直流綜合測試儀的應用

深圳供電局有限公司 周永光 熊理想 王 兵 郭海雄

關鍵字：電力安全；直流系統；維護；消缺

1 引言

如何確保供電設備安全穩定運行，需要從變電站的直流電源系統入手，因該系統可為整個電站提供穩定、安全的電源。繼電保護裝置、遠動裝置、通信裝置等二次設備主要依靠直流電源系統供電工作。直流電源發生故障，會致使繼電保護裝置拒動、誤動，遠動裝置、通信裝置功能失效，設備事故無法有效切除等事故，將導致不可估量的損失。

為保證直流電源系統的供電可靠性，系統設計有以兩路交流輸入的充電裝置作為主要供電電源，然后將該系統中的蓄電池作為保障系統在出現故障時正常運行的裝置。另外，充電裝置以及蓄電池是能夠使該直流電源系統正常運轉的重要部分。目前，對直流電源系統的測試主要停留在采用輸出測量、帶負荷調試等。

DL/T 724-2000《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》對直流電源系統充電裝置穩壓精度、穩流精度、紋波系數以及蓄電池等技術的參數都進行了一定的限制。但目前為止，變電站現場應用的設備技術參數都是由廠家出廠測試時提供，由于制造工藝參差不齊以及隨著設備運行時間的推移，設備難免發生技術參數下降的情況，站內維護人員缺少專業設備，無法確認設備是否滿足變電站現場的實際要求。使得存在缺陷的設備對直流電源系統構成潛在危害。

因此，研究一套便于檢修人員攜帶或搬運的能夠測試充電裝置各項技術指標，以及蓄電池容量的綜合測試裝置，可有效發現充電裝置以及在蓄電池還存在這一些不足之處，特別是在蓄電池的技術含參數方面還存在一定問題，解決這一問題的辦法是盡可能地提升該系統的可靠性。

2 直流綜合測試裝置簡介

直流綜合測試裝置正是針對上述問題而研制的，因為其可以輸出有效的并且是可控制的三相電壓，可以精準地測試穩壓精度、穩流精度及紋波系數，有效測量蓄電池實際容量的綜合性測試儀器。

直流綜合測試裝置拓撲圖如圖1所示，其主要包含調壓模塊、電池巡檢模塊、控制模塊、測量模塊以及負載模塊[1]。控制模塊采用工控主板作為硬件基礎，中文Windows操作系統作為硬件基礎，以及真彩液晶屏及觸摸屏作為人機交互屏幕，具有高可靠性和易操作性。

圖1 直流綜合測試裝置拓撲圖

綜合測試儀測量的基本功能是阻抗測量，首先應保證阻抗測量的準確度，其次要保證測量速度，特別對于多線圈多參數的掃描測量，測量速度的快慢直接決定了自動化測試線上的產能。參照同類儀器，項目合同規定測試儀性能指標見表1。

表1 綜合測試儀性能設計指標

2.1 負載模塊

直流充電裝置和蓄電池都是大容量電源設備，負載作為測試過程中電力承受的主體，必須具備優良的耐負荷能力、散熱能力，同時為保證測量精度，還要求負載在高熱環境下保持良好線性度。

直流綜合測試儀的負載采用新型PTC材料制作，與其他材料相比，新型PTC材料的負載能力更加強大，而且這種材料的線性度也更加的優越；除此之外，這種材料還具有精度高的特點；因這種材料的體積比較小、重量相對來說較輕，因此方便攜帶；總之，這種材料有其他材料無可比擬的優越性，因此是目前蓄電池放電熱門材料。負載模塊將多個電阻塊通過排列組合的方式連接，可通過控制模塊任意調節負載大小。

2.2 調壓模塊

由于維護現場缺少監測手段和設備，目前測試條件只能采用市電來進行測試，在進行測試時，電壓在85%～115%進行測試，但是目前要采取的市電無法滿足這個條件，這樣也就無法按照原定的設想進行測試。因此，對充電裝置的測試需要提供穩定的、可調的交流輸入電壓，才能實現在規定輸入電壓范圍內對充電裝置進行嚴謹的測試。

