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電力直流電源裝置測(cè)試技術(shù)探討 杭州高特電子設(shè)備有限公司版權(quán)所有，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載或二次加工，謝謝！ 摘要 隨著電力用戶對(duì)直流電源系統(tǒng)的要求日益提高，對(duì)直流電源的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)等性能參數(shù)也越來(lái)越關(guān)注，針對(duì)直流電源裝置的測(cè)試設(shè)備也已有很多廠家推出。但是由于直流電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試方法和實(shí)施技術(shù)并沒(méi)有非常明確的規(guī)定，到目前為止也沒(méi)有針對(duì)測(cè)試設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以各個(gè)廠家，包括電力用戶，對(duì)測(cè)試方法的實(shí)施技術(shù)都有著各自的理解。本文針對(duì)直流電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的理解和測(cè)試技術(shù)做一些探討。 　　關(guān)鍵詞 直流電源標(biāo)準(zhǔn) 穩(wěn)壓精度 穩(wěn)流精度 紋波系數(shù) 　　一. 概述 　　2005年6月，國(guó)網(wǎng)公司針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況，提出了《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》，其中規(guī)定： 　　13.2.1.1 新擴(kuò)建或改造的變電站選用充電、浮充電裝置，應(yīng)滿足穩(wěn)壓精度優(yōu)于0.5%、穩(wěn)流精度優(yōu)于1%、輸出電壓紋波系數(shù)不大于1%的技術(shù)要求。在用的充電、浮充電裝置如不滿足上述要求，應(yīng)逐步更換。 　　13.2.1.2 應(yīng)定期對(duì)充電、浮充電裝置進(jìn)行全面檢查，校驗(yàn)其穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)，不符合要求的，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，以滿足要求。 　　第一次把對(duì)直流電源系統(tǒng)的定期檢查和校驗(yàn)提到了安全反措的高度，并提出了整改要求。同時(shí)提出了具體的實(shí)施規(guī)范：《附件九：直流電源系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(附編制說(shuō)明)2005》、《附件六：預(yù)防直流電源系統(tǒng)事故措施(附編制說(shuō)明)2005》、《附件七：直流電源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范2005》等。 　　為了解決目前直流電源系統(tǒng)在變電站現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)施對(duì)技術(shù)參數(shù)的檢查和校驗(yàn)的現(xiàn)狀，很多儀器設(shè)備制造廠家開(kāi)發(fā)了能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試直流電源參數(shù)的直流電源或充電機(jī)的測(cè)試儀器。 　　但是，由于各自對(duì)參數(shù)的定義和標(biāo)準(zhǔn)的理解不一致，導(dǎo)致了測(cè)試方法和技術(shù)的各式各樣，千差萬(wàn)別。 　　二. 標(biāo)準(zhǔn)的定義和理解 　　在目前電力直流電源的標(biāo)準(zhǔn)中，主要的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是：DL/724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》，GB/T19826-2005《電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求》和DL-459-2000《電力系統(tǒng)直流柜訂貨技術(shù)條件》，都對(duì)穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)作了定義，也提出了測(cè)試方法。尤其是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19826-2005對(duì)測(cè)試方法作了較清楚的描述，并給出了測(cè)試圖和測(cè)試設(shè)備要求。 　　下面是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中部分相關(guān)內(nèi)容的復(fù)制，詳細(xì)內(nèi)容介紹，請(qǐng)查閱標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。 　　