六脈沖直流通斷系統的設計

董雪禮， 安 平， 丁志東， 陳偉偉

1. 鎮江市產品質量監督檢驗中心 江蘇鎮江 212132 2. 國家中低壓配電設備質量監督檢驗中心 江蘇鎮江 212132 3. 上海愛科測試設備有限公司 上海 200063

1 設計背景

我國電網投資近年來持續保持在高位，且變電、配電設備投資的占比呈現穩中有升的勢態。變電、配電等設備行業是電力行業中最具潛力的細分領域，電網的高速建設拉動了變電、配電設備發展的市場需求。隨著風能、太陽能等新能源發電的推廣應用，以及高鐵和城市軌道交通的迅猛發展，直流配電設備需求量急劇增長[1]。

隨著國內直流配電設備的大量使用，配套的直流產品檢測能力難以滿足現有市場的需求。據了解，現有具備低壓直流產品檢測能力的機構包括上海電器科學研究所(集團)有限公司、蘇州電器科學研究院股份有限公司、山東省產品質量監督檢驗研究院、浙江方圓電氣設備檢測有限公司、遵義市產品質量檢驗檢測院。上海電器科學研究所(集團)有限公司早在2011年就已經具備開展低壓直流開關設備的檢測能力，蘇州電器科學研究院股份有限公司和浙江方圓電氣設備檢測有限公司分別在2012年和2014年具備這類產品的檢測能力，山東省產品質量監督檢驗研究院同樣在2014年具備直流產品的檢測能力，遵義市產品質量檢驗檢測院在2015年具備直流產品的檢測能力。

直流通斷試驗系統的設計與研究以滿足各類生產企業試驗的需求為主。筆者從設計原則、電氣設計、運行方式、回路端口試驗能力、測量與控制等方面，闡述了六脈沖直流通斷系統的設計。隨著國家電網新能源需求的回暖，充電樁及各類軌道交通的投資需求旺盛，直流通斷試驗系統屬于大型基礎性檢驗設備，具有較強的抗風險能力[2]。

2 設計原則

安全是電氣試驗的關鍵問題，因為涉及較多的高電壓大電流測試設備，所以應該在規劃設計、運行、管理等各環節充分考慮安全問題，主要包括設備安全、試驗人員安全、外來客戶安全、樣品安全、數據安全等。

隨著我國低壓電氣設備的發展，檢測結果的一致性和有效性受到業內的廣泛關注，提高測試設備的自動化水平、自動采集和處理試驗數據、通過數據接口程序解決試驗設備數據交互問題成為關注的焦點。采用數字化可通信測試設備，同時借助基于標準試驗方法定制的專業設備操作軟件來實現對設備的操作，可以實現數據的自動采集、分析、處理、保存、檢索等功能[3]。

測試標準見表1。

3 電氣設計

3.1 綜合能力

六脈沖直流通斷系統主要用于檢驗直流開關的通斷和壽命試驗，其主回路的試驗能力為電壓130～1295V，最大電流120kA。有1個 10kA～120kA 短路試驗端口、1個10kA～50kA短路試驗端口和1個0.5kA～10kA短路和壽命試驗端口。130～1295V電壓有級可調，通過阻抗前級和后級的調整，可以完成直流開關的通斷和壽命試驗。

3.2 紋波因數

根據國際電工委員會下屬檢測實驗室委員會CTL201A決議，紋波因數應≤5%[4]。本系統采用兩臺交流沖擊變壓器供電，交流電源在晶閘管整流裝置內經過三相橋式整流，在一個交流周期內輸出六個半波，稱為六脈沖整流。一般采用六脈沖整流后的紋波因數理論值為4.2%，離5%的標準要求較為接近，但是由于回路結構和阻抗的不平衡，導致紋波因數有可能會大于理論值。調整紋波因數主要依靠交流側高壓阻抗調節線路平衡，進而使紋波因數滿足標準要求。