直流綜合測試儀為此專門研究了交流調壓模塊，調壓模塊采用AC-DC-AC連接結構，利用觸點調壓器調節輸入電壓，同時使輸入與輸出實現電氣隔離。如圖2所示，交流電輸入經過觸點式隔離變壓器調節電壓，同時實現隔離輸出。隔離變壓器輸出電壓經過整流橋整流，再通過半橋逆變原理實現相位調整，輸出波形完整，幅值穩定的交流電壓。

圖2 調壓模塊原理圖

3 直流綜合測試裝置的應用

3.1 穩壓精度及紋波系數測試

穩壓精度代表了充電裝置輸入時的穩定性，波紋系數代表了充電裝置輸出時的穩定性，總之，只有這兩個數值正常，電壓才能穩定。紋波系數過高，容易產生有害諧波，對電子設備、數字信號等造成干擾，損壞蓄電池質量。為了保證數值的精準度，穩壓精度應≤±（0.1%～0.5%），紋波系數應≤（0.2%～0.5%）。

當交流輸入電壓在額定電壓±10%范圍內數值進行不斷的波動時，與此同時負荷電流也會在0～100%額定值這個區間內不斷的波動，這時會產生一個誤差值，一個整定值，誤差值為電壓誤差值，穩定值為電壓穩定值。這兩個數值之間會產生一個比值，這個比值為穩壓精度：

式中，δu為穩壓精度，UM為輸出電壓波動極限值，UZ為輸出電壓整定值。

將直流電壓的最大值與最小值相減，再取二分之一，然后再將這個數值與直流輸出電壓平均值相比，會得到一個數值，這個數值就是波紋系數。計算公式如下：

式中，δ為紋波系數，Uf為輸出電壓波動峰值，Ug為輸出電壓壓波動谷值，Up為輸出電壓平均值。

測試時，環境選擇在110kV變電站內，采用直流綜合測試儀在220V直流電源系統備用充電裝置中展開。受測充電裝置于2019年投運，投運前廠家出示專業監測結果中穩壓精度≤±0.5%，紋波系數小于±0.5%。測試調節輸入電壓從342V到418V分5級設置，負荷從0到5A分5級設置，測量結果如圖3所示，受測充電裝置穩壓精度為-0.047%，紋波系數為-0.274，測試結果符合相關規定[2]。

圖3 蓄電池本地控制系統結構

3.2 穩流精度及輸出電流誤差試驗

當交流輸入電壓額定電壓在±10%區間內不斷波動時，輸出的電流會產生一個數值，當然這個數字也是有范圍的，這個范圍在20%～100%，在這個過程當中就會產生一個誤差值與設定值，這個誤差值是輸出電流的誤差值，而這個設定值為輸出電流的設定值，誤差值與設定值之間會產生一個比值，這個比值也就是穩定精度。穩流精度應＜±（0.5%～1%）。如下式：

其中，δ為穩壓精度，IM為輸出電流波動極限值，IZ為輸出電流整定值。

測試過程將充電裝置輸入電壓設定為342V到418V,分5級輸入，輸出電壓設定為198V到230V，分5級輸出。測試結果如圖4所示，受測充電裝置的穩流精度為-0.133%，輸出電流誤差為-0.550，符合相關規定，充電裝置狀態良好。

