直流電源裝置綜合性能檢測方法研究

王 龍，郭寅遠，陳順芝

（1.鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450046；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南許昌 461000）

直流電源是電力系統控制、狀態監測、開關操作及繼電保護的重要設備，其質量和性能優劣直接關系到電力設備安全和電網的穩定可靠運行。近年來，由直流電源的質量問題造成的電力系統重大事故時有發生，對電力系統的安全穩定運行造成了嚴重威脅。該文采用先進的充放電設備，研制了一套先進的微機控制系統及微機數據采集自動測量系統，建立了一種直流電源質量檢測方法，總結了實驗的項目及質量控制策略。

1 充電機充放電設備

檢測實驗室應配置滿足充放電實驗、直流電源柜測試、蓄電池檢測實驗要求的設備，充放電設備應穩定可靠且可平滑調節[1]。充放電設備應具有自動記錄和分析相關數據的功能，經過充放電設備的工作數據分析和后期人工處理，以方便對直流電源設備的主要參數進行比較分析。

1.1 充電設備

電源充電設備采用全自動浮充電裝置，可用于蓄電池充電實驗，以實現均衡充電。直流電源電壓逐步升高至給定電壓時，設備電壓環輸出電壓逐漸降低，此時相當于電流環的給定電流降低，從而起到電壓環經電流環控制移相觸發器達到控制穩壓的作用[2]。直流電源充電實驗穩流精度不大于2%，電源穩壓精度不大于1%；電源的紋波系數不大于2%，工作噪聲不大于60 dB，電源設備主變壓器溫升不大于60 K；設備輸出電壓在0～320 V 之間；設備輸出電流在0～50 A 之間。設備工作時，緩慢平滑調節設備輸出電壓和電流，以免損壞設備。全自動充電機電氣原理圖如圖1 示。

圖1 全自動充電機電氣原理圖

1.2 放電設備

電阻性負載的放電設備主要用于調整充電機、蓄電池、直流屏等設備的放電電流。放電設備在一定程度上是實驗系統的穩定器和安全閥，每次系統實驗前后都需對實驗設備進行放電，放電的目的除了檢測相關設備性能外，還保護了實驗設備和人員[3]。放電設備主要由滑線電阻器組成，該實驗調節目標電流為2 A、4 A、8 A、13 A、20 A、40 A。電阻可根據實驗要求的放電電流的大小進行調節，實現沖擊電流在0～300 A 間調節，即電阻在0～10 Ω間可調[4]。將所有放電設備的電阻裝在一臺可移動的小車上，將放電開關及電流表、電壓表安裝在車前面板上，可通過移動小車調節電阻（電流）值。

2 質量控制系統

2.1 電源測量系統

電源測量系統由計算機、數據采集信號箱、信號采集與數據分析軟件及A/D 模塊等組成。數據采集信號箱將待測信號送入A/D 轉換模塊，A/D 模塊可將轉變后的數字信號進行儲存，其具備顯示信號、分析測量和打印圖形的功能[5]。該系統可直接測量高壓電源，使用差分輸入增強抗干擾能力并避免了由測量線接地或共地引起的短路故障；該系統具有多檔位、寬量程、分檔細等特點；該系統還配有LEM 系列的霍爾元件電流互感器，交直流電流均可測量[6]。該測量系統的技術指標見表1。

表1 電源測量系統的技術指標

2.2 測量控制系統

測量控制系統選用微機可編程序控制器，其輸出接點可啟動直流接觸器，直接進行沖擊電流實驗。微機程控器具有16 路的輸出，可設置的時間范圍為0～9 999 ms，可實現限時控制、條件控制、計數控制、定次數自動循環動作和單次動作等，必要時還可以通過編輯程序實現監控和容錯功能。檢測前可根據控制需求進行簡單地編程，通常采用梯形圖編程形式[7]。

3 直流電源檢測實驗的實施

實驗前，一方面，要對產品的銘牌進行核驗，主要核驗生產廠家、參數、產品型號、編號、生產日期等信息；另一方面，要檢查設備的外觀、結構（構建）形式、加工質量（精度）等；最后對設備的圖紙、操作手冊、養護說明等技術文件和隨機資料等進行檢查。實驗進行過程中應進行檢查，在實驗開始前需進行絕緣檢查實驗，絕緣檢查合格后方可進行下一步。實驗檢查有兩種操作：一是人工設置絕緣水平不高于規定值，絕緣檢查裝置應通過聲光信號和相關動作能正確顯示絕緣狀態；二是人為調整控制電源母線電壓，電壓監視繼電器通過相關動作、聲光信號能正確顯示絕緣狀態。實驗結束后，要隨機檢查產品試后情況，檢查設備、儀表、儀器等情況，并對實驗數據進行采集、分析和處理[8]。