3.3 電路說明

如圖1所示，六脈沖直流通斷系統電路通過高壓開關8AH、9AH、10AH、11AH配合201HK、301HK合閘開關的動作實現流程控制，電壓部分原通過1TM、2TM交流沖擊試驗變壓器，1A、2A、3A與5A、6A、7A串并聯轉換裝置，4A、8A Y/△轉換裝置，201GL、202GL整流裝置后得到110～1100V直流電壓，通過S/P21和S/P22開關實現兩套電源的串聯、并聯及獨立使用。電流部分通過低壓阻抗201R、202R、201L、202L、203R、203L、203R′、203L′的前后級組合，在2ET1、2ET2和3ET1端口實現短路和接通分斷試驗[5]，試驗能力滿足 0.5kA～120kA的電流試驗范圍。

表1 測試標準

圖1 六脈波直流通斷系統原理圖

4 運行方式

4.1 兩臺變壓器并聯或串聯運行

交流電源通過201GL、202GL整流后，通過 S/P22 切換至并聯位置，并通過S/P21實現兩臺變壓器電源的串聯和并聯，此時只能在2ET1、2ET2端口上進行短路或壽命試驗。

通過8AH、9AH、10AH、11AH和201HK的合分操作，并通過201R、202R、201L、202L可以在2ET1端口實現132～1295V、10kA～100kA的極限短路試驗、短路保護裝置保護配合試驗和分斷試驗等。通過201R、202R、201L、202L和2ET2上端口短接，可以在2ET1端口實現132～1295V、0.5kA～10kA的短路試驗、過載試驗、額定接通和分斷試驗、壽命試驗等[6]。通過201R、202R、201L、202L和2ET1上下端口短接，可以在2ET2端口實現 132～1295V、0.5kA～10kA的極限短路試驗、短路保護裝置保護配合試驗、短路接通和分斷試驗等[6]。

4.2 兩臺變壓器獨立運行

交流電源通過201GL、202GL整流后，通過 S/P22 切換至獨立位置，可實現2TM電源的獨立使用，此時可以在3ET1端口實現短路類試驗。通過S/P21切換至并聯位置，可實現1TM電源的獨立使用，此時可以在2ET1、2ET2端口進行短路或壽命試驗。

通過10AH和201HK的合分操作，再通過201R、201L，可以在2ET1端口實現132～1295V、10kA～55kA的極限短路試驗、短路保護裝置保護配合試驗和分斷試驗等。通過201R、203R、201L、203L和2ET2上端口短接，可以在2ET1端口實現132～1295V、0.5kA～10kA的短路試驗、過載試驗、額定接通和分斷試驗、壽命試驗等[6]。通過201R、203R、201L、203L和2ET1上下端口短接，可以在2ET2端口實現132～1100V、0.5kA～10kA的極限短路、短路保護裝置保護配合試驗、短路接通和分斷試驗等[7]。

通過11AH和301HK的合分操作，再通過202R、202L，可以在3ET1端口實現130～1100V、10kA～55kA的極限短路試驗、短路保護裝置保護配合試驗和分斷試驗等。

5 各端口試驗能力

5.1 2ET1端口

對于前級阻抗201R、202R、201L、202L，110V時為5kA～40kA，250V時為10kA～60kA，440～647V 時為10kA～120kA，647～1295V時為10kA～65kA。

對于后級阻抗203R、203L，110V時為 0.5kA～5kA，250V時為0.5kA～10kA，440～647V時為0.5kA～10kA，647～1295V時為0.5kA～10kA。

5.2 2ET2端口

對于前級阻抗201R、203R、201L、203L，110V時為0.5kA～5kA，250V時為0.5kA～10kA，440～647V時為0.5kA～10kA，647～1295V時為0.5kA～10kA。

5.3 3ET1端口

對于前級阻抗202R、202L，110V時為5kA～30kA，250V時為10kA～40kA，440～647V時為10kA～65kA，647～1000V時為10kA～40kA。

