度和穩定度則幾乎不可能。所以，要想達到更高的穩定度，在采樣環節使用磁調制式直流電流比較儀，它是一種高精度的電流檢測裝置，其轉換精度可達到10-5～10-6數量級。

3.3 直流反饋電路

恒流源的反饋信號是由直流電流比較儀采樣輸出的信號，將其與反饋信號Uf進行對比，即可獲得電壓信號Vs，即通過DAC702HK芯片來獲得一個具有較高精度的基準電壓。為此，可將U3視為一個對比放大器，并通過可調直流基準電壓信號Vs與反饋信號Uf在G點做對比后的和來表示。因兩者本身表現為極性相反，故當其大小一致時就會兩兩抵消，并不會給功放單元造成較大的影響，可更好的實現對輸出直流電流的穩定。

3.4 功放電路

功率放大電路也是該課題研制的難點，設備要求輸出400A大電流。功率放大使得工作電流、電壓也會隨之增大，從而使得功率也相應的增加，使得功率管出現較為嚴重的發熱現象，容易損害，所以，選用耐壓較高的達林頓管（MJ11032G）作為功率放大器件，同時除了采用并聯管以擴大輸出電流并采用鋁板散熱片和風洞式一體化散熱器進行散熱，在實際電路中，通常會要求放大電路的輸出級（即末級）輸出一定的功率，以此來驅動負載。

3.5 供電電源電路

恒流源所需要電壓主要為四部分：5V、15V、10V、30V。其中，5V為顯示模塊提供電壓，15V為控制電路提供電壓，10V為功率三極管輸出400A檔提供電壓，30V為功率三極管輸出100A檔提供電壓，檔位切換通過直流接觸器控制。為了能夠達到更穩定的信號，可運用橋式整流電流電容來實施濾波處理。

4 結論

本項目通過研究和分析，搭建試驗模型和仿真計算，盡可能減小紋波，提高電源輸出的穩定性，增大電源輸出容量。經驗證，結果符合預期。本項目設計的恒流源能為超/特高壓直流換流站直流電流互感器現場校準提供容量大、穩定度高的直流恒流電源，為準確校驗現場互感器提供助力。

參考文獻：

[1]占清，朱自科，陳勇等.超高穩定度大直流恒流源的設計[J].電子器件，2017，40（03）：607-611.

[2]李亞維，謝敏，藍欣等.200kV低紋波高穩定度直流高壓電源[J].強激光與粒子束，2016，28（01）：120-124.