直流電源性能檢測實驗可分為3 個組合實驗，即直流電源充電機檢測實驗、電池組容量檢測實驗和電池組基本性能曲線測試實驗。其中上述第1 項為充電機組合實驗項目，第1～2 項為直流電源柜組合實驗項目，第2～3 項為蓄電池組組合實驗項目。

3.1 直流電源充電機實驗

直流電源充電機組合實驗主要含絕緣實驗、穩流穩壓精度實驗、紋波系數測量及溫升等實驗項目。首先，要開展絕緣實驗，電源母線對地50 Hz/2 kV 實驗電壓持續1 min，試品未出現閃絡及擊穿情況視為合格。因絕緣設備通常具有一定的電容，在絕緣實驗項目進行的前后，必須對設備實施充分放電，以保證人員和實驗設備的安全。在進行試品工頻耐壓實驗時，在變壓實驗過程中加在變壓器兩端的額定電壓值要大于實驗設備兩端的電壓值，并且額定電壓的大小必須滿足容量大小的要求[9]。實驗變壓器的最小容量計算公式如式（1）所示。

其中，Cz為實驗設備電容值，U為變壓器的額定電壓，f為實驗過程中電源的工作頻率。

其次，絕緣實驗合格后可開展穩流精度實驗：在充電裝置處于恒流充電狀態下，采用調壓器調整輸入的交流為其額定電流值的110%、100%和90%，調整負載直流為其額定電流值的20%、50%及100%。調整輸出電壓處在最低檔、額定檔、浮充電壓檔及最高檔，分別測量輸出的相應電流值，篩選出上述情況的充電電流的極值。測量出的穩流精度不應大于±5%[10]。上述電流穩流精度計算公式如式（2）所示。

其中，δI為穩流的精度，IZ為交流輸入電壓是額定電壓且電壓處于中間值時的充電電流，IM為電源充電電流的極限值。測試接線圖如圖2 所示。

圖2 穩流精度測試接線圖

穩壓精度實驗：當充電裝置為穩壓充電時，采用調壓設備調整輸入交流電壓為額定電壓值的110%、100%和90%，調整負載直流為其額定值的0%、20%、50%和100%。當直流輸出電壓處于調整范圍的最低值、額定值、浮充電壓值和最高值時，分別測量出相應的輸出電壓值，篩選出上述范圍內充電裝置輸出電壓的極限值[11]。測量出的穩壓精度不應大于±2%。測試接線圖同圖2。

穩壓精度的計算公式如式（3）所示。

其中，δU為穩壓的精度，UZ為輸入額定電壓時在負載電流為50%的額定電流時，輸出的電壓值。UM為直流電源輸出電壓的極值。

再次在示波器頻帶寬為20 MHz 和水平掃描速度在0.5 s/DIV 條件下，測量紋波系數。即在充電裝置處于穩壓狀態時，用調壓設備調整輸入交流電壓為額定電壓值的110%、100%和90%，調整控制母線的負載直流電流為額定電流值的0%、50%和100%，調整控制母線的直流輸出電壓為額定值的90%、100%和125%，同時分別測量充電裝置輸出電壓U、輸出電壓交流分量峰峰值UPP（示波器顯示值）及交流分量有效值Urms（電壓表顯示值）。測出的紋波系數應不大于±2%。測試接線圖同圖2。

紋波有效值系數及紋波峰值系數計算公式如式（4）所示。

其中，Xrms為紋波有效值系數，XPP為紋波峰值系數，Urms是輸出電壓交流分量的有效值，UPP是輸出電壓交流的分量峰峰值，UDC是直流輸出電壓的平均值。

最后，還需進行直流電源溫升檢測實驗，當調整輸出充電浮充電裝置至額定電流值時，每60 min 對變壓器（電抗器）鐵芯、整流管及降壓硅堆外殼溫升測量一次，當溫升穩定時即可停止測量。通過觀察溫度計、點溫計檢測熱電偶測量變壓器鐵芯、晶閘管外殼、降壓硅堆外殼等元部件的溫度變化。或利用電阻法測量電抗器及變壓器線圈溫升來檢測溫升變化情況[12]。