6 測量與控制

測量與控制系統原理如圖2所示，選用SATURN系統，通過插入SATURN主機的板卡進行測量與控制。

6.1 測量

測量系統由各擋位變送器、電壓傳感器及SATURN系統構成，完成對試驗電流和試驗電壓的測量。

SATURN系統采用Flat SATURN主機、SATURN Data模塊和Tesesto 3M-16-8板卡，

圖2 測量與控制系統原理圖

同時增加直流測量用光纖模擬接收和發送模塊，型號為BELINK-INSR-3001-1和BELINK-INST-3001-1，實現對電源電壓和電流的采集[8]。

電壓采集采用分壓板和CV3-1000型電壓傳感器，進行隔離電壓變送，該傳感器參數為1000V/10V，相對采樣精度為0.2%。

電流采集采用分流器和霍爾電流傳感器。

6.2 控制

控制系統由接觸器、繼電器等器件，以及可編程序控制器數字量輸入輸出模塊構成，由數字量模塊控制相應的執行器件完成系統的各項功能。

控制系統的主要功能如下： 從人機界面接收試驗設定和操作指令；按試驗人員設定，根據試驗流程完成試驗電源的接通、分斷；控制電壓回路接觸器，按要求順序合分，完成試驗；讀取接觸器反饋，保證正常動作；控制氣缸動作，完成試品的斷開和閉合。

6.3 人機界面

人機界面以西門子可編程序控制器和SATURN主機的顯示器為輸出設備，以鍵盤、鼠標為輸入設備，以軟件的顯示界面為操作界面，與測量控制功能合為一體。

可編程序控制器人機界面完成以下功能： ① 登錄，操作人員在此界面輸入用戶名、密碼，進入操作界面；② 試驗設置，操作人員可以設置短路試驗控制方式、壽命試驗控制方式，選擇試驗端口、短路試驗類型、壽命試驗類型，設置試驗通電時間、試驗周期、試驗頻率等；③ 電源狀態監視，操作人員可以監視電源回路中各個隔離刀開關、斷路器等器件的狀態；④ 電源設置，操作人員可以設置電源的配置，包括單臺變壓器單獨運行、兩臺變壓器并聯運行，以及每臺變壓器的低壓刀開關組別等；⑤ 輔助電源設置，操作人員可以設置輔助電源的直流電壓、交流電壓、試品控制方式、故障判斷類型、試驗室排風控制等，輔助電壓調節可以選擇交流或直流；⑥ 整流裝置狀態監視，操作人員可以查看整流裝置的狀態、報警、故障等；⑦ 故障信息顯示，操作人員可以查看所發生的故障、報警，以及錯誤記錄；⑧ SATURN系統功能，包括試驗電壓和電流波形采集、數據分析、報告生成等，可對電流和電壓的有效值、峰值、峰峰值，以及通電時間、燃弧時間、熔斷值、功率因數等進行分析，并可根據客戶需要編輯報告格式。

7 結束語

隨著低壓電氣設備行業，以及光伏和太陽能新能源行業的飛速發展，直流電氣設備的研發和測試投入都大大增加。結合低壓電氣設備發展規劃及智能電網的發展，將有大批直流電氣設備被開發和應用于充電樁等新能源項目中。直流電氣設備的研究開發需要檢驗機構的技術支撐，六脈沖直流通斷系統可以服務于直流電氣設備生產企業，為企業提供產品檢測和技術服務[9]。

這一六脈沖直流通斷系統在原有交流通斷系統的基礎上進行改造，六脈沖整流后的紋波因數理論值為4.2%，滿足CTL201A決議對空載條件下電源電壓紋波因數不應超過5%的要求。系統建成后，對于華東地區產業結構調整、構建檢驗檢測技術公共服務平臺具有重要意義。

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[6] 低壓開關設備和控制設備 第2部分： 斷路器： GB 14048.2—2008[S].

[7] 周偉鋒.煤礦用低壓電器設備通斷試驗電源需求分析[J].電氣開關，2010(3)： 14-16.

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