直流电器测试控制设备研究

李 野，谢晓玲，谢丰琴

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆401120）

直流电器测试控制设备研究

李 野1，谢晓玲1，谢丰琴2

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆401120）

根据GB 14048.1－2012等标准的要求，研发了用于直流配电电器及控制电器的大容量检测装置。根据标准要求在直流大容量试验设备的开发中借鉴了调速控制的方式，用调速器来控制可控硅，实现了直流大容量试验的数字化控制，电压的调节也更加简单。在直流大容量试验中实现了电压从0V－938V的平滑调节，提高了直流电器的测试水平。

直流电器；电器测试；控制设备

1 引言

21世纪被称为可再生能源的世纪，预计可再生能源利用技术、新型发电技术将会有重大突破，其在工业应用中的规模将有大幅度提高［1］。据统计全世界有66%的能源被白白浪费掉，因此能源的高效利用技术将得到广泛应用。节约技术、节能技术将是未来发展的重要技术，这些技术包括：联合循环、联电联产、热泵、高效节能灯、建筑节能技术、电力电子技术、能源效益审计等。随着电力技术的发展，要实现节约型社会目标，最主要的是采用直流供电技术，它将在各个领域中发挥重要作用。

信息产业的蓬勃发展迎来了通讯电源、EPS、UPS等直流电源行业的大发展，直流断路器作为直流电源中各级馈电回路中最重要的操作和保护元器件，以其可靠的选择性分级配合对保护设备、限制事故范围起着非常重要的作用。目前我国的城市轨道交通体系均采用直流系统供电，而其直流电源大多由大功率硅整流装置提供，硅整流装置元器件因过载能力低，对直流电网保护元器件的要求更高［2］。快速分断的直流专用断路器是轨道交通中的重要元器件。

直流供电技术具有广阔的应用前景，是电力系统未来的发展方向，与之配套的直流电器产品种类会越来越多，电压、电流的等级也会越来越多，因此，直流电器产品最终将成为电器产品的主要构成部分。

2 总体思路

通断能力试验是模拟性试验，主要模拟电路中发生各种过载或短路故障时，电路中安装的开关电器是否能及时可靠地接通和分断此故障电流；并且开关电器除必须可靠通断所有故障电流外，还要能频繁地通断正常的工作电流，即非故障电流［3］。

直流通断能力试验是考核或研究用于直流电路中的开关电器的接通和分断能力的。直流通断能力试验除电源和部分试验设备与交流通断能力试验有所不同外，其它都很接近［4］。

3 直流通断能力试验系统

直流通断能力试验的试验设备包括电源、保护开关和合闸开关、控制和测量设备、负载阻抗等几个部分。图1所示给出了直流通断能力试验的主电路原理图。

图1 直流通断能力试验的主电路原理图

3.1 试验电源设备

直流通断能力试验的电源设备有三种：蓄电池组、直流发电机组和整流装置。蓄电池组作为直流试验电源的优点是电压很稳定，不会受外界的干扰和影响，且电压和电流纹波系数都为零。缺点是蓄电池组需要反复充电、维修麻烦及使用寿命较短等［5］。因此，蓄电池组一般只在特殊情况下才采用。直流发电机组作为直流试验电源的优点是电压可以均匀调节，电压的脉动分量很小，电压值比较稳定，而且对电网影响小；直流发电机组作为直流试验电源的缺点是机组有机械转动部分，因此噪音大，维修也麻烦，而且过载能力也差。除上述两种试验电源外，目前用得更普遍的是整流装置。整流电源装置的整流部分主要由硅整流二极管串并联组成，并配有可变换电压的整流变压器。整流电源装置的优点是无机械转动部分，也不必像蓄电池组那样要经常充电，维修和使用都比较方便。

3.2 保护开关和合闸开关

保护开关有3个作用：一是经常用于空载接通或分断试验电源；二是在试验过程中，如果试品不能分断试验电流时，可用保护开关及时切断此电流；三是一旦试验电路发生短路故障，保护开关可瞬时分断此故障电流［6］。合闸开关只担任“合闸”试验电流的任务，它只要具备能可靠接通最大可能的试验电流的能力即可。

3.3 测量设备

通断能力试验过程中必须测量的参数主要有电压、电流、功率因数、燃弧时间等［7］。这些被测参数多是瞬变量。因此，除采用常规测量仪表外，还要有专用的示波器，即既要测量被测参数的量值，还要显示和记录被测参数的波形和瞬变过程。

3.4 负载阻抗

通断能力试验所用的负载阻抗由可调电抗器和可调电阻器二者串联组成。它的作用是调节试验电流大小和试验电路功率因数大小。

4 直流电源系统研究

目前，国内外大功率整流电源输出直流电压的控制方式有两种，即大功率二极管整流机组的调压和大功率晶闸管整流机组的调压方式。目前国外大功率整流电源中，采用6英寸硅片的大功率整流二极管或晶闸管，如 ABB、FUJI等公司［8］。那么，选用合适的直流通断能力试验的电源设备，需要对市场上常用的整流电路和电源输出方式作比较，比较情况如表1所示。