線圈的溫升計算公式如式（5）所示。

其中，k為線圈的溫升，R1為實驗開始前測量線圈的冷態電阻，T1為實驗開始前環境的溫度，R2為實驗后測量線圈的熱態電阻，T2為實驗后環境的溫度。各部件允許溫升值k見表2。

表2 各部件允許的溫升值k

3.2 直流電源柜實驗

使用前除了必須做上述充電機系列檢測實驗外，直流電源柜還需開展噪聲測量、負荷實驗和電源事故放電能力檢測實驗等。

噪聲測量試驗開始前，調整母線的輸出電流為額定電流，在噪聲小于40 dB 的環境下，距電源柜外圍不小于1 m，在1～1.5 m 的高處，使用聲壓計在四周8（2×4 均勻布置）個點進行測量。當測出平均噪聲值小于60 dB 時，認為噪聲測試實驗合格。

負荷實驗主要含沖擊電流實驗及控制母線的連續供電實驗。在進行沖擊電流實驗時，調整母線輸出電流為額定電流值的1/2，調整動力母線的電壓為浮充電壓值，動力母線輸出500 ms 的沖擊負荷，同步測量控制母線電壓，使控制母線電壓值不低于198 V[13]。在進行控制母線連續供電實驗時，調整母線輸出電流為額定電流值的1/2，同時中斷交流電源，并測量控制母線電壓，使控制母線電壓值不低于198 V。連續供電實驗電路如圖3 所示。

圖3 連續供電實驗電路圖

進行電池組容量實驗時，用恒流充電方式對鎘鎳蓄電池組充電，控制充電電流為0.2CA（C為電池組的容量）。用均衡充電方式對鉛酸蓄電池組充電，控制充電電流為0.1CA，充電均壓為2.35n（n為電池的單體個數）。在實驗電池組進行放電實驗時，控制鎘鎳蓄電池組放電電流（180 只）0.2CA，放電終壓為180 V，容量不低于銘牌額定容量[14]。進行鉛酸蓄電池組放電實驗時，控制放電電流為0.1CA，放電終壓為33.25 V，容量應不小于額定容量的90%。電池組容量測試接線及充放電曲線如圖4 示。

圖4 電池組容量實驗接線及充放電曲線圖

進行事故放電能力測試實驗時，控制鎘鎳蓄電池組事故放電電流為0.5CA，控制鉛酸蓄電池組事故放電電流為0.2CA。鎘鎳蓄電池組要求沖擊電流為0.5C+4.5C=5CA，鉛酸蓄電池組要求沖擊電流則為0.2C+2.2C=2.4CA（僅限于100 Ah 及以下）。按相關標準要求，事故電流If要持續放電1 h以上，且要在不斷電狀態下進行沖擊合閘，每次沖擊電流持續時間不低于500 ms，連續重復不少于10 次，兩次實驗間隔時間保持2 s 為宜[15]。實驗程序控制器動作時間整定表如表3 所示，測試接線圖及電壓、電流波形圖如圖5 所示。

表3 程序控制器動作時間整定表

圖5 電池組事故放電能力實驗接線圖及電壓、電流波形圖

3.3 電池組性能曲線實驗

電池組的性能曲線實驗主要含多倍率放電曲線實驗及多倍率放電1 h 后的沖擊放電曲線實驗。電池組測試接線與事故放電能力實驗一致，測試的程序可參照容量實驗及事故放電能力實驗的程序。同一電流狀態下放電的曲線實驗及放電1 h 后沖擊放電的曲線實驗可在同一平臺分步進行。當電池組放電1 h 后，可選擇不同沖擊負載電阻來進行沖擊放電實驗[16-18]。根據上述實驗測得的沖擊縱坐標，繪制出相應的沖擊放電曲線，電池組不同倍率放電曲線見圖6。

圖6 電池組不同倍率放電曲線

4 結論

文中介紹了一種直流電源裝置檢測設備實驗，其實驗手段完整、檢測項目齊全、自動化水平高、測量精度符合計量規定，可開展多種直流電源檢測實驗，分析了它能開展的主要質檢項目。介紹了直流電源檢測系統的質量控制策略，對實驗質量控制關鍵點及關鍵部分做了分析說明。總結了主要直流電源檢測項目實驗的實施要點，對部分電源關鍵參數給出參考值，對進一步提升直流電源綜合檢測實驗質量有一定參考意義。