1、 試驗(yàn)接線圖和測(cè)試設(shè)備的要求 　　6.3 穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度及紋波系數(shù)試驗(yàn) 　　6.3.1 試驗(yàn)線路圖 　　試驗(yàn)接線如圖 1 所示。 　　2R ——可調(diào)電阻器 　　1PA——電流表 　　1PV——直流電壓表 　　2PV——交流電壓表 　　3PV——交流毫伏表 　　1PR——示波器 　　2、 測(cè)試方法 　　6.3.2 穩(wěn)流精度試驗(yàn) 　　6.3.2.1 充電裝置在恒流充電狀態(tài)下，充電電流設(shè)定為表 2 規(guī)定的整定范圍內(nèi)任一點(diǎn)，交流輸入電壓 　　在(85%～115%)額定值(電壓表 2PV 所示值)內(nèi)變化，調(diào)整充電電壓在表 2 規(guī)定的變化范圍內(nèi)變化，分別測(cè)量充電電流(電流表 1PA 所示值)，找出上述變化范圍內(nèi)充電電流的極限值 IM。 　　6.3.3 穩(wěn)壓精度試驗(yàn) 　　6.3.3.1 充電裝置在穩(wěn)壓狀態(tài)下，直流輸出電壓設(shè)定為表 2 規(guī)定的整定范圍內(nèi)任一點(diǎn)，交流輸入電壓 　　在(85%～115%)額定值(電壓表 2PV 所示值)內(nèi)變化，調(diào)整負(fù)載電流為 0～100%額定值(電流表 1PA所示值)，分別測(cè)量其充電裝置的輸出電壓(電壓表 1PV 所示值)。找出上述變化范圍內(nèi)充電裝置輸出電壓的極限值 UM。 　　6.3.4 紋波系數(shù)試驗(yàn) 　　6.3.4.1 示波器要求：示波器頻帶寬 20 MHz，水平掃描速度 0.5 s/DIV。 　　6.3.4.2 充電裝置在穩(wěn)壓狀態(tài)下， 直流輸出電壓設(shè)定在表 2 規(guī)定的整定范圍內(nèi)， 交流輸入電壓在 (85%～115%)額定值(電壓表 2PV 所示值)內(nèi)變化，調(diào)整負(fù)載電流為 0～100%額定值(電流表 1PA 所示值)，分別測(cè)量充電裝置的輸出電壓 UDC (電壓表 1PV所示值)、輸出電壓的交流分量峰一峰值 Upp (示波器 1PR所示值)和交流分量有效值 Urms(電壓表 3PV 所示值)。 　　3、 對(duì)測(cè)試儀器要求的理解 　　從以上標(biāo)準(zhǔn)的描述中可以看出，測(cè)試直流電源的儀器應(yīng)滿足以下要求： 　　1、具有一個(gè)可以在額定交流輸入電壓的85%～115%范圍設(shè)置的、向充電機(jī)供電的交流電源，一般是一個(gè)可連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)壓器，它的輸出范圍是323～437V，可手動(dòng)或自動(dòng)控制。 　　2、具有一個(gè)連續(xù)可變化的電阻負(fù)載，這個(gè)負(fù)載在測(cè)試穩(wěn)壓精度時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻大小控制充電機(jī)輸出的電流，在測(cè)試穩(wěn)流精度時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻大小控制充電機(jī)輸出的電壓，可手動(dòng)或自動(dòng)控制。 　　3、具有一個(gè)符合交流毫伏表性能的表計(jì)，用于紋波有效值的測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確采用何種交流毫伏表。但因?yàn)槲覀円獪y(cè)試的直流電源頻率可能在300HZ～100KHZ之間，(相控電源的斬波頻率為300HZ，高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率一般在40KHZ~100KHZ)，所以，一般要求該交流毫伏表的頻響不低于100KHZ。一般的數(shù)字式萬(wàn)用表頻響都很低，只有100～1000HZ，不宜用于對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源的紋波有效值測(cè)量。 　　4、具有一個(gè)符合示波器性能的表計(jì)，它的通道帶寬為20MHZ，能夠顯示峰值、谷值，及記錄峰峰值用于計(jì)算。如果采用其它的測(cè)試方法，則必須滿足采樣頻率的要求，因?yàn)楦哳l開(kāi)關(guān)電源的斬波頻率一般在40～100KHz，紋波的尖峰一般在微秒級(jí)，甚至更小，如果對(duì)微秒的尖峰要采到較完整的波形，采樣要求一個(gè)周波20個(gè)點(diǎn)，則采樣頻率即為20MHz。 　　5、由于儀器需要用于測(cè)試紋波，所以要采取技術(shù)手段使儀器自身可能產(chǎn)生的干擾減少到最小。所以儀器中不宜使用帶有開(kāi)關(guān)斬波的電路，如電子斬波的調(diào)壓器、斬波負(fù)載等，對(duì)其它電路也應(yīng)做好退耦和隔離。 　　6、考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，要盡可能的使操作方便，或采用自動(dòng)測(cè)試，并應(yīng)具備數(shù)據(jù)保存、報(bào)表輸出等功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)直流電源的快速檢查和校驗(yàn)。 　　