3.3 蓄電池核容測試

蓄電池本地控制系統結構如圖3所示，在本地控制系統中，放電控制裝置起到母線開關切換功能，在蓄電池放電儀的控制下，完成本地放電過程。

蓄電池的作用在整個直流電源系統中較為重要，因其是該系統的后備電源，蓄電池的作用還體現在當電源系統斷電時，可以保證電量的正常供應，因此蓄電池可成為電源系統的后備電源，以備不時之需。所有的蓄電池組都需要進行核對性試驗，但是檢驗的時間是不一樣的，新的檢測年限需要在2～3年內完成，如老舊的（時間超過6年），檢測時間就需要一年一次[3]。蓄電池的容量、單體內阻、單體電壓等方面也是不能忽視的，也需要定期地進行檢測，一旦任何一個數據出現了問題，都需要進行及時的調整，只有保證這些數據的正常范圍值，才能進一步的確保蓄電池正常運行。

直流綜合測試裝置不僅具備蓄電池組核容放電功能，還能自動測量蓄電池容量，自動生成蓄電池放電特性曲線圖。通過分析每個單體蓄電池放電特性曲線，可以預估蓄電池運行狀態。

本次測試的#2蓄電池組額定容量為300Ah，單體電壓為2V的蓄電池組。先通過均充電將蓄電池充滿，退出蓄電池后，將蓄電池接入直流綜合測試儀，以0.1C10放電率對蓄電池進行核容放電。

測試結果顯示，放電時間為9.85h，終止條件為#40蓄電池電壓達到終止電壓。核容放電前蓄電池組電壓為230.31V，放電后191.58V。核算容量為額定容量的98.5%，容量符合相關規定要求。蓄電池放電曲線如圖4所示，蓄電池的放電曲線均呈現相對平滑下降，#40號蓄電池初始電壓較低，且率先達到終止放電電壓1.8V，但放電曲線平滑正常。經測量，該蓄電池內阻為0.133Ω，相對其他蓄電池平均內阻高約80mΩ。后經過對該蓄電池進行活化處理，內阻恢復正常。

圖4 蓄電池核容放電試驗結果

3.4 蓄電池核容放電試驗的注意事項

如果能運用并聯型直流電源屏，可進一步將電池的使用壽命延長，因為該電源屏具有支持電池混合使用、在線核容、在線放電試驗、蓄電池內阻在線測量等功能。與常見的串聯的相比，并聯設備可以自己進行維護，不需要人為地去修正，這樣可以節約成本。參照《電力工程直流系統設計手冊（第二版）》、TB/T2892—2018《電氣化鐵路用直流電源裝置》、DLT1074—2019《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》等規范和標準，必須在規定的時間內對設備進行修檢[4]。蓄電池要保證使用的前6年內每兩年進行相應的檢查，6年之后，要每年都對蓄電池進行全核對性充放電試驗；在進行放電試驗時，必須提前準備好電池內阻測試儀、放電儀、備用電池等器材。因為對于蓄電池的全核對性試驗時間，一般情況下相對較長，并且試驗時不可中斷，如果中斷，需要重新進行核融。

4 結語

本次直流綜合測試儀的應用，主要將重點放在穩壓精度以及穩流精度這兩個方面，而本次測試的主要對象為110kV變電站內220V直流電源系統，進行這一系列測試的主要原因是，對于該系統#2蓄電池組容量進行精準的測試。測試過程中發現了存在單體蓄電池內阻過高現象，內阻高的蓄電池長期充放電會導致容量及電壓越來越低，隨著電壓變得越來越低，就會對蓄電池產生一定的影響，如果電壓持續降低，最終會導致蓄電池組的開路，而一旦蓄電池組開路，則會對直流電源整個供電系統產生消極影響，因為電池組開路，蓄電池也就不會再有后備電源得的作用，最后導致功能供電系統的癱瘓。

直流綜合測試儀能夠準確測試充電模塊穩壓、穩流精度以及紋波系數，除了可對這些數據進行相應的檢測之外，還可以進行相應的核對性試驗。同時，能夠記錄測試結果，生成測試記錄和相關波形。在變電站直流電源系統中應用，可發現直流電源系統充電機、蓄電池的故障或缺陷，并可及時維護和消缺，對確保直流電源系統供電可靠，甚至保障電力系統穩定運行都有良好的社會效益[5]。