表1 各种整流电路优缺点比较

从表1对比可以看出，直流通断能力试验可采用电容滤波的三相不可控整流电路，在电路中，最常用的是三相桥式结构，如图2所示。

图2 三相桥式电路结构模型

三相桥式电路结构采用晶闸管三相全控桥整流电路，由T1T3T5组成共阴极，T4T6T2组成共阳极。共阴极组和共阳极组的每两个晶闸管相互换流，为了形成电流回路，必须使两组中（正组晶闸管T1T3T5和反组晶闸管T4T6T2）应导通的那两个晶闸管同时有触发脉冲［9］。其电路在工作时产生的整流电压、电流波形如图3所示。

图3 整流电路电压、电流波形

直流通断能力试验系统中采用直流调速装置6RA70，两片高性能微处理器80C163和80C167，来完成电枢和励磁回路所有从速度设定到触发脉冲形成的各种调节、传动控制功能，以及信息控制等各种辅助功能，是新一代高性能的全数字直流调速装置［10］，其硬件模板按图4所示的接线方式边连接。

图4 6RA70硬件模板连接示意图

晶闸管作为整流电路的核心，在本直流通断能力试验系统中占据至关重要的位置，一旦由于过电流、过电压而导致晶闸管被击穿，就会造成重大的运行事故。因此，必须对整流主电路采取相应保护措施。本系统选用直流调速装置6RA70，其控制方式采用可控硅触发的控制，具有可控硅的保护、过电流保护等性能特点，能有效提高本直流通断能力试验系统的可靠性和稳定性。

5 回路阻抗设备

一般来说，电器试验站的设计就是尽量减少回路固有阻抗而达到利用最小的成本出力最大的目的，所以试验变压器一般都放置于离通断试验室尽量近的地方，对于电路中的保护开关、合闸开关一般都在安装在墙上以减小阻抗，而前级电感、前级电阻的出线端设置短路试验工位，而在短路试验工位旁设置带有后级阻抗的通断试验工位，根据业务量或者用户的需要设置通断试验工位的数量［11］。选相用的检测设备主要采用的技术是通过机械式开关，靠人工操作来实现，传统的机械式开关无法实现任意开通角度和输出波形的控制。

6 开发特点及适用范围

6.1 开发特点

为了适应行业电器产品发展的需要，建立了直流大容量试验设备，在直流大容量试验设备的开发中，借鉴调速控制的方式用调速器来控制可控硅。采用调速器来控制可控硅，实现了直流大容量试验的数字化控制，电压的调节也更加简单，电压输出更为灵活。该系统有广阔的发展前景，可以满足交直流通断能力、耐受电流能力等开关电器试验，并可进一步扩充，其特点如下。

在直流大容量试验设备的开发中借鉴了调速控制的方式用调速器来控制可控硅。

由于采用了调速器来控制可控硅，实现了直流大容量试验的数字化控制，电压的调节也更加简单。在直流大容量试验中实现了电压从0V－938V的平滑调节。

根据电源及设备参数配置了高精度电阻器以及电抗器，既满足了标准要求，也保证了电流调节的精度。

6.2 适用范围

该设备电压调节简单，范围灵活，在测试的可靠性与准确性、试验方法的科学性和提高直流电器的测试水平等方面具有明显优势，在低压电器试验领域中，技术进步创新并带来了明显的社会效益。满足电厂、变电站直流系统；工业、基础设施等领域的直流系统；公商建直流监控系统等的应用要求，全面保证直流场合的供电及负载的安全稳定［12］。

7 结束语

在设备的开发中借鉴了调速控制的方式，采用调速器来控制可控硅。采用了调速器来控制可控硅，实现了直流大容量试验的数字化控制，电压的调节也变得更加简单。在直流大容量试验中实现了电压从0V－938V的平滑调节。根据电源及设备参数配置了高精度电阻器以及电抗器，既满足了标准要求，也保证了电流调节的精度。该成果使直流系统更加安全、可靠。同时，也以更全面、有效的解决方案服务于市场需求，满足最苛刻的安全性、可靠性、能效及环境要求。电压调节简单，范围灵活，在测试的可靠性与准确性、试验方法的科学性和提高直流电器的测试水平等方面具有明显效果。

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Research on test control device of DC electric appliance

LI Ye1，XIE Xiao－ling1，XIE Feng－qin2
（1.Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；2.Chongqing Rail Transit（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China）

According to the requirements of standards such as GB 14048.1－2012，a large capacity test device for DC distribution appliance and control device is developed.According to the standard requirements，in the development of DC large capacity test device，the speed control method is used for reference and the SCR is controlled by governor to realize digital control for DC large capacity test，and voltage adjustment is also simpler.The voltage smooth adjustment from 0 V to 938 V is realized in the DC large capacity test，and the test level of DC electric appliance is improved.

DC electric appliance；appliance test；control device

TM301.2

A

李 野（1973－），男，本科，助理工程师，研究方向为电工电气控制。

2017－05－01

1005—7277（2017）02—0019—04