三. 測(cè)試方法討論 　　按照標(biāo)準(zhǔn)所定義的電路和符合要求的儀器接線后，就可以開(kāi)展對(duì)直流電源的參數(shù)測(cè)試。 　　穩(wěn)壓精度和穩(wěn)流精度的測(cè)試操作大家都已經(jīng)很熟悉了，只要測(cè)試儀器能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)控制的范圍，測(cè)試精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求就可以了。這里不再贅述。 　　但紋波測(cè)試就不是那么簡(jiǎn)單了，按照GB/T19826-2005標(biāo)準(zhǔn)用示波器示值讀出交流分量峰-峰值，或按照DL/724-2000標(biāo)準(zhǔn) 　　3.12 紋波系數(shù)( ripple factor) 　　充電裝置輸出的直流電壓中，脈動(dòng)量峰值與谷值之差的一半，與直流輸出電壓平均值之比。按以下公式 　　計(jì)算： 　　式中 ―― 紋波系數(shù) 　　f―― 直流電壓中的脈動(dòng)峰值 　　g―― 直流電壓中的脈動(dòng)谷值 　　UP―― 直流電壓平均值 　　我們都不知道峰值和谷值如何讀到。當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)電源的頻率為40KHZ~100KHZ時(shí)，紋波的寬度往往只有幾個(gè)微秒，甚至小于1個(gè)微秒，如圖： 　　當(dāng)用水平掃描速度 0.5 s/DIV去讀取時(shí)，波形全被擠在一起了，況且用于紋波本身的跳變，波形將變得模糊而難以準(zhǔn)確讀取。在5 ms/DIV時(shí)的圖： 　　為了驗(yàn)證示波器測(cè)試紋波的峰峰值，我們用示波器對(duì)同一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)電源模塊，在很短的時(shí)間里，連續(xù)測(cè)試5次，保存示波器輸出的圖形和數(shù)據(jù)，如圖： 　　Fig.1 Fig.2 　　 　　Fig.3 Fig.4 　　Fig.5 　　可以看出，每次測(cè)試得出的波形和數(shù)據(jù)都不完全一樣，波形差得不多，但峰峰值和均方根值相差很大。 　　顯然，哪怕用示波器測(cè)試，也會(huì)由于紋波本身的波動(dòng)跳變及測(cè)試抓取的波形段不同而帶來(lái)很大的誤差。 　　四. 我們的測(cè)試方法 　　為了在一個(gè)連續(xù)的高頻波形中獲取峰值和谷值，我們采用了高速數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集記錄紋波數(shù)據(jù)，采樣頻率達(dá)到了20MHZ/s，并且具有足夠大的數(shù)據(jù)記錄存貯深度，所獲取的數(shù)據(jù)按一定的算法經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析，找到最大、最小的峰值，計(jì)算出紋波中出現(xiàn)的最大峰峰值。 　　實(shí)際測(cè)試結(jié)果證實(shí)，對(duì)以上同樣的開(kāi)關(guān)電源模塊，在很短的時(shí)間里，連續(xù)測(cè)試5次，數(shù)據(jù)基本相同，測(cè)試的重復(fù)性很好。截屏保存輸出的圖形和數(shù)據(jù)，如圖： 　　在實(shí)際使用中，用戶非常關(guān)心紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性，這取決于測(cè)試儀器的通道頻響帶寬、采樣頻率和采樣精度，但用戶很難去區(qū)分和驗(yàn)證。 　　如果測(cè)試實(shí)際開(kāi)關(guān)電源模塊的紋波進(jìn)行校驗(yàn)是很困難的。因?yàn)閷?shí)際開(kāi)關(guān)電源輸出的紋波往往會(huì)有不規(guī)則的波動(dòng)，使得示波器的顯示跳動(dòng)、模糊，讀數(shù)非常困難。而且由于采樣同步和顯示方法的差異，波形之間很難進(jìn)行比對(duì)，更不要說(shuō)精度校驗(yàn)了。所以實(shí)際進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，建議采用標(biāo)準(zhǔn)波形比對(duì)法。如采用信號(hào)發(fā)生器，發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)10～100KHZ，Vpp=2V的方波，觀察比對(duì)測(cè)試波形是否畸變，波形的頻率和幅值是否準(zhǔn)確。 　　五. 結(jié)束語(yǔ) 　　直流電源的定期檢查和校驗(yàn)對(duì)提高直流電源系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義，因而需要有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直流電源的測(cè)試儀器，但對(duì)測(cè)試方法和技術(shù)還有待明確和規(guī)范，這是實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確統(tǒng)一的一個(gè)首要條件，值得大家探討。